沧州市环境空气质量变化特征

徐 美，李秀荣

(1.沧州师范学院化学与化工学院，河北沧州061001;2.沧州师范学院教务处，河北沧州061001)

沧州市环境空气质量变化特征

徐 美1，李秀荣2

(1.沧州师范学院化学与化工学院，河北沧州061001;2.沧州师范学院教务处，河北沧州061001)

为了解沧州市环境空气质量状况，利用2009～2012年沧州市空气质量日报数据(空气污染指数、首要污染物、空气质量级别和空气质量状况)，分析了空气质量的主要变化特征，并结合HYSPLIT轨迹模式，讨论了气团后向轨迹与空气质量的关系.结果表明，空气污染指数季节变化明显，冬季最高，夏季最低；可吸入颗粒物为大气环境的首要污染物，出现比例为68%；空气质量状况以优和良天气居多，所占比例为93%.气流轨迹分析显示，不同季节不同类型气团对API的贡献水平存在差异；秋季北部气团、夏季西北气团比较清洁，对应API的浓度最低；冬季本地排放源对API贡献最高，采暖和不利的污染物扩散条件可能是造成API较高的主要原因.

空气质量；变化特征；沧州；后向轨迹

随着中国经济的快速发展和城市化进程的不断加快，城市环境空气质量问题愈来愈受到人们的广泛重视，对城市大气环境质量做出准确、全面、客观的评价显得极其重要.空气污染指数(air pollution index,API)将常规监测的几种污染物浓度简化为单一的概念性指数值形式，分级表征空气污染程度和空气质量状况，是反映和评价城市空气质量的重要指标[1](P96-101)[2][3](P1936-1943).许多城市和地区开展了大气环境质量评价和研究工作.陈雷华等[4]选用兰州市2001～2007年API资料，分析了API、空气质量级别和PM10浓度的年、季、月变化以及采暖期和非采暖期污染变化差异，同时结合地面气象资料，找出不同季节对PM10浓度有显著影响的气象因素.孙丹等[5]利用2001～2010年京津冀、长三角和珠三角三大城市群9个代表城市每日API资料，分析了三大城市群和不同城市API年际和季节变化特征.李小飞等[3](P1936-1943)采用2001～2010年我国42个城市逐日API、主要污染因子、空气质量级别和空气质量状况资料，分析了我国城市空气质量的变化特征.牛慧敏等[6]采用国家环境保护部发布的2014年全国161个城市空气质量指数(AQI)数据，基于克里格插值、三维趋势面等空间分析手段，揭示重点城市空气质量时空分布格局.

沧州位于河北省东南部，处在环渤海中心地带，具有一定的代表性，深入分析这一地区的空气质量状况非常必要.目前针对沧州市空气质量状况分析的相关工作非常有限，笔者利用2009～2012年沧州市API日报数据，分析了沧州市空气质量变化特征，并运用HYSPLIT v4.9模式，分析了不同季节不同气团后向轨迹与API的关系.研究结果将有助于深入了解沧州市空气质量状况，对于研究如何控制和减轻空气污染，改善城市环境空气质量有着重要意义.

1 材料与方法

API分为5个等级，7个档，范围为0～500.指数越大，级别越高，说明污染越严重，对人体健康的危害也越明显[3](P1936-1943).API范围与空气质量级别、空气质量状况、对健康影响和建议采取措施对应关系可参考相关文献[7-8].本研究所用资料来源于河北省环境保护厅数据中心沧州市空气质量日报数据.日报数据包括空气污染指数、首要污染物、空气质量级别和空气质量状况.覆盖时段为2009年1月～2012年12月.

采用统计方法分析沧州市空气质量的年、季等变化特征，并使用Origin 9.0绘制相关图件.利用美国海洋与大气管理局(NOAA)空气资源实验室(ARL)提供的混合型单粒子拉格朗日综合轨迹模式(HYSPLIT)和NCEP GDAS数据，计算到达研究区的气团后向轨迹[9-10]，分析了不同季节不同气团对API的影响.目前，国内外广泛采用HYSPLIT轨迹模式来研究污染物的扩散和传输问题[11-13].

2 结果与讨论

2.1 API变化特征

图1为2009～2012年沧州市API逐日变化，总体呈现两边凸、中间凹的特征.研究时段内，API变化幅度较大，最小值和最大值分别为10(2011年7月20日)和168(2012年4月29日).按照我国环境空气质量标准二级标准限值100(API)评价，超标天数为97天，超标率仅为6%；若以一级标准限值50(API)评价，超标天数为1068，超标率高达73%.整个研究时段，API均值为64，2009～2012年分别为69、64、59和61，年际变化不明显，总体呈现出微弱的下降趋势.

图1 沧州市2009～2012年API逐日变化

图2(a)显示了2009～2012年API季节变化的情况.春、夏、秋、冬四季API的均值分别为63、50、61、80.结果表明，冬季空气质量最差，春、秋两季空气质量居中，污染程度相差不大，夏季空气质量最好.总体上看API<100，环境空气质量属于优或良.

依据研究区污染物类型和污染程度的差异，首要污染物分为无污染、可吸入颗粒物(PM10)和二氧化硫(SO2)3种情况，并无二氧化氮(NO2)作为首要污染物出现.图2(b)显示了首要污染物季节变化的情况.研究时段内，以PM10为首要污染物出现天数最多(998天)，占到68%，其次为无污染日(393天)，占到27%，而出现SO2为首要污染物的天数仅占5%.首要污染物在不同季节出现的天数也均表现为PM10>无污染>SO2.不同污染因子出现天数季节差异性比较明显，PM10出现的天数表现为春>冬>秋>夏，无污染出现的天数表现为夏>秋>春>冬，SO2在冬季出现次数最多，秋季较少，而春、夏季并没有出现.

研究区空气质量状况主要包括优、良、轻微污染和轻度污染，并未出现中度污染、中度重污染和重污染.图2(c)显示了不同空气质量级别在四季所占比例.研究时段内，优或良天气所占比例最高，分别为27%和66%，轻微污染和轻度污染所占比例最小，说明空气质量总体较好.空气质量为优或良天气主要出现在夏季，其次为春季和秋季，冬季最少.轻微污染和轻度污染主要出现在冬季，而夏季并没有出现.

图2 沧州市API、首要污染物、空气质量状况季节变化

总体上看，研究区冬季空气质量最差，春、秋两季次之，夏季空气质量最好，这一结果与北方城市污染特征一致[1](P96-101).这种季节差异与多种因素有关，冬季北方处在取暖期，燃煤贡献不容忽视，而且地表裸露部分较多，二次扬尘也增加了空气污染程度；夏季降水对各种大气污染物的清除作用比较明显；春季平均风速较大，一方面造成了地面二次扬尘，增加了大气污染物的浓度，另一方面，增强了大气的污染物的扩散和稀释作用，降低了大气污染物的浓度.

2.2 气团后向轨迹分析

为分析沧州周边地区对研究区域空气质量的影响，选取500m高度[14-15]，进行72h的气团后向轨迹模拟.采用HYSPLIT v4.9模式的聚类分析工具，按照气流轨迹传输的速度和方向进行分类，春、夏、秋、冬四季分别获得3、4、3、4类气团，代表性气团来向如图3所示.

图3 沧州市四季平均气团后向轨迹分布

不同季节不同气团类型对API的贡献水平存在差异，如表1所示.春季主要包括西北气团长、中距离输送和本地排放源，出现比例分别为25%、36%、38%，对API的影响水平相当，API分别为66、61和68；夏季主要包括本地排放源、东南和西南以及西北气团的输送，出现比例分别为38%、33%、9%、20%，以西南气团对应API水平最高(68)，西北气团API水平最低(45)；秋季主要包括本地气团、北部和西北气团的输送，出现比例分别为56%、19%、26%，以北部气团对应API最低(37)，要低于夏季西北气团的贡献水平；冬季主要包括西北偏西长、中距离输送和西北气团、本地气团，出现比例分别为15%、27%、34%、25%，本地气团对应API最高(92).总的来说，秋季北部气团、夏季西北气团比较清洁，对应API最低，冬季本地排放源对应API最高，冬季采暖和不利污染物扩散的气象条件，可能是造成API较高的主要原因.

表1 四季不同气团后向轨迹对应API

注：不同季节气团后向轨迹如图3所示.

3 结论

(1)2009～2012年沧州市API年均值分别为69、64、59和61，年际变化不明显；冬季空气质量最差，春、秋两季空气质量居中，夏季空气质量最好；

(2)PM10为首要污染物出现天数最多，占到68%，SO2为首要污染物仅占5%；空气质量状况以优、良为主，并未出现中度污染和重度污染；

(3)气团后向轨迹分析表明，不同季节不同类型气团对API的贡献水平存在差异；秋季北部气团、夏季西北气团比较清洁，对应API最低；冬季本地排放源对API贡献最高，采暖和不利污染物气象扩散条件可能是造成冬季API较高的主要原因.

[1] 李向阳,丁晓妹,高宏,等.中国北方典型城市API特征分析[J].干旱区资源与环境,2011,25(3):96-101.

[2] 王斌,高会旺.中国沿海城市空气污染指数的分布特征[J].生态环境,2008,17(2):542-548.

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[4] 陈雷华,余晔,陈晋北,等.2001-2007年兰州市主要大气污染物污染特征分析[J].高原气象,2010,29(6):1627-1633.

[5] 孙丹,杜吴鹏,高庆先,等.2001年至2010年中国三大城市群中几个典型城市的API变化特征[J].资源科学,2012,34(8):1401-1407.

[6] 牛慧敏,涂建军,姚作林,等.中国城市空气质量时空分布特征[J].河南科学,2016,34(8):1317-1321.

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[责任编辑：尤书才]

Variation Characteristics of Air Quality in Cangzhou City

XU Mei1, LI Xiu-rong2

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Cangzhou Normal University, Cangzhou, Hebei 061001, China;2.Office of Teaching Affairs, Cangzhou Normal University, Cangzhou, Hebei 061001, China)

In order to understand the environmental air quality in Cangzhou city, the variation characteristics of air quality were analyzed with the daily air pollution index (API), primary pollutant, air quality level and status from 2009 to 2012. The relationship between air mass backward trajectory and air quality was discussed with HYSPLIT trajectory model. The results showed that API presented obvious seasonal variations with the highest value in winter and the lowest in summer. PM10was the principal pollutant and accounts for 63% during the whole period. The percentage of excellent and good air quality was 93% during the whole period. The cluster analysis of backward trajectories showed that the contributions of different types of air masses to API were different in four seasons. The north air mass in fall and northwest air mass in summer had the lowest API; while the local source led to the highest API, suggesting that the heating and adverse weather conditions in winter may be the main cause of high API in winter.

air quality; variation characteristics; Cangzhou; backward trajectory

2017-03-27

河北省高等学校科学技术研究青年基金项目“沧州大气颗粒物中金属元素污染特征及来源研究”，编号：No.QN2015305；沧州市科技支撑计划项目“基于GIS技术的大气颗粒物金属元素分布特征研究”，编号：No.151303003；沧州市社科联项目“京津冀地区霾污染研究”，编号：No.2016060.

徐 美(1980-)，女，河北沧州人，沧州师范学院化学与化工学院讲师，工学硕士，研究方向：环境监测和评价.

X513

A

2095-2910(2017)02-0053-05