长沙市空气质量变化特征及气象要素影响分析

金红红 ，谭 杰 ，张 琴 ，郭 倩 ，陈 阳

（1.湖南省环境监测中心站，湖南 长沙 410019；2.国家环境保护重金属污染监测重点实验室，湖南 长沙 410019）

随着我国经济的快速发展，城市环境空气污染已成为影响群众健康突出的环境问题。近年来，虽然长沙在“大气污染防治攻坚战”和“打赢蓝天保卫战”的重拳出击下，环境空气质量取得明显改善，但在全国338个城市综合指数、优良率排名中仍未进前200名。除了受局地大气污染物源排放的直接影响，局地气象要素与气候变化也对空气质量起到至关重要的影响[1]。在大气污染源排放相对稳定的前提下，气象要素对空气质量起到了主导作用，制约着大气污染物的稀释、扩散、传输和转化过程，进而影响大气污染物的浓度及分布状况[2-5]。目前，已有很多学者研究发现，空气质量与气象条件关系密切，相对湿度、风速、降水量、气压及气温等气象因子对大气污染物浓度变化均具有一定的影响[6-8]。

本研究基于2015—2018年长沙市空气质量在线数据，对长沙市环境空气质量优良率、不同AQI类别、首要污染物、各项污染物浓度的变化特征进行分析，并结合Pearson相关性对各项污染物浓度[细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）]与同期平均气压、平均气温、平均相对湿度、总降水量、风速数据作相关分析，可为全面了解长沙市环境空气质量，科学有效控制和治理大气污染提供科学依据。

1 数据来源与统计分析

1.1 数据来源和处理

研究所用的空气质量数据为：2015—2018年长沙市城区9个环境空气评价点位的6项常规污染物 （PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和 CO） 质量浓度的逐时监测数据。通过湖南省气象台获得长沙市2015—2018年气压、气温、相对湿度、降水量和风速等气象资料。

1.2 环境空气质量类别划分

空气质量类别划分标准参照《环境空气质量指数(AQI）技术规定（试行）》（HJ633—2012）的定义及分级限值。环境空气质量按照AQI类别可以分为优(0～50)、良(51～100)、轻度污染(101～150)、中度污染(151～200)、重度污染(201～300)和严重污染(＞300)，级别越高说明空气污染越严重，对人体健康危害越大。当AQI＞50时，空气质量分指数（IAQI）最大的污染物为首要污染物；IAQI＞100的污染物为超标污染物。参与环境空气质量评价的6项基本项目为：PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和 CO。

图1 2015—2018年长沙市不同AQI等级日数及优良率分布

1.3 统计分析

采用SPSS软件进行Pearson相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 AQI指数分布特征

由2015—2018年长沙市不同AQI等级日数及优良率分布（图1） 可知，2015—2018年长沙市空气质量优良率呈上升趋势，污染超标天数呈下降的趋势。2018年长沙市空气质量为中度及以上污染日数仅为22 d，低于2017年（29 d）和2015年（39 d），高于2016年（20 d）。然而，2016年的轻度污染日数比2018年高出20 d。因此，2018年长沙市的空气质量明显优于2015—2017年。

由2015—2018年长沙市不同AQI等级出现日数及优良率季节分布（图2）可知，长沙市空气质量重度污染和严重污染主要出现在冬季。2018年，长沙市春季优良率为全年最高，为89.7%，而2015—2017年，夏季优良率均为全年最高，均高于85%；2015—2018年，长沙市冬季优良率为全年最低，均低于60%；2015—2018年，长沙市春季优良率略高于秋季。2015—2018年，长沙市的夏季平均优良率（87.5%） ＞春季平均优良率（85.1%） ＞秋季平均优良率（74.4%） ＞冬季平均优良率（45.2%）。总体来看，长沙市空气质量基本呈春夏季较好、冬秋季较差的特征。

图2 2015—2018年长沙市不同AQI等级出现日数及优良率季节分布

2.2 首要污染物分布

由图3(a)2015—2018年长沙市各项首要污染物出现日数分布可知，2018年首要污染物出现日数最多的是O3，2015—2017年首要污染物出现日数最多的是PM2.5；PM2.5作为首要污染物出现的日数逐年减少，而O3则呈逐年增加的趋势。2018年，O3作为首要污染物出现的日数为141 d，比PM2.5高出25 d；PM10和 NO2作为首要污染物出现的日数均比较少；此外全年没有SO2和CO作为首要污染物出现。

由图3(b)2015—2018年长沙市各项超标污染物出现日数分布可见，PM2.5作为超标污染物出现的日数最多，其次为O3；PM2.5呈逐年减少的趋势，而O3呈逐年增加的趋势；PM10和NO2作为超标污染物出现的日数均比较少。

图3 2015—2018年长沙市各项首要污染物和超标污染物出现日数分布

由2015—2018年长沙市各项超标污染物出现日数季节分布（图4）可知，除了2017—2018年夏季超标污染物未出现PM2.5，其他季节均有出现，其中在冬季出现最多，秋季和春季次之，夏季最少；除2015—2018年冬季和2015—2016年春季外，其他季节的超标污染物均出现O3，且主要出现在夏季和秋季。

2.3 污染物浓度变化特征

由2015—2018年长沙市各污染物浓度季节变化 （图 5） 可知，环境空气中 PM2.5、PM10、NO2、SO2与CO浓度季节变化趋势完全一致，均为冬季最高，春秋次之，夏季最低；而O3浓度夏季最高，春秋次之，冬季最低。2.4 污染特征与气象要素的关系

表1统计了长沙市2015—2018年的气候状况，其中，年降水量2018年最少，2016年和2017年最高，平均气压、平均风速、平均温度整体变化不大，相对湿度为2017年和2018年最低。

表1 长沙市气候状况

图4 2015—2018年长沙市各项超标污染物出现日数季节分布

图5 2015—2018年长沙市各污染物浓度季节变化

由长沙市2015—2018年AQI与气象要素的变化特征（图6） 可知，AQI与气压、温度、风速无明显相似的变化趋势，与相对湿度、降水量呈相反的变化趋势。

为进一步分析气象要素对空气质量的影响，采用Pearson相关性分析对2015—2018年长沙市气各项污染物月浓度与同期平均气压、平均气温、平均相对湿度、总降水量、风速数据作相关分析，结果见表2。

2.4.1 空气质量与气压的关系

图6 2015—2018年AQI与气象要素的变化特征

表2 各项污染物月浓度与同期气象要素的相关关系

由表 2 可知，PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO与气压呈极显著正相关的关系。气压冬季（2015—2018年长沙市冬季气压为101.1 kPa） 最高，春、秋次之，夏季（2015—2018年长沙市夏季气压为 991.1 kPa） 最低，与 PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO季浓度变化趋势完全一致。这主要是因为低压天气控制下，底层空气辐合上升，即近地面的污染物随空气垂直上升至高空，可加速地面污染物向高空扩散，从而降低大气污染程度；而在高压天气控制下，近地面垂直方向空气作下沉运动，且大气层结稳定，污染物极易积聚，浓度增加[9]。O3与气压呈极显著负相关的关系，O3夏季浓度最高，冬季最低，正好与气压变化相反。这是因为在夏季气压相对低，大气对流活动旺盛，强对流天气多发，有利于平流层高浓度臭氧向对流层输送，同时夏天强烈的太阳辐射和较高气温均有利于氮氧化物和挥发性有机物等O3前体物发生大气光化学反应，易于生成地面臭氧[10]。而冬季气压相对高，既不利于高空的高浓度臭氧向地面输送，且太阳辐射弱、气温低也不利于臭氧的形成。

2.4.2 空气质量与气温的关系

由表 2 可知，PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO与与气温呈极显著负相关的关系。PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO浓度冬季相对最高，而夏季空气质量最好，这与日平均气温越低时，空气质量的优良率越低，超标天数则越高是一致的。当气温较低时，近地面大气易形成稳定层结，降水较少，不利于污染物的扩散，特别是在冬季，居民供暖增加致使能耗加大，即污染物的排放也增大[9]。O3与气温呈极显著正相关的关系，这主要是因为挥发性有机物以及汽车尾气形成的氮氧化物，在高温、强光照辐射的共同作用下，会催化臭氧的产生，而阳光照射越强、气温越高，越会促进臭氧的产生[10-11]。

2.4.3 空气质量与相对湿度的关系

由表2可知，PM10与相对湿度呈极显著负相关的关系，其他污染物均与相对湿度无显著相关的关系。相对湿度反映空气中水汽含量，相对湿度低时表明空气干燥。PM10与相对湿度呈负相关，这是因为大气相对湿度低一般是出现在天气晴好的条件下，大气较为稳定，大气扩散能力差，所以易于颗粒物累积[12]。而PM2.5的测定是通过湿度控制的动态加热，所以PM2.5与湿度未表现出明显关系。

2.4.4 空气质量与降水量的关系

由表2可知，PM2.5、PM10、NO2与降水量呈极显著负相关的关系，而CO与降水量呈显著负相关的关系，SO2、O3与降水量无显著相关的关系。降水对空气污染物具有冲刷沉降的作用，故雨后一般空气质量较好，即空气质量与降水量呈负相关。

2018年长沙市的降水量最低，但长沙市2018年冬季的降水量（219.5 mm） 最高，高于2015年的降水量（188 mm）、2016年的降水量（201.8 mm）、2017年的降水量（134.3 mm）；长沙市2018年夏季的降水量（438 mm） 为4年夏季中最低，低于2015年的降水量（451.2 mm）、2016年的降水量（550.8 mm）、2017年的降水量（925.9 mm）。降水量对空气有净化作用，但在达到一定程度后（如优等级），更多的降水对空气的净化效果并不是线性增长的，而春夏空气质量优良率高于冬季，所以降水量对冬季的影响更优于春夏，这也是长沙市在2018年降水量为4年中最低，但是优良率为4年中最高的原因之一。

2.4.5 空气质量与风速的关系

由表2可知，PM2.5、PM10、CO与风速呈极显著正相关的关系，而O3与风速呈显著负相关的关系，NO2、SO2与风速无显著相关的关系。2015—2018年长沙冬季风速（2.9 m/s） 最大，春季 （2.6 m/s）、秋季 （2.7 m/s） 次之，夏季（2.3 m/s） 最低；PM2.5、PM10、CO浓度为冬季最高，夏季最低，即PM2.5、PM10、CO浓度与风速刚好为正相关。这是因为长沙市在冬季的风速较大，且风向大部分为北风和西北风，将上游污染物迁移至本地，导致污染物的累积加剧。O3浓度为夏季最高，冬季最低，O3浓度与风速刚好为负相关。因为近地面风速小，扩散条件差，容易造成臭氧的局地累积。

3 结论

（1） 长沙市环境空气质量在2015—2018年呈逐年好转的趋势，优良天数逐年上升，中度及以上污染天数逐年减少；长沙市的空气环境质量存在明显的季节变化趋势，空气质量基本呈春夏季较好、冬秋季较差的特征。

（2）长沙市城市空气质量6项指标中，2018年O3首次成为首要污染物，为141 d，比排第二的PM2.5高出25 d。而在2015—2017年，PM2.5作为首要污染物出现的日数均最多。2015—2018年，PM2.5作为超标污染物出现的日数逐年减少，仍居最多；而O3作为超标污染物出现的日数逐年增加。表明影响长沙市空气质量的最主要超标污染物仍为PM2.5，但O3未来可能为最主要的超标污染物。

（3）由各项污染物和气象条件的相关分析可知，PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO 浓度变化呈随着地面平均气压增大而增大，随平均气温的增大而减小的趋势，而O3刚好相反；PM2.5、PM10、NO2、CO浓度均有随降水量的增大而减小的趋势；PM2.5、PM10、CO浓度随着地面平均风速增大而增大，而O3刚好相反；PM10浓度随地面相对湿度的增大而减小。根据这些气象要素未来的变化趋势来判断环境空气中各项污染物浓度的变化，可为大气污染防控提供参考。