太原市大气环境质量时空变化分析

赵莹， 周义， 王欣畅

山西师范大学地理科学学院,山西 临汾 041000

0 引言

由于经济和社会的快速发展，大气环境污染对地球生态环境和人类的生活质量产生巨大影响，因而成为人们最为关注的热点和环境学科研究的重点[1].因此，通过对区域大气环境质量变化趋势的研究，了解其变化特征及大气污染状况产生原因，从而为有效改善环境质量提供科学参考.

太原市作为中国主要能源城市，为国家的发展做出重大贡献的同时，环境问题越来越突出，迫切需要以新的面貌面对未来的发展和挑战[2].近年来，已有学者对太原市大气环境质量问题开展了相关研究，如张云芳对太原市空气质量总体状况及污染物情况进行分析， 总结了影响太原市空气质量状况的原因[3]；高岗栓分析了“十一五”以来太原市大气污染现状和存在的问题，并提出了大气污染防治对策[4]；温丽仙等利用2001年～2005年PM10监测数据对太原市PM10时空分布特征及其成因进行研究[5].综上，可见现有研究对太原市大气环境质量的研究较集中于定性描述大气环境质量及对某单一因子的污染评价，而定量研究太原市大气环境质量时空变化特征的研究相对较少，因此本文利用中国环境监测总站发布的2013年～2017年太原市大气环境质量和《中国统计年鉴》数据， 以揭示太原市近五年来大气环境质量时空变化特征及其成因，从而为改善太原市环境质量提供一定的科学依据和参考.

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

太原市位于山西省境中央，地理坐标为37°27′～38°25′ N、110°30′～113°09′E，太原东、北、西三面环山，中、南部为河谷平原，汾河由北向南横贯太原市全市[6].太原属北温带大陆性气候，降雨多集中于夏秋季，冬春季则多风少雨.

太原市矿产资源不仅储量大且种类丰富、质量上乘，以其得天独厚的优势成为我国重要的能源与重工业基地.自20世纪末起，太原市经济运行持续稳定增长、大力发展科技创新，积极带动山西省产业结构调整和升级.

1.2 数据来源

本研究所使用的SO2、NO2、PM10、CO、O3和PM2.5六种污染物的浓度数据以及空气质量指数(Air Quality Index, AQI)数据均来自于中国环境监测总站发布的全国城市空气质量时报数据以及《中国统计年鉴》.数据时长自2013年至2017年；研究区内含国家监测九站点，详见图1.

2 研究方法

2.1 环境空气质量综合指数评价法

环境空气质量综合指数是用来描述城市环境空气质量综合状况的无量纲指数，由中华人民共和国环境保护部提出用于对全国74个重点城市空气质量进行评价的一种工具[7].环境空气质量综合指数越小表明其综合污染程度越轻；反之，则综合污染程度较重[8].其数学表达式如下所示：

图1 研究区大气环境监测点位置图
Fig.1 Layout of atmospheric environment monitoring points in Taiyuan city

Fi=Ii/Isum

式中，Fi为污染物的负荷率；Ci为污染物i的浓度值；Si为污染物i的年均值二级标准；Isum为环境空气质量综合指数；Ii为污染物i的单项指数，i为SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5等全部六项指标[9].

2.2 空间插值法

空间插值是利用采样点数据对研究区内未知区域的特征数据进行推理和估计的方法[10].空间内距离相近的点其特征值也相近；反之，特征值相差较大.因研究区监测成果多以离散点数据形式记录，难以较直观地反映整个研究区域内空间变化特性，因此需对研究区站点数据做空间插值化.根据研究区内站点分布不均且密集度不高的特点，本研究选取克里格插值对太原市大气环境质量空间分布进行拓展和特征揭示.

3 太原市大气环境质量时空变化特征分析

3.1 时间变化特征分析

3.1.1 年际变化特征分析

以2013年～2017年太原市六区大气环境质量监测站点的大气环境质量的监测数据为基础，利用环境空气质量综合指数法对太原市2013年～2017年间空气质量进行综合评价.结果如表1.

由表1得出的结果可知，太原市五年间大气环境质量变化具有如下特征：(1)除NO2外，各单项污染物浓度呈逐年下降变化特征.其中，PM2.5污染负荷率(FPM2.5)平均25.60 %，PM10污染负荷率(FPM10)平均24.50 %，表明其主要污染物为PM2.5、PM10.其余四项污染物的负荷率均是颗粒物负荷率的50 %左右.(2)由表1中环境空气质量综合指数(Isum)易知，2013年～2015年间太原市环境空气质量2014年显著降低，降幅为13.07 %，2015年继续下降，降幅为8.42 %，2016年开始升高，增幅为7.30 %；2017年转而下降，降幅为2.74 %.总体来讲，五年来太原市环境空气质量综合指数呈整体下降并伴有小幅波动趋势.

AQI与空气污染指数(API)有异.AQI参照的是《环境空气质量标准》(GB3095-2012)，参与评价的污染物为SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO六项[11].而API参照的是《环境空气质量标准》(GB3095-1996)，评价的污染物仅为SO2、NO2和PM10三项，且AQI采用分级限制标准更严.AQI较API进行评价的指标更多，因而结果更具准确性.近五年太原市不同空气质量级别所占比例如图2所示.从中可以看出，2013年～2016年间太原市环境空气质量的优良天数逐年递增，优良天数所占比例由2013年的45.55 %增加到2016年的64.48 %，增长了18.93个百分点；2017年优良天数所占比例相对于2013年，增长2.67个百分点.近五年来太原市环境空气质量优良天数所占比例的整体趋势以2013年与2017年为端点，以2015年为最高点呈现出一个倒U型的结构.

表1 太原市大气环境质量污染物单项指数和环境空气质量综合指数Tab.1 Single index of atmospheric environmental quality and comprehensive index of ambient air quality in Taiyuan

图2 2013年～2017年太原市空气质量级别所占比例
Fig.2 The proportion of Taiyuan city's air quality grade from 2013 to 2017

3.1.2 月、季变化特征分析

2013年～2017年间太原市空气质量综合指数的月相特征如图3所示.五年来太原市空气质量综合指数最小的月份几乎为7月、8月份，而从11月到次年的1月、2月份的空气质量综合指数全年最大；由季节角度，可以看出夏季的空气质量综合指数普遍较低，空气污染程度较小；而冬季则是全年最高，冬季污染程度也较高.因此，太原市有明显的月份和季节空气质量变化特征.另外，太原市采暖期为当年11月至次年3月，非采暖期则为当年4月至10月，且PM2.5、PM10、SO2是近五年来太原市的主要污染物.2013年～2017年间太原市空气质量的主要污染物在总体上呈现采暖期高于非采暖期污染浓度的特征，由五年内平均浓度差异范围看出PM2.5采暖期是非采暖期的1.66倍，PM10为 1.33倍，SO2则是3.18倍，这表明采暖期大量化石燃料的燃烧，污染源的排放量增大，导致空气中SO2.烟尘等颗粒物排放量增大，加剧了大气环境污染的恶化.此外，从各年度采暖期的浓度变化分析，PM2.5浓度五年内下降了15.69 %；SO2浓度五年内

下降了6.07 %；表明影响太原市大气环境质量的三种主要污染物浓度均有一定下降趋势.

3.2 空间变化特征分析

由于涧河监测站点数据长时间缺失，故选择以2013年～2017年间太原市8个国控站点监测数据的平均值，分析太原市大气环境质量空间变化，结果如图5所示.各监测站点的空气质量分指数最高的均为PM2.5，PM2.5与PM10的分指数变化趋势一致，其中尖草坪监测站点的PM2.5与PM10指数最高，上兰最低，其余六个监测站点均保持较稳定的污染水平.另外，八个监测站点的CO浓度均超过国家二级标准、O3浓度在国家二级标准左右.由空气质量综合指数看出，太原市区的空气质量总体较均衡，其中污染较严重的为尖草坪地区，最好的是上兰地区.

图3 2013年～2017年空气质量综合指数逐月变化特征Fig.3 Air quality in 2013～2017 composite index variation characteristics from month to month图4 采暖期与非采暖期主要污染物浓度变化Fig.4 Heating period of main pollutant concentration change with the heating period

通过对太原市首要污染物PM2.5及环境空气质量综合指数进行空间插值，其空间分布如图6所示.从该图可看出，PM2.5与环境空气质量综合指数呈相似的空间分布状态，即太原市市区的西北方向是太原市环境空气质量综合指数及PM2.5分指数全市区最低；以太原市市区中部为中心，其空气质量综合指数及PM2.5的分指数最高，大致呈同心圆状向外辐射开，其数值也逐渐降低.

图5 太原市大气环境监测点空气质量指数分布图
Fig.5 Air quality index distribution map of atmospheric environment in Taiyuan city

4 结论

基于实测站点和统计年鉴数据，对太原市2013年～2017年的大气环境质量时空变化特征进行分析，可得出以下结论：

(1)时间上，太原市大气环境质量呈逐年好转态势，其空气质量综合指数总体呈逐年递减趋势，除NO2外，各污染物浓度也逐年下降.2013年～2017年间，除2013年空气质量综合指数为8.74外，其余年份均保持在7.5上下浮动.此外，NO2污染物的浓度分指数呈现逐年升高的趋势，SO2污染物浓度分指数在逐年降低，但NO2与SO2五年内的污染浓度均超过国家二级标准，因此仍需加强其二者的治理.太原市市区的大气环境质量呈现出明显的季节性变化特征，即冬季大气污染程度最强，夏季最弱，总体呈由冬—春—秋—夏逐渐减弱的趋势，且采暖期主要污染物的浓度远大于非采暖期.

图6 太原市大气首要污染物环境空气质量空间分布图
Fig.6 The spatial distribution of primary pollutant and comprehensive environmental quality in Taiyuan

(2)空间上，太原市市区的空气质量大致呈西北部最好，中部最差，并以太原市市区中部为中心大致呈同心圆状向外辐射，其空气质量由中心向外逐渐变好.太原市市区内的监控站点的空气质量分布总体较均衡，上兰与南寨的污染程度最小；空气质量较差且PM2.5浓度较高的区域主要集中在太原市区的中部地区，空气质量较好的地区位于太原市区西北部.

(3)原因分析：全年静风频率较高，地形较封闭，污染扩散能力较差，不利于大气污染物的扩散[12].上兰监测点位于太原市主导风向上风向，空气质量全市区最好，并且污染物浓度呈逐年递减的趋势.且太原市属于温带大陆性季风气候，夏季高温多雨，风沙等颗粒物无法形成大面积扬尘，使夏季太原市颗粒物浓度较低；而冬季寒冷干燥，加之地处黄土高原，植被覆盖率低，导致空气中颗粒物含量大大增加.

(4)近年来SO2及颗粒物的浓度呈逐年下降趋势，是由于太原市为了改善市区环境空气质量，“十二五”以来，集中财力、物力、人力，以创新发展模式、全面推进绿色转型为支撑，坚定不移地实施“蓝天碧水工程”，从而使得全市大气环境质量持续好转[4].太原市采暖期大气中的PM2.5、SO2和PM10浓度明显超标，由于大量的燃煤与太原市内仍存在小锅炉采暖问题.但三种污染物的浓度在近五年呈平稳降低的趋势，表明太原市在加快建设热源厂提供集体供暖以及整治全市的小锅炉燃煤问题上取得显著成果.而太原市的NO2等氮氧化物的污染加剧则是由于经济的快速发展，汽车尾气大量排放，产生大量氮氧化物污染.

(5)因本研究仅利用2013年～2017年间太原市污染物浓度的站点数据和统计年鉴数据对其进行时空变化特征分析，鉴于数据时长和空间站点数量的有限性，对太原市大气环境质量时空变化特征的揭示仍需进一步探究和完善，才能够更加全面、科学地揭示太原市大气环境质量的变化规律，从而为改善或治理太原市大气环境质量提供一些科学依据或支撑.