2017～2020年临汾市空气质量特征分析及评价

于秋月，牛俊杰，林 菲，李颖俊，董海平

(太原师范学院 汾河流域科学发展研究中心，山西 晋中 030619)

0 引 言

随着我国社会经济的高速发展，工业化进程的加速，大量的资源和能源消耗导致灰沉、雾霾天气、光化学污染等空气污染问题的产生[1]。空气中的有害成分以及污染物，越来越受到人们的关注[2]，因此，防治大气污染成为社会发展过程中首要问题。近年来，我国的大气污染特征已经从原来的“煤烟型”污染转变为“复合型”污染，大气污染严重威胁着人类的身体健康，引起人们多发呼吸道感染等疾病，影响着动植物的生长环境。城市人口的增长加剧了煤炭、石油等能源的消耗，使其成为空气污染的主要因素。空气环境污染所引发的负面问题得到了相关政府的重视，各级政府给予政策支持，积极防护治理，环保部门为了开展大气环境保护工作，需要根据空气质量数据确定当地的污染物状况，为制定针对本土污染特征的防治措施提供决策依据[3-7]。

随着城市污染问题与日俱增，对空气质量进行定性定量分析，判断空气质量污染程度，从而进行空气质量评价十分重要[8]。国内外许多专家学者，对空气质量问题进行了深入研究。对空气质量主要的评价方法有灰色聚类法[9]、模糊综合评价法[10-11]、层次分析法[12]、综合污染指数法等[13]。综合污染指数法，更适用于评价年度或季节城市空气质量污染变化特征[14]；范灿鹏等[15]运用综合污染指数法和单项污染指数法，分析了珠海市金湾区空气质量时间变化趋势及特征；贾薇等[16]采用综合污染指数法研究了山阴县主要污染物年内变化特征。临汾市地形呈“凹”字型分布，污染物不易扩散，同时临汾的产业结构以钢铁、化工、煤炭工业的第二产业为主，致使临汾市空气污染严重[17]，人类活动频繁导致生活废气、汽车尾气的排放增多，进而使雾霾天气增多，光化学污染增多。空气污染严重影响临汾市人民的生产生活以及身体健康。本文将临汾市2017～2020年的空气数据作为研究对象，对AQI和PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3(8 h)六项污染物浓度特征分析，从而对临汾市空气质量进行综合评价，以期为临汾市的空气污染治理与防护提供依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

临汾市位于山西省西南部，是山西省下辖地级市，是中国三大优质主焦煤基地之一，临汾市地形呈“凹”字形分布，四面环山，中间平原，地处半干旱、半湿润气候区，属温带大陆性气候，冬冷夏热，雨热同期；年平均气温9.0～12.9 ℃，降水量420.1～550.6 mm。临汾市2020年GDP累计完成1 505.2亿元。

1.2 数据来源

本文空气质量数据来源于真气网(https://www.zq12369.com)经济社会数据来源于临汾市统计年鉴和统计公报，提取2017年1月1日到2020年12月31日的空气质量指数(AQI)和常规六项污染物浓度(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3(8 h))的逐日数据。2017年的空气质量指数的总样本量为365 d，2018年12月22～26日的数据缺失，故样本总量为360 d，2019年因缺失8月9日数据，故样本总量为364 d，2020年的空气质量指数样本为366 d，有效数据共1 455 d。

1.3 研究方法

根据2012年国家新发布的《环境空气质量指数技术规定(试行)》(HJ 633—2012)[18]，空气污染指数是一种能够对空气质量污染状况定量描述的无量纲指数，指数值越大说明空气受到的污染情况越严重，危害越大。综合污染指数法是一种用以对城市环境空气质量综合状况评价的研究方法，通过该方法将污染物标准化，对环境污染的程度进行简明直观地描述和比较。

综合污染指数:P=∑Pi

(1)

单项污染指数:Pi=Ci/Si

(2)

式中：P为空气综合污染指数；Pi为第i项空气污染物的分指数；Ci为第i项空气污染物浓度的年均值；Si为i项空气污染物的环境质量标准值。

按照国家环境空气质量二级标准规定，将空气综合污染指数分级为：清洁(P≤1.3)、轻污染(1.312)。

2 结果与讨论

2.1 空气质量的年变化特征分析

2.1.1 各级别空气质量天数年变化

根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)[18]，AQI值按照0～50为优、50～100为良、101～150为轻度污染、151～200为中度污染、201～300为重度污染，以及>300为严重污染，将空气质量划分为六个等级，将AQI按照等级划分得到不同级别的空气质量天数的年变化情况(见表1)。

提取2017～2020年临汾市逐日空气质量等级数据，发现4年中等级为良所占比重最大，有852 d，占样本总数的59%；优的等级天数有103 d，占总体的7.1%；达到轻度污染级别及以上的天数为500 d，占样本总数的34.4%。由表1可知，与其它年份相比，2017年空气质量最差，优良等级天数最少，为173 d，轻度污染及以上等级天数最多，为192 d。2018年的优良等级天数为219 d，比上一年增加了46 d，轻度污染及以上等级天数为141 d，比上一年减少了51 d，中度污染的天数比重度污染的多了14 d。2019年空气质量优良等级天数为268 d，轻度污染及以上的天数为96 d，比上一年减少了45 d，良的天数比轻度污染多了192 d。2020年空气质量最好，优良等级天数最多，达到295 d，轻度污染及以上等级天数最少，为71 d，且严重污染等级仅在2020年出现2 d，优的天数超过中度及以上污染30 d。综上，2017～2020年，空气质量为优良的天数是逐年增多的。优良天数占比由47.4%上升到81%，而轻度污染及以上的等级天数是逐年减少的趋势，占比由53%下降到19.4%。

表1 2017～2020年临汾市各级别空气质量天数 Table 1 Days of each air quality level in Linfen City from 2017 to 2020 天

2.1.2 各项污染物年平均质量浓度变化

如表2所示，据临汾市2017～2020年的各项污染物年平均质量浓度分析，结果显示，除NO2、O3外，各项污染物年平均质量浓度变化趋势与空气质量指数变化趋势相一致，均呈逐年下降的趋势。其中SO2的年平均质量浓度值下降幅度最大，由2017年的78.6 μg/m3下降到2020年的18.4 μg/m3。PM2.5的浓度值是呈逐年小幅度下降，由2017年的82.3 μg/m3下降到2020年的51.9 μg/m3。PM10年平均质量浓度由2017年的129.6 μg/m3下降到2020年的87.2 μg/m3，其中，从2019年开始较前两年的年均浓度值下降明显。CO的年平均质量浓度较低，但年均质量浓度逐年下降幅度较大。NO2的年均质量浓度整体变化不明显。O3的浓度逐年增加，与2017年相比，2018年增加明显，增加了24.3%，2018年以后年均质量浓度只有小幅度提升。如表3可知，绿化覆盖率呈逐年增加。私人汽车保有量是逐年增加的趋势。第二产业占比呈逐年下降。2017年临汾市煤炭消费占比为96.23%，2020年降到80%。城市绿化植被能够有效净化空气中的污染物，对提高区域环境质量十分有益；冬季采暖期煤炭消耗量对空气污染的贡献很大，因此煤炭能源消耗总量的降低，有效减少了空气中主要污染物，如SO2、NO2和PM10的浓度[5]，有助于改善空气质量；私家车保有量的增长，会增加了汽车尾气的排放量，与空气中NO2的浓度有直接关系，而NO2可在太阳辐射下发生光化学反应，增加空气中O3的浓度。

表2 年平均浓度表Table 2 Average annual concentration

表3 经济数据Table 3 Economic data

综上所述，对临汾市空气各项污染物浓度年均变化和超标天数分析，空气质量按照国家二级标准划分，浓度限值分别为(PM2.5为35 μg/m3；PM10为70 μg/m3；SO2为60 μg/m3；CO为4 mg/m3；NO2为40 μg/m3；O3为160 μg/m3)。PM2.5和PM10在2017～2020年的质量浓度均未达到国家二级标准，PM2.5的超标天数分别为328、327、262、188 d。PM10的超标天数分别为313、315、256、194 d。由此可见PM2.5和PM10的超标天数呈逐年下降的趋势。PM2.5和PM10在2017年超标天数最多，在2020年超标天数最少，分别占全体的13%和13.3%。SO2仅在2017年的质量浓度未达到国家二级标准，超标天数为117 d。NO2、CO和O3的年均质量浓度在4年间均达到二级标准。

2.2 空气质量季节变化特征分析

2017年空气质量为优的天数主要出现在秋季，其次是夏季和冬季，春季仅有1 d。空气质量为良的天数在秋季出现最多，有56 d，春夏次之，冬季最少，仅有9 d；轻度污染主要出现在夏季，超过了40 d，其次是春冬两季，秋季最少；中度和重度污染主要集中出现在冬季分别为14 d和23 d；严重污染在全年占比最少，仅在冬季出现10 d，说明夏季的空气质量最好。与2017年相比，2018年的空气质量为优的天数减少了10 d，且春夏两季均未出现；空气质量为良的，在夏季占比最多，秋、春次之，冬季最少，四个季节良的天数均明显较2017年增加；四个季节的轻度污染天数较2017年占比有所减少，而重度等级天数占比明显下降，严重污染仅在冬季出现9 d，重度以上等级均未在春夏出现。2019年空气质量为优的天数占比四个季节均较上一年增长明显，而轻度污染的比例有明显下降的趋势，良的天数在夏季最多，有79 d，其次是春、秋，冬季最少，与前两年相比，2019年空气质量为中度及以上等级均未在春夏两季出现，严重污染等级仅在冬季出现4 d。2020年的空气质量为优的天数在夏季最多超过了20 d，空气质量为良的春季最多，有77 d，夏秋两季次之，冬季最少。综合2017～2020年不同季节空气质量等级天数结果，轻度污染在春夏两季天数下降趋势尤为明显，分别由2017年35 d和46 d下降到2020年的1 d。冬季中度和重度污染均未超过15 d，严重污染在冬季仅出现2 d，与前三年相比严重污染等级天数明显下降。综上述分析，与前三年相比，2020年的空气质量有所好转，尤其是春夏两季空气质量提高明显。

统计2017～2020年的各级空气质量天数得出结论，空气质量为良的，在夏季最多，有259 d，其次是春秋两季，冬季最少，有87 d。且四季中，良的天数占比最多，有852 d占总样本的59%，空气质量为良的变化趋势是由春秋到冬，呈下降趋势。轻度污染和优在各个季节均有出现，夏季优等级天数最多，有38 d，秋季次之，有34 d。轻度污染在冬季天数最多，有107 d。中度及以上等级污染主要出现在冬季，且夏季并没有出现。重度污染在秋季出现4 d，在春季仅出现2 d，且秋季的中度和重度污染天数超过春季的6 d。严重污染仅在冬季出现25 d。总之，空气质量最好的季节是春夏两季，秋季次之，冬季的空气质量最差。周静等[19]利用遥感和观测数据分析了秸秆焚烧对临汾市空气质量的影响，发现秋冬季节在风向、风速、相对湿度、降水等气象条件影响下，秸秆焚烧过程中生成大量的CO、气溶胶等，对临汾城市空气污染物的变化有密切关系。另外冬季临汾市进入采暖期，民用散煤燃煤增加了污染物的排放量。

2.3 首要污染物年变化特征

当AQI指数超过50时，空气质量分指数最大的污染物，为首要污染物。四年均以PM2.5、PM10、O3作为首要污染物。2017～2020年以PM2.5作为首要污染物的天数最多，分别有218、204、143、122 d，呈逐年下降趋势，分别占总样本的63.56%、57.95%、42.56%和40%。其次是以PM10作为首要污染物的天数较多，先上升后下降趋势，PM10在2018年和2019年出现的天数相差不大，分别有114 d和113 d，占总样本的32.39%和33.63%，2020年最少，占总样本的24.26%。以O3作为首要污染物出现的天数最少，2017年出现30 d，占总样本的8.75%，2018年比2017年多了4 d，占总样本的9.66%，2019年开始增加的特别明显，比2018年多了46 d，占总样本的23.81%，2020年出现的天数为四年中最多，有109 d，占总样本的35.74%。O3的变化与PM2.5和PM10相比是相反的，呈逐年增加的趋势。

图2 2017～2020年首要污染物概况Fig.2 Overview of primary pollutants from 2017 to 2020

2.4 首要污染物季节变化特征

如图3，统计2017～2020年期间首要污染物不同季节出现的天数，可知冬季首要污染物主要为PM2.5，有290 d，其次是PM10，有43 d。O3在冬季未出现。秋季的首要污染物仍是PM2.5，有169 d，PM10次之，O3最少。夏季首要污染物出现天数顺序依次为O3、PM2.5、PM10。春季的首要污染物主要是PM10，O3出现的频率比秋季多了15 d。对比不同年份各季节污染物出现的频率，2018年～2020年以PM2.5为首要污染物出现的频率高低季节顺序依次为冬季、秋季、春季和夏季。以PM10为首要污染物出现的频率高低季节在2017～2019年均保持一致，依次是春季、秋季、夏季和冬季的高低顺序。2020年依旧是春季出现的频率最多，其次是秋季，夏季较冬季出现频率较少，仅有2 d。2017～2020年O3均在夏季出现的最多且逐年增长，分别为16、28、59、65 d。其次是春秋两季，四年中均没有在冬季出现过。对比每个污染物在各季节出现的频率可知，冬季以PM2.5为首要污染物，占21.45%，秋季次之，占12.5%。以PM10为首要污染物所占比重在春季最多，超过10%，而冬季与之相比减少了9.68%。以O3为首要污染物在夏季占比最大，为12.43%，春季和秋季占比相对较少，不足4%，在冬季并未出现。这是因为夏季气温高，阳光照射强与汽车尾气容易产生光化学污染[20]，由此可见，各个污染物所出现的频率具有明显季节性的差异。

图3 2017～2020年AQI>50首要污染物出现的天数Fig.3 Days of occurrence of primary pollutants in AQI>50 from 2017 to 2020

2.5 空气质量评价

通过对PM2.5、PM10和O3三个污染物的年均值计算空气综合污染指数，结果如表4所示。

表4 2017～2020年空气质量综合指数Table 4 Air quality composite index from 2017 to 2020

由表3可得，临汾市的空气综合污染指数范围在3.28～4.55之间，其中2017年和2018年的空气综合污染指数均超过4但低于8，根据空气综合污染指数的分级标准可知均属于中度污染。2019和2020年的空气污染综合指数均在1～4之间，均属于轻度污染。其中PM2.5在三个污染物中占比最多，年均值也最大，说明PM2.5是临汾市需要加强治理防御的首要空气污染物。2017～2020年这4年间，2017年的空气综合污染指数最高，2020年的空气污染指数最低，且临汾市空气综合污染指数呈逐年下降趋势。综上所述，临汾市的空气质量在逐年变好，2020年尤为突出。这是因为临汾市从2018年开始，为了响应国家“蓝天计划”的号召，根据地方环境特点制定了符合临汾当地的政策，包括《临汾市人民政府办公厅关于印发临汾市2018～2019年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》和《2018年全市生态环境治理攻坚行动的实施意见》等一系列政策的提出并实施[21]，取缔高能耗、高污染企业，升级落后工艺和设施；同时调整产业结构，鼓励投资低碳、环保产业，资金支持清洁取暖，进行大规模植树造林，使得临汾市的空气质量逐年变好[22]。但以煤炭、焦炭、钢铁为主导产业的临汾今后仍面临巨大的环保压力，如何持续绿色发展，需要进一步的研究。

3 结 论

(1)2017～2020年空气质量为优良的天数逐年增多；而轻度污染及以上等级天数逐年减少。能源总量消耗的降低，有助于减少空气中的PM2.5、PM10、SO2和CO的产生。对比2017～2020年的空气质量，2020的空气质量最好，尤其是春夏两季空气质量提高明显。对比2017～2020年不同季节各等级天数，秋冬两季空气质量最差。

(2)2017～2020年均以PM2.5、PM10、O3作为首要污染物。且以PM2.5作为首要污染物的天数最多，呈逐年下降趋势，其次是PM10作为首要污染物的天数，先上升后下降趋势。以O3作为首要污染物出现的天数最少，O3的天数变化趋势与PM2.5相反，呈逐年增加的趋势。

(3)综合2017～2020年污染物占比情况可知，秋冬季节的首要污染物主要为PM2.5，夏季的首要污染物主要是O3。这是因为夏季气温高，阳光照射强与汽车尾气容易产生光化学污染。春季的首要污染物主要是PM10，具有明显的季节性差异。

(4)临汾市的空气综合污染指数范围在3.28～4.55之间，呈逐年减少趋势，PM2.5是临汾市主要的污染物。其中2017和2018年是中度污染，到了2019～2020年，空气质量有所改善，均为轻度污染。