青岛市大气颗粒物PM2.5动态分析

邵锡浩

摘要：基于青岛市主城区大气自动监测站实时发布的数据， 分析颗粒物PM2.5浓度的时空变化规律，并对PM2.5与其它颗粒物之间的相关性和影响因素进行了分析。结果表明，PM2.5颗粒物浓度年际变化起伏不定;年内变化冬、春季浓度较高，夏、秋季浓度低。根据PM2.5与其它颗粒物之间的相关曲线看，PM2.5与SO2、NO2、O3之间呈现显著正相关，它们浓度的升高会引起PM2.5浓度增大，其来源相同或相关。

Abstract： Based on real-time data released by the atmospheric automatic monitoring station in the main urban area of Qingdao， the temporal and spatial variation of PM2.5 concentration in particulate matter is analyzed， and the correlation and influencing factors between PM2.5 and other particulate matter are analyzed. The results showed that the interannual variation of PM2.5 particle concentration fluctuated; the concentration during the year was higher in winter and spring， and lower in summer and autumn. According to the correlation curves between PM2.5 and other particulate matter， PM2.5 has a significant positive correlation with SO2， NO2， and O3. An increase in their concentration will cause an increase in PM2.5 concentration， which is the same or related source.

关键词：青岛市;PM2.5;污染;空气质量

Key words： Qingdao;PM2.5;pollution;air quality

中图分类号：X513                                         文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）01-0183-04

0  引言

山东省青岛市是中国非常重要的沿海开放城市和经济中心城市，自从改革开放开始，青岛市综合经济实力稳步增长，尤其是近几年经济结构不断优化，城市发展日新月异，涌现了海信、海尔、青岛啤酒等一大批强有力的名牌产品和企业集团，形成了以港口运输、滨海旅游、商贸、金融和信息服务为主体的发展格局。作为一座典型的北方城市，煤炭资源依旧是城市取暖和工业发展的主要能源。青岛市虽然经过实施过各种防污减排措施，大大减少了颗粒污染物和污染气体（如二氧化硫、二氧化氮和一氧化氮等）的排放量，使得大气低空面源的污染得以控制，明显提高了青岛市的大气空气质量，但由于目前青岛市的燃料结构仍以煤炭为主，并且受经济技术和产业结构等因素制约，燃煤所产生的污染问题总体治理水平不高，城市的空气污染仍属于典型的煤烟型污染。大气污染问题是城镇化和工业化加速发展背景下人类活动与自然环境之间关系紧张的具体体现，由不合理的人类活动所引起，又进一步限制人类活动（比如城镇化和工业化）高质量发展[1]。随着中国生态文明建设和“五化”协同发展逐步推进，解决大气污染问题既是落实生态文明和“五化”协同的现实表现，也是追求人与自然和谐发展的内在要求[2，3]。

青岛市是山东半岛蓝色经济区的龙头城市，是我国东部沿海地区著名的旅游度假城市。虽然很早之前就有对于青岛市主城区PM2.5颗粒物的研究，但多数数据的观测点分散、观察时间较短，并且缺乏连续时间、多空间和多角度的研究。本次研究所利用的数据来源于青岛市主城区大气监测站2013年至2019年（主要选取14-18年重点分析）持续监测所获得的空气质量指数以及PM2.5的颗粒物质量浓度，并基于此数据对青岛市大气颗粒物PM2.5的时空变化情况进行统计分析，揭示青岛市主城区大气污染颗粒物的特征，并分析大气颗粒物的主要组成及其变化所引起的大气环境问题，以便为青岛市近地面大气环境污染防治及进一步进行的环境优化提供理论依据。目前，中国基于空气质量状况建立了空气质量指数AQI、空气污染指数API及各类污染物指标数据的监测发布系统[4]。据此分析青岛市环境空气污染状况。

1  研究背景

随着经济社会的发展和进步，全球的气候变暖、生态失衡、环境恶化、海平面上升、大气污染严重等已然成为各个国家所共同面临和亟待解决的严峻问题。自从1992年6月，联合国在巴西的里约热内卢召开世界各国政府首脑参加的联合国环境与发展会议，在该会期间签订《联合国气候变化框架公约》，在1994年3月开始生效。该公约要求发达国家和发展中国家履行相应义务，担当相应责任。到2015年12月12日，在巴黎气候变化大会上通过，在纽约签署的气候变化协定《巴黎协定》，成为首份具有法律约束力的全面应对气候变化协定，该协定为2020年后全球应对气候变化行动作出安排并进行了国际分工。其中，我国制定气候变化目标是2030年的碳排放量增长速度达到最大值，并且相比于2005年下降百分之六十至百分之六十五。

为了加强各城市的大气污染防治，我国于1994年加入世界卫生组织的健康城市计划，2007年在北京、上海、杭州等10个市（区、镇）开展健康城市试点，健康城市的建设将逐步成为全国甚至全球城市建设的发展趋势[5]。

2  数据采集

本次研究所采用的数据主要来源于中国空气质量在线监测分析平台。目前国内主要依靠各种精密仪器检测空气中的大气颗粒物污染物浓度。但由于观测仪器的成本高，国家只能通过在城市部分地区设立环境监测站来检测大气颗粒物浓度及大氣质量。但这种空气质量的检测方法是粗略的、精确度不高的，大气质量的监测点并不能覆盖城市的所有角落。所以本文提出了一种基于图像的空气质量等级检测方法，试图通过移动检测设备所采集的图像检测空气质量等级，移动检测设备的广泛使用将使得通过图像细粒度检测空气质量成为可能，该方法利用空气污染对图像颜色通道和灰度通道局部信息熵的影响构建空气质量等级检测模型[6]，并采用该平台提供的分析结果。

3  数据分析

3.1 青岛市空气质量指数月变化趋势（年内变化）

从中国天气网中选取青岛市2014年至2018年空气质量指数（AQI）月变化趋势。由图1可以看出，年与年之间变化较大，最高峰与最高峰之间也有较大差别，并通过研究青岛历年来的天气状况，发现冬季AQI值大，夏季AQI小。初步推测AQI值与季节和天气状况有着密切联系。

3.2 青岛市空气质量指数（AQI）等级月变化趋势

从中国天气网选取2014年至2018年青岛市空气质量指数（AQI）等级月变化趋势。经图2可以发现，每年空气质量指数最大值均出现在一月或附近，最小值出现在七八月份。这个结果与已有的研究结论相符合，我国城市大气颗粒物PM2.5质量浓度具有明显的季节变化规律，即冬春季节污染较重而夏秋季节污染相对较轻[7]。青岛市大气颗粒物PM2.5月平均浓度变化整体趋势呈现出单高峰单低谷型。从整个图片来看，青岛市PM2.5月均浓度最高值出现在一月份，月浓度最低值出现在出现多个波峰和波谷七月份，并有规律的呈现波浪形变化。自2014年1月至2018年12月，每年空气质量指数等级在7月份左右达到最高，在2月到4月达到最低。

通过分析表1（取自中国天气网）：在空气质量指数达到最低的时候，PM2.5、PM10以及二氧化硫都达到每年最低值;在空气质量指数达到最差的时候，PM2.5、PM10以及二氧化硫都达到每年最高值。通过近几年数据，从各个季节结果来看，夏季风向多为东风、东南风，从海洋带来清洁空气，城市内部耗煤量低，所以空气质量情况最佳;冬由于煤等化石燃料燃烧排放量大、不利风向条件（冬季多为西北风，北风）及向外输送不良等影响，导致空气质量较差。从各月份结果来看，每年8月或八月附近空气质量最佳，八月前后几月尤其是5月至10月期间，各个污染物的浓度均达到排放标准，空气质量也较好。而每年的12月至来5月期间，氮氧化物、硫氧化物等大气颗粒物量浓度较其余月份有明显增加，空气质量等级也不高，甚至出现多次轻度污染;PM10的浓度增减和PM2.5的增减趋势相似，夏季附近浓度较低，冬季浓度较高。

从青岛市环保局网站得知，在2017年，青岛市共启动过大气重污染天气应急预警3次，其中大气污染蓝色预警1次，黄色预警2次。2次的黄色大气污染预警都是按照山东省区域应急联防联控统一部署的要求启动，通过天气污染预警，青岛市组织全市采取应急响应措施，减少造成大气污染的颗粒物排放，并且发挥了降低大气污染颗粒物浓度和减少污染天气出现的积极作用，大气的实时监测结果未达到启动青岛市重污染天气应急预案中的黄色预警条件，明显提高了青岛市的大气质量指数。同年，青岛市由于受不利天气条件，导致大气颗粒污染物向外输送不便，导致该年共出现4天大气重度污染，其中三天出现在一月，一天出现在2月，符合以上研究。与前几年相比，出现重度天气污染及以上等级天气污染天数有所减少，是2013年以来出现严重不良天气天数最少的一年[8]。

青岛市是一个天然能源匮乏并且新型能源待开发潜力较大的城市。目前青岛市使用的天然一次能源以煤和石油为主，并且能源全部依靠外地的输入。新型清洁能源的开发情况基本上处于空白，尚未出现大规模开发利用新型能源的局面。虽然这种污染物排放量大的能源结构格局已经延续了很多年，但一次天然能源与新型清洁能源的比例在逐年改变，新型清洁能源也初步出现并投入使用。能源的质量在不断提高。并且作为北方城市，冬季供暖所需能源比例很大。城市的快速发展导致了城市热岛效应的产生，产生该现象的主要原因是城市建筑的增加、能源结构不合理、下垫面的硬化、车辆增多、城市人口增多、工业的集聚、绿地和水体面积的减少、城市风速的降低等[9]。庞华基等研究认为，青岛市的城市热岛效应在冬季比较明显，这与青岛市的冬季供暖应存在联系。城市化进程的加快与城市热岛效应的增强有很强的对应关系[10]。2017年至2018年青岛市供热总面积超一亿平方米，但城市热化率不足60%，利用清洁能源供热占比30%。现有的城市集中供热是由大型热电联产供热厂、企业单位锅炉房、区域地区小型锅炉房、新型能源供热等组成，具体的构成和能源消耗量估算见表2。

除此之外还有城市的分散式、个体式取暖，主要是以煤碳、石油油、电、天燃气等为燃料的办公室或家庭采暖[11]。

除此之外，大气颗粒物PM2.5浓度一般也会与气象因子之间存在密切联系[12]。例如PM2.5颗粒物浓度会随着风速的增大而导致扩散传播加快，从而使得污染物浓度降低，但与此同时也会将大气颗粒物PM2.5输送至其他地方[13]，这也就是大气颗粒物的向外输送的主要途径。与之相符的研究显示，青岛市主城区大气颗粒物浓度在吹陆风（即以西风、西北风为主）且风速较小的时候较高，主要原因就是陆风带来了内陆其他地区的大气颗粒物;在吹海风（以东风、东南风为主）且风速较大时污染物浓度较低，主要原因时海风带来了海洋的清洁空气，使得青岛市空气质量指数高。风向能影响空气中颗粒物的转移、聚集和扩散。在春季，西南、西北风向下，PM2.5颗粒物浓度最高;夏季，东南、东风向上，PM2.5浓度较低;秋季，西北、西风向下，PM2.5浓度较高;冬季，西、西北风向下，PM2.5浓度较高。是因为青岛市南、冬、北三面环海，在西风、西北风时会受到内陆地区大气向外部输送的影响，来自西伯利亚冷气团的空气会将京津冀地区以及山东省西部内陆地区的污染物带到青岛，导致大气污染物浓度的升高，形成不良天气。

当风速较小和静风时，大气颗粒物的水平扩散条件较差，不利于青岛市当地产生氮氧化物和硫氧化物的输送和扩散，导致大气污染物质量浓度提高。同时臭氧在该天气条件下时质量浓度最低，此时大气污染物浓度与平均相比减少了百分之四十左右。而静风时氮氧化物的浓度高，推测可能是因为静风时氮氧化物与臭氧发生相互作用，同时静风时大气水平作用力较小，没有外来的臭氧补充，导致当地臭氧浓度达到最低，但是由于缺乏对挥发性有机化合物（VOCs）的检测资料，臭氧与氮氧化物之间的关系还有待进一步分析[14]。

4  结论

①从月变化情况看，青岛市主城区PM2.5月浓度最低及空气质量指数月等级最高出现在7月及8月份;PM2.5月浓度最高及空气质量指数月等级最低出现在12月及1月份。

②青岛市冬季空气质量指数最低的原因由多方面造成。一，冬季城区供暖能源结构主要为一次能源，造成大量的空气污染物;二，青岛市气候类型为温带大陆性气候，冬季所吹的西风西北风带来内陆地区的空气污染物，造成了空气质量指数低。

③青岛市关于大气污染的主要防治措施是控制大气污染颗粒物的排放，包括煤烟尘、工业废气、汽车尾气等废气排放;加强绿化、提倡公交出行、城市禁鞭、实施相关法律等是有效的提高大气质量措施;再有就是预防氮氧化物、硫氧化物等污染物的二次转化，所以防治大气污染需要防治结合，包括减少污染物的排放、控制污染物输送及预防污染颗粒二次转换等问题。

参考文献：

[1]刘凯，任建兰，李雅楠.基于供需视角的黄河三角洲人地关系演变[J].经济地理，2018，38（7）：28-34.

[2]刘凯，吴怡，陶雅萌，等.中国省域生态文明建设对碳排放强度的影响[J].中国人口·资源与环境，2019，29（7）：50-56.

[3]刘凯，任建兰，张存鹏.中国“五化”协同发展水平演变研究[J].经济问题探索，2016，（4）：27-34.

[4]高庆先，刘俊蓉，李文涛，等.中美空气质量指数（AQI）对比研究及启示[J].环境科学，2015，36（4）：2-3.

[5]李小寒.山地城市道路交通污染防控的规划干预对策及评价体系研究——以青岛主城区为例[D].重庆大学，2019.

[6]杨本芊，徐琳，陈强，等.基于图像的空气质量等级检测[J].南京理工大学计算机科学与工程学院自动化学报，2018：2-13.

[7]杨雨蒙，杨凌霄，张俊美，等.济南市冬季灰霾日PM1.0和PM1.0-2.5污染特征[J].山东大学学报（工学版），2017，47（2）：111-116.

[8]青岛市环保局.2017年青岛市环境空气质量总体情况[M].2017.

[9]张书余.石家庄市环境形态的热效应分析.河北省气象科学研究所[J].2002，28（10）：18-21.

[10]庞华基，高靖，李春，等.青島百年气温变化及其影响因素分析[J].南京气象学院学报，2007，30（4）：524-529.

[11]郭玮，崔红社.青岛市城市能源结构分析与供热能源选择[J].青岛建筑工程学院学报，2010，20（3）：3-4.

[12]王占山，李云婷，陈添，等.2013年北京市PM2.5的时空分布[J].地理学报，2015，70（1）：110-120.

[13]K.Kmal， P.Mikuka， M.Vojtěek， et al.Seasonal variations of monosaccharide anhydrides in PM1 and PM2.5 aerosol in urban areas[J].Atmospheric Environment， 2010， 44 （39）：5148-5155.

[14]李明华，林杰荣，王辉，李文胜，陈超，曹静，甘泉，范绍佳，等.地理位置和盛行风向对惠州市空气质量的影响[J].广东气象期刊，2019，2：36-39.