太原市大气污染物变化特征及其影响因素分析

2022-02-23孙佳祺刘春杰

江西农业学报 2022年11期

孙佳祺，余华*，刘春杰

（1.闽江学院地理与海洋学院，福建福州 350108；2.闽江学院工会，福建福州 350108）

0 引言

近年来，随着太原市工业化和城镇化的飞速发展，以SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O3等6种污染物为主的大气污染日益严峻，危害到当地居民的生活，已经成为政府、社会共同面临的一项十分严峻的问题。目前，大气污染受到了各国政府和公众的普遍关注［1］。2016年公布的《中国环境状况公报》中，在首期开展新环境空气质量标准第一阶段实施监测的74个城市中，太原市排第62名，位居倒数第10名［2］。我国城市环境空气质量超标现象已经引起了全社会的普遍关注，大气污染在给生态系统造成破坏的同时也制约着社会经济的发展［3］。长期以来，太原市粗放式的发展致使大气污染界限由城市局部地区向更大范围蔓延，并且复合型污染也已逐步取代了工业污染，成为了影响城市发展的重要阻力［4］。

大气污染现状及治理问题已经成为许多气象学、生态学研究的热点。卢盛栋等［5］分析了气象与太原地区空气质量的关系；王浩宇等［6］分析了太原市冬季3种污染物在城郊的变化情况；彭洁等［7］分析了中小盆地城市的大气污染。但是，目前针对太原市大气污染物浓度与社会经济因子之间的相关关系的研究较少，本文将重点对此进行分析。

太原市以煤炭矿产而闻名，是我国北方的重要工业城市和能源重化工基地。太原市的煤炭使用率高，燃烧煤炭易导致严重的煤烟型污染，主要原因是旧式锅炉以原煤为燃料，生成的大量悬浮烟尘和二氧化碳通过烟囱排入大气所致。长期依赖资源的高投入、高消耗来换取经济的发展，致使太原市生态环境日趋恶化［8］。为了实现碳中和的目标，大气环境治理显得尤为关键，“十四五”期间，中国的空气质量明显好转，但大气污染压力仍然存在，并面临许多新情况。太原作为资源型城市，笔者研究了其2014—2020年的大气污染物变化及其影响因素，对科学制定大气污染物控制策略，提高空气质量具有十分重要的意义。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

太原市作为山西省的省会，东、西、北部三面被山环绕，平均海拔约为800 m，地貌崎岖，汾河穿城而过，市区依河而建，呈南北带状分布［9］。太原作为资源型城市，其发展依托冶金、化工、煤炭行业，一直以重工业和能源重化工基地而著称。太原市属干旱大陆性季风气候，四季分明，冬季风为寒冷干燥的偏北风；夏季风为湿热偏南风。逆温频次多、强度大，气温年较差大［9］。

图1 太原市区位图

1.2 数据来源

太原市2014—2020年的空气质量指数(Air Qua-lity Index,AQI)、6项污染物浓度、天气状况等信息来源于太原市生态环境局(http://hbj.taiyuan.gov.cn)、天气后报网(http://www.tianqihoubao.com)。从太原市环保局9个国控24 h连续自动检测站获取SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO的小时浓度数据，以及O3的日最大8 h平均浓度数据。太原市的地面月平均气象资料来源于《国家统计年鉴》，包括平均相对湿度、平均气温、平均降水量、日照时数等。太原市2014—2020年6项污染物缺失了47 d的数据，则采用日平均值的方法进行计算。太原市常住人口数、GDP、人均GDP、第一二三产业等社会因子来源于《山西省统计年鉴》。本文采用《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)作为6项污染物空气质量的分类依据，并以此标准作为各因子的二级浓度限值(表1)。

表1 空气质量指数及相关信息

1.3 研究方法

利用皮尔逊相关分析法对6种大气污染物浓度进行相关性分析。以月平均相对湿度、月平均气温、月平均降水量、月均日照时数等气象因子，以及常住人口数、GDP、人均GDP、第一二三产业等社会因子为自变量，污染物浓度数据作为因变量，通过一元线性回归方法来分析其相关性。运用Excel 2019软件整理数据并绘图，SPSS 24.0软件进行数理统计。本文划定采暖期为11月15日至次年3月15日，其他时间为非采暖期［10］，运用数理统计方法统计采暖期与非采暖期不同等级天数的比例。

2 太原市大气污染物的变化特征

2.1 大气污染物的月和年变化特征

污染物浓度逐月变化值与环境空气质量Ⅱ级标准作对比发现(图2)，SO2在2015和2017年的12月至次年2月超标；PM2.5在每年的11月到次年3月均超标，呈明显的季节性差异，即夏秋季低、冬春季高；NO2、PM10、CO和O3在2014—2020年中均未超过Ⅱ级标准。其中，NO2在2017—2019年中呈明显的季节性变化，而在其他年份则呈随机性波动；PM10、CO在历年的季节性变化中，都表现出夏季和秋季浓度低、冬季和春季浓度高的特点；O3在历年中也呈明显的季节性变化，变化特征为典型的单峰单谷型，但与SO2、PM2.5、NO2、PM10、CO的季节性变化特征相反，即夏季和秋季浓度高、冬季和春季的含量低。

图2 各污染物浓度的逐月变化

由图3可知，2014—2020年空气质量指数为Ⅰ级的天数总体上呈增加的变化趋势；空气质量指数为Ⅱ级的天数除了2019年出现明显增加外，整体上比较稳定；空气质量指数为Ⅲ、Ⅳ级的天数呈现先减后增再减少的变化趋势；空气质量指数为Ⅴ级的天数也呈比较稳定的变化趋势；空气质量指数为Ⅵ级的天数以2017年最多，为7 d。2018年的污染天数占比(污染天数指Ⅲ级及以上的天数占全年的比例)由45.48%下降到2020年的24.59%，下降了20.89个百分点。

图3 2014—2020年太原市不同级别空气质量天数及污染天数的占比

2.2 采暖期与非采暖期大气污染物的变化特征

由图4可知，2020年采暖期，太原市空气质量优良的天数占全年的比重为17.8%，重度及严重污染的天数占全年的比重为2.7%，优良的天数占全年的比重较非采暖期低39.8个百分点，重度污染及严重污染的天数占全年的比重较非采暖期的高2.7个百分点。与2019年采暖期相比，2020年空气质量优良的天数在全年的比重中上升了3.6个百分点，重度污染及严重污染的天数占全年的比重增加了0.2个百分点；而在非采暖期则相差很小。

图4 2014—2020年太原市各级别天数的占比分析

在2014—2020年采暖期，空气质量的优良率呈增高—降低—增高的趋势，重度污染及严重污染物天数占全年的比重均在5%以下，2018年以来，太原市空气质量优良率呈直线上升。在2014—2020年非采暖期，天气优良率与采暖期优良率变化方向一致；重度及严重污染的天数占全年的比例与采暖期相比，呈明显下降。

3 太原市大气污染物之间的相关性分析

由表2可知，大气污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO之间表现为极显著正相关(P＜0.001)；O3-8 h与其他5种污染物之间表现为极显著负相关(P＜0.001)。PM2.5与PM10、SO2与CO之间的相关系数较高，分别为0.877、0.822；PM2.5与SO2、NO2、CO之间的相关系数次之，分别为0.651、0.606、0.734。O3-8 h与其他5种污染物之间呈负相关，但相关系数均较低；AQI与PM2.5、PM10之间的相关性高于其他大气污染物，相关系数分别为0.959、0.949。

表2 大气污染物之间的相关性分析

4 太原市大气污染物的影响因素分析

4.1 大气污染物浓度与气象因子的相关性分析

本文对太原市2014—2020年6种大气污染物浓度与对应气象因素进行了相关分析，得出不同气象因子对6种污染物的影响。由表3可知，随着气温、降水量的增加，大气污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO浓度下降，且在P＜0.01或P＜0.001水平上呈显著负相关；日照时数的变长，致使SO2、NO2、PM10、PM2.5浓度下降，其中，日照时数与NO2、PM2.5分别在P＜0.01、P＜0.05水平上呈显著负相关；随着平均相对湿度的增加，SO2、PM10浓度下降，分别在P＜0.001、P＜0.01水平上呈显著负相关，但与其他4种污染物的浓度没有显著关系；由于平均气温的升高、平均降水量的增加、日照时数的变长，O3-8 h的浓度升高，分别表现为P＜0.001、P＜0.001、P＜0.05水平上的显著正相关。O3-8 h浓度的变化与平均相对湿度之间无直接的关联。

表3 大气污染物与气象因子的相关性分析

4.2 大气污染物浓度与社会因子的相关性分析

由表4可知，随着GDP、第二三产业产值的增加，造成了大气污染物SO2、CO浓度下降，表现为显著负相关(P＜0.001或P＜0.01)，导致O3-8 h浓度增加，表现为显著正相关(P＜0.05)。随着常住人口数量、绿地面积、林业产值的增加，造成SO2、CO浓度减少，表现为显著负相关(P＜0.001、P＜0.05或P＜0.01)。随着原煤产量的增加，造成了PM10浓度下降，呈显著负相关(P＜0.05)。随着工业烟尘排放量、生活NOx排放量的增加，造成了SO2、CO浓度的增加，呈显著正相关(P＜0.05或P＜0.01)。由于工业NOx排放量的增加，导致了CO浓度的增加，呈显著正相关(P＜0.05)；NO2、PM2.5的浓度与上述几种社会因子之间没有直接的关联。

表4 大气污染物与社会因子的相关性分析

5 结论与建议

5.1 太原市大气污染物变化特征的影响

大气污染物浓度逐月变化值与环境空气质量二级标准作对比发现，SO2在2015和2017年的12月到次年2月超标，反映了山西省在这之前一直是以煤为主的能源消费结构，而2017年10月太原市出台的“禁煤令”，使得SO2浓度在2018年后稳步下降；PM2.5在每年的11月到次年3月均超标，呈明显的季节性差异，即夏秋季低、冬春季高。这是由于太原市位于黄土高原，冬春季湿度低，导致大气中的尘埃含量高、降尘量大。此外，沙尘暴发生频繁，大气污染更严峻［11］。12月—翌年1月的冬季燃煤排污造成了PM10、PM2.5浓度升高；而3—4月的PM10、PM2.5的浓度高，则与春季沙尘暴频发有关［12］。O3在历年中的季节性变化分明，属于典型的单峰单谷型，但与SO2、PM2.5、NO2、PM10和CO的季节性变化相反，即表现为夏季、秋季含量高，冬季、春季含量低，这是由于夏秋光照充足、温度高、空气干燥的气候条件，有利于O3形成。采暖期大量煤、石油和天然气等矿石燃料的燃烧供暖，导致污染源排放量增加，进而SO2、PM2.5、PM10的浓度在冬春季出现明显的增加，从而使得环境更加糟糕。

5.2 太原市大气污染物之间的相关关系

单纯某一种气象因子对大气污染的影响是有限的，是由各种气象因子之间相互作用、交叉影响所导致的。前文述及，6种大气污染物间的相关关系，其中，PM2.5与PM10具有高度的相关关系，是由于PM2.5与PM10间存在包含的关系，污染物来源存在较高的同源性，因此相关性极显著［13］。O3与其他5种污染物之间的相关性比较低，说明污染来源的同源性较低。AQI与PM2.5、PM10具有高度的相关性，相关性的显著水平超过了其他污染物，由此说明PM2.5、PM10是影响太原市大气污染的首要污染物。

5.3 气象因子对太原市大气污染的影响

近地面的大气污染与当地的气象条件是紧密联系的。在污染源及排放量一定的前提下，气象条件对空气质量的好坏扮演极其重要的角色［14-15］。太原市大气质量好坏主要受2个方面因素影响：一是气象条件对大气质量产生的影响；二是社会经济因素，特别是太原市以煤为主的产业结构对大气污染物所产生的影响。降水可以凝聚和运移污染物，风可以运送和冲淡污染物［16］，气温可以分散污染物［17］，相对湿度减小可以使雾变成霾，从而使污染加剧［18］。前文述及，随着气温的上升、降水量的增加，大气污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO浓度减少，呈显著负相关，这是由于气温的升高和降水量的增加，使空气中的相对湿度亦随之增加，这有利于污染物的集结和运输；随着日照时数的变长，SO2、NO2、PM10、PM2.5浓度减少，也表现为负相关，这是由于日照时数越长，则地面温度升高，从而加快了近地面的气流流速，使稀释和运移地表污染物的能力增强［13］；由于平均相对湿度的增加，导致了SO2、PM10的浓度的下降，呈显著负相关，但与其他4种污染物的浓度无直接的关系，这说明大气相对湿度低，污染物浓度升高；气温升高、降水量增加和日照时数变长，O3-8 h浓度也随之增加，与之表现为显著正相关，但O3-8 h浓度与平均相对湿度并没有直接的关系，这是因为在温度升高，太阳辐射增强的情况下，容易造成NOx和碳氢化合物发生化学反应，从而产生O3［19］。因此，气温高、日照强烈有助于O3引物的生成，并经光化学反应形成O3［20］。

5.4 区域地理背景对太原市大气污染的影响

太原市大气质量较差与其所处的区域环境是密切相关的。太原市位于黄土高原上，属干旱大陆性季风气候区，黄土土质松软，坡面沟谷侵蚀强烈，地面异常破碎，地面干燥，浮土较多。冬季，西北风为主导风向，容易使空气中沙尘颗粒物增加；春季，西北风衰退，来自太平洋的微弱暖湿气流还无法到达内陆腹地，太原市的空气水分含量较低、土壤水分含量缺失，导致春季干旱严重；并且太原市的植被覆盖率较低，现有的绿地难以有效地净化空气，这些因素相互作用使得太原市冬春季的PM2.5、PM10颗粒物出现天数增加，是形成太原市大气污染的极其重要因素。

太原作为建设在山谷中的工业城市，东、西、北部三面环山，冬春季逆温出现的频率高、强度大、气温年差较大，使空气常处于滞留状态，污染物的扩散能力弱，严峻的大气污染问题一度使太原市空气质量较差，排名在全国城市中垫底，也是大气污染难以控制的先天性制约因素。此外，太原市缺乏主导风向，近地面气流流速缓慢，静风频率偏高，并在污染物集聚上扮演重要的角色［21-22］。

除静风外，太原市盛行西北风，但是由于太原市产业结构布局不当，工厂等重要污染源在城市盛行风的上风向，顺着西北风传播到城市各地，导致太原市的空气质量恶化。一般来说，污染源理应布局在盛行风的下风向，但由于太原市北面较高的特殊地势条件，污染物无法及时排出，全部聚集在城市上空，因此产业布局在东南方向也不适合［23］。

5.5 大气污染物的治理及防治建议

太原位于京津冀空气污染传播通道，被列为冬季奥运会、残奥会空气质量二类重点保障区。该市持续颁布了“减煤、降尘、治理企业、治理车辆”等各种相关环保措施和规划，在治理大气污染上都取得了新的突破［24］。

5.5.1 加大散煤治理力度，改善城区集中供暖覆盖度在中国，工业生产及生活燃煤是PM2.5与PM10等颗粒物和SO2排放的首要渠道，大多数城市的PM2.5与PM10等颗粒物和SO2的排放浓度并不符合世界卫生组织(WTO)的公众健康标准，且普遍偏高2～5倍［25］。山西省煤炭储量极其丰富，城市采暖基础设施的完善，城市采暖面积需求大，煤炭的燃烧量也持续增加，致使烟尘、SO2、CO、NO2等污染物浓度排放量增加。特别是煤炭燃烧加重了空气中细颗粒物和SO2浓度［10］。在冬季采暖期，燃煤是供热的主要方式，煤炭需求量增大，燃煤效率低，加剧了太原市大气污染物状况。因此，太原市应该切实落实“碳达峰、碳中和”的目标和要求，加大技术投入，减少煤炭开采和消耗，推行绿色燃煤，积极、稳步地开展清洁取暖、集中供暖等模式，加大对散煤的治理力度。

5.5.2 技术革新，产业结构转型由图5可知，第一产业产值占比呈下跌趋势；太原市第二产业产值占比波动下滑；第三产业相比于第一二产业产值的占比，表现为连年上升。这表明太原市的产业结构日趋完善，重心也由第一二产业向第三产业转变。因太原市的地势条件不利于污染物的扩散。而太原市重点工业污染源多布局在市区，且多聚集在建成区168 km2范围内，对市区环境的污染极大［26］。加之太原钢铁等重工业产业分布在太原市北部，因而工业污染是影响太原市秋冬季空气质量的主要因素之一。太原市能源消耗以高硫、高灰分的煤炭为主，煤炭提供了一次性能源消耗的97%以上［27］。因此，要加大淘汰“高能耗、高污染”的产业力度，促进钢铁行业向超低排放转型，从而有助于太原市第二产业向低污染转型。在政府部门出台的《2013—2020年大气污染防治规划》中指出：通过适度约束促进了产业转型升级，即积极推动第二产业向第三产业转型升级，主要是因为第二产业规模的缩小能够直接降低大气中硫、氮的含量［28］。