武汉市大气污染特征及变化趋势

杨小露，李海波，李成，刘琳

(1.湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062；2.武昌理工学院生命科学学院，湖北 武汉 430223)



武汉市大气污染特征及变化趋势

杨小露1，李海波1，李成1，刘琳2

(1.湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062；2.武昌理工学院生命科学学院，湖北 武汉 430223)

以2013—2015年武汉市大气污染物特征及变化趋势为研究对象，对大气污染物综合指数和各污染物单项指数进行分析.其主要结论是：大气污染冬季的污染状况比夏季严重，其中空气质量2013年优于2015年，2014年最差；根据各污染物单项指数，确定颗粒物(PM2.5)为大气污染的主要因子；PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的浓度冬季大于夏季，O3的浓度夏季大于冬季；根据各污染物之间相关性及气象因素的分析，PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO之间均成正相关关系，其中PM2.5与CO的相关性为0.901(P<0.01)，接近1，说明CO对PM2.5的形成有直接作用；污染物与气象因素的相关性分析，几种污染物与气压、降水量、气温有明显的相关性；根据聚类分析，大气污染变化趋势与季节有关，季节变化特征为夏季>春秋季>冬季.

大气污染物；空气质量；污染特征；变化趋势

0 引言

随着城市的建设发展，由此带来的大气污染问题也越来越多，大气污染不仅影响了环境质量状况，还对人体健康造成巨大的危害.近年来，国内外大量的流行性病学研究证实，大气污染物可引起呼吸系统及心脑血管等多种疾病，如肺炎、高血压、心脏病等，尤其是在大气污染严重的城市，这些疾病的发病率已增加了30%[1].大气污染物主要有PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3，其中PM2.5和PM10属于颗粒污染物，SO2、NO2、CO、O3属于气态污染物.

1 数据来源

数据来源于湖北省环保厅公布的《湖北省环境空气质量报告》(月报)，月报形式为环境空气质量综合指数、大气污染物单项指数、污染物浓度.气象数据来源于中国地面气候资料国际交换站数据集，用 Excel 2010、SPSS 22.0软件统计分析数据．

环境空气质量综合指数是描述城市环境空气质量综合状况的无量纲指数，它综合考虑了SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3等6项污染物的污染程度，环境空气质量综合指数数值越大表明综合污染程度越重.环境空气质量综合指数计算方法如下：

1) 计算各污染物的统计量浓度值.统计各城市的SO2、NO2、PM10、PM2.5的月均浓度，并统计一氧化碳(CO)日均值的第95 百分位数以及臭氧(O3)日最大8 h值的第90 百分位数.

2) 计算各污染物的单项指数. 污染物i的单项指数Ii按式(1)计算：

(1)

式中：Ci——污染物i的浓度值，当i为SO2、NO2、PM10及PM2.5时，Ci为月均值，当i为CO和O3时，Ci为特定百分位数浓度值；

Si——污染物i的年均值二级标准(当i为CO时，为日均值二级标准；当i为O3时，为8 h均值二级标准).

3) 计算环境空气质量综合指数Isum.环境空气质量综合指数的计算需涵盖全部六项污染物，计算方法如(2)所示：

(2)

式中：Isum——环境空气质量综合指数；Ii——污染物i的单项指数，i包括全部6项指标.

2 环境空气质量标准

根据2012年发布的《环境空气质量标准》，分“基本项目”和“其他项目”，分别规定了环境空气污染物浓度限值.“基本项目”包括颗粒物(PM2.5)、颗粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)，其他项目包括总悬浮颗粒物(TSP)、氮氧化物(NOx)、铅(Pb)、苯并[α]芘(B[α]P).

表1 环境空气污染物基本项目控制限值[3]

图1 2013—2015年每月综合指数变化趋势图

3 武汉市主要大气污染物含量和变化趋势

3.1 武汉市环境空气综合指数变化趋势 根据图1可知：1) 2013—2015年空气质量综合指数的变化趋势相同，都是先降低再升高，变化曲线为“U”形，表明2013—2015年的空气质量夏季好于冬季.2) 比较2013—2015年空气质量状况，2013年空气质量最好，2015年其次，2014年最差.3) 逐月比较发现，1月份的环境空气状况最差，7月份的环境空气质量状况最好，这是因为武汉市冬季降水量少和冬季北方地区产生的污染物在北风影响下进入，因此影响空气质量.

3.2 2014、2015年武汉市大气污染物变化趋势 为了解各大气污染物的浓度变化趋势和主要影响因子，污染物浓度的变化主要受污染源的排放、沉降、氧化速率及降水等因素的影响[4].选取2014、2015年每月的主要污染物浓度进行分析.为了更好地比较哪种污染物是主要因素，计算污染物的单项指数.污染物i的年均值二级标准见表1,根据公式(1)，得出单项指数见表2.

表2 2014、2015年武汉市主要大气污染物单项指数表

根据表2的数据得出以下结论，2015年比2014年平均的大气污染物的浓度有明显下降，其中PM2.5浓度下降最多，比2014年下降了16.5%，PM10比2014年下降了7.5%，NO2比2014年下降了8.6%，SO2比2014年下降了14.2%.O3比2014年上升了2.4%.CO浓度与2014年保持不变.总体上2015年武汉市空气质量较2014年有较大的提高. 对比单项污染物得出以下结论：

1) 2014、2015年武汉市主要大气污染物的单项指数均为PM2.5>PM10>NO2>O3>CO>SO2，因此导致大气污染的首要因素是颗粒物污染物PM2.5和PM10.对比2014年和2015年的大气污染物单项指数变化趋势可知2015年的大气环境/2014年有了明显的改善，尤其是PM2.5的单项指数最大值下降明显.近年来武汉市加强了环境方面的治理，禁止燃放烟花爆竹、禁止焚烧秸秆、惩治超标排放的工业企业等一系列的措施使污染状况有所改善.

2) PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的单项指数都随着月份的变化先减小后增大，主要是因为冬季容易出现逆温现象，由于冬季地面对于大气是冷源，尤其是夜间辐射降温明显，近地面的大气温度比上层大气温度低，造成大气层结稳定，空气无法上下对流，污染物积聚就很难扩散.夏季则相反，地面对于大气是热源，大气垂直运动活跃，就不易出现逆温现象[5].武汉市属夏季多雨地区，降雨对大气污染物有稀释作用，因此冬季的污染状况比夏季严重.

3) O3的单项指数是先增大后减小，主要原因是因为夏季天气更容易生成光化学污染，气温高、紫外线强，机动车排放的污染物中，含大量的氮氧化物和挥发性有机物，它们在太阳光照射下，会发生一系列反应，生成臭氧[6].

4) PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的单项指数在10月份都有增加的趋势，特别是PM2.5、PM10、NO2较前期都有明显的上升趋势，根据成海容等人对武汉市城区大气 PM2.5的碳组分与源解析污染物来源分析[7]，武汉市PM2.5来源于汽车尾气、扬尘、二次污染、生物质燃烧.在其他污染源相对稳定的状态下PM2.5上升的可能性是10月份武汉市市郊及周边省市的地区秸秆燃烧导致.

5)2014、2015年的PM10、NO2、CO单项指数在3—5月期间有小幅度的上升，其中PM10上升最为明显，根据污染物的来源分析，PM10主要来源于汽车尾气、扬尘、燃煤等，因此3—5月份污染较为严重的原因是北方沙尘暴天气导致.

3.3 几种大气污染物之间及气象因素的相关性分析

3.3.1 污染物与气象因素的相关性分析 将2015年的大气污染物单项指数与对应的气象因素(气压、气温、降水量、湿度、风速)进行相关性分析结果如表3.

表3 2015年空气质量与气象因素的相关性分析

从表3可以看出气压与PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2呈显著的正相关，与O3呈显著负相关；气温与O3呈显著正相关，与PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2呈显著负相关；降水量与PM2.5、SO2、CO呈正相关，与PM10、NO2不相关，与O3呈显著负相关；湿度和风速与6种污染物都没有明显的相关性.这是因为气压越高，盛行下沉气流，使得大气层结维持相对稳定[8]，不利于污染物的扩散，因此气压越高，污染越严重，与O3负相关可能是由于O3来源于臭氧层，地面的空气越稳定，O3向下扩散的速度越慢，因此O3浓度反而较低；气温与O3呈正相关是由于温度升高会加速臭氧的分解速度，O3的浓度就会高，其他污染物随着气温的升高而下降是由于高温加速了大气的流动速度，有助于污染物的扩散；降水量对污染物的影响应该是具有较为明显的去除作用PM2.5、SO2、CO3种污染物的浓度都随着降水量增多而下降，O3的浓度上升是由于降水量的减少造成的晴热天气增多加速臭氧分解， PM10、NO2浓度不随降水量变化而变化可能是由于降水的双重性以及一次性降水量的多少；湿度和风速的双重影响导致几种污染物与他们不相关，污染物具有一定的吸湿性，污染物吸附在水分子上，使本身的重量增多，污染物浓度增大，但是达到一定的重量时又会加快沉降速度，污染物浓度降低；风速的影响，大风的确可以较快地清除空气中的污染物，但是同时也会引入外源污染以及卷起地上的尘土等污染物，因此风速和湿度与污染物的相关性不明显.以上说明污染物与气象因素有较为明显的相关性，大气污染物的浓度与气象因素有关.

3.3.2 污染物之间的相关性分析 大气污染物浓度除了与降雨量、风速、风向等气象因素有关，还与其他的大气污染物有关.研究污染物之间的相关性很有必要.利用SPSS软件进行各污染物浓度的相关性分析，得出结果如表4.

表4 大气污染物之间的相关性

图2 污染物与季节变化聚类分析树状图

根据SPSS分析结果可知，PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO之间均成显著正相关关系.其中PM2.5与CO的相关性为0.901(P<0.01)接近1，两者相关性极显著，根据污染源分析，CO一般来源于生物质燃烧和汽车尾气，PM2.5来源于汽车尾气、二次污染、扬尘、生物质燃烧，两者的相关性是由于他们具有相同的来源.另外SO2、NO2、PM10与PM2.5的相关系数分别为0.877、0.730、0.876，PM10与PM2.5存在包含关系因此关系显著，SO2、PM10、PM2.5与NO2呈相关性可能是由于污染物的来源，SO2来源于含硫物质的燃烧以及工业排放，并且大气中的SO2可以通过气相或液相氧化反应可直接生成 H2SO4，再与大气中的NH3作用产生硫酸铵，所以 SO2是形成 PM2. 5二次颗粒的主要气态前体物[9].NO2主要来源于汽车尾气，并且 NO2经过一系列光化学反应形成的硝酸盐类也是PM2.5的主要成分.O3与PM2.5呈显著负相关，是由于颗粒物具有消光作用，可以吸收和散射太阳辐射，从而减少O3的生成[10].SO2、NO2、CO3种气态污染物之间也存在极为显著的相关性，3种污染物的显著相关性可能与他们的来源有关，CO、NO2一般来源于汽车尾气，CO和SO2来源于燃料燃烧、工业废气等，所以CO与SO2、NO2的相关性极显著，SO2和NO2虽然可能来源不同但是借助CO的关系，相关性也比较显著，另3种污染物的变化趋势一样，说明 3种气态污染物存在相关性，3种气态污染源可以互相影响.说明污染物之间的相关性与他们的污染源有关.

3.4 大气污染物与季节变化的关系分析 根据2013-2015年的大气污染综合指数图可以看出，大气污染物与季节变化呈现一定的变化趋势.为了更清晰了解大气污染和季节变化之间的关系，以2015年大气污染物单项指数为依据用SPSS进行聚类，分析见图2.

根据图2，可以将大气污染程度按照月份分为四类，1月为一类，2月、12月为一类、3、4、5、10月为一类，6、7、8、9、11月为一类.按照分类，除了1月份由于污染较为严重单独分为一类，其他分类均与季节有关.其中3、4、5月属于春天，主要污染物为PM10是由于北方沙尘天气导致，10月份与3、4、5月的天气状况分为一类可能是由于10月份是季节转换和秋收的秸秆焚烧引起，而6、7、8、9月正是武汉的夏季，除了O3浓度有所上升以外，其他污染物都比其他几个月低，1、2、12月中，1月空气污染最严重，与冬季供暖和降雨量减少、逆温现象有关，降雨可以帮助稀释大气污染物，而逆温现象导致大气流动慢，低层空气无法得到扩散是冬季空气质量比夏季差的主要原因.由此得出结论，大气污染状况与季节变化有关，夏季空气质量状况为一类，春秋季大气质量状况为一类，冬季质量状况为一类，空气质量优劣排列情况为夏季>春秋>冬季.

4 结论

1) 大气污染物年度变化：2013—2015年中，空气质量状况2013>2015>2014.2015年的空气质量相比2014年有较大的改善，尤其是PM2.5，说明在空气污染治理上取得了一些进步.

2) 大气污染物的季节变化：污染物在冬季的浓度比夏季高，主要原因是冬季受北方大气污染影响和大气稳定度、降雨量少等因素影响.在春季和10月份出现两次小幅度的增长与北方沙尘暴和燃烧秸秆有关.建议在降雨量少时，可以适当采用人工降雨. O3的浓度夏季>冬季是由于夏季天气更适合生成光化学污染，气温高、紫外线强，机动车排放的污染物中，含大量的氮氧化物和挥发性有机物，他们在太阳光照射下，会发生一系列反应，生成臭氧.建议低碳出行，汽车使用应定期进行环保检查，对超标车辆严格控制和及时处理.

3) 污染物之间关系：污染物之间的相关性与它们的污染源有关，污染源重复越多的，相关性越高，除O3以外，其他5种污染物之间都存在正相关.5种污染物与O3之间存在负相关，是由于臭氧的变化趋势与其他几种污染物正好相反，且颗粒污染物的消光性使臭氧产生减少.建议减少含硫燃料燃烧，工业企业采用脱硫脱硝工艺设备，严格控制污染源排放.通过控制其他容易控制的污染物达到综合治理的目标.

4) 污染物与气象因素之间关系：污染物与气象因素之间具有相关性，尤其与气压、气温、降水量之间有较为明显的相关性，但是风速和湿度之间没有明显的相关性，这是由于风速和湿度的双重性质造成的，在清除污染的过程中容易产生新的污染物.在以后的大气污染治理上，结合气象条件，充分利用气象优势加快污染物的扩散，在不良气象环境中，尽量减少污染物的排放.

5) 污染物聚类分析：聚类分析结果3、4、5、10月为一类，6、7、8、9、11月为一类，2、12月为一类，1月单独为一类，说明大气污染状况基本上与季节变化有关.

[1] 兰岚. 金昌市大气污染对人体健康的影响研究[D].兰州：兰州大学, 2013:1-2.

[2] 曾凡.武汉市光谷局域地区环境空气中颗粒物分布特征研究[D].武汉：华中科技大学,2011:8-9.

[3] GB 3095-2012,环境空气质量标准[S].北京:环境保护部,2012.

[4] 胡辉,谢静,侯棋棕.武汉市大气中TSP、SO2、NOx、CO的变化规律研究[J].环境保护科学,2002,28(109):1-3.

[5] 刘永林,孙启民,钟明洋.重庆市主城区PM2.5时空分布特征[J].环境科学,2016,37(4):1219-1229.

[6] 连东英,林长城,郭进敏.气象条件变化对三明市空气质量的影响[J].安徽农业科学,2010,38(35):20199-20202.

[7] 成海容, 王祖武,冯家良.武汉市城区大气 PM2.5的碳组分与源解析[J]. 生态环境学报,2012, 21(9): 1574-1579.

[8] 林长城,王宏,陈彬彬.厦门市空气质量时空分布特征及其与气象条件的关系[J].福建农林大学学报,2010,39(1):79-83.

[9] 崔淑华,倪艳姝.城市主要气体污染物与PM2.5相关性建模分析[J].森林工程,2016,32(2):65-68.

[10] 洪盛茂,焦荔,何曦.杭州市区大气臭氧浓度变化及气象要素影响[J].应用气象学报,2009,20(5):602-610.

(责任编辑 游俊)

Atmospheric pollution characteristic and changing trend in Wuhan

YANG Xiaolu1，LI Haibo1，LI Cheng1，LIU Lin2

(1.Faculty of Resources and Environmental Science，Hubei University，Wuhan 430062，China；2. School of Life Sciences，Wuchang University of Technology，Wuhan 430062，China)

Taking the atmospheric pollutants characteristics and trends in 2013—2015 as the research object,composite index of air pollutants and pollutant monomial index were analyzed. The main conclusion was as follows: air pollution was more serious in 2015 than in 2013, and air pollution was the worst in 2014. According to the individual index of each pollutant, the main factor of air pollution was determined by PM2.5. The concentration of PM2.5,PM10,SO2,NO2,and CO in winter was greater than in summer. The concentration of O3in winter was greater than in summer. According to the analysis of the correlation between pollutants and meteorological factors, which were positive correlation between PM2.5,PM10,SO2,NO2,CO,the correlation between PM2.5and CO was 0.901(P<0.01), close to 1, indicating that CO has a direct effect on the formation of PM2.5. Analysis of pollutants and meteorological factors, there was a significant correlation between several kinds of pollutants and air pressure, precipitation and temperature. According to cluster analysis, atmospheric pollution trends related to the season, and summer > spring and fall> winter.

atmospheric pollutants; air quality; pollution characteristics; change trend

2016-09-12

湖北省自然科学基金(2014CFC1071)资助

杨小露(1990-)，女，硕士生；刘琳，通信作者，副教授，E-mail：122537288@qq.com

1000-2375(2017)04-0361-06

X51

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.04.006