呼伦贝尔市大气环境污染特征分析

王 煜,贾 旭

(内蒙古财经大学 资源与环境经济学院,内蒙古 呼和浩特 010070)

随着工业化和城镇化进程的加快,大气污染已经成为我国面临的最大环境问题之一[1]。大气污染对生态环境、人类健康和区域气候变化均有较大的影响[2-4],而化石能源燃烧是主要大气污染源之一,其中烟尘和SO2等物质被认为是主要的大气污染物,并且细颗粒污染较为严重。为了解决环境污染问题,应制定预防措施,着重针对大气污染的形成原因进行治理,从而改善空气质量。通过这些措施,可以帮助人类社会与自然环境实现和谐发展[5-9]。

呼伦贝尔市地处内蒙古自治区东北部,是中国优秀旅游城市、全国仅有的草原旅游重点开发区,境内的呼伦贝尔大草原是世界四大草原之一,因此,大气环境质量备受世界各地游客和公众的关注[10]。本文通过对呼伦贝尔市2015年1月—2022年12月的空气质量指数 (Air Quality Index,AQI)、PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO监测数据,分析不同季节和年份各种污染物的变化趋势,以此揭示该区域大气污染物的变化特征。通过建立线性回归分析模型,研究大气中PM2.5与PM10浓度的关系,分析PM2.5与SO2、O3、NO2浓度之间的相关性,为今后呼伦贝尔市的大气环境状况防控措施提供依据。

1 研究区概况

呼伦贝尔市地理坐标为47°05′—53°20′N,115°13′—126°04′E。气候具有明显的地域分异特征,以大兴安岭山脉为界,岭东为季风气候区,岭西为大陆性气候区。岭东区年降水量500～800 mm之间,岭西区年降水量在300～500 mm之间。年均气温-5～2 ℃,无霜期114～120 d。年均水面蒸发量850～1 350 mm,陆地蒸发量在350 mm以上,相对湿度介于 55%～75%。年均风速 2.5～4.3 m·s-1。土壤类型从东向西依次为黑土-黑钙土-栗钙土。第三次国土调查数据显示,呼伦贝尔市土地利用现状为林地面积最大,其次为草地、湿地、耕地、水域、城镇建设用地和交通运输用地,园地面积最小。呼伦贝尔大草原是目前世界上保存最好的天然草原之一,素有“世界著名草原”之称。植被类型主要分布有森林草原、草甸草原和典型草原三大类型。典型草原的优势物种有大针茅(Stipagrandis)、克氏针茅(Stipakrylovii)、羊茅(Festucaovina)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)和冰草(Agropyroncristatum)等。草甸草原的优势物种有贝加尔针茅(Stipabaicalensis)、羊草(Leymuschinensis)和线叶菊(Filifoliumsibiricum)等。

2 研究方法

2.1 数据来源

2015年1月—2022年12月呼伦贝尔市月平均AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO的监测资料数据来源于内蒙古生态环境网(https://sthjt.nmg.gov.cn/)和中国空气质量在线监测分析平台(https://www.aqistudy.cn/historydata/)的历史数据。

AQI是一个描述空气质量状况的无量纲指数,共分为六级。根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012),每项空气污染物都对应一个空气质量分指数(Individual Air Quality Index,IAQI),这些分指数与各项空气污染物的质量浓度有关[11]。当AQI大于50时,分别计算出每项污染物的IAQI,取各项IAQI的最大值作为AQI的值。此时,被认为是首要的污染物(表1、表2[12])。

表1 空气质量分指数及对应的污染物项目浓度限值Tab.1 Individual air quality index and concentration limit value of corresponding pollutant

表2 空气质量指数及相关信息Tab.2 Air quality index and related information

2.2 回归分析

本文采用回归分析方法,建立了PM2.5和PM10浓度的回归模型,以此判断大气环境中PM2.5和PM10之间的关系,同时研究PM2.5与SO2、O3、NO2浓度之间的相关性,为呼伦贝尔市的大气环境状况防控措施提供依据,进而能够科学地提出有侧重点的环境管理建议。

一元线性回归模型的基本结构形式为:

y=ax+b

式中:x代表PM10、SO2、O3和NO2等污染物浓度;y代表PM2.5浓度;a和b为线性回归方程拟合系数。

3 结果与分析

3.1 大气各污染物浓度变化特征

3.1.1NO2浓度变化特征

2015—2022年呼伦贝尔市大气NO2浓度变化介于 11.30～22.00 μg·m-3之间。其中,2015—2017年NO2浓度明显高于其他年份,2018年、2020年、2021年、2022年浓度水平相近。NO2浓度变化从2015—2022年呈现出逐年下降趋势。从季节尺度上看,冬季(1月、2月、11月和12月)的NO2浓度(平均值介于 12.75～27.25 μg·m-3)明显高于其他季节(图1)。其原因可能是呼伦贝尔正处于最寒冷的时间段,煤炭的不充分燃烧产生NO2导致其浓度剧增[12]。

图1 NO2浓度年际变化(左)和季节变化(右)特征Fig.1 Characteristics of interannual variation (left) and seasonal variation (right) of NO2 concentration

3.1.2PM2.5和PM10浓度变化特征

2015—2022年呼伦贝尔市PM2.5和PM10浓度变化特征基本一致,其均值分别介于 15.5～36.58 μg·m-3和 27.75～67.25 μg·m-3之间,变化趋势呈逐年降低趋势。2015—2016年PM2.5和PM10的浓度明显偏高,而2017—2022年大致相同。从季节尺度上看冬季出现大高峰,7月和8月出现小高峰,3月其浓度大幅度下降(图2、图3)。

图2 PM2.5浓度年际变化(左)和季节变化(右)特征Fig.2 Characteristics of interannual variation (left) and seasonal variation (right) of PM2.5 concentration

图3 PM10浓度年际变化(左)和季节变化(右)特征Fig.3 Characteristics of interannual variation (left) and seasonal variation (right) of PM10 concentration

3.1.3O3、CO和SO2浓度变化特征

由图4可知,O3的平均浓度波动范围介于 71.92～80.83 μg·m-3,且在年际尺度上显示出略微增加的趋势。从季节尺度上看夏季(7月和8月)浓度最高(约 95.66 μg·m-3),春季和秋季相当(约 70.42 μg·m-3和 79.54 μg·m-3),冬季最小(约 54.25 μg·m-3)。2015—2022年呼伦贝尔市CO浓度变化不大,但总体呈减少趋势。CO浓度均值介于0.36～0.53 mg·m-3。SO2的浓度在2015—2020年呈明显减少趋势;而在2021—2022年有略微增加趋势,其均值变化介于 2.75～11.58 μg·m-3。从季节尺度上看,冬季CO和SO2浓度明显高于其他月份,而在夏季二者浓度相对稳定(图5、图6)。

图4 O3浓度年际变化(左)和季节变化(右)特征Fig.4 Characteristics of interannual variation (left) and seasonal variation (right) of O3 concentration

图5 CO浓度年际变化(左)和季节变化(右)特征Fig.5 Characteristics of interannual variation (left) and seasonal variation (right) of CO concentration

图6 SO2浓度年际变化(左)和季节变化(右)特征Fig.6 Characteristics of interannual variation (left) and seasonal variation (right) of SO2 concentration

3.2 AQI变化特征

2015—2022年AQI均值介于 40.92～61.75 μg·m-3。2015—2022年间共计96个月,本研究根据空气质量指数与级别判断标准,AQI一级的时间为51个月,占 60%;二级的时间为33个月,占 40%(图7)。总体来看,呼伦贝尔市的空气质量主要以优良为主,出现污染天气的日数极少。AQI变化从低到高为春季(54.6 μg·m-3)>夏季(50.0 μg·m-3)>冬季(45.7 μg·m-3)>秋季(37.5 μg·m-3),即呼伦贝尔市秋季的空气质量最好,其次为冬季,春季空气质量相对较差。AQI在2015年、2016年、2017年、2019年的春季最高,空气质量最差,其他季节从2015—2022年AQI逐年下降,整体上表现出逐年变好的趋势。

图7 AQI年际变化(左)和季节变化(右)特征Fig.7 Characteristics of interannual variation (left) and seasonal variation (right) of AQI

3.3 PM2.5与PM10、O3、SO2、NO2浓度的回归分析

3.3.1PM2.5和PM10浓度的回归分析

通过建立PM2.5和PM10浓度的回归模型,以揭示PM2.5和PM10浓度之间的关系(图8)。对2015年1月—2022年12月的月平均PM2.5和PM10浓度的数据进行分析,看到PM2.5和PM10的比值在 0.404～0.723 之间,平均值为 0.554。由回归方程可知PM2.5和PM10存在显著的相关性(P<0.05),且细颗粒物对比粗颗粒物占据更大的比例,大约为 47.26%。因此,PM2.5是环境监测中应该优先考虑关注的对象。

图8 PM2.5和PM10浓度的回归分析Fig.8 Regression analysis of PM2.5 and PM10

3.3.2PM2.5和O3浓度的回归分析

随着全国范围内的各类污染物浓度的提高,高浓度的O3会和高浓度的PM2.5产生复合污染物,可加深环境污染的程度。月平均PM2.5和O3浓度的比值在 0.131～0.323 之间,平均值为 0.252。回归分析结果显示PM2.5与O3浓度存在不显著相关性(图9),其原因是呼伦贝尔市的O3浓度最高为夏季,而PM2.5的浓度春季和冬季最高,且PM2.5和O3的污染主要出现在夏季炎热的时期,呼伦贝尔市所处的纬度较高,O3浓度相对低,这在一定程度上减少了大气的复合污染。

图9 PM2.5和O3浓度的回归分析Fig.9 Regression analysis of PM2.5 and O3

3.3.3PM2.5和SO2浓度的回归分析

SO2主要来源于人类的生产生活排放的废气且在空气中通过水蒸气的作用与PM2.5相结合会产生雾霾,严重影响人们的生产生活、身体健康和出行安全[12]。月平均PM2.5和SO2浓度的比值在 0.153～0.405之间(图10),平均值为 0.234,且二者存在极显著相关性(P<0.01)。呼伦贝尔市PM2.5浓度在春季和冬季最高,而该季节处于采暖期,燃煤排放的SO2增加,故PM2.5和SO2浓度呈现极显著相关性(P<0.01)。因此,在治理PM2.5污染的同时也应该降低SO2浓度[13]。

图10 PM2.5和SO2浓度的回归分析Fig.10 Regression analysis of PM2.5 and SO2

3.3.4PM2.5和NO2的回归分析

月平均PM2.5和NO2浓度的比值在 0.503～0.794之间(图11),平均值为 0.642,且二者存在极显著相关性(P<0.01)。呼伦贝尔市PM2.5的浓度春季和冬季最高。NO2的浓度最高也出现在春季和冬季。

图11 PM2.5和NO2浓度的回归分析Fig.11 Regression analysis of PM2.5 and NO2

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)2015—2022年呼伦贝尔市NO2、PM2.5、PM10、CO和SO2大气污染物呈现逐年减少的趋势变化特征,且在冬季污染物浓度明显高于其他季节。而O3的浓度在研究时段内呈现略微增加的趋势,且在夏季浓度最高。

(2)根据AQI变化特征,呼伦贝尔市秋季空气质量最好,其次为冬季和夏季,而春季空气质量相对较差。

(3)PM2.5和PM10浓度之间存在显著的相关性,且PM2.5对比PM10占据更大的比例,大约为 47.26%。PM2.5与O3浓度存在不显著的相关性。PM2.5与NO2和SO2的浓度呈现极显著的相关性,即PM2.5与NO2和SO2容易相互叠加产生污染。

4.2 讨论

2015—2022年NO2浓度的季节变化特征显示,冬季浓度明显高于其他季节,其原因可能是呼伦贝尔市正处于最寒冷的时间段,煤炭的不充分燃烧产生NO2导致其浓度剧增[13]。PM2.5和PM10浓度在冬季出现大高峰,固定源的增加可能是其浓度增加的原因[14]。7月和8月出现小高峰可能是由于自然源的增加,在夏季气温增加布朗运动加强,进而导致PM2.5和PM10的浓度增加[15]。3月初,局地风力增强致使PM10和PM2.5等粒子向大气中的扩散速度加快,可能是其浓度大幅度下降的原因。此外,通过PM2.5和PM10浓度的回归分析得到二者之间存在显著的正相关,这表明二者具有共同的污染源且细颗粒物占比较大,故PM2.5在环境监管中应该是优先考虑和关注的对象[16]。PM2.5与SO2和NO2浓度之间也表现为极显著的正相关,在春季和冬季取暖期间燃烧化石能源释放出的SO2和NO2等在大气中滞留,一次污染物与二次颗粒物共存可能加剧了PM2.5浓度的增加。