2016—2020年郑州市空气质量变化特征分析

闫桂丽,刘兵戈,毛佳琦,田梦杰,杨亚瑞

(浙江大学中原研究院,郑州 450000)

0 引言

随着城市化、工业化进程的不断加快,能源利用在增加,汽车保有量逐年上升,细颗粒物(PM2.5)和可吸入颗粒物(PM10)已成为研究热点[1]。空气质量是城市环境质量的重要组成,是城市可持续发展的基础。《2016—2019年河南省环境质量年报》显示,河南省首要污染物为PM2.5[2],其黏附大量有害物质,对人体健康产生危害较大。二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳及臭氧是低层大气中主要的气体污染物,浓度变化具有明显的季节性特征。研究污染物的变化特征、了解其成因及影响因素对环境空气质量的影响有助于改善郑州市空气质量,为开展大气污染防治提供决策支持。

本研究以中国环境监测总站全国城市空气质量实时发布平台2016—2020年发布的监测数据为对象,以主要污染物浓度变化为基础,分析环境空气质量演变趋势,以期为改善郑州市环境空气质量提供有效的理论支撑。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

郑州城区现有8个国控环境空气自动监测点,1个对照点,分别位于市监测站、烟厂、医学院、郑纺机、银行学校、北区建设指挥部、经开区管委会、四十七中、岗李水库(对照点),监测数据均同步发布于全国城市空气质量实时发布平台。PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO、O3数据均来源于此(网址:http://106.37.208.233:20035)。选用的数据时间范围为2016年1月1日—2020年12月31日,PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO数据均为8个站点的24 h平均值,O3数据为8个站点的日最大8 h平均值(O3-8h max),监测过程中的实时气象资料包括湿度、气温、风速、降雨量数据,来源于河南省气象局。汽车保有量与能源消耗量统计数据来源于郑州市统计局(网址:http://tjj.zhengzhou.gov.cn)的《郑州市国民经济和社会发展统计公报》。

1.2 研究方法

郑州市环境空气质量日评价、年评价主要依据《环境空气质量评价技术规范》(试行)(HJ 663-2013)、《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)及《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(试行)(HJ 633-2012)。利用OriginPro 8.5 对6种污染物指标(PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO、O3)浓度进行统计分析,利用SPSS 22.0分析首要污染物PM2.5浓度与风速、PM10浓度与降雨量的相关性,采用OriginPro 8.5进行绘图。

2 结果分析

2.1 2016—2020年郑州市整体空气质量特征

2.1.1 首要污染物分布特征

由表1可以看出,2016—2020年郑州市环境空气中首要污染物以PM2.5、O3为主,其次是PM10。其中PM10的占比呈逐年下降趋势(2019年除外),PM2.5的占比年变化不明显,但O3的占比呈逐年上升趋势,说明郑州市近5年对PM10的防治取得较好效果,PM2.5的治理收效甚微,而O3的污染有加剧趋势,故需重点加强对O3污染物的防治及PM2.5治理。

表1 郑州市空气中首要污染物出现天数占比

2.1.2 空气质量优良率分布特征

由图1方形图可以看出,2016—2020年郑州市空气质量优良率分别为43.4%、45.5%、46.0%、48.8%、63.1%。2016—2019年严重污染占比2.2%、1.9%、1.6%、0.5%,其中2020年未出现严重污染天气。由图1折线图可知,首要污染物PM2.5[2]最高浓度值除2018年略高外,呈逐年下降趋势,最大值是最小值的2.43倍。虽然以PM2.5为首要污染物的天数年变化趋势不明显,但年最高浓度值下降趋势较明显,随着环境治理能力的不断加强及各项环保政策的实施,环境空气质量向好。

图1 2016—2020年不同空气质量级别占比Fig.1 Proportion of different air quality levels from 2016 to 2020

2.2 2016—2020年环境空气主要污染物变化分析

2.2.1 PM2.5与PM10月值变化

由图2可知,污染物PM2.5的最高值出现在2016年12月,为161 μg/m3,最低值出现在2018年4月、2020年8月,为23 μg/m3,最高值为最低值的7倍。除2016年最高值出现在12月外,其余4年最高值均出现在1月。PM2.5月均数值呈U型分布,1月和12月PM2.5浓度值都在80 μg/m3以上,而5—8月PM2.5浓度值都在50 μg/m3以下。可以看出,PM2.5的浓度冬季高于夏季,这可能是由于夏季降雨较多,对PM2.5有冲洗作用,冬季干燥少雨、气温低及化石燃料燃烧导致PM2.5浓度上升[3],河南各地春夏大气扩散能力比秋冬强,冬季大气过于稳定,不利于颗粒物的扩散。

图2 2016—2020年PM2.5月平均浓度值Fig.2 Monthly mean concentration of PM2.5 from 2016 to 2020

由图3可知,污染物PM10的浓度最高值为2016年1月的229 μg/m3,最低值为2020年8月的50 μg/m3,最高值为最低值的4.58倍,5年最高值均出现在1月。而3月出现第二次高峰,这与郑州市沙尘暴频发期的时间一致。PM10多来源于扬尘(包括土壤尘沙、施工道路扬尘、机动车尾气等),而PM2.5多来自于燃料燃烧、工业源及二次离子形成[4],受沙尘暴的影响较小。从图2、图3可知,两者变化趋势一致。研究表明,PM10主要为一次颗粒物(SO2和NO2的直接贡献较大),PM2.5主要为二次颗粒物(SO2和NO2的非均相反应气-粒转化过程贡献较大)[5]。刀谞等[6]研究发现,PM10与PM2.5浓度之间有很好的相关性,两者的污染来源相关,受人为因素及气候因素的共同影响,季节变化特征相同,表现为冬>春>秋>夏的特点。

图3 2016—2020年PM10月平均浓度值Fig.3 Monthly mean concentration of PM10 from 2016 to 2020

2.2.2 SO2与NO2月值变化

对SO2各月均值进行统计,绘制曲线如图4所示,污染物SO2月均值整体呈V型分布,局部来看,1月、2月浓度较高,这是因为冬季取暖过程排放大量污染物,边界层降低不利于污染物扩散。7月、8月份全年最低,夏季高温时段,工厂与企业停工,化石燃料消耗减少,降水频繁,湿沉降作用明显,导致气态污染物浓度降低[6]。从时空特征分析,各月月均值呈逐年下降趋势,2020年SO2各月月均值均低于前4年,可能是由于工业脱硫技术的改进和推广,与2014年郑州市完成煤改气、引热入郑、锅炉拆改等重大民生工程有关。

图4 2016—2020年SO2月平均浓度值Fig.4 Monthly mean concentration of SO2 from 2016 to 2020

对NO2各月均值进行统计,由图5可知,NO2月均值全年大体呈V型分布,每年2月出现拐点,可能与春节假期、工厂企业停工及人员车辆流动较少有关,尤其是2020年2月为5年来最低,可能与2020年春节人们外出活动水平大幅度降低有关。NO2浓度呈季节性变化,1月、12月较高,7月、8月浓度较低。NO2源排放强度的季节性变化,如郑州冬季寒冷需要更多的化石能源消耗烘暖,NO2输送、停留的大气环境呈季节性差异,如季风的变化影响NO2输送。NO2浓度年际变化不大,并没有因为煤改气的实施而出现较明显降低,说明除燃煤外,其他污染源排放的NO2浓度在增加。研究表明,近年来随着机动车保有量的增加,流动源排放的NO2大于固定源的趋势在加强[7]。

图5 2016—2020年NO2月平均浓度值Fig.5 Monthly mean concentration of NO2 from 2016 to 2020

2.2.3 CO与O3月值变化

与SO2主要源自固定污染源、NO2主要源自移动污染源不同,CO源自工业过程及汽车尾气,是固定和移动污染源的双重指标物[8]。因此CO浓度的月浓度变化特征与SO2、NO2存在类似点。由图6可知,月均值呈U型分布,冬季高、夏季低、春秋季大致相当,自11月以后逐步上升,这可能由于11月以后郑州气温开始降低,供暖区域开始增多,燃料燃烧不充分导致的。从时空分布来看,月均值年际变化呈逐年下降趋势,2018—2020年大气中CO各月均值均低于2016—2017年。

图6 2016—2020年CO月平均浓度值Fig.6 Average monthly CO concentration values from 2016 to 2020

对2016—2020年郑州市O3-8h max各月均值进行统计,结果显示,月均值呈M型分布,最高值出现在6月,最低值出现在1月,季节变化为夏季>春季>秋季>冬季,由于O3主要是其前体物NOX、CO及VOCS等在合适的紫外照射下经光化学反应生成的二次污染物[9],因此其季节变化受紫外辐射强度的影响。平流层折叠导致O3向对流层渗透也可能是造成郑州市夏季浓度偏高的原因。7月、8月有所降低,可能与郑州市7—8月雨水较多,云层较厚有关。而冬季由于光伏射强度较弱不利于光化学反应的发生,使得O3浓度偏低[10]。由图7可以看出,O3-8h max月均值年际变化差别不大,但2016—2020年总体浓度略有升高,说明O3带来的污染在加重,因此加强O3污染防控不容忽视。

图7 2016—2020年O3月平均浓度值Fig.7 Average monthly O3 concentration values from 2016 to 2020

由以上分析可知,郑州市2016—2020年SO2和CO的污染相对较轻,PM10、PM2.5的污染较严重,其次是NO2和O3污染,这可能与《大气污染防治行动计划》(国发[2013]37号)的实施有关,加大综合治理力度,减少多污染物排放、调整优化产业结构,推动产业转型升级、加快调整能源结构,增加清洁能源供应、严格节能环保准入,优化产业空间布局等措施有助于SO2、NO2等污染物的减排。《郑州市燃煤污染治理工作方案》(郑政文[2013]80号)等环保政策落实到位,整体来看,环境空气质量逐年向好。

2.3 特征污染物与气象因素相关性分析

2.3.1 PM2.5浓度与风速相关性分析

结合河南省气象探测数据中心提供的2016—2020年数据,进行空气质量指数(AQI)值、PM10浓度月值与气象因素相关性分析,结果如表2所示。

表2 月均AQI值、PM10浓度与气象要素相关系数

AQI值与平均气温、平均降雨量显著性负相关(P<0.01),相关系数分别为-0.456、-0.399,AQI值与平均相对湿度边缘显著负相关,相关系数为-0.202(P=0.061)。PM10浓度与平均气温、平均相对湿度、平均降雨量显著性负相关(P<0.01),相关系数分别为-0.753、-0.372、-0.693。可以看出,平均气温、平均相对湿度、平均降雨量对AQI与PM10有显著的抑制作用。地面气温越高,大气层结构稳定性越低,近地面对流越旺盛,越有利于大气的垂直运动,促使大气污染物向上输送。大气中的相对湿度越大,水汽越多,越有利于污染物的凝聚。降雨对污染物有冲洗作用,尤其对大颗粒物的冲洗更为明显,可有效降低PM10的浓度。

风速对AQI、PM10浓度影响较小,与AQI呈微弱负相关(|γ|<0.3),与PM10呈弱正相关(|γ|<0.3)。风速对大气污染的影响主要是稀释作用,风速大稀释污染物的能力强,污染物迅速吹到下风向,因此空气污染指数较低,但是风速大,地面尘土易被刮起,空气中大颗粒物较多,造成PM10浓度升高。

各气象因素间存在显著相关关系,风速与相对湿度、降雨量负相关(P<0.05),相关系数分别为-0.497、-0.280。气温与相对湿度、降雨量显著正相关(P<0.05),相关系数分别为0.293、0.764。相对湿度与降雨量显著正相关(P<0.01),相关系数为0.618。

2.3.2 PM10浓度与降雨量相关性分析

对2016—2020年AQI、PM10季值与气象因素进行相关性分析,结果如表3所示。风速在夏季与AQI、PM10浓度呈显著性正相关(P<0.01),在冬季呈弱的负相关(P=0.094)。相对湿度在冬季与AQI值呈现显著性正相关(P<0.05)。这主要是由于夏季大气层结稳定性低,利于污染物的扩散,AQI、PM10的浓度低于其他季节,夏季风速大,地面的扬尘易被扩散到空气中,扬尘对污染物的贡献值较为明显。冬季大气稳定,相对湿度越低,越不利于污染物的扩散与沉降,而风速对污染物有稀释作用,冬季受燃煤的影响,AQI、PM10浓度较大,由风引起的扬尘贡献值相对较低,因此呈弱的负相关。

表3 季度AQI值、PM10浓度与气象要素相关系数

3 结论

对郑州市2016—2020年环境空气质量状况及变化特征进行分析,探讨AQI、PM10浓度与气象因素的相关性分析,得出以下结论:郑州市环境空气质量优良率由2016年的43.4%提高到2020年的63.1%,严重污染天数占比由2.2%降到0,总体趋势向好。实施产业结构调整、煤改气能源结构调整及节能减排等一系列环保措施后,环境空气中SO2和CO排放得到了有效控制,但仍呈季节性变化规律。机动车保有量迅速增长,流动源的污染呈逐年上升趋势,环境空气中NO2浓度年际变化不明显。有机污染物的排放量增加导致O3的前体物量增加,O3浓度略有上升趋势,O3污染不容忽视。环境空气首要污染物为PM2.5,呈逐年下降趋势,PM2.5污染主要集中在冬季。气温、相对湿度、降雨量与其显著负相关,风速对大气污染物的影响较小;而季度尺度下气象因素与AQI、PM10相关性较低,原因可能是不同尺度对真实值的反映程度不同,尺度越大对真实值的掩盖越大。