北京市大气环境评价及污染物时空分布

白 莉 温 轩 徐昭炜

吉林建筑大学市政与环境工程学院

1 引言

改革开放以来，我国经济迅猛发展，与此同时，京津冀区域工业化进程明显加快，钢铁、煤炭、化工等行业迅猛发展[1]。伴随而来的是日渐严重的空气污染问题，具体表现为大范围的雾霾天气，以及造成河流干涸、森林减少、动物灭绝、臭氧层破坏、温室效应、酸雨等环境问题。大气污染物不仅对城市居民的身体健康造成危害（对人的呼吸系统、免疫系统、心血管系统等造成损伤），致使每年有几十万人患急性或慢性疾病，甚至过早死亡[2-3]；而且对日常生活和农业生产也会造成不利影响，例如，出现雾霾天气时，大气能见度显著降低，对出行造成阻碍；在大气污染物浓度较高时[4]，农作物叶子出现水渍斑点，进一步枯死、脱落，全株枯死；在浓度较低，接触时间较长时，叶片退绿、枯黄、植物体内污染物积累[5]。因此，对于大气污染的治理已经刻不容缓[6-7]，而治理污染的第一步就是对于污染物的研究，所以，认知大气污染物的时空分布及其化学组成是评估大气污染影响的科学基础[8]。

本文利用2018 年1 月1 日—2018 年12 月31 日北京市空气质量逐时监测数据，针对北京市空气质量水平、大气污染物时空分布特征等展开分析，归纳各种污染物在大气污染中的比例，为大气污染的治理提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 监测站点与数据源

北京地处中国华北地区，地势西北高、东南低。西部、北部和东北部三面环山，东南部是一片缓缓向渤海倾斜的平原。由图1北京人口密度分布可以看出，人口密集的主要地区为东西城区、海淀、丰台、朝阳、石景山这六个城区。所以选取这六个城区的数据作为参考，对于人的影响更具有参考意义。

这六个城区对应的空气质量国控监测站点，分别为万寿西宫、东四、农展馆、丰台花园、古城、万柳。

分别记录以上站点2018年1月1日～2018年12月31日SO2、NO2、O3、CO、PM2.5、PM10等污染物质量浓度逐时数据（北京市环境保护监测中心）作为本次研究的数据源。

2.2 数据处理方法

本实验是由由于仪器连接接触不良、离线或故障等客观因素导致监测数据的小部分缺失（比例小于1%），采用插值法补充缺失的数据，以及利用Tableau 数据库进行整理统计工作，时空分布特征图利用originlab科学绘图软件进行制作，而数据分析的工作则通过excel软件完成。

NO2：以氨基苯磺酸[NH2C6H4SO3H]、冰乙酸、盐酸萘乙二胺制成吸收液，放入如图所示的吸收瓶内。通过空气采样器采集空气，经过吸收瓶中的溶液吸收后，用分光光度计分析NO2的浓度。

CO：利用CO分析仪分析大气中的CO浓度。

3 结果与分析

3.1 空气质量水平

北京市区空气质量指数大部分时间低于一、二级标准，夏季大气受污染水平明显优于其他季节，超标样本主要集中在四月。

图1

3.2 污染物区域特征

表1为监测期间北京市区各监测站点达到一级、二级标准的样本出现的概率，从依据超标污染物（超过国家二级标准）出现概率对6个监测站点由大至小依次排序：丰台花园＞东四＞古城＞万寿西宫＞农展馆＞万柳。

表1 各检测站点空气质量等级出现概率统计

图3反应了综合2018年各个监测站点不同种类污染物污染水平，数值以空气质量分指数（IAQI）来表示。可以看出：在6种污染物中PM2.5、PM10和O3数据最为突出，是主要污染物，而且均超过国家一级标准，其中PM10的贡献率远高于其他污染物，是大气首要污染物，而丰台花园是PM10污染最严重的地点。丰台花园位于北京市丰台区丰台镇叉路口，紧临四环路主干道，靠近交通枢纽，车流量巨大，导致其成为污染最为严重的地区[10]。同时PM2.5与PM10又有较好的相关性（spearman 相关系数为0.726，p＜0.01，N=46237），可以初步理解为相同原因引起的污染物。

图3 各监测站点污染物分布情况

3.3 污染物时间分布

污染物季节变化特征：为了分析不同季节北京市区大气污染物质量浓度变化规律，将12 个自然月按照气象学的规定划分[11]（3～5 月为春季、6～8 月为夏季、9～11 月为秋季、12～2 月为冬季），对不同季节各类污染物质量浓度日变化规律进行统计，并根据GB 3095—2012《环境空气质量标准》中关于大气污染物浓度限值的规定绘制标准线（图4中虚线）。从图4中可以看出：除PM2.5、PM10以外，各类污染物不同季节的日变化规律大致相同，而PM2.5和PM10在不同季节呈现出不同的变化规律，其中PM10除秋季12：00左右外，其余季节及秋季大部分时间都超过国家一级标准，PM2.5则全部超出国家标准限值，而CO和SO2在整个观测周期内都远低于标准限值，对环境的危害较轻。O3浓度在每天8：00 开始升高，在16：00 达到峰值，又以夏季的情况最为严重，此时的质量浓度均值已经超过标准中规定的浓度限值，而夏季的辐射强度高于其他季节，并且质量浓度日变化幅度巨大，最大浓度是最小浓度的18倍左右。NO2在每天0：00～8：00为浓度最高的时间，此时其在4个季度的浓度均超过标准限值，此后的时间浓度开始下降在16：00左右达到最低值，而后又逐渐回升。PM2.5与PM10日变化规律在春季时出现明显异常，而其它季节变化趋势大致相同。如果从气象特征来看，春季大气环流较为活跃，水分随着气流传输到京津冀地区，致使该区域暖空气增加，气温快速回升，同时相对湿度明显增加，对大气污染的扩散造成阻碍，所以PM2.5浓度水平整体偏高。

图4 各季度污染物浓度日变化

4 结束语

（1）在观测期内，北京市区空气质量整体满足标准，只存在极少数超标的情况，PM10为引起污染的最重要的因素，污染趋势整体表现为夏季由于冬季，4月污染最为严重。

（2）4 种污染物空间分布情况各有不同，在丰台花园站超标最为严重的是PM10和PM2.5，O3浓度在古城站达到最高，万柳站附近的空气质量最优，超标率为26%，而达到二级标准的时间达到了45%以上。

（3）各污染物呈现出季节性变化趋势，每种污染物的变化特点也不尽相同，SO2、NO2、PM2.5、PM10和CO呈现出夏低冬高的变化趋势，而O3的变化趋势则刚好相反，SO2、CO、O3的浓度在大多数情况下都满足一级标准，而且，O3和NO2质量浓度呈现出一天内剧烈变化的趋势，具有极大的不稳定性。