亳州市空气质量影响因素分析

胡铮琪，李春波，单化理

（安徽省亳州生态环境监测中心，安徽 亳州 236800）

亳州市位于安徽省西北部，地处华北平原南端，居于豫皖两省交界处。亳州市处在暖温带南缘，属于暖温带半湿润气候区，有明显的过渡性特征[1]，造成冷暖气团交锋频繁，天气多变，年际降水变化大。亳州市历年平均气温为14.9 ℃，平均日照时长为2 184 h， 平均无霜期为213 d[2]，平均年降水量为831 ㎜，雨水主要集中在6-8月，受季风影响，夏季多偏南风，冬季多偏北风[3]。

近年来，亳州市认真贯彻习近平生态文明思想，积极落实大气、水和土壤污染防治行动计划[4]。亳州市委托中国环境科学研究院等科研单位开展污染源解析工作，并开展空气质量网格化监测，整治各类污染企业、居民散煤，综合治理“散乱污”、机动车污染、中药材初加工，深度治理工业炉窑等，取得一定成效。2020年，亳州市PM2.5年均浓度为47 µg/m3，较2019年同比下降11.6%，较2015年下降18.8%，但大气环境评价研究也存在一些不足。环境空气污染是一个错综复杂的过程，受到诸多因素影响，要想得出准确的影响因素，比较困难。

目前，我国大气环境影响评价已初步形成独立的管理和技术体系，为防治大气环境污染提供了有效的技术支持和法律保障。但是，相关体系和新型污染物研究等方面还需要完善。针对这一不足，本文选择天气研究和预报模型（WRF）对气象场进行模拟，利用三维区域空气质量模型（CAMx）进行分析。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据来源

亳州市共建设7 个大气环境质量监测点，其中，污水处理厂子站和三国揽胜宫子站属于国控监测点位，其他5 个属于市控监测点位。OMI 卫星资料来源于美国国家航空航天局（NASA）。

1.2 分析方法

环境监测项目为二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物、一氧化碳、臭氧和细颗粒物。按照《亳州市大气环境功能区划》的划分要求，空气环境质量评价标准采用《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）中的二级标准[5]。

提升树模型是一种基于集成思想的决策树模型，属于机器学习模型的一种。利用建立好的提升树模型，确定气象因素或人为因素后，将所有变量值代入模型，得到标准化结果。

利用WRF 模型对气象场进行模拟，通过CAMx 模型对亳州市大气污染物浓度进行模拟，并通过CAMx 来源解析工具PSAT 对亳州市PM2.5浓度来源贡献进行解析。模拟过程包括水平/垂直方向的输送和扩散、气态污染物和颗粒物大气化学转化及干湿沉降等。

CAMx 模型模拟和源解析模拟选取36-12 km 双层嵌套网格，最外层36 km×36 km 网格包含全中国，内层12 km×12 km 网格包含亳州市、安徽省及周边省市。

2 空气质量总体分析

2020年，亳州市六项常规污染物PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 和O3-8 h 平均浓度分别为47 µg/m3、79 µg/m3、7 µg/m3、23 µg/m3、1.1 mg/m3和166 g/m3。其中，PM2.5浓度圆满完成大气污染防治年度目标及“十三五”规划大气污染防治目标（48 µg/m3）；SO2、NO2达到国家标准。

2.1 空气质量时间对比

2.1.1 常规污染物年际变化

2020年，亳州市空气质量明显改善。其中，颗粒物PM2.5和PM10分别较2019年同期下降11.3%和4.9%，SO2、NO2、O3-8 h、CO 分别较2019年同期下降10.2%、8.6%、5.7%、16.7%。

2.1.2 优良天数年际变化

2020年，亳州市全年空气质量优良天数共计256 d，较2019年增加51 d，优良率达到69.9%，较2019年增加13.4 个百分点。与2018年、2019年相比，2020年未发生严重污染，中度和重度污染天数显著减少。

2.1.3 PM2.5浓度分布年际变化

从亳州市秋冬季变化来看，2020年秋冬季PM2.5浓度为68.6 µg/m3，比2019年同期下降14.9%；分季度来看，2020年第一季度受疫情影响，PM2.5浓度比2019年同期下降16.6%；第四季度，在全面复工复产的形势下，亳州市PM2.5浓度比2019年同期下降13.1%。

2.2 空气质量空间对比

2.2.1 亳州市与周边城市空气质量对比

2020年，亳州市PM2.5降幅为周边城市最大，降幅达11%；亳州市PM2.5浓度仅略低于宿州市，为区域内第二低城市。亳州与周边城市优良天数比率处于同一水平，优良天数比率上升幅度处于区域内第三，仅低于周口、阜阳。

2.2.2 亳州市三县一区空气质量对比

空间上看，亳州市NO2浓度分布在北部区域；亳州市O3浓度高值区分布较为均匀，主要集中在北部和中部区域；亳州市SO2柱浓度高值区2018年分布在谯城区北部，2019年集中在利辛县南部，2020年分布在谯城区和涡阳县交界区域。

时间上看，2018-2020年亳州市NO2柱浓度整体呈现先下降后上升的趋势；O3浓度呈现先下降后上升的趋势，2020年O3浓度低于2018年；SO2柱浓度差异不大，但是较2018年下降明显。

3 气象条件及人为因素对空气质量的影响

3.1 亳州市及周边城市环境气象条件对比

分析风速、湿度、降水、气温、气压和日照时数六个气象参数，亳州市及周边地区2019-2020年与多年平均（2018-2020年）气象条件月际变化总体相似。但2020年夏季，受我国南方大范围强降水影响，亳州及周边地区降水量较2019年及多年同期增加明显。降水量增加使亳州及周边城市2020年夏季相对湿度明显偏高，日照时数和气温明显偏低，从而抑制O3等二次污染物的生成。此外，由于降水的清除作用，降水量增加也会增强对大气颗粒物的清除作用。从扩散条件来看，2020年7月起，亳州及周边城市月平均风速相较2019年同期偏低，不利于污染物扩散。

3.2 气象因素对亳州市PM2.5 和O3 污染的影响分析

基于近几年亳州及周边气象和PM2.5日均浓度及O3-8 h 浓度数据，分析气象和排放因素对PM2.5和O3浓度的影响，并利用提升树模型开展气象标准化模拟，分析其对PM2.5和O3浓度同比变化的综合贡献。

日照时数在7 h 以下时，PM2.5浓度随日照时数的变化趋势不明显，超过7 h 后，PM2.5浓度快速下降。亳州市PM2.5浓度随平均相对湿度的增加而升高，当平均相对湿度超过65%后，PM2.5浓度趋于平稳。当日最高气温低于8 ℃时，PM2.5浓度逐渐升高，日最高气温超过8 ℃后，PM2.5浓度随日最高气温上升而逐渐降低。当平均气压低于1 020 hPa 时，PM2.5浓度逐渐升高，平均气压超过1 020 hPa 后，PM2.5浓度随平均气压上升而逐渐降低。亳州市PM2.5浓度随平均风速和累积降水量的变化并不显著。

据推测，日照超过7 h，多为夏季晴朗天气，温度较高，因此边界层高度抬升，有利于污染物的垂直扩散，PM2.5浓度下降。这与气温对PM2.5浓度的影响一致。空气温度的变化也是引起气压变化的一个重要原因。冷空气到来总是伴随着气压的升高；而在暖空气来临时，气压常常降低。冬天是冷空气的世界，夏季则是暖空气的天地，因此气压冬高夏低，即气压高，气温低，PM2.5浓度相对较高，气压低，气温高，PM2.5浓度相对较低。这再次验证了气温对PM2.5浓度的影响。

随着日最高气温的升高，O3浓度快速上升。日照时数小于7.5 h 时，O3浓度随日照时数缓慢升高，超过7.5 h 后，O3浓度上升较快。

随着夏季到来，空气温度逐渐升高，日照时间增长，大气压降低。随着日照时间增加，O3的浓度逐渐升高。这与气温对O3浓度的影响一致。空气温度升高总是伴随着气压的降低，这与气压低时O3浓度较高的趋势相吻合。因此，推测气温是影响PM2.5和O3浓度最主要的气象因素。

3.3 气象和人为因素对PM2.5 和O3 浓度变化的综合贡献

从PM2.5模拟结果来看，人为排放因素对各城市PM2.5浓度变化的影响较气象因素更显著。2018-2020年，人为因素导致各城市PM2.5浓度呈现逐年持续改善趋势。与其他城市相比，2018-2019年亳州市气象条件均不利，但人为因素导致其PM2.5浓度分别下降了5.5 μg/m3和4.9 μg/m3。2020年，在有利气象条件和人为减排双重因素叠加下，亳州、周口、宿州、淮北、阜阳5 市的PM2.5浓度明显降低，亳州市PM2.5浓度下降5.8 μg/m3，人为因素改善贡献率为69%。

分析气象和人为因素对亳州及周边城市O3浓度变化的综合贡献，2016-2019年人为排放因素对各城市O3浓度变化的影响显著，2020年各城市O3浓度改善受气象因素影响更为明显。2016-2019年，亳州及周边城市O3浓度均有较大幅度上升，其中，亳州市O3浓度平均上升最高，为18.2 μg/m3，人为因素平均贡献率为93%。2018年，亳州市为周边城市中唯一出现O3浓度下降的城市，其中气象因素贡献率为91%。2019年，亳州及周边城市气象条件均不利，虽各城市人为排放均有减少，但气象条件不利影响更为突出，其中亳州和阜阳O3浓度有所反弹，气象因素贡献率分别为52%和77%。2020年，亳州及周边城市气象条件较2019年显著改善，加之人为排放减少，区域整体O3浓度下降，气象因素对亳州市O3浓度变化的贡献率仅次于宿州和淮北，高达90%。

4 结论

亳州市及周边地区2019-2020年与近几年平均气象条件的月际变化总体相似。相对于气象因素，人为排放因素对PM2.5浓度变化的影响显著，亳州市PM2.5浓度下降的人为因素贡献率为69%。2016-2019年人为排放因素对各城市O3浓度变化的影响显著，2020年各城市O3浓度改善受气象因素影响更为明显。