2019—2021年郑州市采暖季大气污染特征分析

＊杨会军 韩健 关亚楠 刘雪娇*

（1.河南省生态环境监测中心 河南 450000 2.河南省环境监测技术重点实验室 河南 450000 3.河北科技大学环境科学与工程学院 河北 050018）

在过去几十年中，随着我国经济的快速发展，空气污染已成为一个严重问题。流行病学研究的大量证据表明，空气污染物会增加患心脑血管等疾病的风险[1-4]。并且某些污染物的低浓度导致的预期死亡率远远高于其他污染物的高浓度导致的死亡率，如Xu等[5]分析了2016年至2019年华北地区空气污染物（PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2和O3）的时空变化及其对人类健康的影响，结果表明，在高浓度下PM10和PM2.5对健康构成重大风险，较低浓度的SO2、NO2、CO和O3对健康的影响更为明显。

目前，大气污染物的变化特征已成为各地区研究热点问题之一[3]。郝永佩等[4]利用统计学方法分析了2014—2020年汾渭平原11个城市PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2和O3-8h-max质量浓度的时空变化特征，结果表明，前五种污染物年均质量浓度整体上呈现波动下降趋势，但O3-8h-max呈现上升趋势。杨绍康[5]基于天津市近几年大气主要污染物浓度数据和相关气象资料，分析了主要污染物与气象因素的关系，研究结果表明弱风速、低温度、高湿度三者共同作用是造成天津市本地大气污染严重的重要气象因素。

郑州市（34°16′～34°58′N，112°42′～114°14′E）地处河南省中北部，地形总趋势是西南高、东北低，为了解郑州市供暖期间大气污染特征及影响因素，本文基于郑州市2019年12月至2020年2月、2020年12月至2021年2月和2021年12月至2022年2月PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3质量浓度数据以及气象数据，分析了郑州市采暖季的空气质量、各污染物质量浓度日变化情况、污染物之间及气象因素的相关关系。

1.数据来源

本文采用的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3小时数据来自中国环境监测总站的全国城市空气质量实时发布平台（https://air.cnemc.cn）。研究期间气象数据来自中国地面气象站。本文研究时段包括2019年12月至2020年2月、2020年12月至2021年2月和2021年12月至2022年2月，分别代表2019年采暖季、2020年采暖季和2021年采暖季。

2.结果与讨论

(1)空气质量概况

2019—2021年郑州市空气质量各等级天数见图1。近三年郑州市采暖季空气质量在缓慢好转，等级为良占比最多并逐年增加，分别为40.66%、50.00%和56.67%，轻度及轻度污染等级以上的总污染天数在不断减少。由表1可见2019—2021年郑州市供暖时段首要污染物包含PM2.5、PM10、NO2和O3，其中以PM2.5为主，其次是PM10和NO2。图2为研究期间郑州市不同污染物浓度分布箱型图。2019年郑州市供暖期间的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和CO日均浓度分别为90.47μg/m3、104.72μg/m3、9.96μg/m3、41.68μg/m3、44.15μg/m3和1.11mg/m3；2020年郑州市供暖期间的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和CO日均浓度分别为78.21μg/m3、129.26μg/m3、11.56μg/m3、44.48μg/m3、38.70μg/m3和0.97mg/m3；2021年郑州市供暖期间的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和CO日均浓度分别为74.13μg/m3、98.17μg/m3、9.18μg/m3、36.93μg/m3、41.75μg/m3和0.92mg/m3。相比2019年，6种污染物质量浓度均减小，其中PM2.5和CO污染防治浓度最好，质量浓度不断下降，其余污染物小范围波动。

图1 研究期间郑州市空气质量各等级天数分布图

表1 研究期间郑州市首要污染物出现天数（单位：d）

图2 研究期间郑州市不同污染物浓度分布箱型图（CO浓度单位：mg/m3;其余污染物浓度单位为μg/m3）

(2)污染物浓度日间分布

由污染物浓度日间分布图可知，SO2呈单峰分布，在上午11时—12时达到峰值，之后浓度下降，下午20时达到最低值。CO在上午9时—10时浓度达到当日最高值，之后浓度下降，下午16时—17时达到最低值，浓度再次升高。NO2与O3均在夜间维持在一定的浓度范围，波动主要发生在6时—20时，具体表现为早晨随着太阳辐射的增加，O3大量生成，NO2消耗，14时以后NO2浓度升高，随后O3浓度下降。PM10与PM2.5日变化规律相似，浓度波动主要发生在白天。

图3 污染物浓度日间分布图

(3)大气污染物特征分析

通过对两种大气污染物浓度之间的相关性分析，可以初步判断两者是否来自相同的污染源。表2给出了冬季各大气污染物之间的相关系数，CO、PM2.5和PM10之间的相关系数均达到了0.5以上，特别是PM2.5与两者之间的相关系数介于0.67～0.93之间，说明了郑州供暖期间大气中CO、PM2.5和PM10三者相互之间具有较高的同源性，因为PM2.5是PM10的组成部分，所以相关性最高。

复合污染特征分析是通过2种污染物间的质量浓度的比值来分析相关的污染特征并识别污染物来源。PM2.5/PM10质量浓度比值随着污染程度的增加而增加，污染较轻的城市比值在0.3～0.4之间，污染较重的在0.5～0.7之间。计算得出2019—2021年采暖季PM2.5/PM10分别为0.86、0.61和0.76，因此可初步推断冬季郑州市颗粒物污染严重，主要以细颗粒物污染为主。NO2主要来源于移动源，而SO2与煤炭燃烧和工业生产等固定源密切相关。本研究NO2/SO2分别为4.19、3.85和4.02，表明移动源的贡献大于固定源，因此可初步推断郑州市供暖时段的移动污染源占主导地位。

(4)污染物与气象因素的关系

将各污染物与气象因素进行相关性分析，如表2所示，总体上污染物与相对湿度的相关性强于气温、地面气压，而且O3与气温的相关性高于其他污染物。由于O3生成受太阳辐射影响，而高相对湿度下，大气中水汽高使太阳辐射减弱，进而影响O3生成，所以本研究显示O3与气温呈正相关，与相对稳定呈负相关。图4为2019—2021年供暖时段不同污染物浓度叠加风场玫瑰图，从中可知，2019年郑州市采暖季东北和东南风向的CO、NO2、PM10、PM2.5和SO2浓度高于其他风向，O3各风向浓度分布较均匀；2020年郑州市采暖季CO、NO2和SO2在风速小于等于8m/s的情况下浓度较高，各风向对PM10浓度的贡献均高于其他两年，来自240°～330°的风对PM2.5的贡献较小，O3各风向浓度分布较均匀；2021年郑州市采暖季O3、PM10和SO2高浓度值主导风向为东南风和西北风，来自20°～210°的东风对PM2.5的贡献要高于其他风向，CO与NO2各风向浓度分布较均匀。

图4 研究期间不同风速风向污染物分布图

表2 污染物之间以及与气象因素的相关性

3.结论

（1）2019—2021年郑州市采暖季空气质量在逐渐好转，等级为良占比最多并逐年增加，分别为40.66%、50.00%和56.67%，轻度及轻度污染等级以上的总污染天数在不断减少。（2）不同污染物日变化表现不同。SO2呈单峰分布，CO呈双峰分布。NO2与O3变化趋势相反，波动主要发生在6时—20时。PM10与PM2.5日变化规律相似，浓度波动主要发生在白天。（3）供暖时段郑州大气中CO、PM2.5和PM10三者相互之间具有较高的同源性。2019—2021年郑州市采暖季PM2.5/PM10分别为0.86、0.61和0.76，表明郑州市供暖时段颗粒物污染严重，主要以细颗粒物污染为主；NO2/SO2分别为4.19、3.85和4.02，表明移动源的贡献大于固定源。（4）污染物与相对湿度的相关性强于气温、地面气压，而且O3与气温的相关性高于其他污染物。不同研究段污染物浓度的主要贡献风向不同。