湖北省五市空气质量时空差异及首要污染物分析

张天翼，董羽吉，罗艾虎，宋文瑄，宋慧婷，李玉华

(湖北大学资源与环境学院,湖北 武汉430062)

0 引言

近年来，随着我国工业化、城市化进程的加快，一些大中型城市的大气污染源和空气污染物不断增加，空气污染问题愈发严重，制约并冲击着城市的可持续发展性.长期吸入污浊的空气还会引发各种疾病[1].据相关统计，中国每年因为城市大气污染问题而造成的呼吸系统门诊病例高达35万人，急诊病例约680万人，死亡人数高达17.8万人，所造成的环境与健康损失占全年GDP的7%.大气污染对人类健康的危害已成为影响人们生活质量的重要因素之一[2].

本研究以湖北省代表城市的空气质量指数来分析污染物浓度水平得到时空变化规律，为揭示湖北省环境空气的演变规律、控制空气污染提供一定的理论依据.

1 研究区域与数据来源

图1 研究内容区域布设

1.1 区域布设以省会城市武汉为中心辐射四个方位，选取襄阳市、宜昌市、咸宁市和黄冈市为代表，分析湖北省空气质量与时空变化规律，如图1所示.武汉市位于湖北省东部、长江与汉水交汇处,地理位置为北纬29°58′～31°22′,东经113°41′～115°05′；襄阳市位于湖北省西北部,东经110°45′～113°43′,北纬31°14′～32°37′，南邻宜昌市；宜昌市位于湖北省西南部地跨东经110°15′～112°04′、北纬29°56′～31°34′；咸宁市位于湖北省东南部，地理坐标为东经114°06′～114°43′，北29°39′～30°02′；黄冈市位于湖北省东部，地理方位为：东经114°25′～116°8′、北纬29°45′～31°35′.五市气候特征均为亚热带季风性气候，常年雨量充沛.除宜昌市主导风向为东南风外，其余4个城市主导风向均为北风和偏北风.

1.2 数据获取及其处理在我国，以空气质量日报为主要数据来源的空气质量指数(air quality index，AQI)是研究城市大气污染的重要数据来源[10].本研究分别从武汉市、黄冈市、宜昌市、襄阳市、咸宁市环保局环境空气质量月报获取2018年3月到2019年2月的每日空气质量AQI 指数，与国家颁发的地区环境空气质量标准《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)进行比较，得出各市每月的环境空气质量优良天数.用ArcMap对数据进行绘图，分析城市空气质量变化与时空变化规律的关系.PM2.5浓度数据和温度数据来自中国空气质量在线监测分析平台(www.aqistudy.cn).用Origin软件线性拟合分析PM2.5浓度和温度之间的关系.

2 湖北省五市空气质量时空变化特征

2.1 五市空气质量时间变化规律五市2018年3月至2019年2月份空气质量优良天数如图2所示，随着季节变化，除了在六月份有一个转折外，空气质量由春至夏逐渐变好，然后由夏至冬逐渐变差，由冬至春又会好转，如图3.其中一月份为环境空气质量最差的时间段，一月份空气质量严重下滑，宜昌市出现了最低点，空气优良天数为0天.

图2 五市空气质量优良天数汇总

图3 五市空气质量优良天数随季节变化图

冬季空气质量差与城市冬季供暖有关.淮河是规定的供暖界限(淮河以北供暖，淮河以南不供暖)，淮北城市大量供暖会增加颗粒污染，同时北方的冬季十分干燥，有利于颗粒污染物的扩散，因此北方冬季的雾霾情况总体上要比南方严重[11].湖北地处我国中部内陆地区，且地势较低，所以经常会有北风吹向湖北，也就会将北方的污染物带来，武汉市无明显主导风向，境内多为东北方向，黄冈市常年主导风向为北方，襄阳市常年主导风向为偏北风，咸宁市常年主导风向为偏北风，这4个城市受北方供暖而导致的颗粒污染的影响较大[12].

秋冬季夜间地面温度急剧降低，上层空气降温速度较慢，发生“逆温”现象，这种下冷上热的逆温层结构一旦形成，空气无法上下对流，污染物很难扩散[13].

其次，夏天较频繁的降雨及大风天气，有利于空气中PM2.5、NO2、SO2的扩散和清除，因而一年中夏季的PM10、NO2、SO2等污染物浓度最低[14].而冬季气团干燥，空气流动性差，降雨量少且持续时间较短，风速和风力较小，对空气中污染物的冲刷效果不明显，这也是导致冬季空气质量较差的原因之一[15].

还有一些非主要因素.如1月份过年时间市民燃放烟花爆竹导致空气质量下降；春节期间市民回家过年客运增多，汽车排放量增大导致环境空气质量下降[16]等.同时2019年2月份和2018年12月份的环境空气质量水平也明显低于一年内的平均标准，推测是在春节附近时段因相同原因造成.

[6]韩庆祥、张艳涛：《马克思是如何以哲学的方式解读现实问题的：兼论当代中国马克思主义哲学的解读方式》，《江海学刊》2008年第1期。

此外，2018年6月份5个城市的空气质量优良天数数据也同时出现了一定幅度下跌的现象.推测其原因为6月份是夏收秋种的关键时节，所以农民大部分会选择在这个时间段燃烧秸秆，导致了6月份的空气质量较低[17].

2.2 五市空气质量空间变化分析

2.2.1 五市空气质量空间变化规律 五市冬季的12月、1月、2月是全年空气质量最差的季节，将这三月的数据运用ArcMap汇总于图4，分析其空间分布规律.

图4 五市优良天数分布图

由图4可知，在12月、1月、2月这三个空气质量最差的月份里，襄阳市和宜昌市的空气质量远低于武汉市、黄冈市和咸宁市.襄阳市地形为东低西高，由西北向东南倾斜.地理位置特殊，襄阳地处南襄盆地的南缘，是个低平缺口，东西向宽约300 km；南襄盆地北缘有方城缺口，是南襄盆地的通风廊道，也是北方大气污染物、沙尘扩散南下的必经之道.加之襄阳市常年主导风向为偏北风，污染物在偏北风的携带下在襄阳市扩散、沉降，导致襄阳市空气质量在极短时间内由良或轻度污染飙升至重度、严重污染.其中10月至次年3月，受北方冷高压控制与影响，多刮偏北风，而这较差的地形导致由北方城市供暖所造成的大气污染物会随着北风而进入襄阳市，进而导致了较差的空气质量.与襄阳市情况相似的城市便是宜昌市了.宜昌城区位于长江河谷地带，西北为高山和半高山，东南为丘陵和平原，两岸为低山，宜昌盛行静风和东南风，受西北高山和半高山阻碍，常年风速较小，静风频率高，导致扩散条件不利[18].加上东部工业园区在城市上风方向，细小颗粒、盐类污染物和碳氢有机污染物等非水成物气溶胶容易自上风方向流入后受阻易形成“雾霾”天气.这是宜昌市冬季空气质量差的一个主要原因[19].

除去外部输入以外，本地输出也会对空气质量产生较大影响.现有五市2014—2018年的GDP数据(中经数据网https://ceidata.cei.cn/jsps/Default?f=1)，和五市2018年能源消耗数据(五市各市政府的2018年国民经济和社会发展统计公报)，制成表1、表2、图5.

表1 五市2014—2018年GDP总额 千亿元

表2 五市2018年规模以上工业企业能源消费总量 万吨标准煤

由表1、表2、图5可以看出，咸宁市和黄冈市的能源消耗量和GDP明显低于襄阳市和宜昌市，结合图4，咸宁市和黄冈市的确是五市中空气质量较好的城市.将襄阳市和宜昌市与武汉市进行对比，武汉市的GDP和能源消耗量远高于襄阳市和宜昌市，但是襄阳市和宜昌市的空气质量在冬季时的空气质量远比武汉市差许多.可见本地输出并非是襄阳市和宜昌市冬季空气质量差的主导因素，综上主导因素应是北方大量供暖以及常年主导风向为偏北风和较差的地理位置环境综合所致.

将五市全年的数据用ArcMap汇总于图6.武汉市的空气质量优良天数只比襄阳市多，五市中排在倒数第二位，比宜昌市还要差.武汉市作为湖北省的省会，是湖北省发展最好也是最繁盛的城市，同时也是人口最多的几个城市之一.同时武汉作为长江中游地区最重要的交通枢纽，城市内部交通拥堵较严重，截至2018年2月底，武汉市机动车保有量283万辆，2019年突破300万辆大关几无悬念，曾经设计的230万辆“保有量红线”早被超越.因此汽车尾气的污染也是武汉市空气质量较差的一个重要因素.

图5 五市2014—2018年GDP总额

图6 2018年3月—2019年2月五市月平均优良天数分布图

襄阳市和宜昌市空气质量较差和两市城镇迅速工业化也有较大关系.近些年，襄阳市工业经济发展迅猛，每年以30%以上的速度递增.2008年，襄阳市工业经济总量已突破千亿元大关，规模以上企业突破一千家.2009年金融危机，襄阳市工业经济仍然保持快速增长的势头，全年实现工业总产值1 528亿元，比2008年增长了40.2%；工业增加值461.5亿元，比2008年增长27.6%[20].宜昌市近些年工业综合实力也大幅提升.2005年宜昌市规模以上工业企业完成工业总产值556亿元，2008年突破千亿元大关，2010年实现两年翻一番，达到2 218亿元，是2005年的3.99倍，年均增长31.9%.2005年完成工业增加值247亿元，2010年达到747.47亿元，是2005的3.03倍，年均增长24.8%，占全市GDP比重由40.6%提高到48.3%.在整个“十二五”期间，宜昌经济总量翻番，规模以上工业总产值突破5 500亿元，是“十一五”末的2.5倍.工业增加值增速高于全国、全省.

同样从五市政府的2018年国民经济和社会发展统计公报获得的五市全年工业产值数据列于表3.从中可看出，工业产值相对高的城市，空气质量相对差.

表3 五市2018年规模以上工业主营业务收入 亿元

从图6中还可以看出，五市当中湖北省的西部城市比东部城市的环境空气优良天数要少，环境空气质量要差.湖北省的西部城市更靠近于中国的内陆地区，地势更低，全宜昌市呈现出自西向东地势逐渐下降的趋势，襄阳市地形为东低西高，由西北向东南倾斜.如此低的地势会受北方部分城市污染空气的影响.同时由于地势低和地处内陆的原因，受污染的空气易于沉积不易扩散，加重空气污染持续时间[21].

五市中处于北部的城市(武汉市、黄冈市、襄阳市)与处于南部的城市(宜昌市、咸宁市)相比较时发现，北部城市的空气质量要比南部城市的空气质量差.这里有一幅中国空气AQI指数图(http://www.air-level.com/)，如图7，颜色越深AQI指数越高，污染越严重.从图中我们可清晰地看出湖北省周边省市空气质量最差的省份便是位于湖北省北方向的河北省、河南省、山西省、陕西省、山东省这五个省份.经查证，全年以AQI指数为标准，2018年全国空气质量最差的20个城市全部来自以上北方五省[22]，因此推测出湖北省北部城市空气质量比南部城市空气质量差的原因就是距离以上北方五省较近，由于空气的流通性强，空气质量会受到它们的影响.而前文也曾提到，五市中有四个城市常年主导风向都有偏北风的情况，所以受到的影响可谓巨大[23].

图7 2018年湖北省周边省市空气AQI指数图

根据这样的地理位置分布，推测五市中环境空气质量最好的应该是地处湖北省西南角落的咸宁市了，与实际数据相符.生态环境部发布了2019年3月份全国168个重点城市空气质量排名，咸宁位居第13位，在“全国20个空气质量较好城市”中，咸宁是湖北省唯一入围城市，当然咸宁市的空气质量好也不全是地理位置的原因.空气质量的持续好转，与咸宁市加大生态环境保护部署密不可分.近些年来，咸宁市开展“三禁三治”专项行动，从源头上减少大气污染.咸宁市共有339台20 t/h以下燃煤锅炉全部淘汰或改造；同时出台条例，城区禁止燃放烟花炮竹.咸宁市财政部门安排3 000多万以奖代补资金，淘汰黄标车及老旧车约3万辆.咸宁市全市220座加油站进行油气回收改造.今年以来咸宁市持续加强环境生态监测改善力度，陆续出台一系列新的环保政策.针对炼油污染问题，咸宁市拆除关闭8家土法炼油企业；咸宁市生态环境局联同咸宁市住建局防治建筑施工扬尘；与此同时，咸宁市开展“绿满鄂南”“精准灭荒”“森林质量精准提升”行动，全市新增8个九宫山大小(约196 km2)的森林面积，森林覆盖率达50.44%，极大地改善了咸宁市空气质量.

2.2.2 五市东西部代表城市特征污染物分析 选取的五市被分为湖北省靠东一侧(武汉市、黄冈市、咸宁市)和靠西一侧(宜昌市、襄阳市).而由图6可看出，在靠东侧的三市中空气质量相对较差的是武汉市，靠西侧两市中空气质量相对较差的是襄阳市.所以本文以这两个城市为代表分析它们的大气特征污染物.武汉市的大气特征污染物情况见表4，襄阳市的大气特征污染物情况见表5.

由表4、表5可看出在武汉市和襄阳市，PM2.5作为首要污染物是天数最多的，两个城市大气污染问题最严重的是都是PM2.5污染.在这一方面五市东西部城市所表现的问题相同，目前污染问题最严峻的就是PM2.5污染.从中国空气质量在线监测分析平台搜集了武汉市、襄阳市2018年3月—2019年2月PM2.5每日浓度数据，并作出月均浓度表如表6和月均浓度图如图8.

表4 武汉市2018年3月—2019年2月大气特征污染物情况表

表5 襄阳市2018年3月—2019年2月大气特征污染物情况表

由图8我们可以看出PM2.5浓度是冬季(12—2月)>秋季(9—11月)>春季(3—5月)>夏季(6—8月).PM2.5就是细颗粒物，而供暖系统则排放出大量的细颗粒物.所以当冬季气温降低，居民大量使用供暖系统时PM2.5浓度会显著增加.与同样为中部地区的省会城市长沙作比较，长沙市2013—2019年7年间同样也是12月—次年2月PM2.5浓度明显升高[24].在夏季，气温升高会促进大气环流，同时伴有光化学反应，打破大气原本的固有状态，有利于PM2.5扩散.从图8～10可以明显观察到温度对于PM2.5浓度的影响，随着温度的升高，PM2.5有着显著下降的趋势.图10是PM2.5浓度与温度的线性拟合曲线，其中R2>0.75证明线性拟合结果较好，两组数据之间线性关联较强.同时夏季降雨较多，雨水的冲刷作用也会降低PM2.5浓度[25-26].而将武汉市与襄阳市的月均PM2.5浓度作比较，可以发现12月至次年3月份襄阳市PM2.5浓度明显高于武汉市，其余时间襄阳市和武汉市PM2.5浓度相差无几.这也是前文曾分析到的，襄阳市距离北方城市更近，且常年主导风向有偏北风，所以受到冬季北方供暖导致污染的影响更大，且地势较低，污染物不易扩散.

表6 武汉市、襄阳市2018年3月—2019年2月PM2.5月均浓度表 μg/m3

图8 武汉市、襄阳市2018年3月—2019年2月PM2.5月均浓度图

图9 武汉市、襄阳市2018年3月—2019年2月月均温度图

图10 PM2.5与温度线性拟合

由表4、表5得出在2018年5月—9月这一段时间内，武汉市和襄阳市主要的首要污染物为O3，地面O3的形成主要有两大要素，一是由发电厂、机动车尾气、燃煤锅炉和涂料油漆排放出的NOX和TOC；二是夏季高温居民会大量使用空调等制冷器，导致空气中O3含量升高，同时发电厂的负荷加大，也会导致O3含量过高.7月、8月正值暑假，许多家庭会选择出门旅游导致机动车尾气排放增加，导致O3含量过高.将武汉市与襄阳市的O3日均值达标率作对比，武汉市的月均O3日均值达标率低于襄阳市(89.23%<92.83%).推测是由于武汉市作为湖北省省会城市，经济更加发达，人口密度大，使用空调的居民多，居民用电量大，机动车数量也多.

在2018年10月份，武汉市和襄阳市主要的首要污染物是O3和NO2.十月份的国庆小长假，大量市民会选择出行旅游，因此会造成机动车排放污染物含量过高，导致了O3和NO2含量过高.武汉市的NO2日均值达标率低于襄阳市，原因是武汉市车流量更大.

3 结论与展望

1)基于2018年3月—2019年2月AQI数据，分析了湖北省五市空气质量时空分布规律，其中，2018年7月空气质量最好，2019年1月空气质量最差.五市空气质量咸宁市最优，襄阳市最差.其主要原因是北方供暖及偏北风和地理位置综合所致，次要原因为城市工业化建设.

2)湖北省东西部代表城市武汉和襄阳的首要污染物均为PM2.5和O3，PM2.5浓度随温度升高而降低，PM2.5浓度按季节排序冬季>秋季>春季>夏季.

3)为积极响应国家碳减排政策，政府应严格控制机动车污染排放，大力开发、使用新型清洁能源汽车，在进行工业开发的同时也应注意“绿水青山”建设，积极响应国家政策，营造良好生态文明环境，为缓解人类气候危机作出贡献.