宁波市空气质量变化趋势及影响因素分析*

2015-06-15俞科爱黄旋旋朱纯阳蒋飞燕许岳庭

浙江气象 2015年2期

陈磊俞科爱黄旋旋朱纯阳蒋飞燕胡晓许岳庭

(1.慈溪市气象局,浙江慈溪 315300;2.宁波市气象台,浙江宁波 315012;3.宁波市气象服务中心,浙江宁波 3150124.镇海区气象局,浙江镇海 315202;5.鄞州区气象局,浙江鄞州 315194)

宁波市空气质量变化趋势及影响因素分析*

陈磊1俞科爱2黄旋旋3朱纯阳4蒋飞燕4胡晓4许岳庭5

利用2001—2013年宁波市空气污染物浓度数据以及社会经济报表资料,分析了宁波市空气质量的变化,探讨了空气环境质量的影响因素。结果表明,2001—2013年宁波市空气污染物浓度先升后降,整体空气质量2005年最差,2010年以后改善明显,污染物浓度季节变化明显,在冬季最高,空气质量也最差,夏季相反。宁波市首要空气污染物为可吸入颗粒物,空气质量为良的日数最多,污染日中以轻度污染为主,重度污染和严重污染日数很少。工业废气排放量、各种能源消耗量、城市绿化率、汽车数量与宁波市空气质量变化有较强的关联性,而地区产值变化、常住人口数等因素对空气质量的影响也不可忽视。

空气质量;污染等级;灰色关联;影响因素

0 引言

空气环境质量是自然环境质量的重要组成部分之一,随着城市化进程的加快,空气质量正不断遭到破坏,大气中的硫氧化物、氮氧化物以及颗粒物的浓度普遍增加,灰霾、酸雨等天气现象日益频发,对人体健康和生态安全构成了严重威胁[1-4], 大气污染已成为最突出的城市环境问题之一,受到了公众越来越多的关注,许多气象和环境工作者纷纷对城市的空气质量变化及影响因素进行了研究,并提出了一些治理措施[5-8]。宁波是浙江的经济中心之一,一直保持着较快的发展速度,2000年以来地区生产总值年均增长12.2%,2013年全市地区生产总值达到了7128.9亿元,全市人口也逐年递增,到2013年末已达到766.3万人,同时能源消耗不断增加、产业规模不断扩大,给宁波市的空气环境带来了巨大压力。本文对宁波市2001—2013年的空气质量变化趋势进行了分析,并探讨了影响空气质量变化的因素,以期为宁波市推进大气污染治理工作提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 资料来源

空气污染物(SO2、NO2、PM10)浓度数据来源于宁波市环保局提供的日监测数据,监测时段为2001—2013年,空气污染指数(API)数据是由空气污染物浓度数据经过计算得到。文中所用的污染物浓度国家标准来源于国家《环境空气质量标准》(GB3095—1996,2000年修改)[9]。社会和经济发展影响因素数据来自于2001—2013年的《宁波统计年鉴》、《宁波市国民经济和社会发展统计公报》以及《宁波能源白皮书》。

1.2 研究方法

1.2.1 空气污染指数(API)分级

空气污染指数(API)同空气质量指数(AQI)类似,是用来评估空气质量状况的指标,是反映和评价空气质量的数量尺度方法[10],API计入监测的污染物为SO2、NO2和可吸入颗粒物(PM10),AQI计入监测的污染物比API多3种,但AQI是2012年上半年才开始启用,资料年限尚短,无法表征之前宁波市的空气质量状况,因此从研究的连贯性考虑,本文统一采用API进行分析,API分6级,即0～50,51～100,101～150,151～200,201～300,>300,分别对应空气质量等级优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染。

1.2.2 灰色关联度分析法

灰色理论是研究空气环境质量常用的方法之一[11]。灰色关联度是系统中两个因素关联性大小的量度,关联度的大小直接反映系统中的各因素对目标值的影响程度。分别将SO2、NO2、PM10年均值以及API年均值作为参考序列x0,各影响因素序列记为xi,先将参考序列和影响因素序列的值标准化,并将与参考序列呈负相关关系的影响因素序列进行倒数化算子变化,然后计算参考序列与影响因素序列在k时刻的关联系数ε(k),则该影响因素与参考序列的关联度γi为:

(1)

式中:m为时间点总数,最后根据不同影响因素关联度的排序,找出影响较大的因子。

2 结果分析

2.1 空气污染物浓度变化

从图1来看,3种污染物的浓度变化各有特点。PM10的浓度值相对较大,在2010年之前整体呈缓慢上升趋势,2010年和2011年达到了最大值,但仍没有超过国家二级标准(0.10 mg/m3),2012—2013年PM10的浓度明显下降。2001年以来SO2和NO2的浓度也均达到了国家二级标准(0.06 mg/m3和0.08 mg/m3),其中SO2的浓度在2002年相对较低,2003—2008年变化较为平缓,2009年开始有较明显的减小趋势。NO2浓度的最大值出现在2005年,2006—2010年有小幅波动,之后开始逐年下降,到2013年NO2的浓度已经达到了国家一级标准(0.04 mg/m3)。

从3种污染物浓度的月际变化来看(图2),都呈现出两头高、中间低的变化趋势,特别是PM10的浓度曲线“U”型变化最为明显,其中PM10和SO2的最高浓度均出现在12月(1月SO2浓度也为最大值),NO2的最大浓度出现在11月,而7、8月3者的浓度均为一年中的最低值。从季节变化的角度来看,在冬季3种污染物浓度均达到全年峰值,主要是由于此阶段大气层结普遍较稳定,不利于污染物的扩散。而夏季正好相反,对流旺盛,大气交换频繁,各污染物的浓度也均降到了全年最低值。

图1 2001—2013年宁波市主要大气污染物浓度年际变化

图2 2001—2013年宁波市主要大气污染物浓度月际变化

2.2 空气质量变化

根据API值和API分级标准,统计了宁波市不同空气质量等级的年累计日数和月累计日数,并将轻度污染及以上均统计为污染日数。从年际变化来看(图3),空气质量为良的日数2002年比2001年有明显的增加,而空气质量为优的日数明显减少,污染日数有所增加,导致空气质量2002年比2001年降低较明显,之后空气质量为良的日数变化较平缓,空气质量为优的日数变化与污染日数的变化呈现出较明显的对称性,其中2005年空气质量为优的日数最少,而当年的污染日数达到了最大值,从API在2005年的峰值可以看出当年的空气质量是最差的。2012—2013年空气质量为优的日数增加明显,空气质量为良的日数有所减少,但污染日数基本不变,所以总的空气质量在这两年的转好趋势还是比较明显的。从不同污染等级年累计日数(表1)来看,宁波市的空气污染程度是以轻度污染为主,中度污染的出现日数每年在10 d之内,重度污染日数每年不超过5 d,严重污染日数最少,只在2007和2011年分别出现了2 d和1 d。

表1 2001—2013年宁波市不同污染等级年累计日数

从月际变化来看(图略),API全年前3个高值分别出现在11、1和12月,而在7、8和9月API的值最小,说明宁波的空气质量冬季最差,夏季最好。空气质量为优或良的日数在冬季相对较少,污染日数在冬季增加明显。进入6月后,空气质量为优的日数明显增多,在8月达到最大值,而空气质量为良的日数从6月开始减少,在8月出现了全年最低值,由于污染日数在6—9月变化很小,可见空气质量为良的日数在6—8月的减少量基本上都转为了空气质量为优的日数的增加量,以致空气环境质量在夏季好转明显。细分到不同污染等级(表略),轻度污染日数在冬季最多,夏季最少,11月和12月的中度污染日数明显高于其他月份,4—10月未出现过重度污染日,严重污染日出现的次数最少,只在4月和5月分别出现了2次和1次。

图3 2001—2013年宁波市空气污染指数及不同空气质量等级日数年际变化

本文利用API计算过程中得到的各污染物的分指数,进一步确定造成不同空气质量的首要污染物。从表2的结果可以看出,宁波市的空气污染主要是可吸入颗粒物(PM10)污染,SO2为首要污染物的日数出现频率最小,当空气出现轻度以上污染时,首要污染物皆为PM10。同时有研究指出2012—2013年宁波首要空气污染物是以可吸入颗粒物中的细颗粒(PM2.5)为主[12],由此表明可吸入颗粒物对宁波的空气质量变化一直有着重要影响,控制可吸入颗粒物的浓度对治理空气污染来说十分关键。

表2 2001—2013年宁波市主要大气污染物造成的不同空气质量等级日数

2.3 空气质量影响因素分析

影响空气质量的因素是多种多样的,本文从宁波市社会经济发展的角度考虑,根据2001—2013年的《宁波统计年鉴》等资料,选取了4个类别的27项与空气质量状况或污染物浓度相关的指标(表3),对所选取的指标运用灰色关联度分析法进行相关性分析,计算每项指标与SO2、NO2、PM10以及空气污染指数的关联度,并从中分别提取出与各类污染物以及空气污染指数关联度最大的5项指标(表4)。

由灰色关联度分析结果可知,影响宁波市城市空气质量的主要指标中,工业污染排放因素的关联度比较高,能耗因素和地区产值因素也占有不少的比例,城市绿化及其他因素也对空气质量产生了重要影响。

1)工业污染排放因素。宁波是我国长三角南翼的经济中心,建有镇海炼化公司和北仑、镇海等大型火电企业。工业污染特别是工业废气中含有的SO2、CO2、NO、NO2等污染物对宁波的空气质量造成了直接影响。根据灰色关联度分析结果来看,与SO2关联度最高的是工业SO2排放量,关联度达到了0.895;工业烟尘排放量与PM100.943的关联度也是所有指标中最高的;工业废气排放量与SO2、NO2、API的关联度均在0.891以上,排在各自所有指标中的第二位。自“24·10”减排工程和 “十二五”后各项减排措施顺利开展以来,宁波市整体空气质量在逐渐好转(图3),可见控制工业废气排放对宁波市空气污染状况的改善是有积极作用的。

表3 选取的影响因素名称

表4 与各污染物及空气质量指数关联度最大的5项指标

2)能源消耗因素。21世纪以来,宁波市现代化进程加速,全市能源消费快速增长,由于受重化型产业结构影响,煤炭和原油是主要的消耗能源,也是空气环境污染的重要源头之一。从灰色关联度分析结果来看,SO2与万元工业产值能耗的关联度为0.769,排在所有指标的第5位,在表4未列出的指标中,人均能源消耗和人均原油消耗分别排在第7和第8位;与NO2关联度最高的5项指标中,人均能源消耗和万元工业产值能耗分别排在第4和第5位,关联度为0.790和0.785;人均原油消费与PM10和API的关联度分别达到了0.762和0.786,同时全社会能源消耗、原油消耗跟PM10和API的关联度也均排在所有指标前10以内。2006年是宁波市达到国家要求、五年内使地区单位GDP能耗下降20%目标任务的第一年,之后SO2、NO2以及API都呈现下降趋势(图1、图3),可见能源消耗因素跟宁波市的空气环境质量有着密切的关系。

3)地区产值因素。上世纪90年代起,宁波的轻重工业一直发展迅速,持续增长的经济效益所带来的能源消耗和污染排放等行为必然引起空气质量的变化。根据灰色关联度分析,工业总产值与PM10的关联度为0.780,排在所有指标第3;第一产业增加值与SO2、NO2、API的关系在所有产值因素里是最密切的,主要可能是自本世纪初开始,随着宁波市产业结构的调整,第一产业的比重下降最快,相应的污染排放量也调整最大,导致它与空气质量的关系在3类产业中最明显。总的来说,除了地区生产总值之外,其他地区产值因素与SO2、NO2、PM10、API的关联度均排在各自所有指标的前10以内,这也说明了产值因素对宁波市空气污染程度是有一定影响的。

4)其他相关因素。在所选取的其他指标中,建成区绿化覆盖率和NO2的关系在所有指标中最密切,关联度达到了0.942;API和建成区绿化覆盖率的关联度为0.941,也在所有指标中排首位;民用汽车拥有量与SO2、NO2、API的关联度在所有指标中均列第3,民用汽车拥有量与PM10的关联度为0.764,在所有指标中列第4,另外,常住人口数与PM10的关系也不可忽视,两者的关联度达到了0.783。宁波对城市园林绿化建设一直很重视,1996年宁波市政府提出第一个“绿化年”以来,城市绿地率稳步增加,另一方面,随着汽车保有量的迅速增加,2009年宁波开始从新车准入、用车治理和提高油品质量等3个方面进行汽车尾气污染治理,2012年起宁波对市区范围内在用机动车全面开展尾气检测,排放不达标的机动车将不得上路行驶。从关联度分析结果来看,宁波市所采取的这几项措施是非常有实际意义的。

3 结语

1)2001—2013年宁波市主要空气污染物浓度均达到国家二级标准,污染物年均浓度普遍存在先上升后下降的趋势,其中NO2的年均浓度在2005年之后呈下降趋势,SO2与PM10的年均浓度在2010年以后开始有较明显的减小。污染物月均浓度的季节变化特征明显,最高值均出现在冬季,夏季的浓度值最小。

2)2005年宁波市整体空气质量最差,之后有所好转,2010年后改善明显,主要是由于空气质量日数为优的日数增加和污染日数减少所致。2001—2013年空气质量为良的日数最多,污染日中以轻度污染为主,重度污染日数和严重污染日数出现频率很小;宁波的空气质量冬季最差,夏季最好,不同等级的污染日大部分出现在冬季。

3)宁波市的空气污染主要是可吸入颗粒物污染,SO2为首要污染物的日数出现频率最小。当出现空气中度污染、重度污染和严重污染时,首要污染物皆为PM10。

4)影响宁波市空气质量的因素多种多样,从社会经济发展角度考虑,工业废气排放量、各种能源消耗量、城市绿化率、汽车数量对污染物浓度及API的影响最大,同时地区产值变化、常住人口数等因素对空气质量的影响也不可忽视。

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