我国南方典型工业城市空气质量时间特征研究——以湖南省衡阳市为例

黄一民，钟顺清，邹君

（1.衡阳师范学院 城市与旅游学院，湖南 衡阳 421002；2.湖南省环境教育研究中心，湖南 衡阳 421002）

改革开放以来，我国经济取得了举世瞩目的成就。2010 年，中国已然跃居为全球第二大经济体。然而，长期以来我国经历的是 “高投入、高能耗、高排放、高污染” 的粗放型经济增长模式，这大大加剧了我国生态环境的脆弱性，产生了一系列环境污染问题，其中大气污染尤为严峻[1-2]。当前，我国以高浓度臭氧（O3）和细颗粒物（PM2.5）为典型特征的大气复合污染问题最为突出[3]。严重的大气污染给人体健康和人们生活带来了巨大的影响[4]，如每年我国因大气污染暴露导致过早死亡人口达120-160万[5-7]。为应对严重的大气污染问题，切实改善空气质量，中华人民共和国国务院于2013 年9 月颁布了《大气污染防治行动计划》（以下简称《大气十条》），设定了全国地级及以上城市和三个重点区域（京津冀、长三角、珠三角）的污染物到2017 年的排放目标。为了实现设定的目标，中国政府实施了包括工业行业提标改造、燃煤锅炉整治、落后产能淘汰、民用燃料清洁化和移动源排放管控等一系列重大措施，主要大气污染物减排效果显著，如三个重点区域的PM2.5浓度下降28～40%，超额完成了《大气十条》设定的目标[8]。

大气污染是一个区域性的环境问题[9]，同时因大气污染物往往会随大气扩散至区域以外地区而使得其也存在着跨区域性[10]，另外因其受自然及社会因素的影响而往往具有一定的周期性[10-12]。因此，研究通常聚焦一定区域，从时空两维度对大气污染进行分析，如区域的空气质量[10]、大气污染物组成及排放源、污染物传输及扩散[13-15]等。我国大气污染总体上呈现出冬春高于夏秋，北方重于南方的态势[10,16-17]。大气污染源则主要有工业生产[18]、煤炭、石油和生物质能源消费[19]、汽车尾气排放[20]等。

衡阳市为湖南省一地级市，位于该省中南部，是我国26 个老工业基地城市之一。该市采选矿业和冶金业历史悠久，重化工业比重大，机械、化工、冶金、有色、石化、电力、煤炭和建材等七大重化工行业占全部工业比重超60%。2017 年，衡阳市还被纳入长株潭 “中国制造” 2025 试点示范城市群。衡阳市主城区位于衡阳盆地中心位置，共4 个市辖区（分别为雁峰区、珠晖区、石鼓区、蒸湘区，这里未包含距主城区约50 km 的飞地市辖区南岳区）。据衡阳市2019 年统计年鉴，截至2018 年底，主城区城市人口达130.86 万人（为Ⅱ型大城市）。作为一个大型老工业城市，衡阳市主城区空气质量需引起足够重视。

基于中国环境监测总站监测数据统计发现，2015、2016 年衡阳市主城区轻度大气污染以上天数占全年比重分别达到21.5%、23.8%，其中PM2.5所致大气污染天数占比高达50.1%、51.4%[21]。衡阳市城区PM2.5中14种金属元素（Pb、Cd、Cu、Cr、Ni、Fe、Zn、Mn、K、Ca、Mg、Al、Hg、As）质量浓度总值达到11.89 μg/m3，其中重金属Pb、Cd、As 超标较明显[22]。衡阳市大气污染则在季节上存在很大差异，冬季最严重，夏季最轻[23]。然而，衡阳市主城区空气质量在不同时间尺度上的变化还不清楚。另外，衡阳市在《大气十条》实施以来，有必要对其空气质量进行相应评估。本研究基于2016 年12 月至2020年7 月衡阳市逐时空气质量指数及首要污染物资料，分析了衡阳市空气质量在日内、周内、季节上的变化特征以及不同季节中空气质量等级和首要污染物的差异。研究将有助于揭示我国南方典型工业城市空气质量的时间变化规律，同时还能为政府大气污染防治政策制定、市民日常生活提供科学参考。

1 资料来源

本研究采用从中华人民共和国生态环境部数据中心（http://www.mee.gov.cn/）下载的衡阳市逐时空气质量指数和首要污染物资料，资料时长为2016 年12 月1 日0 时 至2020 年7 月31 日23 时。目 前，衡 阳市主城区共布设6 个国控空气质量监测点，分别为市委党校（位于工业区）、衡阳化工总厂（工业区）、市监测站（居民区）、真空机电公司（居民区）、原169 医院（清洁区）、珠晖区环保局（商业区）。监测项目均包含细颗粒物（PM10）、可吸入颗粒物（PM2.5）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）。

空气质量指数（Air Quality Index，简称AQI）是定量描述空气质量状况的无量纲指数，参与空气质量指数计算的污染物项目有六项，分别为SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5。

AQI 的计算分以下二步进行[24]：

第一步，根据单项污染物项目相应指数的浓度限值，计算空气质量分指数（Individual Air Quality Index，简称IAQI），公式如下：

式中，IAQIp是污染物项目p的空气质量分指数，Cp为污染物项目P的质量浓度值，BPHi、BPLo分别为不小于Cp的浓度限值、不大于Cp的浓度限值，IAQIHi、IAQILo分别为浓度限值对应的指数限值。

第二步，AQI=max{IAQI1,IAQI2,…,IAQIn}，其中IAQI 为第一步计算的空气质量分指数，n为污染物项目。

根据上述计算获得的AQI 可将空气质量划分为六个等级，具体见表1。

表1 空气质量等级划分

2 结果分析

2.1 衡阳市AQI 不同时间尺度上变化

2.1.1 衡阳市AQI 日内变化

图1 衡阳市不同季节AQI 日内变化

考虑到一日内人类活动所排放大气污染物的强度差异以及大气条件变化对大气污染物净化会产生影响，空气质量对此会产生相应的响应，这里我们给出了衡阳市不同季节中AQI 的日内变化情况，见图1。从图1中可以看到：1）不同季节中AQI日内均呈现双峰型，峰值分别出现在上午11 时前后和夜间21时前后，谷值则分别出现在清晨6时前后和下午16时左右。张玮等[25]发现南京地区PM2.5、PM10也具有双峰型的特点。空气质量日内双峰型源于以下原因：夜间至清晨6 时前后城市生产生活活动强度降低，排放大气污染物减少，从而AQI 在清晨达到一谷值；清晨后，随着太阳辐射加强，气温升高，大气稳定度下降，这将有利于大气污染物在垂直方向上的扩散，空气质量会转好，然而AQI 却缓慢上升至11 时前后达到一峰值，这显然与新的一天城市活动加强，向大气中排放污染物增加超过垂直扩散有关；这之后由于大气污染物垂直扩散超过排放，AQI持续下降至16 时左右，并出现另一谷值，通常14 时左右气温达到一天内最高，大气污染物垂直扩散最强，可以判断大气污染物扩散超过排放直至2小时后；16时后至夜间21 时，大气污染物扩散进一步减弱，尤其随着夜晚的到来，近地气层受地面辐射冷却影响加强，甚至出现逆温情形，使得大气污染物更不易扩散，虽然城市排放大气污染物在夜间呈减少，但是在21时前后仍然出现峰值。2）衡阳市AQI 日均值及日内变化均表现出春夏小、秋冬大。表2 进一步给出了各月AQI 日内波动的范围，波动幅度最大的11 月达到26，波动幅度最小的6、7、8 月均只有8。引起AQI日内变化春夏小、秋冬大的主要原因是秋冬夜间气温相对较低，同时由辐射冷却使近地气层易出现逆温，不利于大气污染物的扩散，结果导致秋冬夜间AQI 出现高值。3）衡阳AQI 在12、1 月为一年中最大值，一天中大部分时段内空气质量等级为轻度污染，只在17 时前后约4 小时，AQI 才降至90 左右。

表2 衡阳市不同月份AQI 日内波动

2.1.2 衡阳市AQI 周内变化

通常，双休日制度（周末：周六和周日；工作日：周一至周五）下，工作日因排放的大气污染物增加，空气质量会下降，而周末由于排放大气污染物减少，空气质量会改善，即表现出 “周末效应” 现象[26]。从图2 衡阳市AQI在不同季节中周内变化来看，衡阳市AQI 的周内变化无明显变化规律，这可能与亚热带季风气候区多变的气象条件有关。

图2 衡阳市不同季节AQI 周内变化

2.1.3 衡阳市AQI 季节变化

图3给出了研究时段内衡阳市AQI逐月变化。可以看到，衡阳市AQI 具有明显的季节变化，具体表现出春夏低，秋冬高，夏季为最低值，冬季为最高值。通常，城市大气污染物排放量的年内差异不会产生如此大的影响，AQI的这种季节变化特征显然受气象条件的影响。地处亚热带季风气候区的衡阳市，降水主要集中于春夏两季，而降水对大气具有 “洗涤效应”[27-28]，即降水能对大气中的污染物进行沉降进而降低AQI。又如，春夏季大气稳定度差，尤其夏季，衡阳市常受对流性天气影响，上升气流能将近地气层中的大气污染物在垂直方向上快速扩散开来，因而AQI 表现为低值；秋冬大气稳定度好，尤其冬季，衡阳常受南下冷高压影响，大气层结尤为稳定，这样的大气条件不利于大气污染物的扩散，从而AQI表现出高值。

另外，从研究时段内AQI 整体变化情形来看，衡阳市空气质量呈逐步改善的态势。

图3 衡阳市AQI 逐月变化

2.2 衡阳市空气质量等级季节变化

为了了解衡阳市空气质量不同等级的季节差异，我们计算了日AQI 所对应空气质量等级占当月比重并绘于图4。由图4 可见，研究时段内，夏半年（对应4 至9 月）空气质量等级基本上均为优、良，且夏季（6、7、8 月）空气质量等级为优天数基本上均超过当月的一半以上，如2018 年7 月达到28 天，占比90.32%。然而，冬半年（对应10 至次年3 月）空气质量等级优、良明显减少，如11、12、1 月空气质量等级为优多低于20%，最小的2017年12月仅为2天，占比6.45 %，与之对应的是轻度污染、中度污染、重度污染出现概率增大，如2017 年1 月，三者分别出现12、4、4 天。

图4 衡阳市空气质量等级逐月变化

我们注意到2020 年上半年空气质量等级变化与其它年份同期有着明显不同：2020 年1 月，优、良合计就达到84 %，明显高于往年同期，随后的2 月、3 月空气质量等级为优占比持续上升，优良合计接近或达到100 %，超出其它年份同期，尔后4、5 月空气质量等级为优占比通常上升反而持续下降。这种异于其它年份的现象，显然与2020 年1、2、3 月，新冠疫情导致众多工厂停工停产及市民户外活动减少（注：1 月还叠加了中国传统春节假所产生的 “假日效应”[29]），4、5月逐渐复工复产和城市活动增加有关。另外，2020年6 月，空气质量等级出现全为优的情形，一方面可能源于城市生产还没有完全恢复；另一方面，较多的降水也起着重要作用，该月衡阳市主城区降水天数达到14 天，降水量达到158.8 mm，较往年同期明显偏多。

2.3 衡阳市首要污染物的季节变化

为了揭示衡阳市不同季节首要污染物情况，我们根据每日逐时首要污染物确定当天首要污染物即获得逐日首要污染物，接着计算出不同日首要污染物占当月比重，然后将计算结果绘于图5。从图中可以发现，衡阳市首要污染物以细颗粒物（PM2.5）为主、颗粒物（PM10）次之，它们具有明显的季节差异，冬半年以PM2.5为主，夏半年以PM10为主。研究表明，在污染源大致相同的情景下，首要污染物的季节差异与气象条件紧密相关[25,30-31]。对于亚热带季风气候区的衡阳而言，夏半年中：一方面，由于相对湿度大，降水多，PM2.5容易吸附于水汽表面而发生沉降；另一方面，大气层结不稳定，PM2.5更易在垂直方向上扩散。另外，已有研究发现，衡阳市城区冬季PM2.5主要由Pb、Cd、Cu、Cr、Ni 和Fe 组成，采用富集因子分析发现上述6 种成分均来自人为污染源，排放源主要为主城区周围企业金属冶炼、工业燃煤烟[32]。

图5 衡阳市首要污染物逐月变化

3 结论

空气质量与人类息息相关，它受大气污染排放物（如成分、浓度等）以及大气污染物净化（自然条件往往起着关键作用）等综合影响。衡阳市是我国南方一典型大型工业城市，对其空气质量在时间维度上的认识具有重要的理论及实际意义。基于衡阳市空气质量指数以及首要污染物资料，对该市空气质量的时间特征进行了研究，得到以下结论：

（1）衡阳市AQI 在日、周以及季节三个时间尺度上具有一定的规律性：在日内，AQI呈现双峰型，峰值分别出现在上午11 时前后和夜间21 时前后，谷值则分别出现在清晨6 时前后和下午16 时左右；在周内，AQI无明显规律；在季节上，AQI表现出春夏低，秋冬高，夏季为最低值，冬季为最高值。需要引起重视的是衡阳市在12 月和1 月，一天中仅在17时前后约4 小时空气质量指数降至90 左右，其余时间均超100，即为轻度污染。另外，研究时段内，衡阳市空气质量呈逐步改善的态势。

（2）衡阳市日AQI 对应空气质量等级具有以下特征：夏半年（对应4-9 月）基本上为优、良，如夏季（6、7、8 月）空气质量等级为优占比超50%；冬半年（10-次年3 月）优、良明显减少，如11、12、1 月空气质量等级为优多低于20%，轻度污染、中度污染、重度污染出现概率增大。

（3）衡阳市首要污染物以PM2.5为主，PM10次之，且冬半年以PM2.5为主，夏半年以PM10为主。夏半年不稳定的大气层结以及丰富的降水均有利于降低PM2.5浓度。