上海中心城区2013～2020年期间环境空气质量特征影响因素研究

张沪春

(上海静安区环境监测站，上海 200042)

前 言

自国家环境空气质量标准2012年修订版实施以来，我国各级管理部门以大气10条为导向开展了持续深入的大气污染控制攻坚行动，并取得了明显成效。根据中华人民共和国生态环境部发布的2013年环境统计年报[1]和2019年中国生态环境统计年报[2]，2013年全国二氧化硫、氮氧化物排放量分别为2043.9、2227.4万t，2019年全国废气中二氧化硫排放量为457.3万t，比2013年减少了77.6%；2019年全国废气中氮氧化物排放量为1233.9万t，比2013年减少了44.6%。我国的大气污染治理工作已经取得了显著的成效，但在PM2.5污染得到抑制的同时，O3污染逐渐显现，不同大气污染源的贡献率也发生了明显变化[3～6]，我国的大气污染控制进入到PM2.5和O3协同控制阶段[7-8]。对于发达地区的中心城区，传统的工业类型的大气污染源已基本消失，如何进一步有效地提升环境空气质量成为相关管理部门面临的新问题。

分析环境空气质量变化特征及其影响因素有利于更好地制定改善环境空气质量的对策。目前已有诸多学者对我国许多地区的空气质量特征进行了时空尺度上的分析，包括京津冀、长三角、东北地区、陕甘宁地区、华北地区、云南省等等[9～16]，各地区的大气污染物变化特征和来源各不相同，不同区域的经济发展水平与其空气质量的相关性也有每个区域特殊的规律[17]。但目前针对发达的中心城区的环境空气质量及其影响因素的研究报道不多，本文以经济发达的上海某中心城区为研究对象，分析该中心城区与上海全市在2013～2020年间6种常规大气污染物在时间尺度上的变化特征和相互关系，探讨影响发达地区中心城区的环境空气质量的因素及进一步改善的可能途径。

1 研究材料与方法

1.1 研究区域概况

上海市地处长江入海口，是国际经济、金融、贸易、航运、科技创新中心。2020年，上海全市生产总值规模跻身全球城市第六位，全市生产总值38 700.58亿元，其中第三产业增加值占全市生产总值的比重为73.1%[18]。某中心城区地处上海市中心，2020年实现地区生产总值2 323.08亿元，产业结构以第三产业为主。该区以现代服务业为主体的第三产业包括商贸服务业，法律、投资、检测等等国内外的专业服务业，金融服务业，文化创意服务业，信息技术服务业。2020年该区第三产业共实现税收658.66亿元，占税收总额的比重96.0%[19]。

1.2 数据来源

本研究选取2013～2020年上海市空气质量实时监测数据为分析基础，数据来源于上海市环境监测中心，上海全市的污染物数据为国控点平均值，中心城区污染物数据为位于该区国控点的监测数据，包括SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO等6项常规污染物，本研究涉及的大气污染物浓度均统一成参比状态下的浓度，即大气温度为298.15K，大气压力为1 013.25hPa时的状态。气象数据来源于中国气象年鉴，包括上海全市的平均气温、降水量、相对湿度。风速数据来源于美国国家海洋和大气管理局(NOAA)国家环境信息中心网站(NCEI)(NOAA - National Centers for Environmental Information)，站点为“SHANGHAI HONGQIAO, CH”。

环境空气质量监测站点分布位置如图1所示。

1.3 评价方法

利用Excel完成6项污染物(SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO)的年均浓度、月均浓度的计算，通过绘制污染物浓度随时间变化的折线图，分析自国家环境空气质量标准2012年修订版实施以来中心城区及上海市的空气质量变化特征。

结合同时期内上海市的温度、降水量、相对湿度、风速等气象数据，分析污染物变化特征与气象条件变化的关联性。

2 结果与讨论

2.1 中心城区与上海全市6项污染物浓度的年度变化趋势

图2 2013～2020年上海市和中心城区大气污染物年均值对比Fig.2 Comparison of the annual average values of air pollutants between Shanghai and central urban areas from 2013 to 2020

如图2所示，2013～2020年期间，中心城区和上海全市的PM10、PM2.5和SO2均呈显著下降趋势，O3浓度则总体呈上升趋势，NO2和CO浓度呈缓慢下降的态势。

2013～2020年中心城区的PM2.5的年均值范围为32.3～58.8μg/m3，2020年PM2.5年均值浓度最低，为32.3μg/m3，较2013年下降45.1%；中心城区PM10的年均值范围为44.6～81.9μg/m3，且呈现明显的逐年下降趋势，2020年PM10年均值浓度最低，为44.6μg/m3，比2013年下降45.6%；具有相同变化趋势的还有SO2，2013年中心城区SO2年均值最高，为20.2μg/m3，2020年浓度最低为5.9μg/m3，呈逐年下降趋势，下降了70.5%。2013～2020年中心城区的NO2年均值的变化趋势平缓，8年间NO2年均值为42.6μg/m3，其中2013年NO2年均值最高为48.5μg/m3，比平均值高了13.8%，2018年最低为38.6μg/m3，比平均值低9.6%，2020年比2013年下降了19.4%。O3不同于其他5种污染物，上海全市和中心城区的O3年际变化趋势有明显差异，相邻年份间出现交叉。中心城区8年的O3平均浓度为113.0μg/m3，2017年是O3浓度最高的年份达120.2μg/m3，2013年的O3浓度与平均值接近达112.2μg/m3，2020年比8年平均值相比还高了4.1μg/m3，O3污染问题日益突出。上海市O3浓度在8年间总体呈缓慢上升态势，8年平均值为108.7μg/m3，2013年O3的年均值是近8年来最低的，自2014年起浓度有明显升高，2016～2020年期间的O3年均值均高于平均值，在2018年达到最高。

2013～2020年上海市和中心城区大气污染物年均值比较情况表明，除O3外，对于SO2、NO2、PM2.5、PM10、CO，上海全市和中心城区的年际变化趋势无明显差异，整体上呈现逐渐逐年下降的趋势，其中SO2、PM2.5、PM10下降趋势明显，表明上海市的大气污染防治工作成效明显。

2.2 PM2.5月份变化情况及管控需求分析

为了解PM2.5在一年中的变化趋势情况，将2013～2020年中心城区和上海市的PM2.5按月份取平均值，月度变化情况如图3所示，1月和12月的PM2.5浓度最高，2～8月PM2.5浓度逐月下降，9、10月开始缓慢上升，在11月和12月PM2.5浓度急剧升高。观察PM2.5变化特征和季节的关联性，PM2.5的月均值变化规律呈现“冬高夏低”的趋势，秋冬季浓度较高，而冬季的月均值最高，且秋冬季时，中心城区和上海市的PM2.5月均值基本一致。

图3 2013～2020年上海市和中心城区PM2.5月度变化情况Fig.3 Monthly changes of PM2.5 in Shanghai and central urban areas from 2013 to 2020

PM2.5污染问题受到本地排放源、气象条件以及周边地区污染物跨区域输送的影响。庄旻[20]等人通过分析上海城区的大气PM2.5样品发现，冬季PM2.5样品中有机物分子数量最多，夏季样品中含有的有机分子数最少，不排除北方供暖季污染物排放量增大、污染气团对上海市PM2.5的影响。同时，余钟奇[21]等人研究了2018年秋冬季长江三角洲各省市PM2.5不同来源的贡献率情况，其中区域输送和本地排放的贡献率分别达到46.8%和53.2%，而区域输送中以长三角区域内部输送为主。而梅梅[22]等人研究发现，人为减排是长三角区域PM2.5逐年改善的主要因素，气象因素的贡献较小甚至为负。

综合上述分析，结合中心城区PM2.5的月度变化情况，对于中心城区而言，在基本无工业污染源的情况下，欲进一步控制PM2.5，一方面需要依托上海加大全市范围的大气污染物减排力度和长三角区域间的大气污染联防联控，同时需因地制宜强化本地餐饮油烟等生活源和建筑工地扬尘源、非道路移动源等的控制，优化区域内的交通管理减少移动源排放强度。

2.3 O3月份变化情况，影响因素及管控需求分析

将2013～2020年上海市和中心城区的O3质量浓度按月份取平均值，月度变化情况如图4所示，O3的月均值变化情况不同于PM2.5，浓度高值集中在5～8月，而秋冬季开始O3浓度降低，在12月和1月达到最低。

图4 2013～2020年上海市和中心城区O3月度变化情况Fig.4 Monthly changes of O3 in Shanghai and central urban areas from 2013 to 2020

为了进一步分析上海市中心城区O3变化规律的影响因素，选取三个典型年份的O3月度变化情况(图5)，结合同时期NO2月度变化情况(图6)，以及温度、降水量、平均风速、相对湿度等气象条件(图7、图8)，PM10、SO2、CO的月度变化情况(图9)，分析O3和其他常规大气污染物、气象参数之间的关联性。

图5 典型年份上海市和中心城区O3浓度的月均值变化情况Fig.5 Monthly changes of O3 concentrations in Shanghai and central urban areas in typical years

图6 典型年份上海市和中心城区NO2浓度的月均值变化情况Fig.6 Monthly changes of NO2 concentrations in Shanghai and central urban areas in typical years

图7 典型年份上海市各月平均气温、降水量的变化情况Fig.7 Monthly changes of temperature and precipitation in Shanghai in typical years

图8 典型年份上海市各月平均风速、相对湿度的变化情况Fig.8 Monthly changes of wind speed and relative humidity in Shanghai in typical years

图9 典型年份上海市SO2、PM10、CO的月度变化情况Fig.9 Monthly changes of SO2, PM10 and CO in Shanghai in typical years

选取2013年、2017年、2018年作为典型年份分析上海市O3的月度变化规律，如图5所示，2013年和2017年的O3呈现“夏高冬低”的情况，峰值出现在7月。而2018年的7、8月O3却出现下降的情况，呈现“凹”字形的变化趋势，中心城区和上海全市O3的7月均值比6月降低了27.2%、28.2%，但冬季仍然是O3浓度最低的时候。

O3污染的影响因素包括工业生产和机动车等移动源排放的氮氧化物，工业源、生活源排放的挥发性有机物，以及温度、湿度、风速等气象条件[23～25]。NO2是一次污染物，通过光化学反应可以促进O3的生成，可以代表城市交通对空气污染的影响，社会经济水平较高的区域因交通密集，往往NO2会处于更高的水平[26-27]。而气象条件中降水使大气中的水汽含量增多，影响太阳紫外辐射在光化学反应中的作用，会减弱大气的光化学反应，而高温则有利于光化学反应的增强[4,24]。

为探究2018年O3变化规律不同于2013、2017年的原因，分析了同年份的NO2月均浓度变化情况。对比图5和图6，发现三个年份中7、8月份的NO2均值总体都处于较低的水平，并没有出现与O3类似的“凸变凹”或者“凹变凸”的突变情况。但2018年7、8月的NO2平均浓度比2013、2017年下降了21.8%～43.7%，同时，2018年7、8月的O3平均浓度也比2013、2017年低了26.7%～43.4%，推测该时段O3浓度降低可能是由于空气中较低的NO2。其他污染物、气象参数与O3的关系在月度变化图中没有明显的表现。

为进一步分析O3在2018年夏季出现“反常”情况，选取2013年、2017年、2018年7月16日～8月15日的风速、O3、NO2的日均值数据。VOCs作为O3的前体物之一，由于现有的VOCs监测条件有限，未能获得上海市区内的VOCs浓度数据，因而不进行讨论。如图10所示，O3和NO2的变化趋势相似度很高，而风速和O3浓度的变化趋势则呈现出明显的“互补”现象，反映三者之间有很高的关联度。

表 典型年份7、8月的风速、O3浓度、NO2浓度的相关性分析结果Tab. Correlation analysis results of wind speed, O3 concentration and NO2 concentration in July and August in typical years

图10 典型年份连续31天的风速、O3浓度和NO2浓度的变化图Fig.10 Changes in wind speed, O3 concentration and NO2 concentration for 31 consecutive days in typical years

分别对2013年、2017年、2018年7、8月的风速、O3浓度、NO2浓度的日均值数据采用Spearman秩相关系数法做相关性分析，结果如上表所示。O3和NO2、风速的相关性都十分显著(P<0.05)，其中风速对O3的影响是负相关，NO2对O3的影响是正相关，风速增大对O3浓度变小，NO2与O3呈同步变化的趋势。

基于上述的分析结果，2018年7～8月，在NO2浓度较低且平均风速较大的情况下，臭氧浓度也出现了较低的水平。而2013年7～8月的平均风速和2018年接近，但2013年的O3却远高于2018年，则可能是2013年平均气温高、降水量小、相对湿度低及NO2的浓度水平较高带来的影响。

3 结 语

3.1 2013～2020年期间，中心城区PM10、PM2.5和SO2年均值呈现快速下降趋势，O3年均值变化不大NO2和CO年均值呈缓慢下降的趋势。其中，中心城区PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO的年际变化和上海全市基本一致，而二者的O3在部分年份的变化趋势呈相反情况。

3.2 2013～2020年，中心城区PM2.5的月度变化呈现“冬高夏低”的规律，且上海全市的PM2.5月均值和中心城区月均值基本持平。

3.3 2013～2020年，中心城区O3的月度变化呈现“夏高冬低”的趋势，与全市O3的趋势一致。而2018年夏季O3浓度降低，与NO2浓度低、平均风速大等有关。风速增大对O3浓度有削弱作用，NO2对O3的生成有促进作用。同时建议加强VOCs监测体系的建立，以更好地指导O3的控制。

3.4 对于已近基本去工业化的中心城区的空气质量改善，一方面需要依托上海全市范围的大气污染物减排力度和长三角区域间的大气污染联防联控，同时需因地制宜强化餐饮油烟等生活源和建筑工地扬尘源、非道路移动源等的控制，优化区域内的交通管理减少移动源排放强度。