广州城区近地面层不同高度空气质量评价

张金谱，梁桂雄，王宇骏，陈彦宁，裴成磊，邝俊侠，梁永健

广州市环境监测中心站，广东 广州 510030

在中国，大气污染对人类健康的危害已成为影响人们生活质量的原因之一，空气质量问题越来越受到人们的关注（肖悦等，2017）。此外，随着城市高层建筑的不断涌现，人们活动的范围已逐渐从地面发展到近地面层空间，其对空气质量的关注范围也由二维平面（张宝春等，2011；孙春媛等，2016；杨兴川等，2017）延伸至三维空间（Lu et al.，2016；郭伟等，2017；彭艳等，2017）。近地面层不同高度空气质量监测数据的获取手段一般有以下几种：一是借助普通建筑物，观测高度通常不超过 200 m（Sasaki et al.，2005；刘昌伟等，2009；田欣等，2018）；二是借助专用高塔，最高观测高度一般在350 m以下，如北京气象塔（Sun et al.，2016；Du et al.，2017；Zhao et al.，2017；周焱博等，2017）、天津气象塔（Sun et al.，2010；Zhang et al.，2011；Xiao et al.，2012；孙韧等，2017）、石家庄电视塔（康苏花等，2014；窦红，2015）和其他小型铁塔（刘新春等，2017）；三是借助激光雷达（韩道文等，2006；杨婷等，2010；朱燕舞等，2011），观测高度一般在500 m以上；四是使用气球、飞机、系留气艇或无人机等方式携带仪器进行的探空观测（Lin et al.，2007；Ma et al.，2011；Ma et al.，2013；Li et al.，2017）。

在华南地区，关于大气污染物浓度的垂直分布特征已有相关研究。杨志明等（1994）利用系留气艇观测数据研究了广州上空1000 m以下的SO2体积浓度垂直分布特征，指出在污染源排放和气象条件共同影响下SO2体积浓度的垂直分布并不符合指数分布；Chan et al.（2000）借助建筑物观测了香港不同城市环境不同高度处TSP、PM10和PM2.5的质量浓度，发现不同城市环境下的颗粒物质量浓度垂直分布规律有所差异；Wu et al.（2002）在澳门路边建筑物2～79 m的多个高度上进行观测，指出路边PM10、PM2.5和PM1的质量浓度随高度增加而递减的趋势受到了地面交通排放源的显著影响。

广州塔是广州新城市地标，也是开展超大城市近地面层大气污染物垂直分布规律研究的观测平台。Deng et al.（2015）研究了广州塔两个高度（121 m和454 m）的颗粒物质量浓度变化特征，发现细颗粒物质量浓度的垂直分布较粗颗粒物更加均匀；王宇骏等（2016a）、陈漾等（2017）研究了广州塔4个高度（地面、118 m、168 m和488 m）的臭氧质量浓度垂直分布特征，揭示了广州城区臭氧质量浓度随高度增加而显著上升的趋势；王宇骏等（2016b）还进一步对广州塔上述4个高度8种大气污染物的质量浓度变化趋势及原因进行了详细分析。上述研究主要侧重于获得不同大气污染物各自的质量浓度垂直分布特征，尚未综合多污染物对不同高度的空气质量状况进行指数化评价。本研究基于广州塔大气污染物垂直梯度观测平台的监测数据，根据中国国家环境空气质量标准中规定的两种评价方法，对广州城区近地面层不同高度的空气质量进行指数化评价，旨在阐明大城市中心城区不同高度的空气质量差异及其成因，为大气污染防治工作提供科学支撑。

1 监测点概况

广州塔（23°6'31.4"N，113°19'4.1"E）位于广州城区新中轴线上，塔体高度454 m，连桅杆总高度610 m，为筒中筒结构体系，由钢结构外框筒和钢筋混凝土核芯筒构成。2014年，广州市环境监测中心站在广州塔地面（低层点位）、118 m（中层点位）、168 m（中层点位）和488 m（高层点位）4个不同高度建设了大气污染物垂直梯度观测平台（图1）。其中，地面点位位于塔体之外，118 m及168 m点位均设立于双筒之间的开阔平台，488点位则位于中空的桅杆内部，以最大限度地减少塔体本身对气流的阻挡，为大气污染物的垂直梯度监测提供了十分有利的条件。各个高度点位均采用符合国家环境空气质量监测要求的监测仪器（王宇骏等，2016b），使用与广州市实时发布站点一致的数据采集和监控方式，所有仪器每天连续24 h在线采样监测，各种污染物的数据采集时间精度均设置为30 s，自动统计1 min均值、5 min均值和1 h均值并实时传送至中心服务器（裴成磊等，2015）。监测仪器设置了自动零跨检查及校准，维护人员定期登塔对仪器进行检修、标定及维护，有效地保障了仪器设备的正常运行。

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

图1 广州塔大气污染物垂直梯度观测平台4个高度点位示意图Fig. 1 Location of the four layers of the air pollutants observation platform on the Canton Tower

评价所用数据为2015年1月1日—12月31日广州塔地面、118 m、168 m和488 m 4个高度点位的PM2.5、NO2、SO2、O3和CO的质量浓度小时均值。由于2015年1月14日起118 m、168 m和488 m 3个点位取消PM10监测，故本研究综合指数计算所使用的PM10数据为通过2014年广州塔不同高度点位的PM2.5与PM10比例与2015年的PM2.5监测数据换算获得，AQI计算则未使用PM10数据。

值班人员每天对原始监测数据进行审核并保存，一般包括对明显异常的数据进行剔除，对小于测量精度的数据进行最低检出限修正，同时根据维护人员反馈的情况删除仪器运行不良时段的数据，以确保审核后的数据准确可靠。

2.2 评价方法

本研究以《环境空气质量标准（GB3095—2012）》（中华人民共和国环境保护部，2012a）、《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）（HJ 633—2013）》（中华人民共和国环境保护部，2012b）和《环境空气质量评价技术规范（试行）（HJ 633—2012）》（中华人民共和国环境保护部，2013）为依据，分别采用环境空气质量综合指数（以下简称“综合指数”）和环境空气质量指数（AQI）两种评价方法对2015年广州塔4个高度（地面、118 m、168 m和488 m）的空气质量进行评价。同样基于6项污染物（PM10、PM2.5、NO2、SO2、O3、CO）的质量浓度数据，上述两种评价方法的区别在于：综合指数计算的是各项污染物质量浓度均值与对应国家二级标准限值的比值之和，一般用于年度、季度及月评价；而AQI则先按指定分级方案计算各项污染物的分指数，再取其最大值，通常只针对小时值和日均值进行评价。

3 结果与分析

3.1 综合指数评价

2015年广州塔不同高度的综合指数及各污染物的分指数如表1所示。受排放源、化学反应和气象条件等多种因素的综合影响，各污染物表现出了不同的垂直分布特征（王宇骏等，2016b）。其中，PM10、PM2.5和 NO2的分指数均随高度增加而递减，O3的分指数在高层点位最高，SO2和 CO的分指数则在中层点位最高。由6项分指数累加获得的综合指数并未呈现出随高度增加而持续增大或减小的趋势，而是在118 m点位获得了最大值（5.01）。因地面点位的PM10、PM2.5和NO2分指数较118 m点位高，而SO2、CO和O3相对较低；168 m点位CO较118 m高但O3相对较低，故中、低层3个点位的综合指数差异不显著（4.83～5.01）。488 m点位的O3分指数虽显著高于其余点位，但因其余污染物分指数均处于相对较低水平，导致其综合指数最低（3.64）。与广州市全市平均综合指数相比，仅高层点位低于全市，表明相对全市平均水平而言，中心城区中、低层空气质量较差，一定高度以上的空气质量才能优于全市平均水平的空气质量。

表1 2015年广州塔不同高度综合指数Table 1 Comprehensive index at different heights on the Canton Towerin 2015

由综合指数的计算方法可知，各污染物的分指数实质上体现了其超标程度，分指数大于1则表示该污染物的质量浓度年均值超标，数值越高，超标程度越大。由表1分析可知，2015年广州塔地面点位PM2.5、NO2和O33项污染物年均值超标；118 m和168 m点位NO2和O3超标；488 m点位仅O3超标。由此可见，随着高度上升，超标污染物种类呈单一化趋势。其中，488 m点位的O3分指数为1.52，超标程度为各项最大；其次为地面点位的NO2，分指数达1.35；168 m和118 m的NO2和O3超标程度相当，分指数在 1.12～1.32之间；地面的 PM2.5和O3超标程度相对较小，分别为1.12和1.08。

图2 2015年广州塔各层综合指数雷达图Fig. 2 Radar chart of comprehensive index at different layers on the Canton Tower in 2015

由图2可知，各污染物的分指数在中、低层的排序均大致表现为 NO2＞O3＞PM2.5＞PM10＞CO＞SO2，排在首位的 NO2对综合指数的贡献比例约占 1/4（25%～27%），前四位差异不大；而在高层的排序则为 O3＞PM2.5＞PM10＞NO2＞CO＞SO2，O3的贡献比例为42%，明显高于其他污染物。由此可见，广州塔中、低层与高层的污染类型存在显著差异，中、低层的NO2、O3、PM2.5和PM10污染水平相当，而高层则以O3污染为主。

总体而言，广州塔中、低层点位空气质量综合指数相对较高且差异不大，高层综合指数显著下降。就分指数而言，488 m点位O3和地面NO2相对较大。随着高度增加，超标污染物种类减少，PM2.5和NO2超标程度下降，O3超标程度上升。

3.2 AQI评价

3.2.1 AQI超标率及空气质量等级分布

由表2可知，2015年广州塔不同高度空气质量AQI超标率在高层点位最高（40%），而在中、低层3个点位相对较低且较为接近（25%～30%），均高于广州市平均水平（15%）。不同高度不同空气质量等级天数均大致呈“良＞轻度污染＞优＞中度污染＞重度污染”的顺序，但高层点位各等级天数分布相对更均匀，其空气质量级别为良的天数在各高度点位中最少，而其余4个级别的天数较多，尤其中度、重度污染级别天数是其他高度点位的两倍以上。

3.2.2 首要污染物分布

从首要污染物的天数分布来看（表2），首要污染物为 NO2和 PM2.5的天数随高度增加呈下降趋势，而首要污染物为O3的天数则呈上升趋势。中、低层首要污染物以NO2和O3为主，而在高层则绝大多数为O3。此外，中层点位还出现了少量以CO为首要污染物的天数；而SO2在所有点位均未成为首要污染物。

表2 2015年广州塔不同高度空气质量等级及首要污染物天数分布Table 2 Number of days of each air quality grade and primary pollutant at different heights on the Canton Tower in 2015

图3 2015年广州塔不同高度AQI＞100时首要污染物天数分布Fig. 3 Number of days of each primary pollutant when AQI＞100 at different heights on the Canton Tower in 2015

就 AQI超标日而言（图 3），在轻度污染级别时，PM2.5、NO2和 O3在各高度均有机会成为首要污染物；而在中度污染级别时，首要污染物仅有PM2.5和O3两种；重度污染级别时，O3成为唯一的首要污染物。O3也是广州塔各高度 AQI超标时出现比例最高的首要污染物，尤其在488 m点位，AQI超标时97%的首要污染物均为O3，其余少量天数则均为PM2.5。

3.2.3 超标污染物分布

图4所示为PM2.5、NO2和O33种主要超标污染物在广州塔不同高度的超标情况，其中图形面积大小代表不同污染物的超标天数，图形重叠面积大小则表示两种或以上污染物同时超标的天数。由此可见，随高度增加，PM2.5和NO2的超标天数递减，而O3呈增加趋势。低层点位NO2和O3超标天数相当，均多于 PM2.5；中层点位超标天数表现为O3＞NO2＞PM2.5；高层点位 NO2超标现象消失，O3的超标天数达到最大值（145 d，超标率40%），并占总超标天数的99%。

从污染物同时超标的情况来看，PM2.5和 NO2同时超标的情况较多发生在中、低层，PM2.5和O3同时超标的情况较多发生在中、高层，而 NO2和O3同时超标的情况则较多发生在中层。由于中层ρ(PM2.5)和 ρ(NO2)较低层减小的幅度往往不大，分别平均减小13%和9%（王宇骏等，2016b），但ρ(O3)的增加却十分显著，平均增加 30%（王宇骏等，2016b），故多污染物同时超标的现象在中层出现相对更频繁。

3.3 讨论

3.3.1 不同高度空气质量差异原因分析

图4 2015年广州塔不同高度PM2.5、NO2、O3超标情况图示Fig. 4 Number of standard exceeding days of PM2.5, NO2 and O3 at different heights on the Canton Tower in 2015

PM2.5、NO2和 O3是广州城区最主要的超标污染物，故ρ(PM2.5)、ρ(NO2)和 ρ(O3)的垂直分布特征主导了广州城区近地面层不同高度的空气质量分布。其中，PM2.5和 NO2以低矮排放源贡献为主，一般先在近地面形成浓度高值，再经过湍流传输到达较高处，越远离排放源高度的浓度越低，故均呈随高度增加而递减的变化趋势；因扩散和反应能力不同，ρ(NO2)在低层～高层的平均递减率高达75%，而 ρ(PM2.5)仅为 30%（王宇骏等，2016b），导致高层点位NO2超标现象消失而PM2.5仍有少量天数超标（图 4）。O3为二次污染物，由于近地层排放的NOx有90%为NO，其向上垂直输送过程中与O3反应生成NO2而本身不断被消耗，使得NO2在垂直梯度变化上相对NO滞后。随着NO和NO2向上输送，这种滞后效应使得ρ(NO2)/ρ(NO)越来越高，从而使ρ(O3)表现出随高度升高而越来越大的特征（高文康等，2012）；另外，由于高空光化学反应更加充分，夜间残留层储存的O3较多，也可导致高层ρ(O3)较高（修天阳等，2013）。因此，随着高度增加，在ρ(PM2.5)和 ρ(NO2)同步下降的同时，ρ(O3)显著上升，成为城市近地面层高空最主要的超标污染物，故超标污染物种类随着高度上升呈单一化趋势。

大量基于高塔观测的同类研究获得了与本研究类似的结论。如杨龙等（2005）、马志强等（2007）和修天阳等（2013）基于北京气象塔分别观测到秋冬季 ρ(PM2.5)以对数分布规律随高度增加而递减，以及夏、秋季高层点位（280 m）φ(O3)相对最高的现象；高文康等（2012）基于天津气象塔观测到秋季重污染期间 ρ(PM2.5)和 φ(NO2)随高度增加而递减，而 φ(O3)随高度增加而递增的现象；康苏花等（2014）、窦红（2015）基于石家庄电视塔分别观测到ρ(PM2.5)和ρ(NO2)随高度增加而下降的趋势。

近年来，得益于无人机技术的快速发展，许多研究者利用无人机携带仪器的方式获得了大气污染物在近地面层更精细化的垂直分布结果。如Peng et al.（2015）、Li et al.（2017）基于无人机观测，揭示了受气象因素及外来传输影响，近地面的ρ(PM2.5)和φ(O3)的垂直分布并非呈平滑曲线变化，而是存在许多波动，总体趋势仍与本研究结论大致相符。该类研究结果进一步体现了不同高度空气质量分布的复杂性，但应该指出的是，该类研究多基于个例，其对平均状态的代表性尚待斟酌；此外，便捷仪器监测数据的准确性及稳定性也是影响研究结果精确性的关键因素。

3.3.2 不同高度空气质量等级一致性分析

由前述分析可知，无论从综合指数还是 AQI角度评价，城市近地面层不同高度的空气质量都表现出一定的差异，近500 m处的空气污染特征与地面截然不同。通常，人们只能利用基于地面监测数据计算的AQI指数来判断城市高处的污染状况，其可能产生的偏差程度及相应的出现条件值得进一步探讨。

图5所示为在AQI评价方法下，当广州塔低层点位空气质量处于不同等级时，中、高层点位的对应等级天数比例，以表征不同高度空气质量等级的一致性。可见当低层空气质量处于优或重度污染级别时，各层等级一致性相对较好。这是因为当低层空气质量较好时一般均伴随着极佳的大气扩散条件，这时各层空气质量往往均可达优；当低层出现重度污染时，首要污染物多为O3，此时中、高层很可能达到ρ(O3)更高的重度污染，故等级一致天数比例也较高。

图5 2015年广州塔不同高度空气质量等级一致性Fig. 5 The consistency of air quality grades at different heights on the Canton Tower in 2015

其他情况下各层等级一致性则相对较差，一方面体现在中、高层与低层等级一致的天数比例较低，如当低层为中度污染时，该比例在中、高层分别仅为40%和33%；另一方面，极端条件下不同高度的空气质量等级差异可能较大，如当低层空气质量为良时，高层有可能出现重度污染，两者的污染状况相差了3个级别。

3.3.3 综合指数与AQI评价方法讨论

对比表1和表2可知，广州塔高层点位综合指数较中、低层小，但AQI超标率则显著高于中、低层，这两个看似矛盾的结论与综合指数和AQI两种评价方法的侧重点不同有关。AQI以污染程度最高的污染物为指标来衡量污染状况，强调大气污染对人体健康的最大影响程度，但容易造成只反映首要污染物的“污染掩盖”的问题（张轶男等，2010）。如本研究中AQI超标率凸显了高层点位O3污染较重的现象，却无法反映该点位其余污染物污染水平较低的事实。综合指数克服了上述缺点，综合考虑了不同污染物的贡献，更着重体现大气污染综合治理的水平，但降低了关键污染物的影响权重。如高层点位 ρ(O3)上升的贡献被其他污染物质量浓度的大幅下降抵消，最终综合指数表现为各点位最小，未能体现高层 O3污染较重的特殊性。因此，对于城市不同高度空气质量优劣的问题，基于不同评价方法获得的结论有所差异。

4 结论

（1）2015年广州塔4个高度（地面、118 m、168 m和488 m，下同）空气质量综合指数分别为4.96、5.01、4.83和3.64，AQI超标率分别为27%、30%、25%和 40%。总体上，中、低层的空气质量差异较小，其中118 m点位的综合指数和AQI超标率相对较高；高层因 O3污染尤其显著导致其 AQI超标率为各高度最高，但 O3质量浓度上升的贡献被其他污染物质量浓度的大幅下降抵消，故其综合指数反而最低。

（2）随着高度增加，超标污染物种类减少，PM2.5和NO2超标程度下降，而O3超标程度上升，导致中层多污染物同时超标的现象相对频繁；高层的NO2超标现象消失、PM2.5极少超标，而O3超标率达 40%且其超标天数占 AQI超标天数的比例高达99%。随着污染级别上升，PM2.5和 NO2成为首要污染物的比例减少，而 O3比例增加，O3成为各高度AQI超标时最主要的首要污染物。

（3）当低层空气质量处于优或重度污染级别时，各层等级一致性相对较好；但在其他情况下，低层与高层的空气质量最多可相差3个级别。

（4）由 ρ(PM2.5)和 ρ(NO2)随高度递减、ρ(O3)随高度上升而递减，形成了中、低层以PM2.5、NO2和O3复合污染为主、高层以O3单一污染为主的空气质量垂直分布特征。另外，因综合指数和AQI两种评价方法的侧重点不同，两种评价方法在空气质量随高度变化趋势的结论上也有所差异。