河北省主要城市空气污染时空分布特征分析

郑尼娜，徐雅琦，产院兰

（1.安徽新华学院 土木与环境工程学院，安徽 合肥 230088；2.安徽省中望环保节能检测有限公司，安徽 合肥 230088）

随着工业化和城市化进程的持续推进，大气污染排放持续增加，河北省的大气环境质量正呈现恶化趋势，是当前我国空气污染最严重的地区之一［1-3］。据世界卫生组织（WHO）近日公布最新的世界城市空气质量数据显示，中国PM2.5（细颗粒物）浓度最高的8个城市分别是邢台、保定、石家庄、邯郸、衡水、唐山、廊坊、沧州，均位于河北省。《2015中国环境状况公报》显示，74个首批实行环境空气质量新标准的城市中，63个城市空气质量超标，其中空气质量较差的十个城市中，河北占7个。文章依据2014-2016年河北省8个城市（邢台、保定、石家庄、邯郸、衡水、唐山、廊坊和沧州）的环境空气质量监测资料，采用空气质量指数（AQI）和数理统计等评价和分析方法，对河北省主要城市的空气污染时空分布特征进行分析，为河北省大气污染科学防治提供决策依据。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

邢台、保定、石家庄、邯郸、衡水、唐山、廊坊和沧州8个城市的空气质量数据主要来源于天气后报网、历年环境状况公报等。

1.2 数据分析方法

1.2.1 空气质量指数法［4］

空气质量指数法（AQI）是定量描述空气质量状况的无量纲指数。评价污染因子为SO2、CO、NO2、O3、PM10和PM2.5等六项。AQI由（1）式计算，各项污染物空气质量分指数中的最大值，即AQI。

式中：IAQI—空气质量分指数；n—污染物项目。

1.2.2 数理统计

数理统计方法是环境质量评价最常用的方法之一［5］。数理统计是对监测数据进行统计分析，求出有代表性的统计值。空气质量统计值可以反映各污染物的平均水平及其离散程度、超标倍数和频率、浓度变化特征等。

2 空气污染时空分布特征分析

结合空气质量指数和数理统计两种方法，得出2014-2016年8个城市的AQI和SO2、CO、NO2、O3、PM10、PM2.5的年际变化、季度变化和月度变化，分析城市空气污染时空变化特点。

2.1 SO2、CO时空分布特征

图1 2014-2016年SO2、CO年均变化

从图1可以看出，SO2三年浓度维持在17-75ug/m3范围内，2014-2016年SO2年均浓度值呈下降趋势，最大值为75ug/m3，出现在2014年的邢台；最小值为17ug/m3，在2016年的廊坊。2015年和2016年8个城市SO2年均浓度均未超过国家二级标准（60ug/m3）［6］，2014年石家庄、保定、邢台、唐山SO2年均浓度超过国家二级标准，超标倍数分别为0.1、0.067、0.25、0.2。2014-2016年CO年均浓度除保定呈逐年下降趋势，其余城市呈波动变化。唐山CO年均浓度均高于其它城市，这与唐山的产业布局和规模有密切的关系。

图2 2014-2016年SO2、CO季均变化

从不同季节的浓度水平看，冬季和春季SO2和CO浓度明显高于夏季和秋季，由大到小排序为冬季＞春季＞夏季＞秋季，见图2。冬季高浓度的SO2和CO是燃煤量、降水量、气压、逆温等多种因素导致［7-8］，夏季和秋季浓度低可能与大气边界层厚度增加和采暖燃煤量较少有关［9-11］。廊坊和沧州的SO2和CO季均浓度较其它城市低，保定、邢台、唐山SO2和CO季均浓度较高。

图3 2014-2016年SO2、CO月均变化

如图3所示，SO2和CO三年月均浓度值均呈“U”型特征。最大浓度出现在1月、2月、11月和12月，最小浓度出现在5-9月。SO2、CO月均值由大到小排序分别为邢台、唐山、石家庄、邯郸、保定、沧州、衡水、廊坊，唐山、保定、邢台、邯郸、衡水、石家庄、廊坊、沧州；沧州、廊坊的SO2和CO月均浓度普遍较其他城市低，空气质量相对较好。

2.2 NO2、O3时空分布特征

图4 2014-2016年NO2、O3年均变化

从图4可以看出，2014-2016年NO2年均值总体趋于平稳，沧州和衡水NO2年均浓度变化呈逐年上升趋势，其余城市NO2年均值呈波动状态。邢台和唐山明显高于其他城市，沧州最低。除沧州外，其余城市每年NO2年均浓度都超过国家二级标准（40ug/m3）。同一城市O3年际变化较小，衡水和唐山O3年均值变化呈逐年上升趋势，其余城市O3年均值呈波动状态。从城市来看，衡水O3年均值最高，在68ug/m3左右，邢台最低，O3年均浓度值在42-47ug/m3。

图5 2014-2016年NO2、O3季均变化

由图5可知，NO2冬季和春季平均浓度明显大于秋季和夏季，NO2浓度季均值排序为冬季＞春季＞秋季＞夏季。O3季节变化趋势与NO2相反。衡水和沧州NO2季均浓度值相对其它城市偏低，但O3季均浓度值高于其它城市。O3峰值在夏季，谷值在冬季，NO2相反，可能与夏季温度高，相对湿度小，光照充足，NO2在紫外线的照射下会发生光化学反应生成O3有关［12］。从图6可以看出，NO2各月的浓度值变化明显，1月和12月浓度值最高，7月浓度值最低，3月各城市的NO2浓度值有所回升，各城市NO2月均浓度变化呈“U”型。O3月均浓度变化趋势则刚好相反，O3高值集中在5-8月，浓度低值集中在11月至翌年1月。

图6 2014-2016年NO2、O3月均变化

2.3 颗粒物时空分布特征

图7 2014-2016年PM10、PM2.5年均变化

如图7所示，2014-2016年各城市PM10年均浓度均超过国家二级标准（70ug/m3），邢台2014年超标倍数达2.34，PM2.5年均浓度亦超过国家二级标准（35ug/m3），各城市超标倍数均达1倍以上，最大超标倍数在2014年邢台，达2.33。可以看出，河北省主要城市PM10和PM2.5污染较为严重。但PM10和PM2.5年际变化呈下降趋势，颗粒物污染有所改善。PM10和PM2.5最大年均值在2014年的邢台，最小年均值是2016年的沧州和廊坊。

图8 2014-2016年PM10、PM2.5季均变化

如图8所示，2014-2016年各城市冬季和春季PM10和PM2.5明显高于秋季和夏季，季节变化趋势均为冬季＞春季＞秋季＞夏季。在8个城市中，保定、邢台，邯郸的PM10和PM2.5浓度季均值相对较高，廊坊和沧州较低。

图9 2014-2016年PM10、PM2.5月均变化

从图9可以看出，PM10和PM2.5各月浓度差异显著，在1月和12月出现峰值，8月和9月浓度值最低，3月和7月各城市的PM10浓度值有回升的现象，但整体上PM10和PM2.5月均浓度值均呈“U”型变化特征，其中，保定、邢台PM10和PM2.5月均值较高，沧州最低。

2.4 AQI时空分布

据8个城市2014-2016年的不同空气质量等级天数统计结果显示，沧州、廊坊全年优良天数占比超过50%，重度/严重污染天数最高的城市有保定、邢台、石家庄，全年占比达20%左右，衡水全年50%以上天数是中度/轻度污染。

表1 各城市空气质量等级天数统计表

从图10可以看出2014-2016年各城市空气质量指数呈下降趋势，由2014年的轻度/中度污染转为轻度污染，空气质量有所好转；2014年邢台、保定、石家庄AQI较高，空气污染最为严重，2016年AQI数值相当，廊坊和沧州相对其它城市AQI整体偏低，空气质量相对较好。

图10 2014-2016年AQI年均变化

图11 2014-2016年AQI季均变化

如图11所示，冬季和春季的空气污染最严重，夏季和秋季AQI数值趋于稳定，在80-120之间，四季AQI值从大到小排列为冬季、春季、秋季和夏季。冬季保定的AQI最高，为重度污染；廊坊和沧州的AQI值相对较低，介于90-150间，空气污染较轻。

图12 2014-2016年AQI月均变化

从图12可以看出，河北省主要城市月均AQI变化趋势规律相似，AQI最高值出现在1月和12月，最低值出现在5-9月，最高值与最低值相差160。1至12月8个城市AQI值达峰值可能与冬季大气层较稳定、燃煤取暖增加有关。

3 结论

河北省8个城市2014-2016年AQI、PM10、PM2.5、SO2浓度呈现下降趋势，整体空气质量好转，沧州和衡水NO2年均浓度以及衡水和唐山O3年均值变化呈逐年上升趋势，其余城市NO2、CO、O3年均值呈波动状态。8个城市颗粒物年均浓度均超标，最大超标倍数可达2.3；2014年石家庄、保定、邢台和唐山SO2年均值均超环境空气质量二级标准；除2014年沧州外，其余城市各年NO2年均值均超标。季节变化分析结果表明，除O3外，8个城市的其余空气污染因子和AQI季节变化趋势基本一致，夏、秋两季的空气质量优于春季和冬季，冬季最差，O3恰好相反。PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO浓度高值主要分布在1和12月，浓度低值分布在6-9月。8个城市之间的AQI和污染因子对比分析结果显示，廊坊和沧州空气质量优良天数占比超过50%，空气质量较好，邢台、保定、唐山、石家庄空气质量较差，这与城市地理位置和产业布局有一定的关系。