长株潭城市群空气质量时间特征研究

郝丽婷，黄一民

（1.衡阳师范学院地理与旅游学院，湖南 衡阳421002；2.湖南省环境教育研究中心，湖南 衡阳 421002）

0 引言

改革开放以来，我国经济一直呈现快速增长态势，但工业化与城镇化进程的快速推进导致了一系列环境污染问题，主要反映在大气污染、水污染、土壤污染、噪声污染等诸多方面，其中大气污染成为人们最为关注的环境问题[1]。

目前，国内外学者对空气质量问题进行了广泛研究，从空气质量的表征指标来看主要包括三类：①浓度类指标，如PM10、PM2.5和O3浓度等，但由于大气污染是多种污染物复合作用结果，部分学者认为任何单一污染物都难以全面反映大气污染综合状态[2]；②排放类指标, 如工业SO2、工业粉尘、工业废气等[3]；③综合类指标, 如以空气质量指数AQI、空气质量二级及以上天数等综合类指标来反映空气污染程度[4]。从研究视角来看则包含：①揭示各污染物本身污染程度的高低特性及多种污染物相互比值关系特征下空气质量污染情况[5]；②根据不同时期、不同区域尺度空气质量状况表现出的差异性，从整体上揭示空气质量的时空特征[6]。其研究方法与手段主要包含核密度分析、空间自相关分析、灰色关联度法及社会网络分析方法等[7-10]。研究区域覆盖范围可划分为：①全国范围的大尺度空气质量特征分析研究[11-12]；②重点污染省份与城市等中小尺度的空气质量动态演化过程及特征分析研究[13-15]。城市群作为我国城镇化和工业化发展的空间单元，是国家新型城镇化的主体区与国家高质量发展的战略核心区，在增强区域经济活力与提升区域经济效率方面发挥着重要作用。因此，多时间尺度分析城市群空气质量演化特征，对城市群大气污染治理、环境规划及城市化发展具有重要参考价值。但迄今为止，关于城市群空气质量分析研究主要集中在京津冀、长三角、珠三角等区域[16-17]，对于长株潭城市群空气质量在不同时间尺度上的动态演化过程与特征分析研究则甚少涉及。鉴于此，本研究基于长株潭城市群2015年5月至2021年7月空气质量指数、常规污染物逐时监测数据，对长株潭城市群空气质量不同时间尺度的变化特征进行分析，以期为开展大气联防联控相关工作的实施与空气质量的改善措施提供科学依据。

1 区域概况

长株潭城市群位于湖南省中东部，地理位置东经111°55′～115°58′，北纬26°03′～28°30′。东邻江西省，西靠益阳市和娄底市，北接岳阳市，南依衡阳市和郴州市，包括长沙、株洲、湘潭三个省辖市。区域面积约为2.8万km2，属于湘江下游，湘江自南向北流经三市中心，是湖南省经济发展的核心增长极[18]。2007年，国务院批准设立长株潭城市群为资源节约和环境友好型社会建设综合配套改革试验区，要求加快形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式、生活方式。长株潭城市群作为我国中部六省城市中全国城市群建设的先行者、中部崛起的中坚力量，其空气质量研究在全国大气污染联防联控机制研究及“两型”社会建设中的重要作用不言而喻。

2 资料与方法

2.1 数据来源

本研究从中国环境监测总站全国城市空气质量实时发布平台（http:∥106.37.208. 233:20035/）收集了长沙、株洲、湘潭三市自2015年5月至2021年7月逐时空气质量指数、常规污染物（PM2.5、PM10、O3、CO、SO2、NO2）浓度数据。研究区内分布24个地面监测点，具体如下：长沙市有经开区环保局、高开区环保局、马坡岭、湖南师范大学、雨花区环保局、伍家岭、火车新站、天心区环保局、湖南中医药大学、沙坪；株洲市有天台山庄、株冶医院、市四中、火车站、市监测站、大京风景区、云田中学；湘潭市有板塘、市监测站、江麓、岳塘、科大、昭山与韶山。根据《HJ 663—2013环境空气质量评价技术规范》要求，各监测点空气质量指数及常规污染物小时浓度监测数据为整点时刻前1 h时段内监测点污染物浓度的算术平均值。

2.2 空气质量指数评价

空气质量指数用于定量描述空气质量状况，将专业性较强的空气质量监测结果转换成一个无量纲的指数，能够较好地反映出某一地区各污染物的浓度，根据AQI大小将空气质量状况划分为“优、良、中、差”等通俗易懂的等级[19]。AQI首先计算各参评因子（CO、NO2、SO2、O3、PM2.5、PM10）的空气质量分指数（Individual Air Quality Index，IAQI），然后以各IAQI的最大值作为AQI的值。

计算公式：

式中：IAQIp—污染物P的空气质量分指数；CP—污染物P的质量浓度值；BPHi—与CP相近的污染物浓度限值的高位值；BPLO—与CP相近的污染物浓度限值的低位值；IAQIHi—与BPHi对应的空气质量分指数；IAQILO—与BPLO对应的空气质量分指数；n—污染物项目。当 AQI＞50 时，IAQI的最大值即为首要污染物，若存在两项或两项以上IAQI最大时，则为并列首要污染物；当IAQI＞100 时，为超标污染物[20-21]。

3 结果分析

3.1 长株潭城市群AQI日变化

一年中不同季节的气温、降水、光照等自然因素以及人类活动强度存在着差异，对不同类别污染物的排放、分解及扩散会生产影响，进而影响区域空气质量。为了揭示研究区域空气质量日内的变化特征，分析了不同季节中AQI一天内逐时变化，具体见图1。

从图中可以发现：①在同一季节中，研究区域内的长沙、株洲、湘潭的AQI日内变化具有很好的一致性。这显然与同一季节的自然因素（如大气环流场、气温日内变化等）相近有关。②AQI日内变化均呈现出“双峰型”特征，最高值均出现在夜间9时附近，次高值出现上午11时附近。在亚热带季风气候区的南京[22]、衡阳[23]等地AQI日内变化均存在双峰型的特征，这主要是一天内气温变化引起大气运动及人类活动综合作用的结果。③AQI日内变化幅度秋冬较春夏显著，进一步计算显示，春季、夏季时AQI日内变化范围分别在53~79、35~54，日较差最小；秋季、冬季AQI日内变化范围分别在52~89、68~119，日较差最大时约为51。

3.2 长株潭城市群AQI周内变化

通常，双休日制度（周末：周六和周日；工作日：周一至周五）下，工作日因排放的大气污染物增加，空气质量会下降，而周末由于排放大气污染物减少，空气质量会改善，即表现出“周末效应”现象[24]。考虑到同一季节中自然条件对空气质量的影响相近，分析了不同季节研究区域AQI一周内的变化特征（见图2~图4）。春季时，AQI的值在56~73，且在周一至周三区间呈现增长趋势，并均在工作日达到一周最大值，这可能是因为星期一为工作日的开始，人类活动逐渐增强，因此，导致空气质量指数值升高；夏季时，AQI周内变化较小，AQI的值在38~57，其中8月份时周际变化波动性最弱，一周内AQI的值处于45~57。这可能源于研究区内夏季太阳的辐射较强，气温升高，大气的稳定性被破坏，空气对流增强产生的空气垂直湍流有利于近地层空气中的悬浮颗粒物向上扩散而被带到高空稀释，使得颗粒物质量浓度降低[25]；就秋季来看，周内变化曲线与8月相似，10月时AQI值便有所回升，并且工作日高于双休日，到11月后，AQI指数变化明显，最大值超过80。1月在周五附近出现最小值，最大值出现在周三，周一至周日变化整体呈倒“Z形”。冬季气候变冷，温度降低，空气中的对流作用就会相对减弱，影响近地面的大气颗粒物浓度，从而影响空气质量指数。将三个城市AQI周内变化曲线对比可以看出，长沙与湘潭周内变化情况极为相似，其中两个城市春冬季节AQI最大值都出现在周三，夏季最大值出现在周一，秋日AQI最大值则出现在周日；株洲大部分月份的AQI周内变化曲线都呈现出双休日＞工作日的趋势。

图2 长沙AQI周内变化

图3 株洲AQI周内变化

图4 湘潭AQI周内变化

3.3 长株潭城市群AQI逐月变化

图5给出了研究时段内长株潭AQI逐月变化情况。可以发现，一年中研究区域内三市的AQI均呈现出“U”型变化特征，每年11月至次年1月AQI偏高，1月出现峰值，2月后开始逐渐降低，5—8月大部分情况下，空气质量指数低于85，该时段，气温升高，大气层结变得不稳定，利于污染物扩散，另外夏季风形成大量降水，雨水的冲刷对空气污染起到很好的净化作用[26]，即秋冬高、春夏低，这与其它研究结论是一致的[27-28]。另外，三市AQI年内、年际具有同步变化趋势显然与研究区地形相对平坦、城镇密集、污染物排放相互影响、层层迭加的特点密不可分[29]。研究时段内，株洲AQI最大值达到144，出现在2017年1月；长沙与湘潭AQI最大值分别约为135、129，前者出现在2017年1月，后者出现在2019年1月。

图5 长株潭城市群AQI逐月变化

3.4 长株潭城市群空气质量等级变化

为了进一步揭示研究时段内区域空气质量的具体情况（见图6~图8），对应的空气质量等级进行了计算。研究时段内，长沙、株洲、湘潭三地空气质量状况多为优良级别，占比均在80%以上，其中株洲空气质量最佳，在2020年空气质量等级为优时长占比超过90%；湘潭与长沙不同空气质量等级占比接近；长沙空气质量相对较差，重度污染级别空气质量占比最大时超过3%，出现于2017年，轻度污染及以上等级占比最大年份为2016年，占比高达22%。从长株潭城市群整体来看，从2016年起，三地优良级别空气质量所占比例逐年递增，2020年空气质量则具有明显的改善，可能源于疫情期间工业停产等措施导致人为排放减少，使得部分大气污染物减少，人为排放污染物的减少。

图6 长沙市空气质量等级占比

图7 株洲市空气质量等级占比

图8 湘潭市长沙市空气质量等级占比

3.5 污染物演变趋势分析

研究时段内，长沙、株洲、湘潭三市各项污染物变化趋势见图9。PM2.5和PM10的平均浓度为46.2 μg/m³和66.5 μg/m³，分别超过国家空气质量二级标准（35 μg/m³和70 μg/m³）1.32倍和1.9倍。PM2.5浓度和PM10浓度的波动范围分别在2.67～427.3 μg/m³和1.3～677.7 μg/m³，峰值均出现于2017年1月28日，与三市AQI峰值出现的时间几乎一致。SO2和NO2的平均浓度分别达到12.99 μg/m³和31.44 μg/m³，SO2、NO2浓度的最高值为245.3 μg/m³、135.3 μg/m³，均出现在2016年2月8日。CO浓度和O3浓度在此过程中的平均值为0.84 mg/m³和54.64 μg/m³。CO浓度最高值为2.87 mg/m³，出现在2015年12月12日21时，而O3浓度峰值可达244.3 μg/m3，出现在2019年9月29日14时。长株潭城市群工业发展及工业布局是影响各类污染物浓度的变化的内在因素。长株潭区域工业开发长期保持高水平集聚，加上夏季相对湿度、风速等气象条件年际变化剧烈，秋季降水量较少，部分污染物的扩散与沉降过程相对滞后，于是各类污染物浓度时空变化存在显著差异[30]。随着长株潭两型社会示范区建设进入新阶段，政策驱动促进区域污染治理力度提高，产业结构调整、工厂搬迁、工业能耗降低、重点污染源整治等一系列措施促使长株潭空气质量好转，但复杂的大气复合污染和二次细颗粒物依旧是大气污染形成的主要原因。

图9 污染物浓度演变趋势

为揭示长沙、株洲、湘潭三市AQI与各项污染物的关系，对各污染物与AQI的相关系数进行计算，结果见表1。

表1 污染物描述性统计

由表可见，PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2、CO与AQI的相关系数逐渐减小，除CO外均通过了0.05显著性水平的双尾检验。通过AQI与PM2.5、PM10等污染物之间进行线性分析可知，空气质量指数的变化与PM2.5质量浓度变化具有强相关性，当AQI值增大时，PM2.5浓度也呈现增大趋势，空气质量差的区域PM2.5则呈现高值，这与我国大部分空气污染重点区域目前仍以大气颗粒物中的细颗粒物为主的结论一致[31]，而SO2、NO2等污染物的浓度与AQI值的变化相关性相对较弱。PM2.5为机动车尾气、道路扬尘、工业粉尘等一次污染物和经化学反应和光化学反应生成的硝酸盐、硫酸盐等二次污染物的混合物，而NOx和挥发性有机物（VOCs）为汽车、工厂等污染源排入大气的一次污染物，其需要在阳光作用下发生光化学反应才会生成二次污染物，因此，它们对AQI值的影响程度具有一定的差异。

4 结论

（1）长株潭三个城市AQI日内变化情况整体来看基本趋于一致，2—5月日内波动较小，6—9月日内变化均呈现先将后升趋势，12月—翌年1月为一年中空气质量最差的时段。

（2）春季时，AQI在周一至周三区间呈现增长趋势，并均在工作日达到一周最大值，秋日AQI最大值则出现在工作日；株洲大部分月份的AQI周内变化曲线都呈现出双休日＞工作日的趋势。

（3）三个城市空气污染水平依次为长沙＞湘潭＞株洲；三市AQI整体呈“U”型趋势，空气质量都具有整体向好的趋势，但持续五年内AQI最大值均高于100，均在1月出现峰值。

（4）2016年起，三地优良级别空气质量所占比例逐年递增。长沙、株洲、湘潭三地空气质量状况多为优良级别，占比均在80%以上，其中株洲市空气质量最佳，湘潭市次之，长沙市相对较差，重度污染级别空气质量占比最大时超过3%，轻度污染及以上等级占比最大年份占比高达22%。

（5）长沙、株洲、湘潭三市PM2.5和PM10的平均浓度为46.2 μg/m³和66.5 μg/m³，AQI与PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3的浓度存在正相关性、与CO呈极弱负相关，空气质量指数的变化与PM2.5浓度变化具有一致性。