贵州省2015～2019年空气质量及大气污染物时空分布特征研究

曹 蔚，郑小波，赵天良，汪卫平，王玥彤

(1.贵州省气候中心，贵阳 550002；2.贵州省山地环境气候研究所，贵阳 550002；3.南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京 210044)

引言

大气是人类赖以生存和发展的基本环境要素[1]，大气污染的发展已对人类生产活动[2-4]、人体健康[5-6]产生严重影响，研究城市大气污染的时空分布特征及其与气象要素的相关性对进一步有效防治大气污染具有重要意义。

21世纪初以前，我国城市大气污染主要为煤烟型污染，主要污染因子是可吸入颗粒物，空气质量季节变化特征明显，冬季空气污染最重，夏季最轻[7]。随着社会经济全面发展，大气污染类型逐渐向多种污染物同时存在的复合型污染转变，区域性大气污染问题逐渐显现[8]。在我国，京津冀地区、长江三角洲、珠江三角洲和四川盆地是我国大气污染形势最为严峻的四大区域，多年来，已有许多学者对其展开研究[9-17]。贵州省省会城市贵阳市也出现了大气复合型污染的变化趋势。2008年，刘娜等[18]对贵阳市城区大气颗粒物进行了连续3个月的采样分析，初步判断污染源来自燃料燃烧、生物质燃烧和汽车尾气等人为源。2013～2016年的监测数据分析表明贵阳市表现出了PM2.5和O3相互作用的城市大气复合污染特征[19]。

贵州省位于云贵高原东部、四川盆地南部，相较于京津冀、长三角、珠三角等经济和工业发达地区的严重空气污染来说，贵州省整体空气质量较好，大气环境较为清洁，再加上相对落后的发展条件和观测资料的欠缺，导致贵州省大气环境污染方面研究较少。随着近年来我国大力推进实施西部大开发战略，贵州省的工业、农业等水平得到进一步发展，城市空气环境质量问题也逐步凸显。因此，本文基于2015～2019年贵州省空气质量逐日监测资料对9个地级市的AQI和6种大气污染物的时空分布进行分析，对贵州省的空气质量概况进行综合评价，以期为贵州省的大气污染防控治理提供科学参考依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

贵州省位于中国西南部，北靠四川盆地，西邻云贵高原，省内分为贵阳市、遵义市、毕节市、六盘水市、黔西南州、安顺市、黔南州、黔东南州、铜仁地区9个地级市，其政府所在地分别为：贵阳、遵义、毕节、水城、兴义、安顺、都匀、凯里、铜仁。

1.2 数据来源

2015年1月1日～2019年12月31日贵州省9个城市环境监测站的逐日空气质量指数(AQI)数据和细颗粒物(PM10)、可吸入颗粒物(PM2.5)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)和一氧化碳(CO)的质量浓度数据来源于中国环境监测总站(http:∥www.cnemc.cn/)。同期气象要素监测数据来自贵州省气象局。

1.3 研究方法

1.3.1 空气质量分级

空气质量指数(Air Quality Index，以下简称AQI)是定量描述空气质量状况的无量纲指数，数值越大说明空气污染状况越严重，危害也就越大。根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633-2012)规定：AQI划分为0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和>300六个档，对应于空气质量的优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染6个级别。

1.3.2 相关性分析

采用皮尔森相关系数法分析6种污染物与气象要素(平均气温、日降水量、相对湿度、日照时数、平均风速)之间的相关关系。

1.3.3 首要污染物和超标污染物

AQI是各项污染物的空气质量分指数(Individual Air Quality Index，简称IAQI)中的最大值，即：AQI=max{IAQI1,IAQI2,IAQI3,…,IAQIn}，当AQI>50时对应的IAQI最大污染物即为首要污染物，而IAQI>100的污染物即为超标污染物。IAQI及对应的污染物项目浓度限值和IAQI计算方法均参照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633-2012)中的标准，并采用普通克里金插值法计算分析贵州省各污染物的空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 AQI及大气污染物时空分布

2.1.1 贵州省9个城市2015～2019年空气质量概况

依照1.3.1中的分级方法，将各个城市2015～2019年每一年不同级别的空气质量天数绘制成图，如图1所示。

2015～2019年贵州省9个城市空气质量优良天数最多，占全年的90%以上，其次是轻度污染，中度污染和重度污染较少，无严重污染日。2015年，遵义和水城污染日数最多，有31天污染日，其中，遵义有27天轻度污染日和4天中度污染日，水城有28天轻度污染日和3天中度污染日，这两个城市空气质量为优的日数均少于120天；毕节有轻度污染日20天，中度污染日1天，污染日数超过安顺(11天)和铜仁(8天)，但安顺和铜仁均出现了1天重度污染日。2016年，遵义和水城的空气质量仍为9个城市中最差，空气质量为优天数均仅有90天，污染日分别为28天和29天，其中遵义出现1天重度污染日；毕节和兴义空气质量为优天数最多，分别为227天和228天。2017年，遵义空气质量为优天数明显增加，为187天，较2016年增加107.8%，但仍有20天轻度污染日和2天中度污染日；水城空气质量仍为9个城市中最差，污染日为28天，其中轻度污染日为24天，中度污染日3天，重度污染日1天，空气质量为优天数仅有120天；毕节污染日共有24天，其中出现2天重度污染日；凯里空气质量为优天数排全省第二，有227天，但污染日数为五年间本地最高，有16天轻度污染日和1天中度污染日。2018年，可以明显看出，9个城市的污染日数明显减少，其中都匀和兴义均无污染日，全省各市空气质量为优日数明显增加，增幅分别为：贵阳15.8%，遵义25.1%，毕节16.6%，水城81.7%，兴义12.5%，安顺9.2%，都匀20.1%，凯里4.0%和铜仁35.1%。2019年，全省各市空气质量为优日数保持较好，但除安顺和水城外(均无污染日)，其它城市污染日数较2018年均有所增加，尤其是铜仁，共有24天污染日，较2018年增加了166.7%，分别为17天轻度污染日，5天中度污染日和2天重度污染日；已经连续两年没有污染日的兴义也出现了4天轻度污染，为五年内污染日数最多的年份。

兴义是贵州省内空气质量最好的城市，近5年内中度污染程度以上的天数为0天，轻度污染天数为6天(2015和2016年各有1天，2019年有4天)，其中2017、2018年没有出现污染日。贵阳市作为贵州省的省会城市，近5年间空气质量为优的天数逐年增加，由2015年的139天增加到2019年的213天，增加了53%，污染日数也明显减少，其中2018年污染日只有2天。

2.1.2 AQI及大气污染物月际分布特征

如图2所示，贵州省各市的AQI月均值变化规律基本一致，AQI最高值出现在冬季(1月、2月和12月)，其中12月和1月铜仁最高，2月水城最高，而冬季兴义AQI全省最低，AQI月均值的最低值出现在在6～7月，均低于50。各市的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO浓度的月均值均表现为“夏低冬高”的变化特征。颗粒物(PM2.5和PM10)浓度最低值出现在6月，其中兴义和都匀最低，最高值出现在12月和1月，其中水城和铜仁最高。SO2浓度全省除都匀外变化特征较为一致，安顺市最低值出现在2月，3～5月和9～12月SO2浓度明显高于其他市。NO2浓度全省最高值在遵义，最低值在安顺。CO浓度最高值出现在12月和1月，其中铜仁最高，最低值出现在6月和7月，其中都匀最低。O3浓度的月变化表现为双峰型，最高值分别出现在4～5月和8～9月，其中4～5月最高值出现在安顺、毕节和贵阳，8～9月最高值出现在铜仁和都匀。

2.1.3 AQI及大气污染物年均空间分布特征

从2015～2019年5年均值的空间分布来看(图3)，贵州省全省空气质量年均值均在优良之间，空气质量较好，省南部地区空气质量优于中北部地区，PM2.5、PM10和NO2浓度高值区均出现在省北部；SO2浓度高值区出现在安顺和都匀，低值区在铜仁和兴义；CO浓度高值区出现在毕节和铜仁，低值区出现在安顺和都匀；O3浓度高值区出现在安顺、毕节和贵阳。

从各年AQI及污染物的年均值来看(图4)，2016年全省空气质量年均值为优(AQI<50)的城市仅有兴义，2018年和2019年全省空气质量年均值为优的城市较多，其中，2018年的AQI全省平均值最低；水城和遵义的AQI年均值在2015年和2016年均超过60，在2018年和2019年均低于50，大气污染得到良好治理，而铜仁连续5年的AQI年均值均超过50，空气质量没有改善。近5年，PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO浓度的年均值总体均呈现下降趋势，其中，PM2.5和PM10浓度最高值出现在2016年，最低值出现在2018年，CO浓度最高值出现在2017年，最低值出现在2019年。O3浓度总体变化趋势不明显，各市年际变化差异较大。

2.2 大气污染物与气象要素的相关性分析

通过对2015～2019年贵州省逐日大气污染物质量浓度和日气象要素的相关分析(表1)，结果发现PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的日平均质量浓度与日平均气温、日降水量、相对湿度、平均风速呈显著负相关，SO2和CO与日照时数呈显著负相关，PM10与日照时数呈显著正相关；O3的日平均质量浓度与日平均气温和日照时数呈显著正相关，与相对湿度呈显著负相关。

表1 贵州省2015～2019年逐日大气污染物浓度与气象要素的相关系数表

2.3 污染日及超标污染物的季节分布

按日平均AQI>100统计为污染日，2015～2019年贵州省9个地级市的污染日数分别为贵阳66天、遵义87天、毕节90天、水城89天、兴义6天、安顺38天、都匀28天、凯里45天、铜仁71天，污染日的季节分布如图5所示，贵州省的污染日主要集中出现在冬季，夏季出现污染日的情况最少，水城、兴义和铜仁夏季没有出现过污染日。

(注：*表示该相关系数通过置信度为99%的显著性检验)

2015～2019年，对不同季节污染日的首要污染物进行统计(图6)，贵州省的首要污染物主要是PM2.5、O3和PM10。PM2.5是四个季节出现频率最多的首要污染物，在除兴义以外的其他市5年中成为首要污染物的频率在70%以上，出现频率由高到低的季节依次是冬季、秋季、春季、夏季；O3是夏季出现最多的首要污染物，也是兴义近5年中出现最多的首要污染物，但贵州省各市冬季的首要污染物没有O3；以PM10为首要污染物的天数较少，主要出现在秋冬季，其中铜仁近5年冬季出现PM10为首要污染物的天数较其他市最多，达12天；SO2作为首要污染物仅在2016年冬季在安顺出现了1天。

3 结论与讨论

2015～2019年贵州省总体空气质量较好，全省空气质量优良天数占全年90%以上，2018年空气质量为5年中最优，污染日主要集中在冬季。各市的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO浓度的月均值均表现为“夏低冬高”的变化特征，O3浓度的月变化表现为双峰型，最高值分别出现在4～5月和8～9月。

贵州省AQI的空间分布呈现“北高南低”的特征，高值区在遵义、水城和铜仁，兴义空气质量最好。PM2.5、PM10和NO2浓度的空间分布也是“北高南低”的特征，SO2的分布与之相反，呈现“南高北低”的特征，CO平均浓度的低值区出现在安顺和都匀，这五种污染物的浓度在2018年以后都有明显的降低。O3浓度高值区出现在安顺、毕节和贵阳，总体年际变化趋势不明显，各市差异较大。。

贵州省的污染日主要集中出现在冬季，首要污染物主要是颗粒物(PM2.5和PM10)，夏季出现污染日的情况最少，首要污染物主要是O3。