天津市近五年空气质量变化特征分析

李怀明，郭 健，闫 佩，李敏姣，廖光龙，罗彦鹤，张亦楠

(天津环科环境规划科技发展有限公司 天津300191)

0 引 言

大气污染与人民生活密切相关，成为了我国目前最主要的环境问题之一，引起社会广泛关注。2013年9月，国务院发布《大气污染防治行动计划》(简称“大气十条”)，出台了大气污染防治 10项措施，之后各级政府也相继出台了各项政策治理大气污染问题[1]。自2013年实施“大气十条”以来，多个城市和地区开展了空气质量变化趋势和污染特征研究[2-5]以及重污染天气应对措施的评估[6]。本文利用 2013—2018年天津市逐日空气质量监测资料和气象数据资料，分析天津市大气主要污染物的现状和变化特征，并进一步讨论空气质量与气象要素之间的关系，以期为管理部门开展大气污染防治工作提供参考。

1 研究方法

1.1 数据来源

本文使用的空气质量监测数据为中国环境监测总站发布的实时空气质量监测数据，包括细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)6种主要污染物浓度。气象数据来自天津市国家基本气象站日值数据，包括气温、气压、风速、相对湿度等要素。

1.2 处理方法

本文利用统计学中常用的斯皮尔曼(Spearman)相关系数来衡量各污染物浓度和气象要素的相关关系。Spearman相关系数是一种无参数(与分布无关)检验方法，用于度量变量之间联系的强弱，当分析的变量中有非正态分布的连续变量或顺序变量时，更适合采用Spearman相关系数。

2 结果与分析

2.1 天津市近五年空气质量变化情况

自 2013年实施“大气十条”以来，天津市环境空气质量逐年改善效果显著。2018年全年达标天数207d，较 2013年增加 62d；重污染天数 10d，较2013年减少39d(图1)。6项主要污染物中，除O3浓度(O3日最大8h滑动平均值第90百分位数浓度)较2013年有所上升外，其余 5项污染物浓度均明显改善(图2)。其中，PM2.5浓度均值 52μg/m3，较 2013年下降 45.8%；PM10浓度均值 82μg/m3，较 2013年下降 45.3%；SO2浓度均值 12μg/m3，较 2013年下降79.7%；NO2浓度均值 47μg/m3，较 2013年下降13.0%；CO日均值第 95百分位数 1.9mg/m3，较2013年下降48.6%。

图1 天津市近五年污染天数对比Fig.1 Comparison of pollution days in Tianjin in recent five years

从 2014—2018年 PM2.5的逐月浓度变化(图3)可以看出，PM2.5浓度在波动中呈现下降趋势，2017年和 2018年月均浓度最高值不超过 82μg/m3，秋冬季的颗粒物污染状况大为改善。值得注意的是，2018年8、9月的 PM2.5浓度值分别为 30.8、30.6μg/m3，这是自 2013年以来，天津市首次出现 PM2.5月均浓度低于环境空气质量标准(GB 3095—2012)二级浓度限值(35μg/m3)的月份。可见，以控制 PM2.5为目标的环境空气质量治理举措取得了显著效果。

图2 2013年和2018年天津市各污染物浓度比较Fig.2 Comparison of pollutant concentrations in Tianjin from 2013 to 2018

图3 2014—2018年天津市PM2.5浓度逐月变化Fig.3 Monthly variation of PM2.5 concentration in Tianjin from 2014 to 2018

图4 2014—2018年天津市O3浓度逐月变化Fig.4 Monthly variation of O3 concentration in Tianjin from 2014 to 2018

在 PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 5 项污染物浓度均明显下降的同时，O3浓度却有所上升(图4)，2018年年均值 201μg/m3，相比 2013年均值上升 33.1%。此外，在 2018年天津市空气质量不达标天数中(158d)，O3为首要污染物的天数占比 52.5%(83d)，首次超越颗粒物，成为影响天津市空气质量达标的最重要因素。从 2014—2018年 O3的逐月浓度变化可以看出(图4)，臭氧浓度总体呈现上升趋势，除年均浓度逐年上升外，月均浓度超标的月份数量也逐年递增，对臭氧的控制刻不容缓。

2.2 与其他城市空气质量对比

与京津冀区域其他城市(北京、保定、唐山、石家庄、廊坊、秦皇岛、张家口、承德、沧州、衡水、邢台、邯郸)相比，天津市 2018年 6种主要污染物(SO2、NO2、PM2.5、PM10、O3、CO)浓度分别为京津冀 13 个城市平均水平的 0.64、1.08、0.96、0.84、1.04、0.84 倍(图5)。可见，除NO2和O3外，天津市其他4种污染物浓度均优于京津冀区域平均水平，其中SO2浓度仅为平均水平的 0.64倍。总体而言，天津市 2018年环境空气质量略好于京津冀区域平均水平。

与首批实施新环境空气质量标准的74个重点城市平均水平相比，天津市 6种主要污染物(SO2、NO2、PM2.5、PM10、O3、CO)平均浓度分别为 74 个城市平均水平的 0.93、1.26、1.25、1.16、1.23、1.23 倍。除SO2外，各项污染物指标距离全国平均水平尚有一定差距。

图5 2018年天津市各项污染物平均浓度与京津冀区域—74城市均值对比情况Fig.5 Comparison of average concentration of pollutants in Tianjin in 2018 with that in Beijing-Tianjin-Hebei region and 74 other cities

2.3 空气质量与气象要素的关系

对天津市近五年各类气象要素和空气质量污染物数据统计分析发现，多数分析变量不符合正态分布，故使用 Spearman相关系数描述其相关性。选取风速、气温、气压、相对湿度、降水量、最大风速、极大风速等气象要素，利用 Spearman相关系数分析6种污染物浓度与气象要素的相关性(表1)。从相关系数结果来看，PM2.5与风速、日照、湿度负相关性较其他更显著，其中风速影响其扩散，日照和湿度影响其二次转化，与气压无明显相关性；PM10与风速、降水负相关性更显著，说明其主要为一次污染，与气压、湿度无明显相关性；SO2与气压正相关，与其他各要素负相关，与气压、气温的相关性较其他要素更显著；NO2与气压显著正相关，与风速、气温显著负相关，与湿度无明显相关性；CO 与风速、日照、气温的负相关性相对较显著；O3与气温、日照有显著正相关，与气压显著负相关，与湿度无明显相关性。总体来看，风速与各个污染物均存在显著相关性；气压、气温与 SO2、NO2、O3相关性较大，与颗粒物相关性小；相对湿度与 PM2.5和 CO 有一定相关性，对其他污染物影响不大；降水量主要影响 PM10、SO2、NO2；日照时数与O3、PM2.5、CO相关性较大。

表1 天津市近五年 6种污染物浓度与主要气象要素的相关系数Tab.1 Correlation coefficients between concentrations of 6 pollutants and main meteorological factors in Tianjin in recent 5 years

3 结 论

①自 2013年实施“大气十条”以来，天津市环境空气质量逐年改善效果显著，2018年全年达标天数 207d，较 2013年增加 62d；重污染天数 10d，较2013年减少 39d。6种主要污染物中，PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 5项污染物浓度均明显下降，但 O3浓度有所上升；2018年天津市空气质量不达标天数中，O3为首要污染物的天数占比 52.5%，首次超越颗粒物成为影响天津市空气质量达标的最重要因素。

②与京津冀 13个城市平均水平相比，天津市2018年环境空气质量总体略好，除 NO2和 O3外，其他4种污染物浓度均优于京津冀区域平均水平；但与首批实施新环境空气质量标准的74个重点城市平均水平相比仍有一定差距。

③降水、风速、湿度和温度等气象要素对于天津市空气质量影响显著，风速、气温、降水、日照时数与O3正相关，与其他污染物负相关；气压与 SO2、NO2、CO正相关，与 O3负相关，与颗粒物无明显相关性；相对湿度与 PM2.5和 CO 正相关，与 SO2、NO2负相关，与PM10、O3无明显相关性。