近16年上海市空气质量变化趋势及成因分析

俞华明,管擎宇,邰菁菁

（上海市嘉定区环境监测站， 上海 201822）

0 引言

环境空气污染危害人体、动物健康，影响植物生长，影响居民日常生活[1-2]。随着工业化的快速发展，人口密集程度上升，资源消耗总量增加，城市空气质量不容乐观。近年来，大量的专家学者对城市环境空气质量与城市能源结构之间进行了相关研究，罗丽萍等[3-8]对乌鲁木齐、北京市、天津、河南、江苏等地能源消耗和大气环境质量之间的关系进行研究，结果表明：调整能源消费结构可以改善环境空气质量，城市环境空气质量与工业发展水平、民用车辆使用、能源结构等密切相关。

上海作为国家的中心城市和超大城市，近16年生产总值从5 000亿元增加到25 000亿元，人口密度达到3 809 km2/人。能源消耗也大幅上升，总消耗量从5.548 53×107t/a标准煤增至1.154 955×108t/a标准煤，机动车保有量从2001年的120万辆增加到332万辆，这些给上海的环境质量和生态环境带来了巨大的压力。2000至2016年上海开展了6轮环保三年行动计划。随着《大气污染防治行动计划》的推进落实以及本市清洁空气行动计划的实施，上海市环境空气质量有所改善。张艳等[9]采用模型模拟的方式研究：上海受本地源和外地源的影响程度及相互比例随季节的变化存在较大的差异，本地源排放仍是影响本地环境空气质量的主要原因。为了分析上海市环境空气质量变化趋势及与能源结构的相关性，本文通过近16年来上海市环境空气质量数据，分析上海市环境空气质量变化趋势并进行成因分析。

1 研究方法

1.1 数据来源

本文采用的上海市环境空气中主要污染物监测数据来自上海市环境状况公报[10]，能源消耗、人口增长、机动车保有量等数据来自上海统计年鉴[11]。

1.2 分析方法

使用Daniel趋势检验方法（又名Spearman秩相关系数法）分析上海空气污染物变化趋势及其统计学显著性特征，公式为：

式中：rs为秩相关系数；n为时间周期数，这里n取16；xi为年均值从小到大排列的序数；yi为年先后排列序数。将rs的绝对值与Spearman秩相关系数统计表中的临界值Wp进行比较，如果则表明变化趋势有显著意义，如果rs是负值，则表明在评价时段内有关统计量指标变化呈下降趋势，如果rs是正值，则表明评价时段内有关统计量指标变化呈上升趋势。

2 结果

2.1 环境空气质量概况

2001~2016年，环境空气中各项污染物总体呈下降趋势，至2016年上海市环境空气中6项主要污染物 SO2，PM10和 CO 已达到 GB 3095—2012《环境空气质量标准》二级标准，NO2，O3接近二级标准但未达标，PM2.5距二级标准相差较大，有待进一步改善。环境空气质量优良率统计数据显示：2001~2012年上海市环境空气质量优良率(以API计)从84.7%逐步上升至93.7%。从2013年开始随着GB 3095—2012《环境空气质量标准》[12]的实施，环境空气评价从API转换为AQI，评价指标从3项(SO2，NO2，PM10)增加到 6 项(SO2，NO2，PM10，CO，O3，PM2.5)，空气质量优良率急剧下降，2013年空气质量优良率仅为66.0%，至2016年上海市环境空气质量优良率为75.4%，详见表1。

表1 2001～2016年上海市环境空气各参数年均值统计

以2016年为例，2016年上海市环境空气质量等级中超过二级标准的天数共计88 d，各项超标污染物天数的占比排序如下：PM2.5＞ O3＞ NO2＞ PM10，SO2和CO全部达标，各超标污染物天数占比见图1。PM2.5和O3成为影响环境空气优良率的主要污染物。

图1 2016年上海市环境空气中各超标污染物天数占比

2.2 空气污染特征

2.2.1 气态污染物

自2001年以来，环境空气中主要污染度浓度总体呈下降趋势。监测结果表明：近16年NO2/SO2年均浓度比值为先降低后升高的趋势。2001～2006 NO2/SO2年均浓度比值逐渐下降，体现烟煤型污染的特征；2007年开始NO2/SO2年均比值逐渐上升，主要是由于 NO2浓度降低幅度小于SO2，至2016年ρ（NO2）/ρ（SO2）年均比值已达到2.9，具体见图2。由此推断上海市环境空气污染由烟煤型向机动车尾气型转变。

图2 ρ(NO2)/ρ(SO2)比值的年际变化

自2013年开始，气态污染物监测除SO2和NO2外，增加O3和CO。2013～2016年监测数据显示：CO年日均质量浓度范围为0.77～0.86 mg/m3，达到二级标准；O3第90百分位数质量浓度范围为149～164 μg/m3，除2014年外均未达到二级标准，O3日最大8 h滑动平均超标率在7.1%～10.7%之间。为了进一步分析O3的超标情况，以2016年O3日最大8 h滑动平均值为依据，统计每月O3各等级占比情况见图3。2016年上海市O3超标从3月份开始持续到9月，主要集中在夏季。其中7月份超标最为严重，6月和8月O3超标情况略有好转，这主要是由上海梅雨季节和台风等特殊气象因素所致。

图3 2016年上海市O3日最大8 h滑动平均等级占比

2.2.2 颗粒物

2001～2016年环境空气中PM10年均质量浓度范围在 59～108 μg/m3，2015 年和 2016 年达到二级标准限值（70μg/m3）。 2013～2016 年 PM2.5年均质量浓度范围62～45μg/m3，未达到二级标准限值（35μg/m3）。PM2.5和PM10总体呈逐年下降趋势，具体见图4。

图4 2001～2016年上海市颗粒物年均值变化趋势

2013～2016年期间，上海市PM2.5日均值超过二级标准的天数在48～96范围内，且呈逐年下降的趋势，以2016年PM2.5日均值为依据，统计每月PM2.5各等级占比情况，见图5。由图5可见，2016年上海市PM2.5超标集中在1～4月和12月（冬季和春季），其中1月份超标最为严重。

图5 2016年上海市PM2.5日均值等级占比

2.2.3 空气污染总体特征

根据2001～2016年环境空气中各项污染物的监测数据，上海市环境空气污染呈现复合型特征，首要污染物依次为 PM2.5，O3，PM10，NO2。 污染呈现季节性分布，冬季和春季首要污染物以颗粒物为主，夏季以O3为主，秋季则出现交替性复合污染。

2.3 主要污染物年变化趋势

采用Daniel趋势分析上海市环境空气中主要污染物近16年的变化趋势见表2。结果表明：近16年，SO2，NO2，PM10在置信度为 95%(p＜ 0.05) 和99%(p＜0.01)时均呈显著下降趋势（O3，CO，PM2.5监测年份较短，不做趋势评价）。

表2 主要污染物秩相关系数和趋势分析

空气中主要污染物年均值变化趋势见图6。根据图 6 可以看出：SO2呈先上升后下降（图 6（a）），总体为显著下降；NO2，PM10为显著下降（图 6（b）和 6（c））。

图6 空气中主要污染物年均值变化趋势

2.4 环境质量原因分析

2.4.1 总量减排

改善环境必须从源头上控制，减少污染物总量排放与环境空气中污染物浓度直接相关。上海在总量减排方面实施“批项目、核总量”制度，同时在政策上采取减排激励政策。

（1）SO2减排

2008年上海重点出台了SO2超量减排奖励政策，对燃煤电厂烟气脱硫费建设费用补贴办法，对提前建成脱硫设施的机组适当提高了补贴标准。根据2001～2015年SO2排放量数据见图7。SO2排放量呈逐年下降趋势，其中工业SO2排放量从2001年的30万t标煤降低至2015年的10万t标煤，降幅达66.7%；生活和其他SO2排放量从2001年的17万t标煤降低至2015年的7万t标煤，降幅达58.8%。其中2004～2007年SO2排放量呈现反弹的趋势，对照2004～2007年环境空气中SO2浓度值，也呈反弹的趋势。

图7 2001～2015年上海市SO2排放量变化趋势

分析SO2排放量与环境空气中SO2的年均值之间的相关系数r=0.931（详见图8），由此看出SO2的排放量与环境空气中SO2的测量值呈现较强的正相关。

图8 2001～2015年上海市SO2排放量与空气中SO2年均值相关性

（2）机动车尾气控制

根据2001~2015年上海市机动车保有量数据显示，机动车保有量呈逐年增加的趋势见图9。从2001年的120万辆增加到332万辆，汽车保有量增加了1.77倍。从2012年起，民用车辆拥有量的数据不含强制报废量，因此2012年的机动车保有量数据出现一个下跌，随后仍保持向上增长的趋势。

图9 2001～2015年上海市机动车保有量变化趋势

为进一步提高机动车排放水平，改善环境空气质量，2002年上海市积极开展本市提前实施国家第二阶段机动车排放标准的申报审批工作，推进建立机动车I/M制度，2009年11月1日起上海实施国家机动车第IV阶段排放标准；2014年4月30日起，上海市继北京之后全国第2个实施国V排放标准的城市。

（3）其他

2011年出台了《上海市主要污染物总量控制“十二五”工作方案》，强化了目标责任制和合力推进机制。稳步推进电厂脱硝和脱硫减排制度，对VOC排放企业实施限期治理，至2015年已完成500家VOC企业的限期治理。这些政策的实施有利于环境空气质量的有效改善。

2.4.2 优化产业结构

上海市终端能源消费总量呈逐年增加的趋势见图10。2001年为5 549万t标煤，至2015年终端能源消费总量达11 550万t标煤。

图10 2001～2015年上海市终端能源消费量趋势

从产业占比方面分析，第二产业所占比例从2001年的67%下降至2015年的54%，第三产业所占比例从2001年的23%上升至2015年的35%，见图11。产业结构由能耗高、污染重的工业（第二产业）转变为能耗低、污染轻的服务业（第三产业）。

图11 2001～2015年上海市各产业占比

第三产业占比和空气质量优良率（2001~2012年统计数据，以API计）的相关系数r=0.805，第二产业占比和空气优良率的相关系数r=0.794(见图12)。由此看出产业结构的调整是促使环境空气质量好转的原因之一。

图12 2001～2012年上海市第二、三产业占比和空气质量优良率相关性

在整体产业结构调整的同时，产业能耗不断降低，也是环境空气质量改善的原因之一。2001年上海市万元GDP平均能耗为1.06 t标煤，2015年仅为0.46 t标煤，2001~2015年上海市万元GDP平均能耗降低了56.6%。

2.4.3 清洁能源替代

至2016年，上海市完成公用燃煤电厂9台60万kW及以上机组的超低排放改造，全市全面供应符合国四标准硫含量限值要求的普通柴油；全面取缔中小燃煤锅炉，基本取缔经营性小茶炉和小炉灶，启动剩余集中供热锅炉清洁能源替代。开展挥发性有机物治理，全面淘汰黄标车同时推广新能源车。

3 结论与建议

随着上海市环保三年行动计划的持续推进、清洁空气行动计划以及大气污染防治计划等各项措施的实施，上海市环境空气质量呈现不断改善的趋势。环境空气中SO2和CO已全面达标，NO2和PM10虽有一定程度的下降和削减，但仍超过国家二级标准，PM2.5和O3成为影响上海环境空气质量的关键指标。应加强总量控制从源头上削减污染物的排放量，加强对重点行业污染物排放控制，实施清洁能源替代，降低行业单位产值能耗和产品单位能耗，积极发展清洁能源技术，不断调整第三产业的比例，优化和完善能源消费结构，最终达到改善环境空气质量的目标。

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[11]上海市统计局.上海市统计年鉴[EB/OL].[2017-10-23].http://www.stats-sh.gov.cn/html/sjfb/tjnj/.

[12]国家环境保护部.环境空气质量标准:GB3095-2012[S].北京:中国环境科学出版社,2012.