中国空气污染指数变化特征及影响因素分析

李小飞 张明军 王圣杰 赵爱芳 马潜

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，城市环境空气质量也越来越成为人们普遍关注的热点话题，因而对城市大气环境质量做出客观、全面、实时的认识和评价是极其必要的。大气环境质量评价是对大气环境状况优劣的定性和定量的评述，其将监测点的监测数据与国家规定的大气质量标准等级相比较，进行综合评价，不仅有利于人们认识和研究大气环境质量，还为有效治理和控制大气污染提供必要的科学依据。

空气污染指数（air pollution index，API）是反映大气环境质量水平的重要指标。根据环境空气质量标准和各项污染物对人体健康和生态环境的影响，将常规监测的几种空气污染物浓度简化成为单一的概念性指数值形式，它将空气污染程度和空气质量状况分级表征，适合于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。

研究 API指数时空分布特征对城市环境空气质量分析与预报均具有宏观指导意义。然而API指数时空分布一方面受局地和长距离输送污染源的共同影响，另一方面气象场形势在一定程度上亦决定着污染扩散和污染水平。因此，多要素共同作用决定了 API指数时空分布的复杂性；国外对此研究不多，主要集中在对模型预测空气污染指数的研究以及计算方法的改进。在国内对空气污染指数的研究大多数局限于少数区域、单一或少数几个城市的空气污染指数（分指数）或主要污染物的分析，仅仅得到的是特定地区和特定条件下空气污染指数的分布特征，对大尺度区域，特别是全国性空气污染的时空分布特征研究较少。基于此，本研究以全国 42个主要城市2001—2010年的日空气质量数据对我国 API的时空分布进行了分析，在较长时间和较大空间尺度上研究我国各站点城市 API的季变化、年变化和空间变化及分布特性，并对其时空分布特征的驱动机制做了探讨；利用 API研究城市较长时期空气质量状况和变化趋势，对于进一步揭示我国城市大气污染问题、制定合理科学的城市空气质量保护提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 空气质量分级标准

我国目前采用的空气污染指数API分为5个等级（I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V），7个档，范围为0～500。其中，50、100、200分别对应我国空气质量标准中的日均值一、二、三类标准的污染物浓度限值，500对应于人体健康产生明显危害的污染水平，分别与 API值（0～50、51～100、101～200、201～300、301～500）相对应。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。

1.2 数据来源

本研究所用空气污染指数资料取自中华人民共和国环境保护部网站重点城市空气质量日报数据，选取2000年12月—2010年12月记录完整的42个城市。日报资料主要包括逐日空气污染指数、主要污染因子、空气质量级别和空气质量状况。

2 结果与分析

2.1 季节变化特征

特定的季节、不同的天气气候条件会使得城市空气质量发生较大的变化；局地因素，即各个城市的气象条件、地貌状况、植被分布以及当地人们的活动状况是形成这种季节变化的关键因素。全国42个城市2000年12月—2010年12月API的季节变化均值显示，我国城市空气污染指数以夏季作为转折点，冬季至夏季 API大幅度降低，夏季之后 API趋于升高；也即冬季空气质量最差，春季大气污染指数次于冬季，夏秋两季相对较好，总体上空气污染指数＜100处于I或Ⅱ级；污染指数季节顺序为冬季（88）＞春季（79）＞秋季（73）＞夏季（63）。依据我国环境污染的特点和污染防治重点，目前计入空气污染指数的项目为：二氧化硫、氮氧化物（二氧化氮）和总悬浮颗粒物（PM10），其中可吸入颗粒物污染分指数的贡献率为 73.04%，其余 6.11%来自二氧化硫和二氧化氮的贡献；各季节主要污染因子出现天数均表现为：可吸入颗粒物＞无污染＞二氧化硫＞二氧化氮；可吸入颗粒物 10 a的季度平均值排列顺序为：春＞秋＞冬＞夏，无污染是夏＞秋＞春＞冬，二氧化硫是冬＞春＞秋＞夏，二氧化氮冬＞秋＞春＞夏；污染因子二氧化硫、二氧化氮在四季中出现天数均较少，尤其夏季天数最少；无污染及可吸入颗粒物则相反，夏季出现天数较多。可吸入颗粒物可以被人直接吸入呼吸道内造成危害，其主要的人为源是工农业生产和人类活动；大气中的二氧化硫则主要来源于含硫燃料（特别是煤）的燃烧，其余则来自于冶金、硫酸制造等工业过程；二氧化氮是大气中主要的含氮污染物，其人为源主要是燃料的燃烧，在城市则主要表现为汽车尾气的排放。对各个城市空气质量状况季节分布特征统计，我国城市空气质量状况的季节变化总体上表现出，优或良在总天数中所占比例较大，其次为轻微污染和轻度污染，中度污染、中度重污染和重度污染所占比重最小；夏、秋季I和Ⅱ级天数占总天数的45.66%，冬、春季 Ⅳ1、Ⅳ2和V级污染天数分别为 390、287和 673 d；空气质量状况10 a的季度平均值排列顺序表现为：优是夏＞秋＞春＞冬，良是秋＞春＞夏＞冬，轻微污染、轻度污染、中度污染和中度重污染的规律相同，均为冬＞春＞秋＞夏，重度污染是是春＞冬＞秋＞夏，再次表明我国空气质量夏、秋季较好，春季次之，冬季最差。

综上，四季大气污染指数、主要污染因子以及空气质量状况 10 a统计分析结果显示，冬季大气污染最为严重，秋、春次之，夏季污染最低。这种季节变化规律，表现出我国以煤烟和二次扬尘的为主的大气污染特征，也与天气气候条件以及局地因素的季节变化有关。冬季降水偏少，气候干燥，植被干枯，西北风强劲，易引发起沙、扬尘天气；另外冬季，尤其是早晚，容易出现逆温层抑制污染物在大气中的扩散，同时冬季为采暖期，燃料消耗量大，污染物排放量大，更加剧了大气污染。春季是沙尘暴频发的季节，多发生于西北的沙尘暴借强劲的西北风可长距离输送影响中国的不少城市，有时会席卷大半个中国，沙尘加大了空气中的含尘量，从而影响环境空气质量。然而，夏秋两季降水增多，湿度增大，植被覆盖度明显增大（相对于春、冬两季），而且太阳辐射强，近地面层热力对流旺盛，逆温出现的几率小，空气的扩散条件好，有利于污染物的稀释和扩散，空气质量无疑相对较好。

2.2 年变化特征

2001—2010年全国站点城市空气污染指数变化趋势，API总体上表现为下降趋势。从 2001—2005年API平均值表现出逐年下降的趋势，波动较小，在2006年API陡然升高，之后又表现出平缓下降趋势。2001—2010年无污染出现天数虽有波动但整体上表现出逐年增大，2010年全国站点城市无污染的天数为 4038 d；可吸入颗粒物作为首要污染物的天数2001—2010年表现为下降趋势，2001—2006年下降幅度较小，甚至在2007年略微升高，但之后又急剧下降，至2010年趋于稳定；二氧化硫作为污染物出现天数较少，10 a间分别于2003年和2008年出现一谷一峰；即2001—2003年二氧化硫天数呈减少趋势，2003—2008年表现为上升趋势，2008—2010年又趋于减少。主要污染因子中，二氧化氮出现天数最少，且年际变化波动较大，分别于2002年、2005年和2009年出现极小值，2004年和2007年出现2个峰值，总体上无规律可循。全国站点城市2001—2010年空气质量状况的年际变化空气质量出现优的天数虽略微有波动但整体上表现出逐年增大；良出现的天数在 2007年发生了变化，即2001—2007年良出现天数呈增大趋势，2007年之后则表现为趋于减小；2001—2010年轻微污染和轻度污染出现天数减小均趋势明显，波动较小；中度污染、中度重污染和重度污染出现天数较少，10 a间虽有较大的波动但总的趋势是趋于减小；同时，本研究发现3种空气质量级别在2006年均表现出增大的转折，加之API在2006年的陡然升高，表明2006年全国出现了较大范围的空气污染。

综上，大气污染指数、主要污染因子以及空气质量状况10 a统计分析结果表明：API的年际变化表现为逐年减小，空气污染趋于良好；主要污染因子当中无污染出现的天数逐年增大，可吸入颗粒物出现天数也明显趋于减少，二氧化硫和二氧化氮出现天数虽有波动，但减少趋势也较为明显；空气质量状况的年际变化也进一步表明了2001—2010年全国城市空气质量的好转趋势。这与近年来各地方政府和环保部门在大气污染治理方面的工作密不可分，也与城市综合整治力度的加大，环境建设和环境管理工作的不断地深入，科学有效地治理措施以及全民的参与密不可分。

2.3 空间变化特征

选取中华人民共和国环境保护部网站重点城市空气质量日报数据，所有站点城市的空间分布，基本涵盖我国南北以及沿海内陆地区（东西差异）。我国城市大气环境质量在区域上存在明显的差异，API、主要污染因子和空气质量状况均表现出从南向北，从沿海至内陆的变化趋势。API的空间分布，虽然空气质量均表现为 I 或 Ⅱ 级（兰州、乌鲁木齐表现为Ⅲ1），在区域上则南方和沿海城市 API均值较低，其中珠海、湛江和海口表现为 I 级，北方与内陆城市空气质量皆为Ⅱ 级，且均是 API高值区。无污染的区域特征表现为南方及沿海城市出现天数较多，北方和内陆城市出现天数较少；可吸入颗粒物和二氧化硫则表现为北方和内陆城市出现天数较多，南方及沿海城市较少；二氧化氮作为污染物主要出现在南京、南通、上海、温州、福州、厦门、汕头、深圳、珠海、广州、南宁等沿海城市和西北干旱区的呼和浩特、银川和乌鲁木齐，以及兰州和哈尔滨，区域差异主要表现为沿海城市大于内陆城市，南方大于北方城市；海口、湛江、合肥以及拉萨等，10 a来从未出现过二氧化硫和二氧化氮的天数。空气质量状况的区域分布特征也比较明显，空气质量级别优或良出现天数表现为南方和沿海城市大于北方和内陆城市；轻微污染、轻度污染、中度污染、中度重污染和重度污染出现天数均表现为北方和内陆城市大于南方和沿海城市，并且南方和沿海的部分城市10 a来并没有出现过轻度污染或轻度污染以上的空气质量状况，如珠海、海口、湛江和昆明等城市。

总之，我国城市大气环境质量在区域上存在显著差异，API、主要污染因子以及空气质量状况均表现出从南到北、从沿海到内陆的变化趋势。北方和内陆城市API较高，主要污染因子类型多且出现天数较多，空气质量级别齐全，I或Ⅱ级的天数较少，Ⅲ2级或Ⅲ2级以上的污染出现天数较多；南方和沿海城市则相反，总体上表现出优质的大气环境质量。导致这种差异出现的原因是：北方城市（尤其是进入采暖期），污染物的排放量显著增加，再加上北方地区受季风影响相对较弱，西北地区城市多以山谷盆地（特别是兰州）等特殊地形为主，更加重了大气环境污染；东部沿海地区多处于平原，地形平坦，季风气候显著，有利于污染物的扩散和稀释。可见，气象条件、地形以及人们的活动状况均对城市大气质量的区域变化和分布产生着重要影响。

3 讨论

3.1 污染源对城市空气质量的影响

通过对各城市污染物的统计，可吸入颗粒物作为主要污染物出现的频率最高，可见中国城市大气污染受燃煤影响严重。燃煤，特别是在采暖期燃煤量急剧增加，导致了我国北方采暖期的颗粒物排放量、二氧化硫含量以及API值的升高，空气质量下降。局地地面土壤扬尘及西北地区沙尘传输造成的自然降尘对 API中可吸入颗粒物浓度的贡献也很大。局地地面扬尘主要指绿化率和硬质覆盖度，地面裸露程度越高越容易引起扬尘，在多风干燥季节对局地城市空气质量的影响不容忽视。作为中亚沙尘暴区的重要组成部分——中国西北地区，主要包括南疆的塔克拉玛干沙漠、柴达木盆地、内蒙古西部沙地（巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、毛乌素沙地、乌兰布和沙漠）、内蒙古东部沙地（浑善达克沙地和科尔沁沙地）和黄土高原；西北地区荒漠化和沙漠化的现状，再加上我国西高东低的地势，致使发生于我国西北地区的沙尘天气会顺势而下，并在高空强西北气流作用下，影响到我国华北广大地区和东部沿海地区。

3.2 气象条件对城市空气质量的影响

气象要素是制约污染物在大气中稀释、扩散、迁移和转化的重要因素。与大气污染有关的气象要素很多，主要包括降水量、风、逆温、地面气压、地面温度、相对湿度、云量等。污染物在水平方向上的扩散由风速决定，风速越大，污染物越容易扩散，风速小甚至静风时，污染物难以扩散，容易形成污染物局地积累；污染物在垂直方向的扩散受到垂直方向上温度的分布状况控制，当地面空气温度高于高空中大气温度时，大气是不稳定的，在热力对流的作用下污染物向上扩散，地面污染物浓度降低，当高空中大气温度高于地面空气温度时，就形成了所谓的逆温现象，这时热力对流减弱甚至消失，大气状况变得稳定，污染物的垂直扩散受到抑制，地面污染物累积；降水（降雨、降雪）对空气污染物能起到清除和冲刷作用：在雨水作用下，大气中的一些污染气体能够溶解在水中，降低空气中污染气体的浓度，较大的雨雪对空气污染物粉尘颗粒也起着有效的清除作用。冯宏芳等对福州污染物浓度与气象条件的关系进行了较为全面的分析，结果表明污染物的浓度变化与空气污染气象条件的优劣密切相关，各气象要素对大气污染物有一定的制约关系。陈雷华等在其研究中也对气象条件与空气污染的相关关系进行了分析。API与降水量和风速相关关系曲线。乌鲁木齐 API指数与月总降水量在0.05水平上呈负相关，其线性相关系数为－0.289；东南部城市API与月平均降水在 0.05的水平上呈明显的负相关，其线性相关系数为－0.629。说明降水对污染物有显著的清除作用，降水量越大，API指数越小，反之亦然。乌鲁木齐 API与风速在 0.001的水平上呈明显负相关，相关系数为－0.812，说明风速的大小直接影响着乌鲁木齐 API指数的变化，风速越大，越有利于污染物的扩散，API指数就越小。究其原因，风速加大更有利于污染物的扩散，虽然风速增大可能会带来沙尘天气，但北疆城市尤其是乌鲁木齐，污染日首要污染物更多的是SO2；东南部地区API与月平均风速在0.01的水平上呈正相关，相关系数较小仅为0.079，这是由于风速加大容易触发地面尘土的扬起，空气污染会因此而加重，表现出API与风速呈正相关。研究发现，污染天气过程与近地层逆温层的出现相对应。由于季节因素，夏季逆温层厚度较薄，高度相对偏低；冬天逆温天气出现的频率较多，大气比较稳定，不利于空气污染物的扩散稀释，因此我国空气污染表现出明显的冬高夏低的季节特征。

3.3 地形因素对城市空气质量的影响

由中国地形起伏度空间分布趋势和海拔高度规律可知，西部地区地形起伏度高于东部，南部高于北部；最高值分布在藏东南—横断山区和天山地区，除一些巨大的盆地外，由此二处向两侧逐渐降低；最低值分布在东北平原、华北平原和塔里木盆地，四川盆地、内蒙古高原、江南地区、华南地区为次低值区域；全国低海拔地区以低值地形起伏度为主，高海拔地区以高值地形起伏度为主。中国的地貌类型复杂多样，地势西高东低，形成3大阶梯的总特征，主要表现为：西北部多高原、盆地和山地，东南部以平原、丘陵和低山地貌为主，地势低平，沃野千里。我国地形的空间差异对气象条件分布产生着巨大影响，进而影响着大气环境质量的区域变化。山谷盆地地形阻塞易出现闭合环流的小风，对气流产生阻挡效应，会使这一地区的污染加重；山区地形起伏使得接受的太阳日辐射强度和辐射冷却不均匀，由此引起的热力环流形成地形风，再加上山区逆温维持时间比平原地区长，限制了空气的扩散，加重了污染；平原地区则由于风向和风速在某一水平面上基本是均匀的，污染物的输送规律比较简单，主要由当地风向频率所决定，有利于污染物的扩散和稀释。

3.4 人类活动对城市空气质量的影响

人类活动对城市大气环境的影响既存在消极的方面同时也存在积极的方面。随着城市人口递增，工业、生活炉灶与采暖锅炉排放量增加，机动车拥有量及排放量也逐年上升，能源消费量和燃油消耗量大幅增加，市政施工扬尘和道路扬尘加重，使大气污染不容忽视；另一方面，随着人类环保意识的增强，对城市大气环境产生着积极地影响：投资和产业结构的调整，提高能源利用率并积极开发新能源，逐年提高城市的绿化覆盖率和道路绿化总长度，制定并实行新的经济指标（绿色GDP、单位GDP能耗），加强污染的预防、治理和法律职能等，城市空气质量也表现出进一步好转趋势。

4 结论

（1）我国城市受燃煤影响较为严重，特别是在采暖期燃煤量急剧增加，导致了我国北方采暖期的颗粒物排放量、二氧化硫含量以及API值的升高；总体上，城市API处于I或Ⅱ级，主要污染因子以可吸入颗粒物出现频率最高，空气质量状况较好，以优、良和轻微污染居多。

（2）API、主要污染因子以及空气质量状况表现出显著的时空变化。从时间变化上看，不同季节表现出不同的特征，冬春季较夏秋季空气污染最严重；从年际变化看，空气质量表现出逐年好转趋势；在空间变化上，东西南北差异较大，空气质量由南到北，从沿海到内陆的逐渐变差。

（3）我国城市空气质量主要受污染源、气象条件、地理因素和人类活动的影响。其中，污染源主要来自于局地污染及西北地区沙尘传输造成的自然降尘；各气象要素对大气污染物有一定的制约，其中空气污染指数与降水量、风速和逆温线性相关；地形的空间差异间接影响着空气质量的空间变化，人类活动则对其产生着双重作用；各影响因素并非孤立，而是相互交织共同作用于空气质量的变化。

（摘自《环境科学》2012年第6期）