2001－2011年我国城市空气污染变化特征及分析

2012-10-16王丽涛程丹丹

河北工程大学学报(自然科学版) 2012年4期

苏捷，王丽涛，魏巍，程丹丹

(河北工程大学城市建设学院，河北邯郸056038)

随着我国城市化发展过程的飞跃，工业现代化的迅猛崛起，对大气环境所造成的污染也日趋严重。特别是在经济水平高度发达、人口相对集中的城区环境，交通源及建筑群的日趋密集不利于污染物的扩散，工业废气排放量和耗煤量的不断猛增等现象都成为影响空气质量状况的重要因素。污染物进入到大气环境后的扩散与稀释过程会使大气环境的物理、化学性质发生改变［1]。当前，我国绝大部分城市均以空气污染指数的实况数据向公众市民播报空气质量状况。空气污染指数(Air Pollution Index，API)，是将常规所监测的几种大气污染物浓度简化为单一概念性的指数形式来表征空气污染程度和空气质量状况。这对研究某一地区的空气污染状况有着重要的意义［2－3]。

近年来，国内有许多学者对空气污染指数资料做出过系统的研究和分析，从最初对空气污染指数法在城市大气环境评价的应用讨论［4]到后来的应用统计学方法对空气污染在时空变化及特征的研究，如中国海洋大学的王斌曾利用空气污染指数API和聚类分析的方法分析了2004－2007年我国空气污染的区域时空变化特征［5]及2001－2005年间我国23个沿海城市的空气污染状况［6]，孙炳彦等对我国南北方城市空气环境质量对比分析［7]，袁博等对我国城市群空气污染及其季节变化特点［8]，李小飞等对中国空气污染指数变化特征及影响因素分析［9]。另外，也有大部分针对小区域或个别城市的单独研究，包括北京地区［10]，上海城区［11]，杭州地区［12]，河南省重点城市［13]，陕西西安［14]，新疆乌鲁木齐与克拉玛依［15－16]，广州地区［17]，重庆地区［18]，河北邯郸［19]。但多数研究只是针对某一特定区域或单一城市的重点讨论，缺乏长时间、大范围区域内的空气污染特征分析和研究。而事实上，我国的大气环境质量呈现大区域特征［20－21]。本文主要利用2001－2011年全国86个重点城市的日空气质量数据资料对我国API的年际变化进行了分析，并通过API值反算浓度值对华北、东北、华中、华南等7大地理区域进行污染因子变化趋势的研究，并以2011年为例，分析了空气质量评价及污染因子的地理分布情况。

1 数据来源及研究方法

研究所用的数据资料来自源于国家环境保护部网站(http://datacenter.mep.gov.cn)2001 年 1月1日至2011年12月31日全国86个重点监测城市所公布的每日空气质量信息，主要包括空气污染指数API、首要污染物的发生情况及空气质量评价等相关资料，数据信息完整的城市为42个。自2001年6月5日起，国家环保部网站增加了秦皇岛、连云港、宁波、桂林、北海5个城市。2004年6月4日起增加了37个城市(渭南、宝鸡、玉溪、曲靖、德阳、泸州、绵阳、柳州、韶关、张家界、常德、荆州、平顶山、开封、日照、潍坊、济宁、枣庄、泰安、淄博、九江、泉州、芜湖、湖州、绍兴、镇江、扬州、齐齐哈尔、牡丹江、抚顺、鞍山、赤峰、阳泉、长治、大同、石嘴山、克拉马依)。2006年1月1日起又增加自贡、南充2个城市。文本主要针对我国城市空气污染变化特征以统计学方法对近200 020个数据进行了相应的分析和研究。

2 结果与分析

2.1 API均值与首要污染物的时空变化

为保证最终结果的精确性及合理性，此部分研究主要针对2001－2011年数据信息完整的42个主要监测城市。图1所描述的是API的年际均值变化及首要污染物发生频率情况，可以看出，近11年来，全国重点城市API年际均值总体呈下降趋势，年变化范围在65～90之间，波动幅度较小。下降过程可分为三个阶段:(1)2006－2009年;(2)2010－2011年。下降幅度分别为:14.91%、8.75%、3.31%。最高值发生在2001年，API均值达到86.14，最低值发生在2011年，API均值达到66.80。从首要污染物的发生频率来看，可吸入颗粒物的发生频率明显高于二氧化硫与氮氧化物的发生。三种首要污染物的发生频率都有不同程度的下降趋势。(3)2001－2005年;二氧化硫的高发期出现在2004－2008年，2009年之后有明显的下降势态。氮氧化物为首要污染物的发生情况最少，发生频率的最高峰值出现在2004年。从时间上来看，无首要污染物的发生天数年变化有较明显的增加趋势，2010年达到11年来的最高值。这表明2001－2011年，全国大部分城市空气质量状况稍有缓解。

图2为污染物的区域变化情况，分别对地理上的7大区域(华北、东北、华中、华东、西北、西南、华南)以三种污染物浓度的变化情况进行了独立的研究与分析。从图中可以得到以下结论:

(1)可吸入颗粒物是造成全国空气污染最主要的污染物。可吸入颗粒物污染较为严重的地域为华北地区和西北地区，华南地区污染物浓度值最低，可吸入颗粒物逐年平均浓度均小于0.1 mg/m3。11年中，除华南地区无明显的规律变化以外，其余6个区域(华北、东北、华中、华东、西北、西南)可吸入颗粒物的浓度均有不同程度的下降趋势。下降幅度较大的是华北地区和西北地区，分别达到 40.79%、33.62%。

(2)七个区域均存在二氧化硫的污染，从浓度分布上来看，华北地区二氧化硫的污染情况较为突出，2001年达到最高值，浓度为0.214 mg/m3，2007年达到0.0962 mg/m3，为11年来的最低值。东北地区的二氧化硫浓度有较为明显的上升趋势，2009年出现了一个峰值，浓度为0.0956 mg/m3。2005年，华南地区二氧化硫的污染有明显的起伏，浓度达到0.1361 mg/m3。从走势来看，华北、华东、华中、西北、西南、华南地区有明显下降趋势的变化规律。

(3)相对于可吸入颗粒物及二氧化硫的污染情况，全年氮氧化物的发生频率较低。2001－2011年间，华中地区与西南地区没有发生氮氧化物的污染。华北地区和东北地区近三年不存在氮氧化物的污染。氮氧化物发生的地区主要集中在华南及华东地区，内陆城市虽也有发生，但是发生频率相对较低，南北地区有较为明显的差异。氮氧化物污染较为严重的地区集中发生在华南地区，特别是在沿海城市，氮氧化物的污染浓度在0.03～0.06 mg/m3的范围内变化，这与该地域频频发生的光化学烟雾污染有极大关系。

2.2 空气质量评价与分析

根据2011年的数据信息资料，对全国86个重点监测城市进行统计分析，得到的结果如图3所示。从污染因子分布图来看，首要污染物为可吸入颗粒物的城市主要集中在我国北方及南方内陆城市，总体呈现南低北高的变化特征。2011年间发生频率较高的城市有枣庄、淄博、济宁、济南、兰州、西宁等，可吸入颗粒物发生天数均在330 d以上。相比之下，南方沿海城市及西藏地区发生较少，如湛江、海口、拉萨等。二氧化硫的分布情况无明显规律，发生频率较高的城市主要集中在华北地区与南方内陆城市。另外，全年中发生频率最高的城市为南充、柳州、鞍山、石嘴山等。氮氧化物的发生主要集中在沿海城市，诸如厦门、深圳、广州，全年发生频率较低。全年中，无首要污染物因子的城市集中在南方沿海地区，如珠海、湛江、海口、拉萨，全年发生天数各为201 d、318 d、263 d、294 d，空气质量较为突出。2011年全国86个重点监测城市污染物分布与前面2001－2011年间42个城市的地域性分析结果大体相似，可见我国大气主要污染物的发生在地域上具有同一性。

由空气质量的分布情况来看，空气质量为优、良的发生天数在全年中占有较大的比重。由图3(b)可知，空气质量为优的天数呈现为南方城市优于北方城市的趋势，较为明显的是沿海城市及西藏地区。如湛江、拉萨、海口三市，全年中空气质量为优的天数分别为318 d、294 d、263 d，三市的空气质量在86个城市中较为突出。轻微污染、轻度污染、中度污染发生频率较高的城市多集中在北方内陆城市。中度重污染及重度污染情况发生较多的城市为乌鲁木齐、兰州、赤峰三市，全年分别达到8 d、6 d、6 d。特别是乌鲁木齐市，全年重度污染高达5 d，空气污染较为严重。由此可见，我国南北方地区的空气质量状况有明显的差异，北方城市的空气质量低于南方城市，特别是可吸入颗粒物的污染情况对空气质量影响较大。

3 结论

1)2001－2011年，空气污染指数API值缓慢下降，空气质量逐年好转。可吸入颗粒物发生频率大，目前是我国的主要污染物。二氧化硫的高发期出现在2004－2008年，近几年来有明显下降态势。氮氧化物发生频率的最高峰值出现在2004年，集中在沿海地区。无首要污染物的发生天数年变化有较为明显的增加趋势，2010年达到11年来的最高值。

2)在空间变化上，东西南北差异较大。华北地区及西北地区可吸入颗粒物污染较为严重。二氧化硫的污染集中体现在华北地区及东北地区南方部分城市。氮氧化物的发生主要集中在华南及华东地区，内陆城市发生频率较低。我国大气主要污染物的发生在地域上具有同一性。

3)就2011年空气质量评价来看，全年可吸入颗粒物发生频率较高的城市有枣庄、淄博、济宁、济南、兰州、西宁。空气质量为优良的情况为南方城市优于北方。轻微污染、轻度污染、中度污染发生频率较高的城市多集中在北方内陆城市。中度重污染及重度污染情况发生较多的城市为乌鲁木齐、兰州、赤峰三市。我国南北方地区的空气质量有明显差异，南方城市的空气质量优于北方城市。

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