2016年-2020年天津市空气质量及大气污染物变化特征

韩 放，黄 昀

（1.天津市宝坻区突发公共事件预警信息发布中心，天津 301800；2.福建省龙岩市气象局，福建 龙岩 364200）

近年来，城市化和工业化进程的迅猛发展，在给人类生活带来便利的同时也对环境造成了一系列污染，特别是城市空气质量的严重恶化，日益加剧的雾霾天气，严重影响了人类的生存环境与正常生产和生活，危害着人类的身体健康。大气污染物包括气态污染物和颗粒物，气态污染物包括二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）等；颗粒物例如粉尘、烟雾、PM10和PM2.5（指动力学当量直径小于10 μm和2.5 μm的颗粒物）。

污染物的复杂特性对气候、大气环境和人体健康有着严重的危害。除了造成能见度的下降之外，PM2.5等颗粒物还会通过直接或间接作用影响地球系统的辐射收支平衡。此外，随着粒子粒径的降低，粒子在大气中的保留时间会延长，运输的距离也会更远，更容易被人体吸入肺部，可吸入颗粒物的浓度升高与呼吸系统及心肺系统疾病的发病率关系密切。长期暴露于空气中的PM2.5和PM10中会引起和加重慢性呼吸道和心血管疾病，减弱机体防御能力，引起肺功能下降并损害肺组织，甚至导致癌症和过早死亡[1]。长期接触过量的SO2和NO2也会使心血管疾病加重，引起呼吸系统疾病和肺防御系统的改变，甚至能对中枢神经系统造成损害。因此，大气污染物的研究受到了社会公众和政府部门的高度重视。

天津市位于我国华北平原海河五大支流汇流处，地属中纬度亚欧大陆东岸，季风盛行，主要受季风环流的支配，属温带季风气候。总面积1.19万平方公里，常住人口1 562万人，是中国北方最大的沿海开放城市。随着经济建设的日益发展，人类活动造成的排放急剧增加，环境污染问题十分严峻，污染物的来源十分复杂，包括化石燃料燃烧的排放、生物质燃烧排放、机动车尾气排放等等。因此，本文收集并整理了2016年至2020年天津市空气质量指数（AQI）和大气污染物NO2、SO2、PM2.5、PM10以及一氧化碳（CO）等数据，分析探索天津市近5年大气污染情况，为天津市的可持续发展提供理论依据。

1 结果与讨论

1.1 天津市空气质量现状

空气质量指数（AQI）表示空气的清洁或污染的程度，以及对健康的影响。一共分为6个等级，从一级至六级分别为优（0-50），良（51-100），轻度污染（101-150），中度污染（151-200），重度污染（201-300）和严重污染（300+）。2016年至2020年天津市日值 AQI 总有效监测天数为1 821天，空气质量主要以优、良为主，优良总天数为1 345天，总达标率为73.86%。轻度污染及以上天数476天，污染率为26.14%。由表1可见，天津市2016年至2020年AQI的年均值逐年下降，由2016年的98.51下降至2020年的75.66，优良率也提升至80.87%，可见近年来天津市对污染物的防治有明显的效果。

表1 2016年-2020年天津市AQI级别天数统计表

1.2 PM2.5、PM10变化特征

大气颗粒物是大气中组成成分复杂、危害较大的污染物之一，是造成灰霾天气的主要污染物，也是目前人们最广泛关注的一种大气污染物。由图1可见，2016年至2020年，天津市的PM2.5及PM10年平均浓度整体呈显著下降趋势。但PM2.5的年平均浓度仍未达到年浓度限值国家二级标准（35 μg m－3）[2]。2020年天津市PM10年平均浓度为68.9 μg m－3，达到年浓度限值国家二级标准（70 μg m－3）。图2是依据数据整理的天津市PM2.5和PM10的五年内的月均浓度变化曲线，可以看到月平均浓度变化较为明显，呈现出冬季污染较为严重，夏季污染较轻的特征，在夏季前后呈现出明显的U型曲线。这可能是因为我国北方地区冬季的取暖造成了大量的化石燃料燃烧排放。且秋冬季节降水少，大气稳定度高，颗粒物浓度上升快且不容易扩散，导致了污染物累积。而夏季边界层相对较高，降雨增加，污染物更易被去除。

图1 2016年-2020年天津市PM10，PM2.5年均值的变化。

图2 PM10，PM2.5，NO2，SO2以及CO在2016年～2020年平均月均值的变化。

1.3 NO2、SO2、CO变化特征

N O2主要来源于化石燃料的燃烧排放、交通排放以及工业排放等。2016年至2020年，天津市的NO2日浓度范围8.71～141.79 μg/m3，2016年、2017年、2018年、2019年、2020年天津市的NO2年平均浓度依次为49.54 μg/m3、50.15 μg/ m3、44.84 μg/m3、42.32 μg/m3、39.2 μg/m3，呈现稳步下降的趋势，并且在2020年达到环境空气污染物年浓度限值国家标准（40.0 μg/m3）。通过计算2016年至2020年的季节平均值发现，NO2的季节平均浓度整体表现为冬季>秋季>春季>夏季的特征。如图2所示，NO2整体表现为年初、年末浓度偏高，年中浓度偏低，4月份～12月份NO2质量浓度值呈“U”型分布，波动振幅相对于其他污染物偏大。12月达到月平均质量浓度最大值，为63.33 μg/m3，在7月达到月平均质量浓度最小值，为26.39 μg/m3。NO2污染物的时间特征和颗粒物基本类似，主要源自冬季较多的化石燃料燃烧的排放。

SO2是酸雨形成的主要前体物，而近些年，我国针对其的控制已取得了明显的进步，可以看到2016年至2020年五年的年均值分别为20.46 μg/m3，16.26 μg/m3，11.74 μg/m3，10.92 μg/ m3，8.56 μg/m3，污染浓度逐年下降，且均远低于环境空气污染物年浓度限值国家二级标准（60.0 μg/m3）。SO2全年变化明显，也存在冬高夏低的季节特征，每年度的日浓度最高值均出现在冬季，日浓度最低值均出现在夏季[3]。

CO的主要来源包括机动车尾气的排放和燃料的不完全燃烧。2016年至2020年，CO的年平均浓度分别为1.39 mg/m3，1.31 mg/ m3，1.05 mg/m3，0.96 mg/m3，0.89 mg/m3，呈现逐年降低的状态。2016年和2017年分别有5天和3天超过环境空气污染物年浓度限值国家标准（4 mg/m3），2018年至2020年这段时期均未超过环境空气污染物年浓度限值国家标准（4 mg/m3）。

1.4 2020年AQI及各项污染物浓度变化特征

如图3所示是2020年天津市AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的浓度日均值随时间变化情况，可以看出各类大气污染物浓度在一年内的增减波动情况具有很强的相关性，AQI与PM2.5，PM10以及SO2、NO2、CO有相同的时间变化特征，表明了它们之间具有相似的来源。整体上看，各类大气污染物在1月份至3月份以及10月份至12月份的浓度相对偏高，在7、8、9月份振幅较小，较为稳定。查阅资料得知，天津市2019年供暖期自2019年11月1日至2020年3月31日，2020年供暖期由11月1日开始，由此可以推测，冬季采暖是各类大气污染物的重要来源，在采暖期间减少大气污染物的排放仍然是急需解决的问题[4]。

图3 2020年，AQI（a）以及PM10，PM2.5（b），NO2，SO2，CO（c）浓度的时间序列图

2 结论

通过对2016年至2020年AQI以及各类污染物的分析，本文得出如下结论，（1）2016年至2020年天津市空气质量指数AQI五年来的优良率显著提高。（2）从五年间的年变化上看，天津市PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO均呈下降趋势。（3）从季节变化来看，PM2.5、PM10、SO2、CO 和NO2都表现为“冬高夏低”，推测这主要是因为天津地区冬季采暖，燃煤量增加，导致污染物浓度升高。在采暖期间减少大气污染物的排放仍然是急需解决的问题。