任艳培,张洪伟,谢国红

（河南科技学院资源与环境学院,河南新乡453003）

空气污染是我国目前主要的环境问题之一,对环境、气候、人类健康和交通等带来很大影响,据统计数据分析,全球每年有高达300多万人因室外空气污染而死亡[1].随着科技进步、社会发展,城市化、工业化的进程不断加快,产生了各种空气污染,如工业废气、生活燃煤、汽车尾气、核爆炸等,严重破坏了我们赖以生存的空气环境,空气污染问题更加突出[2].由于严重的区域性污染事件的频繁发生,中国的空气污染日益受到广大公众、科研人员和决策者的关注.Hu等[3]分析了华北平原和长三角PM2.5和PM10的时空变异性,在250 km内的城市之间,PM2.5和PM10的时间相关性很强,在所有城市中,PM2.5、PM10和其他气态污染物（CO、SO2、NO2和O3）没有明显的工作日/周末差异.Guan等[4]对甘肃省西部重点地区颗粒物时空变异性进行研究,春冬PM组分的值普遍较高,夏季和秋季的质量浓度较低,人为活动与边界层高度和风力共同导致了PM的日变化.Chai等[5]研究我国26个城市颗粒物和气态污染物的时空变化,中国北方城市的SO2和CO质量浓度远高于南方城市,对于O3和NO2北方城市和南方城市之间没有显著差异.Zhao等[6]对西南最大城市群SO2和NO2的长期趋势进行分析,在第十一个五年计划期间NO2排放减少并没有成功,在第十二个五年计划之后,NO2的下降并不明显.Sabin Kasparoglu等[7]对土耳其马尔马拉地区农村和城市地点O3、NO和NO2质量浓度的时空变化进行分析,分析得出地表O3是马尔马拉地区普遍存在的问题,O3和NO之间存在相反的季节性行为.虽然这些研究对区域性空气治理提供了有价值的见解,但对河南郑州的空气污染分析很少.

郑州市位于河南省中部,是河南省省会,两条横贯中国东西和南北的铁路线——京广线和陇海线在此交汇,因此被人们称为“火车拉来的城市”,也是国务院批复确定的中国中部地区重要的中心城市.郑州市作为我国重要的交通枢纽,人口基数大,房屋密集性强,研究郑州空气污染物的变化规律对郑州空气污染防治起着关键作用.近几年来,郑州市采取的污染防控措施取得一定的成效,但郑州的经济增长在一定程度上依赖于高污染产业,对煤炭、石油的需求量很大,生产过程中会产生大量的污染物,质量浓度较高,对环境影响十分严重[8],2019年,全国337个地级市及以上城市中,180个城市环境空气质量超标,占53.4%,根据空气质量综合指数评价,郑州市空气质量排名在后20名[9],需引起重视.本文主要研究郑州市综合空气污染指标及PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2和O3的时空变化,研究污染物和气象因素之间的相互关系,更全面地了解郑州市空气污染现状,以期为郑州市开展空气污染治理、促进郑州市经济健康发展提供全面直观的参考数据.

1 材料与方法

1.1 数据来源

文中的数据来源于中国环境监测总站（http：//www.cnemc.cn/）发布的AQI和6种污染物的小时质量浓度数据,本文所有数据均以小时质量浓度数据经过计算算术平均值获得.由于监测仪器存在的调试、断电等情况,监测会有中断的可能,在计算平均浓度之前,只有当监测日超过19 h的有效数据时,才能计算每种污染物的24 h平均浓度.每个月监测日少于27 d数据的月份视为无效监测,不参与本文数据分析.以前的一些研究也使用了相同的方法来分析华北平原和长三角地区夏季PM2.5和PM10[3].

1.2 评价方法

AQI（Air quality index）是定量描述空气质量状况的非线性无量纲指数,以《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）和《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012）为评价依据,参与评价的空气污染物有细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）和一氧化碳（CO）共6种[10],数据每小时更新一次.空气质量指数按（1）式计算

式（1）中：IAQI为空气质量分指数,n为污染物项目.

AQI仅表示某区域空气污染程度但不表示某种具体污染物的含量值.本文通过对2015—2019年间日平均AQI对郑州市空气质量进行评估,根据空气质量指数（AQI）的大小,可把空气质量分为6个级别（见表1）.

表1空气质量指数（AQI）分级Tab.1 Classification of air quality index（AQI）

2 结果与分析

2.1 郑州市2015年—2019年空气质量统计分析

图1可以看出郑州市2015—2019年空气质量等级的占比及空气达标情况.空气达标天数共占统计天数的55%,其中空气质量为良的有901 d,占统计天数的49%,空气质量为优级的天数有104 d,仅占统计天数的6%.未达标天数中,轻度污染占25%,为450 d,中度、重度及严重污染共有364 d,共占统计天数的20%.

图1 2015—2019年郑州空气市质量状况Fig.1 Air quality in Zhengzhou from2015 to 2019

研究表明,空气污染对人的身体健康造成一定的危害,主要表现在呼吸道疾病与生理机能障碍,以及眼鼻等黏膜组织受到刺激而患病.当空气质量为轻度污染时,人体吸入的灰尘会由鼻腔的黏液和各类支气管里的黏液将灰尘黏连住,易感人群眼鼻等黏膜组织会受到刺激而患病.当空气质量为中度污染时,健康人群可能会引起急性鼻炎和急性支气管炎等病症[11]；心脏病和肺病等患者有明显的加重现象,出现呼吸急促、困难等现象.长期生活在重度污染状况下的健康人群会出现一些阻塞性肺气肿、支气管哮喘等呼吸道疾病[12].当空气污染程度达到严重时,呼吸道的净化作用将降低,甚至完全丧失,病人和老年人可能会提前死亡[13-15].

2.2 时间变化

2.2.1年变化 图2表示了郑州市2015—2019年AQI及6种主要污染物年变化情况.近5年来,AQI指数分别为135.3、118.8、112.3、107.5和97,空气污染指数下降28.31%,呈明显线性下降趋势.2015—2018年郑州市整体空气质量超过国家二级标准,为轻度污染,2019年郑州市整体空气质量达到国家二级标准,空气质量等级为良.PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2污染物质量浓度都呈明显的下降趋势,2019年与2015年相比,PM10、PM2.5、SO2、CO和NO2质量浓度的下降比率分别是36.25%、37.55%、71.58%、27.71%和40.57%,下降比率最高的是SO2.2015年PM2.5与PM10分别超过环境空气质量标准限定二级标准的63.14%、57.84%,2019年PM2.5与PM10分别超过环境空气质量标准限定二级标准的40.99%、33.87%,明显下降.O3质量浓度有明显上升趋势,2019年与2015年相比O3的质量浓度上升27.44%,2019年与2018年相比,O3质量浓度有稍微下降,下降了1.02 ug/m3,降低1.49%.整体来说,郑州市空气环境质量得到一定的改善,这与郑州的经济政策、空气防控治理有显著的关系.

图2 郑州市2015—2019年AQI指数及主要污染物年变化趋势Fig.2 Annual variation trend of AQI and major pollutantsin Zhengzhou from2015 to2019

2.2.2季节变化 图3表示2015—2019年来整体AQI及6种主要污染物的季节性污染程度.

图3 郑州市2015—2019年整体AQI及主要污染物季节变化趋势Fig.3 Seasonal variation trend of AQI and major pollutantsin Zhengzhou from2015 to2019

近5年来郑州市的空气质量指数呈明显的“两头高,中间低”的季节性变化,冬季AQI指数最高,平均AQI值为161.8,春季次之,平均AQI值为116.2,秋季、夏季AQI值较低,平均值分别为96.8、81.8,其排序为冬季＞春季＞秋季＞夏季.CO和NO2的季节性质量浓度为冬＞秋＞春＞夏,PM10,PM2.5和SO2的季节性质量浓度为冬＞春＞秋＞夏,O3季节性质量浓度为夏＞春＞秋＞冬.整体来说,5年来冬季污染物质量浓度最高,O3反之[16].5年PM2.5平均质量浓度超过环境空气质量标准限定二级标准的52.49%,污染程度最高,这些季节变化反映了气象条件和排放的影响.

郑州城市建筑密度大,冬季干燥,随着逆温天气,大气层稳定,出现以浅层混合层为特征的停滞气象条件,污染气体堆积不容易扩散,导致高的质量浓度,当达到一定质量浓度时就会有雾霾出现[17].每年供暖时间集中在12月至次年3月,多以煤炭和生物质燃烧为基础家庭供暖,也有助于冬季形成高污染；夏季由于多高压活动,温度较高,空气流动比较频繁,有利于污染物的扩散,且夏季降雨比冬季多,有利于污染物的淋洗.O3表现出相反的季节性变化,夏季质量浓度最高,冬季最低,因为O3的形成速率取决于太阳辐射的强度[18].

2.2.3月变化 近5年来的AQI及主要污染物（O3除外）的月均值逐月变化趋势相近,如图4所示,变化曲线整体呈“U”型,O3变化曲线呈“∩”型,PM2.5、PM10的月变化比较显著,SO2、NO2的月变化幅度比较小,主要污染物质量浓度的峰值都集中在1月（O3除外）,谷值存在些许差异：CO、SO2、NO2、PM2.5的质量浓度谷值都集中在7月,AQI和PM10的质量浓度谷值都集中在8月.相反,O3的质量浓度峰值在6月,高达114.13μg/m3.5—10月的空气质量相对较好,1月份空气质量最差,其次是12月份,这与人为因素、天气条件和气象因素等多重条件影响有关.5—10月特别是夏季,强烈的太阳辐射和较高的温度有利于空气污染物的扩散和稀释,但是,持续高温和强日照天气,有利于氮氧化物和挥发性有机物发生空气光化学反应,容易造成光化学烟雾和二次臭氧生产,O3污染物的质量浓度随之升高,夏季降水量大,降水日多,对空气进行淋洗,也对O3质量浓度的降低起到了一定的作用；郑州市冬季最长,空气湍流和对流相对较弱,大气层较稳定,采暖期污染物排放量大,加之降水量较小,空气质量明显较差.

图4 郑州市2015—2019年AQI及主要污染物月变化趋势Fig.4 Monthly variation trend of AQI and major pollutants in Zhengzhou from2015 to 2019

2.2.4日变化 图5表示了郑州市2015—2019年空气质量指数日变化情况.2015—2019年郑州市的空气质量日变化明显,与季节性分析相符,两边高、中间低,冬、春季空气质量较差,AQI值较高,夏、秋季污染程度较小,AQI值较低；2016年峰值在冬季12月,为499.96,谷值在10月,为35.33；2019年峰值在冬季1月,为324.17,谷值在9月,为18.79.相比之下,峰值下降较为明显.作为河南省省会,处于全国的交通中心区域,人口密度大,工业相对发达,污染物排放量较大,且建筑物密集,阻碍空气流通,其环境治理政策及规模都会相对大一些,但空气污染问题依旧严峻[19],可能是多种空气污染物共同作用引起的.

图5 郑州市2015—2019年AQI日变化趋势Fig.5 Daily variation trend of AQI in Zhengzhou from2015 to2019

2.3 6种主要污染物变化规律综合分析

图6为2015—2019年6种主要污染物质量浓度变化.

图6 郑州市2015—2019年6种主要污染物质量浓度变化特征Fig.6 Characteristics variation of the concentration of six main pollutants in Zhengzhou from2015 to 2019

由图6可知,其与季节性变化分析相符,SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10污染物在冬春季质量浓度较高,夏秋季污染物质量浓度较低,特别是PM2.5和PM10,污染程度较高,1月份（如图6-C,图6-D）,0：00-24：00全天24 h污染物质量浓度都居高不下.PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2质量浓度趋势呈“W”形,冬季变化尤为明显,有两个谷和两个峰,郑州冬季寒冷干燥,空气下沉凝结,不利于污染物扩散,且冬季取暖燃烧大量能源,导致废弃物排放较多,除此之外,这与气象条件、人类活动也有很大的关系.

第一个山谷发生在08：00左右,PM10和CO发生较早,在06：00左右,早上人类活动和污染物沉积较少.清晨起床,人类活动开始增加,车流量逐渐增多,加之车辆尾气排放,污染物质量浓度随之升高,第一个峰值出现在10：00-11：00左右,第二个山谷发生在16：00左右,16：00之后污染物质量浓度又出现升高现象,即将迎来下班高峰期,下班之后人类活动较多,污染物质量浓度升高,21：00左右,污染物质量浓度达到第二个峰值.SO2的第二个山谷在19：00左右,相对较晚,这可能与人类作息、化石燃料燃烧有关,19：00之后质量浓度升高.夏秋季节不用采暖,且高温多雨,有利于空气污染物的稀释和分散,相对污染物质量浓度都有明显的降低（O3除外）.O3与NO2呈明显的相反趋势,O3质量浓度在07：00出现谷值,15：00左右出现峰值,冬季O3质量浓度较低,夏秋季节质量浓度较高,夏季高温辐射,有利于发生空气光化学反应,O3随着温度升高而上升,6月份污染程度最高,在15：00左右,O3质量浓度达到188.84μg/m3.

2.4 AQI指数与气象要素相关性分析

2.4.1 AQI与6种主要污染物相关性分析 郑州市2015—2019年AQI与6种主要污染物相关性分析结果见表2.

表2郑州市2015—2019年AQI与六种主要污染物相关性Tab.2 Correlation analysisof AQI and six major pollutants in Zhengzhou from2015 to 2019

由表2知,AQI与PM10、PM2.5的相关系数分别为0.937、0.956,其绝对值均大于0.8,呈极强相关,AQI与CO、NO2的相关系数分别为0.768、0.648,其绝对值介于0.6～0.8,呈强相关,AQI与SO2的相关系数为0.516,其绝对值介于0.4～0.6,呈中度相关,AQI与O3的相关系数为-0.323,呈弱相关.

AQI值越大,PM10、PM2.5、CO、NO2、SO2的质量浓度越高,空气污染越严重,空气质量越差.特别是郑州在冬季采暖期.煤炭的不完全燃烧等使得CO质量浓度升高,AQI值也迅速升高.

2.4.2 AQI与6种主要污染物及气象要素相关性分析 气象要素制约着空气污染物的稀释、扩散、输送和转化过程,影响空气污染物的分布及污染物质量浓度,在污染源相对稳定的情况下,气象要素对污染物质量浓度变化影响十分显著,是影响空气质量的主要因素之一.对2015—2019年郑州市AQI值及6种主要污染物与气象要素进行相关性分析[20].

AQI与湿度、NO2与湿度、O3与降水量及SO2与风速没有通过显著性检验.除臭氧外,温度、能见度、风速（SO2与风速没有通过显著性检验）及降水量与其他污染物及空气质量指数都呈负相关,气压与其他污染物及空气质量指数呈正相关.湿度与其他污染物的相关性相关系数普遍较低.温度与AQI、CO、NO2、PM2.5、SO2的相关系数分别为-0.404、-0.433、-0.408、-0.467、-0.456,其绝对值介于0.4～0.6,呈中度相关,温度与O3相关系数为0.781,呈强相关,气压与O3的相关系数为-0.716,呈强相关,能见度与AQI、CO、NO2、O3、PM10、PM2.5的相关系数分别为-0.530、-0.595、-0.467、0.417、-0.458、-0.592,呈中度相关.

由图7结果显示,湿度、风速、降水量与AQI之间的相关性较小,AQI与温度、能见度呈中度负相关性,郑州市冬季能见度低,夏季能见度高,对应的AQI值冬季偏高,夏季AQI值较低.这与分析的能见度、温度与AQI值存在明显的负相关性符合.AQI与温度的相关系数为-0.404,当温度降低时,空气状态稳定,扩散受阻,AQI指数升高,郑州市冬季供暖,进而又增加了CO、NO2、SO2、PN2.5及PM10的排放量；CO、NO2、SO2、PN2.5及PM10与温度呈明显的负相关性.当气温升高时,热力对流使得污染物向上扩散,AQI指数就会降低.两者呈显著的负相关性.郑州市夏季降水量多,且风速增大,空气流动性增强,对空气有明显的净化作用,可降低空气污染[20].能见度与各项污染物相关度都较强,且呈负相关（臭氧除外）.

图7 郑州市2015—2019年AQI及6种主要污染物与气象要素的相关分析Fig.7 Correlation analysisof AQI and six major pollutantswith meteorological factorsin Zhengzhou from2015 to2019

整体来说,当污染物质量浓度降低,能见度就高.AQI与气压呈正相关,相关性系数为0.272.在高压条件下,AQI偏高,近地面气流下降,阻碍污染物扩散；低压条件下,AQI偏低,可能带来降水,吸附污染物粒子,降低污染物质量浓度,降低空气污染程度.风速、降水量对空气的净化作用有助于减少污染物质量浓度,则分析的主要污染物（O3除外）都与风速降水量呈明显的负相关性,臭氧质量浓度与其他5项污染物不同,O3与温度的相关性最显著（r=0.781）,O3在夏季质量浓度较高,冬季质量浓度较低,与温度呈明显的正相关性,而气压夏季气压明显低于冬季气压,O3与气压呈明显的负相关性,相关系数为-0.716.O3夏季质量浓度高,和持续高温辐射有明显关系,人为源的O3主要是人为排放污染物的光化学反应生成.虽然臭氧与风速呈弱相关（r=0.213）,相关系数较小,但对O3也能起到轻微的净化作用.

3 小结

郑州市空气质量指数在2015—2019年有明显的日间变化,说明空气质量状况是多种因素综合的结果,与本研究的6种主要污染物有直接的关系,空气质量变化与季节有明显关系,空气质量的优劣程度依次为夏季＞秋季＞春季＞冬季.

这5年间，郑州市的空气质量指数基本稳定于Ⅱ级（良好）和Ⅲ级（轻度污染）,共1 351 d,共占所统计天数的74%,空气质量达标1 005 d,从2015年达标率36.26%,提升至2019年70.60%的达标率,5 a来平均达标率为55%,污染日数逐年减少,空气质量整体有所改善.

PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2与AQI月均值逐月变化相似,两头高,中间低,变化曲线为“U”型,PM2.5、PM10的月变化比较显著,O3变化曲线为“∩”型,整体来说,1月份空气质量最差,7、8月份空气质量最好.郑州市PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2的质量浓度冬季最高,春季次之,秋、夏季相当；O3质量浓度与其他5项主要污染物有相反的季节性变化趋势.

AQI与6种主要污染物与气象要素相关分析,AQI与PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2明显正相关,与O3呈负相关.O3与温度相关性最强,呈正相关.影响郑州市AQI的主要气象因素为温度和能见度,在夏秋季节空气质量相对较好,风速和降水量对空气质量有一定的净化作用,污染物质量浓度与AQI值相对较低,冬季供暖期更为明显,污染物质量浓度越高,AQI值越大,空气质量越差,应提高燃煤效率等减少CO等的排放,降低AQI值,有利于改善空气质量.