华东地区之济南市大气污染主要成分及来源分析

摘要：基于中国空气质量在线监测分析平台公布的2018年AQI及六种分项污染物的日报数据，分析了中国华东地区6个省份省会城市的AQI数据，并运用核密度分析法估计了中国山东省济南市大气污染的六种分项污染物的主要特征。研究发现：①济南市AQI在华东地区6省省会城市中居于首位。②济南市2018年PM2.5得到有效防治，PM2.5浓度得到显著下降。③六项分项污染物中O3、PM10维持在一个较高的水平。以上结论为大气污染治理体系并且为实现提高人民保护环境意识提供了有效依据。最后针对济南市主要污染物给出了一些建议以供参考。

Abstract： Based on the daily data of 2018 AQI and six sub-contaminants published by China's air quality online monitoring and analysis platform， the AQI data of the provincial capital cities of six provinces in East China are analyzed， and the nuclear density analysis method is used to estimate the main characteristics of six sub-contaminants of air pollution in Ji'nan City， Shandong， China. The study found that： 1. Ji'nan AQI ranks first in the provincial capital cities of six provinces in East China. 2. PM2.5 in Ji'nan City was effectively controlled in 2018， and the concentration of PM2.5 was significantly reduced. 3. O3 and PM10 in the six sub-contaminants are maintained at a high level. The above conclusions are the air pollution control system and provide an effective basis for improving people's awareness of environmental protection. Finally， some suggestions for the main pollutants in Ji'nan are given for reference.

關键词：大气污染;核密度分析法;PM2.5

Key words： air pollution;nuclear density analysis;PM2.5

中图分类号：X131.1                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）17-0268-03

1  方法与数据

1.1 研究方法

核密度估计（kerneldensity estimation）是概率论中用于估计概率密度函数的一种非参数方法。

假定随机变量X的密度函数为f（x），在x点的概率密度用下式表示：

式中：N为观测值个数;Xi为独立同分布的观测值;x为均值;K为核函数;h为带宽。

1.2 样本数据

本文选择PM2.5，PM10，SO2，CO，NO2，O3等在内的六种常见污染物浓度值以及空气质量指数（AQI）作为衡量大气污染的指标。空气质量指数（AQI）：AQI是空气质量指数的缩写。它的英文名字是空气质量指数。数值越大，等级和类型越高，空气污染越严重，对人体健康的危害越大。针对单项污染物还规定了空气质量分指数。参与空气质量评价的主要污染物为PM2.5，PM10，SO2，CO，NO2，O3六项。本文所有数据均来源于中国空气质量在线监测分析平台。

污染物主要来源：

PM2.5：其中以土壤扬尘、海洋气溶胶和车辆尾气最为重要。车辆排气管排放的主要是细小的颗粒物即PM2.5。

PM10：PM10的来源主要为土壤，占总来源的21.3%，而且有明显的季节和地区变化性，例如春季的土壤来源较多，而机动车燃油的排放所占比例则在秋冬季较高。

SO2：二氧化硫主要来源于化石燃料的燃烧（煤，石油，天然气）。

NO2：二氧化氮除自然来源之外，燃料的燃烧、城市汽车尾气也可以产生NO2。此外，工业生产过程也可产生二氧化氮。

O3：臭氧是由氮氧化物和挥发性有机化合物之间的光化学反应产生的，这需要足够的光和温度。

CO：空气中CO主要来自含碳物质的不充分燃烧（如汽油、柴油、煤、木炭、煤气、液化气、天然气等）和汽车尾气。

本文针对2018年华东地区上海市、南京市、济南市、合肥市、杭州市、福州市的空气质量指数（AQI），由表1得出山东省济南市空气质量指数（AQI）最大，福建省福州市空气质量指数（AQI）最小，其中济南市空气质量指数标准差最大，说明其与平均值之间的差异较大，空间差异性较大，福州市空气质量指数标准差最小，说明其与平均值之间的差异较小，空间差异性较小，空气质量较好。因此本文利用核密度估计方法着重分析了山东省济南市的大气污染现状。如表1所示。

2  空气质量指数等级划分

空气质量指数（AQI）可以划分为五个等级：

当空气质量指数为0-50 时，为一级污染

当空气质量指数为51-100 时，为二级污染

当空气质量指数为101-150 时，为三级污染

当空气质量指数为151-200 时，为四级污染

当空气质量指数为201-300 时，为五级污染

当空气质量指数>300 时，为六级污染

由图1可以看出，2018年济南市大约将近一半天气处于三级污染以上，由此可见，对济南市大气污染的防治应立即并有条不紊的展开。

本文采用R语言工具绘制出2018年山东省济南市分项污染物的核密度估计图，如图所示，NO2密度函数呈现较明显的双峰分布，表明其空间差异性较高。其余五种污染物均为单峰分布。从分布位置看，PM2.5，SO2，CO核密度图形分布位置比较靠近左侧，表明样本城市PM2.5，SO2，CO的浓度水平较其他污染物相比较低，上述三项污染并不显著，与济南市近年来大气污染的有效治理密不可分。而O3，PM10的核密度图形分布较为相似，如图2所示。

根据世界卫生组织（WHO）发布的《环境空气质量标准》，对于PM2.5的年均浓度限值分为：第一个过渡期目标为35μg/m3，第二个过渡期目标为25μg/m3，第三个过渡期目标为15μg/m3。我国规定的PM2.5的一级标准值为15μg/m3，二级标准值为35μg/m3。由核密度图像可以看出，济南市PM2.5浓度值大约维持在40μg/m3左右，近似达标WHO过渡时期目标-1和我国二级标准值的35μg/m3，但与WHO过渡时期目标-3和我国一级标准值的15μg/m3相差较多，大约是2.5倍左右，虽然近年来济南市PM2.5的治理效果显著，但大气污染的治理仍然任重道远。

WHO空气质量准则规定PM10年均浓度限值为：第一个过渡期目标为70μg/m3，第二个过渡期目标为50μg/m3，第三个过渡期目标为30μg/m3。我国新颁布标准规定的可吸入颗粒物一级标准为40μg/m3，二级标准为70μg/m3。由核密度图像可以看出，济南市PM10浓度值大约维持在120μg/m3左右，这大约是世界卫生组织过渡时期目标-3的30μg/m3 4倍，是我国新颁布一级标准40μg/m3 3倍。可以看出济南市可吸入颗粒物（PM10）浓度远远没有达标。

因为WHO认为“只要符合24小时浓度限值就可保证低的年平均浓度，故年平均浓度限值是不需要”，故只对24小时浓度值进行规定。WHO对二氧化硫24小时浓度限值分为第一个过渡期目标为125μg/m3，第二个过渡期目标为50μg/m3。我国环境空气质量标准规定24小时平均浓度的一级标准为50μg/m3，二级标准为150μg/m3。由核密度图像可以看出，SO2浓度大约维持在10μg/m3左右，远远低于WHO和中国规定的标准，说明济南市SO2污染的控制相对较好。

WHO对于一氧化碳（CO）暴露的标准限值：15分钟100mg/m3（90ppm），30分钟60mg/m3（54ppm），1小时30mg/m3（27ppm），8小时10mg/m3（9ppm），中国《室内空气质量标准》中规定，室内空气中CO浓度标准值为10mg/m3。由核密度图像可以看出，济南市CO浓度大约维持在0.7mg/m3，被控制在一个较好的水平。

WHO规定的二氧化氮年平均准则值为40μg/m3。中国环境空气质量标准规定的二氧化氮浓度标准值与WHO相同。由核密度图像可以看出，济南市NO2浓度值大约维持在40μg/m3左右，但由于其是双峰分布，一段时间内NO2浓度也维持在60μg/m3左右，超出WHO和中国环境空气质量标准20μg/m3左右，因此济南市NO2浓度值相对其他分项污染物来说不太稳定，应重点考虑一下NO2浓度的控制。

WHO仅规定了臭氧（O3）8小时平均浓度的准则值。WHO的臭氧8小时浓度限值分为：高浓度240μg/m3，第一个过渡期目标为160μg/m3。中国规定臭氧8小时浓度的一级标准值100μg/m3，二级标准值为160μg/m3。由核密度图像可以看出，济南市O3浓度值（8h）大约维持在150μg/m3左右，基本达标WHO过渡时期目标-1值，但距离中国规定臭氧8小时浓度的一级标准值还有一定的差距。

3  结论

本文以空气质量指数（AQI）以及PM2.5，PM10，SO2，CO，NO2，O3六项分项污染物为指标，运用核密度分析法对济南市大气污染进行了初步的评估，研究结论如下：①华东地区省会城市中济南市空气污染指数（AQI）最大，空气质量相对其他地区较差;福州地区空气质量较好。②济南市2018年PM2.5的治理有显著效果。③济南市PM10浓度较高，成为2018年济南市首要污染物之一。④济南市NO2浓度水平呈不稳定分布，差异性较大，应敲响济南市NO2浓度防治的警钟。

4  建议

济南四面环山，北倚黄河。地势很浅。受南方山区影响，总体大气污染扩散条件较差。城市地表附近容易形成“小风中心”，影响污染物的水平擴散。在垂直方向上，长期气象观测资料表明，济南市区易发生逆温天气。下午5点逆温天气发生的概率超过80%，影响污染物的垂直扩散。济南市大部分工业园区和主要大气污染源都位于扩散条件较差的区域，对济南市环境空气质量影响较大。济南市移动源、生活源和沙尘源的排放强度较强，过度集中在城市扩散条件较差的地区。块煤燃烧、各种粉尘、机动车尾气、油烟等对城市环境质量有很大的影响。其中济南机动车高度集中在“风的中心”。由于机动车是在人的呼吸带内排放的，其影响更为显著。这也直接导致PM2.5和PM10浓度的增加。以下是对上述污染源分析的一些建议，供参考：①把工业园区转移到空气污染扩散较好的地区。商河、济阳、天桥北部属于扩散条件较好的区域。②拓宽城市道路，发展公共交通系统，增强人们的环保意识。它呼吁人们选择公共交通，并采取措施，如私家车限制，以减少PM2.5和PM10的排放。③加强对各类排烟设施的监督管理，提高燃煤质量，改变能源结构。④进一步制定环境污染控制措施，完善处理体系，使各种废物得到处理和排放，最大限度地减少对环境的直接污染。⑤加大力度宣传可持续发展战略，提高各级干部和广大人民的环保意识，形成“环境保护，人人有责”的氛围，严格遵守有关法律规定，并形成新的有特色的符合济南的环境污染治理规定，提高法律观念。

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作者简介：姜铭（1996-），女，辽宁鞍山人，研究生在读，研究方向为应用统计。