2015～2019年云南省城市空气质量特征及影响因素研究

邓 鑫, 于站良，赵桂英，包 云

(云南省生态环境科学研究院，昆明 650034)

前 言

2012年上半年国家规定采用空气质量指数(AQI)替代原有的空气污染指数(API)。AQI是将几种常规空气污染物的浓度监测数据按照不同的浓度限值标准转化为空气质量分指数(IAQI)后从中取最大值。相比于API，AQI常规监测中增加了PM2.5、O3-8h和CO三个项目，污染指标的增加使得评价也更加客观。2013年昆明市作为云南省首批实施《环境空气质量标准》[1](GB3095-2012)的城市，2014年增加曲靖市、玉溪市按新空气质量标准进行监测和评价，2015年云南省全省16个州市共计39个监测站开展新空气环境质量标准的监测和评价。

随着我国经济的快速发展，能源消耗不断增长，导致环境空气质量承受巨大压力，近年来，国内外学者对空气质量、区域性大气污染开展了相关研究。研究表明，大气污染不再局限于单个城市，城市间区域性大气污染传输日益加剧[2]，大气污染呈现出区域性、复合型和长期性的特点[3-4]。目前关于大气污染的区域性研究大多集中在京津冀、江浙、华北等污染严重的大中城市及地区[5～7]，对云南省的大气污染现状研究较为鲜见。云南省地处我国西南地区，因高温低湿度强太阳辐射等生态特点，每至冬春季节不利污染扩散气象条件下，部分城市易出现轻度及中度污染。本研究选取云南省为研究区域，以2015～2019年云南省空气质量实时监测数据为基础，采用空气质量指数、克里金插值法和Daniel趋势检验等评价分析方法，对近5年云南省空气质量和相关大气污染物的时空分布特征及变化趋势进行分析和评价，为云南省大气污染管理及防治提供参考。

1 研究方法

1.1 数据来源

本研究所选用AQI值、环境空气质量综合指数数据来源于云南省生态环境厅数据中心(http://sthJt.yn.gov.cn)每日发布的城市空气质量监测数据。数据时间序列为2015年1月1日至2019年12月31日。包括6项污染物(SO2、NO2、CO、O3-8h、PM10、PM2.5)的日均浓度、AQI、空气质量级别和超标污染物。气象数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)(2015～2019年)，包括平均气温、平均风速、平均降水量和平均能见度。社会经济相关数据来源于《云南省统计年鉴》(2013-2018)[8]及《云南省2019年国民经济和社会发展统计公报》[9]。

1.2 评价标准和方法

参照《环境空气质量标准》(GB3095-2012)及《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ663-2013)[10], AQI指数分为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染及严重污染6个等级，对应的取值范围分别为0～50、51～100、101～150、151～200、201～300、300～500。我国目前采用AQI来反映某一地区某一时段的空气质量水平，数值越高级别越大，表明空气质量越差，污染越严重。空气质量级别为优级无首要污染物，空气质量级别为良及以上均会标注当日首要污染物，轻度污染及以上(AQI>100)均会标注超标污染物。

空气质量综合指数是中华人民共和国环境保护部用于对74个重点城市空气质量进行评价、排名的一种工具。为评价时段内，六项污染物浓度与对应的二级标准值(根据《环境空气质量标准》GB3095-2012)之商的总和，通常用于年际环境空气质量评价。

空间插值法通过区域已知点的值计算推导出该值在整个区域的分布情况，通常包括反距离权重法、规则样条函数法及克里金法。大量研究表明克里金法通过考虑区域变量的空间结构性特征，通过引用距离函数得到最优插值结果，研究空气质量空间分布特征效果最佳[11-12]。本研究利用ArcGIS10.2软件，选择克里金法进行插值，得出云南省空气质量指数空间分布图。

利用Excel完成污染数据平均值计算。Spearman秩相关系数法用以评判空气污染物变化趋势在统计学上的显著性，利用SPSS19.0软件进行相关性分析及折线图制作。

2 结果与讨论

2.1 空气质量综合指标分析

对云南省2015～2019年度空气质量状况等级、空气质量综合指数和超标污染物天数进行统计，结果见表1、表2。如表1所示，云南省主要空气质量状况为优(占比为60.70%)，发生过轻度污染及以上污染天数为541天(占比为1.85%)，从空气质量综合指数年均值可以看出从年际水平而言，云南省空气质量优良总体波动较小，呈逐年改善趋势。

表1 云南省2015～2019年空气质量概况Tab.1 Overview of air quality in Yunnan from 2015 to 2019 (d)

表2 2015～2019年云南省超标污染物天数及比例Tab.2 Number of days and proportion of pollutants exceeding standards in Yunnan from 2015 to 2019

2015年3月22日普洱出现重度污染1天，当天全省9个州市出现空气污染。云南省超标污染物种类少，仅有PM2.5、PM10、O3-8h和SO2，以PM2.5及O3-8h为超标污染物的天数占比大(见表2)，至2019年云南省超标污染物仅有PM2.5及O3-8h。总体上，PM2.5占超标污染物比例逐年下降，臭氧占比逐年上升，至2019年O3-8h作为超标污染物占比达57.52%。SO2作为超标污染物仅于2015年12月7日红河州出现，当天SO2污染峰值出现于早上8点高达814μg/m3，污染主要来自发电及工业燃煤。

2.2 主要污染物时空变化特征

2.2.1 主要污染物浓度空间变化特征

以2015、2019年为例，采用克里金插值法进行空间插值，绘制云南省PM2.5和O3年均值分布图。

由图1可见2015～2019年PM2.5年均值范围为11.18～37.92μg/m3，5年间PM2.5年均值为24.27，其中，2015年、2016年、2017年、2018年、2019年年均值分别为27.74、25.75、24.44、21.12、22.28，2015～2019年云南省PM2.5浓度呈下降趋势。2019年云南省PM2.5年均值相对较高的区域主要在滇中昆明及玉溪、滇东南红河、滇西南西双版纳及临沧和滇西北怒江。相比于2015年，云南省PM2.5年均值相对较高区域面积略有减少，污染程度显著减轻。

由图2可见2015～2019年O3年均值范围为50.42～97.83μg/m3，5年间O3年均值为79.15，其中，2015年、2016年、2017年、2018年、2019年年均值分别为77.03、76.32、80.14、77.20、85.06，2015～2019年间云南省O3浓度呈显著上升趋势。2019年云南省O3年均值相对较高的区域主要在滇东北昭通及曲靖，滇中昆明、楚雄及玉溪，滇东南红河。相比于2015年云南省O3年均值相对较高区域面积显著增加，部分地区污染程度有所增加。

从PM2.5、O3地域分布特征来看，云南省大气污染物高浓度值区域主要在滇中。昆明、曲靖、玉溪、红河均属于经济发达，城市化水平高，火电、石化、冶金等重工业集群地区。怒江州及昭通市是云南省无霜期最短，也是最为寒冷的2个城市，冬季采暖民用散煤的燃烧可能加重两地污染。3月为东南亚春耕季节，春季也是云南省西风气流为主的季节[13]，此时东南亚大量秸秆的燃烧及远距离运输，极可能导致春季滇西南西双版纳、普洱及临沧等区域PM2.5质量浓度水平显著提高。

图1 2015、2019年云南省PM2.5年均值时空变化特征Fig.1 Temporal and spatial variation characteristics of PM2.5 in Yunnan between 2015 and 2019

图2 2015、2019年云南省O3年均值时空变化特征Fig.2 Temporal and spatial variation characteristics of O3 in Yunnan between 2015 and 2019

2.2.2 主要污染物时间变化特征

由图3对云南省主要污染物质量浓度月均值变化特征可以看出，PM2.5与PM10均值变化趋势基本一致，年均值表现出逐年下降趋势，月均值冬春较高而夏秋季节较低，浓度高值出现在11月到次年4月，峰值出现在3月。云南春季风大雨少，日间作业易产生扬尘，且白天地表气温较高入夜易产生稳定的逆温层，使得颗粒物堆积不易扩散和去除。5月开始云南进入雨季，降雨频次及降水量上升，大气对流运动开始活跃，有利于颗粒物物扩散及去除。2月PM10上升幅度相比于PM2.5有所放缓甚至出现下降，可能源于春节假期部分建筑工地及工矿企业等春节停工停产，PM10的排放有所减少。

O3均值呈现逐年上升趋势，与京津翼[4]、陕甘宁[11]等地O3高值出现在夏季，峰值出现在6月不同，云南省O3月均值呈现单峰型，高值出现在春季(3～5月)，3月及4月均为峰值，低值出现在夏季(6～8月)。O3是光化学反应产物，其生成受日照及太阳辐射影响大，云南省秋冬季节太阳辐射较弱，春夏季太阳辐射强度相当，但云南夏季多云多雨日照时间短，6～8月降雨量占全年降雨量55%～65%，导致6～8月是云南省O3浓度低值期。

从2005年《云南省环境保护“十一五”规划》将SO2污染减排列入重点项目以来，工业企业脱硫设施建设加速，SO2排放量逐年下降。图4可以看出云南省SO2年均值表现出逐年下降趋，月均值整体趋势平稳变化幅度不大，未像北方城市出现“冬高夏低”明显季节变化曲线，可能原因是云南省大部分城市无霜期长，冬季不存在大面积燃煤取暖行为。

图3 2015～2019年云南省主要污染物质量浓度月均值Fig.3 Monthly average of pollutants concentration in Yunnan from 2015 to 2019

2.3 空气质量影响因素相关性分析

2.3.1 气象条件

大量研究表明，空气质量受气象条件影响[14-15]，气象条件不同对污染物的扩散和稀释作用不同从而影响空气质量。本研究从滇中、滇东南、滇西南、滇东北、滇西北共选取昆明市、红河州、西双版纳州、昭通市及迪庆州5个州市，分析了2015年1月1日～2019年12月31日地区月平均降水量、气温、风速、能见度与月均AQI的相关性(表3)。从表3可以看出，AQI与平均降水量和平均能见度呈显著相关(P<0.01)，相关系数分别为-0.342、-0.401，AQI值与平均气温及平均风速不存在显著相关性。说明云南省空气质量及其能见度随着降雨量增加而有明显改善。

云南省平均降水量和平均气温呈显著相关(P<0.01)，相关系数为0.493，说明平均降水量受平均气温影响显著，随着气温上升降水量也大量上升，与云南省夏季多雨实情相符。平均能见度和平均风速呈显著相关(P<0.01)，相关系数为-0.544，说明随着风速加大虽然对污染物存在一定清除作用[16-17]，但更多的是将污染物向上传输形成扬尘，引起能见度下降。

表3 AQI与部分气象因子相关性分析Tab.3 Correlation coefficient with AQI and partial meteorological factors

2.3.2 社会经济因子

能源消耗量及能源结构对大气环境有显著影响。由图4可见，云南省原煤消耗量逐年下降、电力消费量稳中有增，能源及焦炭消费量在2015年后开始趋于平稳上升趋势但均未超过2014年消耗量。原煤占云南省能源消耗比重最高但占比逐年下降，由2013年占比64.13%到2018年占比53.88%。2018年云南省万元GDP耗能为0.68t标准煤，比2013年下降了45.62%，云南省能源利用效率在逐年提高。

研究表明机动车保有量与城镇人口数与AQI值显著相关[12]，由图4可知，云南省城镇人口数与机动车保有量呈上升趋势，随着经济快速发展还将继续增加。从表1云南省2015～2019年空气质量概况表可以看出，云南省总体空气质量逐年改善。这表明，云南省油品质量控制、节能降耗、能源结构调整优化及解决区域性环境污染工作上取得了一定成效。

图4 2013～2019年云南省部分经济指标年趋势图Fig.4 Annual trend chart of some economic indicators

3 结 论

3.1 2015～2019年云南省空气质量综合指数年均值为2.99且各年间综合指数值波动较小， PM2.5及O3-8h为超标污染物的天数占全年轻度污染及以上天数的97.05%，2019年O3-8h作为超标污染物占比达57.52%。表明云南省整体空气质量优良且逐年改善，云南省空气污染类型由颗粒物污染转为以颗粒物和臭氧为特征的复合型污染，O3污染问题日益凸显，需加强O3生成前体污染物控制。

3.2 2015～2019年云南省SO2、PM2.5、PM10浓度呈下降趋势，NO2浓度保持基本稳定，O3浓度呈显著上升趋势。空间上， PM2.5年均值相对较高区域面积略有减少，O3年均值相对较高区域面积显著增加。时间上，SO2月均值整体趋势平稳变化幅度不大，PM2.5与PM10月均值呈现冬春高夏秋低的变化规律，O3月均值为春季单峰高值。说明云南省空气污染控制形势以冬春季节最为严峻。

3.3 空气质量受各种气象因素影响，云南省空气质量及其能见度随着降雨量增加而有显著改善。随着气温上升气流扩散加强且引起降水量上升，对空气质量有不显著改善。风速加大使得污染物向上传输形成扬尘，引起能见度下降，对空气质量有不显著污染。

3.4 减少原煤消费、节能降耗、污染物总量减排和油品质量控制等环境综合整治措施对云南省环境空气保持优良起到了重要作用。云南省各州市首要污染物不尽相同，环境管理部门应当结合本地区大气污染物来源解析等工作，制定相应政策措施以达到改善环境的目的。