成都平原经济区城市空气质量时空变化特征

吴晓兰, 姜世中, 郑月蓉, 何秋霞, 汪美宏

(四川师范大学 地理与资源学院, 四川 成都 610101)

成都平原是位于中国四川盆地西部的一处冲积平原,总面积1.881万km2,包括四川省成都市各区县及绵阳、德阳、乐山、眉山、遂宁、资阳、雅安地区的部分区域(如图1).

由于成都平原位于四川盆地,大气污染物不易扩散,大气环境容量相对较小.根据2021年制定的《成都平原经济区“十四五”一体化发展规划》,到2025年,成都平原经济区经济保持稳定增长,经济结构持续优化,经济总量将突破4万亿元,随着经济区的快速发展,大气污染物排放总量不断增加,空气污染问题日益凸显.而近年来,不少学者对我国不同时空尺度空气污染进行了大量研究,揭示了区域空气质量时空变化规律,促进了社会经济与生态环境协调发展.如张向敏等[1]对全国343个地区空气质量指数(AQI)数据的时空变化研究;郭雯雯等[2]对长江中游城市群空气质量时空变化特征,以及影响空气质量的因素的研究;陈优良等[3]对长三角PM2.5时空变化特征及其影响因子分析;韩立建[4]还研究总结了在城市化与PM2.5时空格局演变及其影响因素方面的主要研究进展;Fang等[5]以及史海琪等[6]研究表明在2015—2020年期间四川盆地CO、SO2、PM2.5和PM10的年平均质量浓度均呈现明显的下降趋势,其中,在2015—2018年间PM2.5和PM10在德阳、成都、眉山、内江、自贡一带污染较重,并且污染物质量浓度均与气压、气温、相对湿度、10 m风速等高度显著相关;肖丹华等[7]指出四川南部经济区大气污染程度最高,川东北经济区污染最轻,成都平原经济区污染程度居中;甘茂林等[8]也指出成都平原城市群、川南城市群和少部分川东北城市群的城市PM2.5污染情况较严重, 且呈现空间聚集状态;雷雨等[9]分析了2015—2018年川南城市群6种污染物的年、月、日变化特征及其与气象要素的相关性;卢宁生等[10]对成都平原城市群春季臭氧污染天气进行客观分型与典型过程分析;白雪琴等[11]以2015—2020年成都市PM2.5质量浓度的时空分布为研究对象,得到成都市PM2.5的时空分布情况及其影响因素;杜鹃等[12]分析了2016—2020年绵阳市春节期间烟花爆竹燃放对绵阳市城区环境空气质量的影响.但对成都平原经济区整体空气质量时空变化规律研究十分鲜见,本文利用成都平原经济区8个城市(成都、绵阳、德阳、乐山、眉山、遂宁、资阳、雅安)2016—2020年6种大气污染物浓度监测数据,采用综合指数评价法、相关分析法,探讨成都平原经济区城市空气质量时间、空间分布特征,成都市污染物变化特征及其影响因素,确定成都平原经济区空气质量变化特征,为成都平原经济区大气污染管理及防治提供参考.

图 1 研究区域区位图

1 研究方法

1.1 单因子评价指数单因子评价指数计算式为

I

(1)

其中,Ii为第i种污染物的环境质量指数,Ci为第i种污染物在环境中的质量浓度值(单位mg/m3),Si为第i种污染物的评价标准(单位mg/m3).

1.2 多因子评价综合指数根据2012年国家环保部颁布实施的《环境空气质量指数技术规定》(HJ633-2012)标准,均值型多因子评价综合指数的计算为

(2)

其中,n为参与评价的因子数目.

1.3 空气质量指数(AQI)根据2012年国家环保部颁布实施的《环境空气质量指数技术规定》(HJ633-2012)标准,计入空气质量指数的项目共有6个:PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2、CO.空气质量指数分两步计算.

第一步 计算第k种污染物的空气质量分指数,计算公式为:

I

(3)

其中,Ik为第k种污染物的空气质量分指数,Ck为第k种污染物平均质量浓度的监测值(单位μg/m3),Ck,j为标准中与Ck相近的污染物质量浓度限值的低位值(对应于Ik,j)(单位μg/m3),Ck,j+1为标准中与Ck相近的污染物质量浓度限值的高位值(对应于Ik,j+1)(单位μg/m3),Ik,j为Ck,j对应的空气质量分指数,Ik,j+1为Ck,j+1对应的空气质量分指数.

第二步 计算城市空气质量指数.当所有空气质量分指数都计算出来之后,取最大者为空气质量指数(AQI),该种污染物即为首要污染物.当AQI<50时,则不报告首要污染物.

1.4 Pearson相关分析法成都市PM2.5与气温、降水、风速、能见度气象要素之间的相关关系计算公式为[13]

(4)

图 2 成都平原经济区2016—2020年空气质量综合指数

样本之间呈正相关,r<0表示2个样本之间呈负相关,绝对值越大表明相关程度越大.

2 结果与分析

研究区域为成都平原经济区8个城市(成都、绵阳、德阳、乐山、眉山、遂宁、资阳、雅安);研究时段为2016—2020年;污染物质量浓度数据来源于全国空气质量环境监测平台实时发布的6种污染物(PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO)的日均质量浓度,以及AQI值;城市人口和经济指标数据来源于《四川省统计年鉴》;逐日降水量、逐日平均气温、逐日平均能见度、逐日平均风速气象数据来源于National Centers for Environmental Information (NCEI) (noaa.gov).

2.1 成都平原经济区空气质量时间变化

2.1.1空气质量综合指数年变化特征 根据6种污染物的监测质量浓度,采用公式(1)和(2)计算出了2016—2020年成都平原经济区的空气质量综合指数(图2).由图2可知,2016—2020年,成都平原经济区8个城市的空气质量综合指数除雅安外均呈逐年递减的趋势;而雅安空气质量综合指数2016—2017年递增,在2017年达到峰值,2017—2020年逐年递减.在研究时段内,成都的空气质量综合指数主要集中在0.5～0.9之间,绵阳、德阳、眉山、乐山在0.5～0.8之间,资阳、遂宁在0.4～0.7之间,雅安在0.3～0.7之间.因此,在2016—2020年,成都平原经济区8个城市中,雅安的空气质量最优,其次为遂宁、资阳、乐山、绵阳、德阳以及眉山,成都的空气质量相对较差,但没超过国家环境空气质量二级标准.

2.1.2空气质量综合指数月变化特征 图3是成都平原经济区2016—2020年空气质量综合指数月变化曲线.由图3可见,在成都平原经济区8个城市中,1—12月,成都市空气质量综合指数最大,雅安市空气质量综合指数最小;1—12月,成都平原经济区8个城市的空气质量综合指数呈U字型变化,即成都平原经济区空气质量6—10月较好,11—次年2月较差.2016—2018年冬季空气质量综合指数大于1,超过了国家环境空气质量二级标准;2019年之后全年各月空气质量综合指数均小于1,低于国家环境空气质量二级标准.

2.2 成都平原经济区空气质量(AQI)空间分布特征图4是成都平原经济区冬季(12月—次年2月)空气质量指数AQI空间分布图.由图4可知,成都平原经济区除了中部地区在1月和12月份AQI值超过了100,空气质量处于三级(轻度污染)外,其他地区AQI值都小于100,空气质量处于二级(良好).

12月份,成都平原经济区AQI值中部地区(绵阳中南部、德阳、成都、乐山、眉山北部)高,东部和西部地区低.高值中心出现在成都、德阳,低值中心出现在遂宁.成都、德阳、绵阳南部AQI在101～112.1之间,空气质量处于三级(轻度污染).乐山、绵阳中部AQI在96～100之间,雅安、眉山、资阳、遂宁、绵阳北部AQI在78.1～96之间,空气质量处于二级(良好).1月份,成都平原经济区AQI值中部地区(绵阳、德阳、成都、眉山、乐山)高,东部和西部地区低.在成都、德阳出现了高值中心,乐山出现了一个次高值中心,低值中心出现在遂宁.中部地区(绵阳、德阳、成都、眉山、乐山)AQI在101～114.1之间,处于三级(轻度污染),1月份是一年中空气质量最差、污染范围最大的月份.东部的雅安和西部的资阳、遂宁AQI在86.34～100之间,处于二级(良好).2月份,成都平原经济区AQI值在77～95.96之间,都处于二级(良好),空气质量指数仍呈现出中部高,东部和西部低的分布特征.高值中心出现在成都、德阳,并且出现了2个低值中心,分别为西部的雅安和东部的遂宁.

2.3 成都市污染物时间变化特征成都市是成都平原经济区8个城市中AQI高值中心,下面进一步分析成都市2016—2020年6种污染物(O3、CO、PM2.5、NO2、PM10、SO2)的时间变化特征.

2.3.1污染物年变化 图5给出了成都市2016—2020年6种污染物的年变化曲线.由图5可知,在研究时段,成都市6种污染物年均质量浓度都呈下降趋势.O3、CO、SO2年均质量浓度在2016—2020年都未超标,均低于国家二级标准质量浓度限值;PM2.5年均质量浓度在2016—2020年超过了国家二级标准质量浓度限值,引起了空气污染;NO2、PM10年均质量浓度在2016—2018年超过了国家二级标准质量浓度限值,但在2019—2020年有所改善,年均质量浓度低于国家二级标准质量浓度限值.

图 5 成都市6种污染物年均质量浓度2016—2020年变化曲线

2.3.2首要污染物季节变化 利用公式(3)计算出了成都市2016—2020年各月首要污染物,并计算出了首要污染物各月份出现频率(5年当月出现天数/5年当月总天数)以及首要污染物5年内出现频率(5年中出现天数/5年总天数),结果如表1所示.

由表1可以看出,2016—2020年,成都市PM2.5为首要污染物出现频率(41.75%)>无首要污染物(空气质量为优)出现的频率(26.7%)>PM10为首要污染物出现频率(17.4%)>NO2为首要污染物出现频率(11.5%)>O3为首要污染物出现频率(2.7%).若按月统计,无首要污染物夏半年出现频率最高,4—10月达21.1%～56.4%,冬半年发生频率较低,1—3月及11—12月为3.8%～13.3%;以PM2.5为首要污染物冬季出现频率最高,1—2月及11—12月高达60.7%～88.4%,夏季出现频率最低,6—9月为5.5%～19.5%;以PM10为首要污染物出现频率各月相差不大,介于6.5%～30.8%之间,1、12月最小(6.5%和7.4%);以NO2为首要污染物出现频率冬季出现频率最低,1—2月及11—12月为1.3%～8.7%,夏半年出现频率各月相差不大,介于11.6%～21.9%之间;以O3为首要污染物仅出现于夏半年(4—8月),且发生频率较低,在0.7%～11.2%之间.

表 1 2016—2020年成都市各月及5年内首要污染物出现频率

可见,引起成都市空气污染的污染物主要有PM2.5、PM10、NO2,主要污染源是化石燃料,尤其是汽车尾气.虽然成都市城市人口不断扩大,汽车保有量迅速增加,但国家实施了系列生态发展战略,电动汽车推广、汽车尾气治理、产业不断升级换代,尤其是高精尖电子产业高速发展,致使2016—2020年成都市6种污染物年均质量浓度呈逐年下降趋势,大气环境质量不断提高.

成都市空气污染冬季比夏季严重,有明显的季节变化特征,而出现这种季节性变化的原因有人为因素和气象因素.PM2.5污染主要集中在冬季,成都属于亚热带湿润季风气候,冬季盛行偏北风,干燥少雨,地面有效辐射强,易形成辐射逆温,又处于盆地,污染物扩散条件差[14],另一方面是由于冬季人们用于供暖的煤炭燃烧和生物质燃烧增加了大气中PM2.5[15].而夏季盛行偏南风,且山谷风环流引起盆地上空大气层结不稳定,对流强,多云雨,在降雨的冲刷及对流扩散至高空,导致PM2.5减少.

近地面NO2、O3主要来自以石油为燃料的汽车尾气和工业废气.成都市人口多、私家车也多,有“世界第九堵”城市之称,所以大量汽车尾气排放,导致NO2在成都近5年皆有以NO2为主要污染物的月份,其中,在冬季NO2较少,在春季NO2增加,其主要原因是因为春季天气回暖,人们的出行大幅度增加,汽车尾气排放突然增加,加上3月大气降水较少,导致NO2增多.汽车尾气中的氮氧化物与碳氢化合物等在太阳光紫外线照射下会发生光化学反应,从而形成光化学烟雾,O3是其主要污染物.四川盆地多云,阴天多,是全国太阳辐射最少的地区,因此,以O3为首要污染物仅出现于夏半年,且发生频率较低.

2.3.3PM2.5与气象要素的相关性分析 采用公式(4)计算出成都市2016—2020年PM2.5质量浓度与降水、气温、能见度和风速之间的各月(某月内当天的PM2.5质量浓度值与当天气象要素相关系数)、季(某季节内当天的PM2.5质量浓度值与当天的气象要素相关系数)、年(5年内当天的PM2.5质量浓度值与当天的气象要素相关系数)的相关系数,并进行显著性检验,结果如表2所示,不同时间尺度PM2.5质量浓度与4种气象要素的相关性存在着较大的差异.

年尺度上,成都市PM2.5质量浓度与4种气象要素呈负相关,均通过显著水平为0.01的显著性检验.其中与能见度相关性最高(显著相关),其次是平均气温(低度相关),与风速、降水量呈弱相关.

表 2 2016—2020年成都市月、季、年PM2.5与气象要素的相关性

季尺度上,除气温在春、夏、冬季节与PM2.5质量浓度呈弱正相关外,其余气象要素与PM2.5质量浓度为负相关,并且4个季节中PM2.5质量浓度皆与能见度相关性最高(显著相关),与其余气象要素呈弱相关.月尺度上,能见度各月份皆与PM2.5质量浓度均呈显著负相关.气温除6月以及9月外,其余月份与PM2.5质量浓度为低度正相关.风速仅在1月、4月、9月、10月以及12月与PM2.5质量浓度呈弱负相关.主要由于成都市在2016—2020年风速约89%的样本分布在地面风速0～2 m/s(小风对大气污染物的水平输送、扩散、稀释不利,4 m/s以上风速对污染物稀释、扩散能力增强明显),并且没有4 m/s以上的风速样本[16].降水量也仅在3月、7月、10月、11月与PM2.5质量浓度呈弱负相关.主要由于PM2.5初始质量浓度较低时(小于50 μg·m-3),存在较多负清除过程,而成都夏季有94%的时间PM2.5质量浓度小于50 μg·m-3,并且冬季降水量较少且时空分布不均,对PM2.5的清除过程较少发生[17].

2.3.4PM2.5与社会经济发展的相关分析 在前面分析已知成都市PM2.5质量浓度呈逐年降低趋势(图5),为了分析成都市PM2.5的社会经济影响因素,计算出了2016—2020年成都市社会经济指标与PM2.5相关系数(表3).由表3可知,随着成都市的经济快速发展,机动车保有量、工业增加值、地区生产总值、能源消耗总量呈逐年增加的趋势,工业烟(粉)尘排放量呈逐年递减的趋势.PM2.5与机动车保有量、工业增加值以及地区生产总值呈高度负相关,与工业烟(粉)尘排放量呈高度正相关.PM2.5与地区生产总值相关性最高,其次是工业增加值、机动车保有量、工业烟(粉)尘排放量.而PM2.5与能源消费量的相关关系没有通过显著水平为0.05的显著性检验.可见,成都市PM2.5主要来源于汽车尾气、工业烟(粉)尘排放.为了进一步改善成都市大气环境质量,防止PM2.5污染,在经济持续发展的同时,要大力推广电能汽车,逐步减少燃油汽车,不断优化产业结构,加强工业烟(粉)尘的排放监督和管控.

表3 2016—2020年成都社会经济指标与PM2.5相关性

3 结论

1) 成都平原经济区城市群的空气质量在时空分布上存在明显的差异性.在时间分布上,2016—2020年间成都平原经济区城市群,雅安市和遂宁市的空气质量最优,其次为乐山市、资阳市、绵阳市、德阳市、眉山市,成都市的空气质量最差.成都平原经济区的空气质量综合指数1—12月呈U型分布.在不同季节,成都平原经济区空气质量总体为夏季最好,冬季最差.在空间分布上,2016—2020年,成都平原经济区的空气质量指数出现了2个高值和2个低值中心,高值中心分别位于成都市、德阳市,2个低值中心别位于雅安市、遂宁市.

2) 2016—2020年,成都市均以PM2.5为首要污染物出现频率最高,并且6种污染物中除PM2.5的年均质量浓度值超过了国家二级标准限值,其余污染物均在国家二级标准限值内.在季节变化上,成都市夏半年空气质量较好,无首要污染物出现频率最高.以O3为首要污染物仅出现于夏半年,且出现频率较低.在冬季,以PM2.5为首要污染物出现频率最高,以NO2为首要污染物出现频率最低.而PM10为首要污染物出现频率各月相差不大.

3) 2016—2020年成都市主要气象要素对PM2.5质量浓度的影响:年尺度上,成都市PM2.5质量浓度与能见度呈显著负相关,与平均气温呈低度负相关,与风速、降水量呈弱相关;季尺度上,除气温在春、夏、冬季节与PM2.5质量浓度呈弱正相关外,4个季节中PM2.5质量浓度皆与能见度呈显著负相关,与其余气象要素呈弱负相关.

4) 2016—2020年成都市PM2.5质量浓度的社会经济影响因子为汽车尾气、工业烟(粉)尘排放.PM2.5与地区生产总值、工业增加值、机动车保有量呈高度负相关,与工业烟(粉)尘排放量呈高度正相关.