沿海典型城市大气污染物分布特征和影响因素分析

薛 艳，彭章娥，刘 琳

(上海应用技术大学 城市建设与安全工程学院，上海 201418)

0 引 言

近二十年来，随着城市化建设加快和经济社会的快速发展，大气污染已成为我国最主要的环境问题之一。国内外学者针对大气污染物的危害、产生和分布开展了大量的研究工作。已有研究表明，严重的空气污染不仅影响大气能见度，并且会对人体健康造成严重威胁，如由空气污染引发呼吸系统相关疾病、心脑血管疾病、心肺疾病、肺癌等[1-4]。诸多学者从不同角度研究了大气污染物的分布特征和影响因素，力求寻找有效、可行的治理方向和路径。相关研究表明冬季主要大气污染物是PM2.5、PM10，气象条件会对大气污染物浓度分布具有一定的影响[5-6]。诸多学者也对空气污染物的时空分布特征进行了分析，结果显示污染区域基本呈集中连片分布的态势[7]。中国北方地区大气污染状况比南方地区严重[8]。也有许多学者对区域大气进行了研究，结果显示燃煤、农作物秸秆焚烧和扬尘排放等人为因素会加剧大气污染[9]，人为污染为大气污染的主要污染源[10]。区域间的大气污染物传输对当地污染物浓度影响显著[11-12]。地形对污染物存在一定影响，地形起伏度有利于气流的扩散从而降低污染物浓度[13]。研究表明，东部沿海地区空间变异性程度均属于中等水平，污染物浓度的高值区域主要分布在地表高程较低的地区[14-15]。由于大气污染的形成和变化复杂，进一步了解区域空气污染特征和差异，以及引起差异的关键因素及其影响机制还有待进一步研究和分析。

通过对2016～2020年天津、青岛、上海、宁波四个经济活跃的典型沿海城市大气中的主要污染物(PM2.5、PM10、SO2、NO2)浓度分布进行分析与对比，研究了沿海典型城市大气污染特点。由于大气污染的程度与城市的地理位置、气候、经济发展等因素相关联，本研究也选取了该四个沿海城市近五年的城市数据进行了影响因素和相关性分析，以期对沿海城市大气污染防控提供对策建议参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究所用空气质量数据来源于中国环境监测总站的全国城市空气质量实时发布平台(http://106.37.208.233:20035/)发布的天津、青岛、上海、宁波四市2016年1月1日至2020年12月31日环境空气质量评价城市点的逐时监测数据。各种污染物的监测方法依据生态环境部相关标准与规范[16]。经济、气候数据来源于国家统计局、各市统计局、各市统计年鉴[17-32]。

1.2 研究方法

本研究采用Mann-Kendall检验法[33]对四个典型城市的PM2.5、PM10、SO2、NO2月均浓度，月均温度、降水量、日照时长等进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 典型城市四种大气污染物地理分布比较

为了解四城市各个季节四种大气污染物的地理季节分布特征，本研究将四城市2016～2020年大气污染物的逐月变化趋势进行了比较，结果如图1所示。

图1 四城市2016～2020年度大气污染物浓度变化趋势图Fig.1 2016～2020 trend of air pollutants concentrations in the four cities

四城市均呈现出污染物浓度冬季最高、夏季最低的特点，与我国其他地区大气污染物浓度变化规律一致，但是天津与青岛两市污染物浓度值以及随季节变化的波动幅度均高于上海与宁波。由于天津与青岛同属北方城市，冬季采暖需求大，使得污染物冬季浓度较高，污染物浓度整体呈现明显的“冬高夏低”的趋势。相关研究表明能源消耗对环境污染的影响为正[34]，能源消耗大，污染排放强度增大。

除各城市自身污染源排放强度的差异外，地理位置对大气污染物浓度分布也存在较大的影响。以青岛为例，青岛属于北方城市，冬季污染物浓度与同为北方城市的天津相近，夏季时却远低于天津，与浓度最低的宁波相近，如此显著差异可能与地理位置，沿海气候因素的影响有关。青岛地处山东半岛东南沿海，近乎被海包围，是四个城市中唯一具有海洋性气候的城市。海洋性气候具有受大陆影响小、受海洋影响大、降水日数多、云雾频数多、湿度高等特点。相关研究表明，冬季采暖为青岛大气污染物的主要来源[35]，因此冬季青岛污染物浓度高，其夏季受东南季风、海流、水团的影响，空气湿度大，对大气污染物沉降效果比冬季大，且夏季污染排放强度低，因此其夏季污染减轻幅度大。而其余三市除本身排放源差异外，夏季受海洋影响强度小于青岛，因而其余三市冬夏两季的差异总体低于青岛冬夏两季的差异。

2.2 典型城市四种大气污染物各季度浓度波动区间比较

为了解四城市各个季节四种大气污染物的分布规律以及与产业结构的关联，本研究将2019～2020年内各季节月均值和变化区间作了比较。数据选取2018年12月至2020年11月，分析结果见表1和表2。为分析产业结构对污染的影响，选取四市部分产业值进行参考分析，结果见表3。

表1 2019年四城市四种大气污染物浓度区间(均值)Table 1 Concentration range (average value)of four air pollutants in four cities in 2019 μg/m3

表2 2020年四城市四种大气污染物浓度区间(均值)Table 2 Concentration range (average value)of four air pollutants in four cities in 2020 μg/m3

结果显示，北方两城冬季PM2.5、PM10和SO2浓度均高于南方两城，其2020高均值城值分别为南方的2倍、1.8倍和1.4倍。在四城市中，青岛PM2.5与PM10的浓度波动也最大，青岛冬季的PM10浓度均值为四市最高，但在夏季时却远低于天津，与浓度最低的宁波相近。表明青岛冬季粗颗粒排放强度大、污染重，其来源可能为土壤扬尘、建筑扬尘等。

上海在春季和夏季的PM2.5浓度均值高于青岛，可能的原因为上海第二产业的GDP高于青岛。从而导致上海春夏两季PM2.5浓度均值高于青岛。

上海春季和夏季NO2浓度均值为四市最高，其结果受多重因素的影响。上海人口为四市最多，相关研究表明人口压力对环境污染的影响为正[34]。上海交通运输、仓储和邮政业和工业占比相对较高，交通运输、工业排放的NO2较多，从而导致上海NO2浓度相对较高。

四市2020年冬春两季的NO2波动比2019年冬春两季NO2波动大，尤其以上海与宁波最为显著。可能的原因为2020年2月突然爆发的新冠疫情，使得2020年人口、交通运输的波动大于2019年。以上海为例，新冠疫情爆发与社交隔离之后公路货物运输量与旅客发送量大幅下降，随着新冠疫情的有效管控，公路货物运输量与旅客发送量逐渐上升。2019年12月上海市公路货物运输量为3 387万吨，公路旅客发送量为249万人；而2020年2月公路货物运输量下降至2 200万吨，公路旅客发送量急剧下降至0.30万人；2020年3月公路货物运输量增至3 429万吨，公路旅客发送量上升到10万人；到2020年5月公路货物运输量进一步增加到3 756万吨，公路旅客发送量继续上升至82万人，两季公路货物运输量与旅客发送量波动很大。虽然四市均存在务工返乡、返城、新冠疫情社交隔离等问题，但天津、青岛两市冬季采暖所排放的NO2会抵消部分务工返乡、返城引起的波动。波动规律表明交通运输对NO2有较大的影响，且冬春两季交通运输对南方城市的影响作用大于北方城市。

四市SO2浓度均远低于国家二级标准，表明四市对SO2污染控制力度大、SO2减排效果显著，且四市SO2四季波动中，上海全年浓度波动最小。

2.3 以单位GDP为基准的典型城市四种大气污染物浓度比较

为了解单位经济产值与大气污染物浓度的关系，本次研究将近年来的污染物浓度以GDP为基准进行了比较，结果见表4。

表4 2016～2020四城市四种大气污染物与GDP比值Table 4 The ratio of four air pollutants to GDP in the four cities from 2016 to 2020 10-3 (μg·m-3)/万元

数据显示，上海的单位GDP的各污染物浓度比对值均远小于其余三市，其原因可能是上海本身GDP远高于其余三市，另一方面可能是上海对大气污染的治理措施更加严格，从而使得大气污染物浓度与GDP比值小于其余三市。不同城市之间污染物浓度比对值的差异与产业结构、污染治理等因素密切相关。

除2019年青岛的PM2.5与PM10比对值外，四市单位GDP的四种大气污染物浓度比对值均逐年减小，原因主要为四市经济逐年增长和四市对大气污染的治理效果越来越好。

2020年的结果表明，单位GDP内，PM2.5比对值从低到高顺序为上海<宁波<青岛<天津。天津PM2.5/GDP浓度为上海PM2.5/GDP浓度的4.16倍。单位GDP内，PM10比对值从低到高顺序为上海<宁波<天津<青岛。青岛PM10/GDP浓度为上海PM10/GDP浓度的4.61倍。单位GDP内，SO2比对值从低到高顺序为上海<天津<宁波<青岛。青岛SO2/GDP浓度为上海SO2/GDP浓度的3.82倍。单位GDP内，NO2比对值从低到高顺序为上海<宁波<青岛<天津。天津NO2/GDP浓度为上海NO2/GDP浓度的2.9倍。

2.4 大气污染物浓度影响因素分析

本文采用Mann-Kendall检验法对四个典型城市的PM2.5、PM10、SO2、NO2月均浓度，月均温度、日照时数、降水量等进行相关性分析，结果见表5。通常按照相关系数区间依次将0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0，分为无相关、弱相关、相关、强相关和极强相关5个区间[12]。

表5 四市2016～2020大气污染与气象数据相关性分析结果Table 5 Correlation analysis results of air pollution and meteorological data in four cities from 2016 to 2020

除上海的SO2与平均温度相关性呈弱相关外，沿海四市的PM2.5、PM10、SO2、NO2均与平均温度呈负相关，相关性系数均在0.4～0.8范围内相关性较显著，此结果表明温度升高有利于增强污染物的扩散，从而有助于PM2.5、PM10、SO2、NO2浓度降低[11]。

由于降水对污染物有冲刷和沉降作用，尤其是在冬季污染相对严重时期，短时降水能对大气污染起到一定程度的缓解作用[13]。但降水量对南北四个城市的影响差异明显，在气候干燥地区降水降低大气污染浓度的作用更为显著。天津气候特点为夏季雨水集中、冬季干燥，所以降水量对污染物浓度影响明显。而宁波气候特点为终年湿润，所以降水量对污染物浓度的影响较小。

3 结 论

(1)大气污染物浓度分布总体存在冬季高、夏季低的季节变化特征，由于北方城市冬季采暖会加剧空气污染，北方城市冬高夏低的趋势要比南方城市显著。

(2)除自身污染排放强度的影响外，地理位置和区域气候对大气污染物浓度分布也有一定影响。北方两城冬季PM2.5、PM10和SO2浓度均高于南方两城，其2020高均值城值分别为南方的2倍、1.8倍和1.4倍。青岛冬季的PM10浓度均值为四市最高，但在夏季时却远低于天津，与浓度最低的宁波相近。与其地处半岛、具有海洋性气候特征有一定关系。

(3)四市间不同产业结构对污染物的浓度分布也有一定影响。公路交通运输、工业排放对NO2分布具有较大影响。受疫情影响，上海2020交通与2019年交通差异显著，相应的其2020年冬季NO2浓度波幅为2019年冬季的1.5倍，表明交通运输对NO2浓度存在较为显著影响。四市中，上海市单位GDP所对应的大气污染物浓度最小。以上海为基准，天津PM2.5、NO2浓度比对值分别为上海的4.16倍、2.9倍，青岛PM10、SO2浓度比对值分别为上海的4.61倍、3.82倍。

(4)在气象因素影响方面，温度对大气污染物浓度存在较显著影响，温度上升有助于降低大气污染物浓度。如平均温度与PM2.5、NO2的相关性，四市均呈负相关，降水量对季节性干旱地区的大气污染物浓度的降低效果要强于常年湿润地区。降水量对北方两市影响呈负相关，对南方两市呈弱相关，北方两市与南方两市差别在于北方两市冬季较干，存在季节性干旱。北方城市春季降雨对降低颗粒污染物浓度效果显著。