基于新国标的宁夏城市空气质量分布特征分析
2022-04-30杨苑媛张晓茹裴晓蓉
邵 建， 杨苑媛， 张晓茹， 裴晓蓉， 贾 乐， 陈 敏
(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.银川市气象局，宁夏 银川 750002； 3.宁夏气象台，宁夏 银川 750002； 4.吴忠市气象局，宁夏 吴忠 751100)
宁夏位于西北内陆高原，地处中国地质、地貌“南北中轴”的北段，地形南北狭长，地势南高北低，西部高度差较大，东部起伏较缓[1].随着宁夏“两大战略”沿黄城市带发展战略和百万贫困人口攻坚战略的大力实施，宁夏的经济快速增长，城市化进程加快，城市大气污染日益严重，已成为公众广泛关注的环境问题[2].空气污染影响气候变化、生态平衡[3—4]及人体健康[5—7].2012年， GB 3095—2012发布实施[8]，空气质量指数(AQI)代替了空气污染指数(API)，新增了PM2.5，O3，CO这3项指标，减小了PM10、NO2、铅和苯并芘的浓度限值，这对改善环境空气质量、保护生态环境和保障人类健康等有重要作用.但在应用过程中，发现标准及配套技术规范在不同区域的适应性存在一些问题，例如标准体系中的状态参数、PM2.5监测结果的湿度影响、空气质量指数(AQI)，对空气质量快速变化描述的准确性，以及标准中6项污染物浓度限值的匹配性都存在不妥之处.因此，2018年年底，生态环境部牵头再次修订该标准，并对生态环境法律体系进行健全完善.与发达国家相比，我国的大气污染监测起步较晚，且有关空气污染的研究主要集中在东部经济发达地区[9—13].随着城市化的快速发展，城区内的大气污染问题日趋严重[14—15].在新国标的推动下，我国的大气污染监测发展迅速，但有关北方地区空气质量及各类污染物浓度的研究较少[16—20].宁夏空气质量的研究主要集中在首府银川地区[21—26]，且对新增的PM2.5，CO，O3污染物的研究较少.这2次标准修订对空气质量的评价工作产生了较大影响，对于宁夏，新国标的执行对空气质量及大气污染物浓度的评价产生何种影响，需进行深入研究.笔者根据2015年9月至2019年12月宁夏5市大气中PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO，O3等污染物的质量浓度资料，分析新国标下宁夏大气污染物质量浓度的时空分布特征，旨在深入了解和掌握现阶段宁夏不同地域内的大气环境质量状况，为进一步治理和控制大气污染、改善宁夏大气环境质量研究提供参考.
1 研究资料及其方法
1.1 研究资料
数据均来自环境监测自动站和国家环境空气质量监测网.其中，2015年9月1日至2019年12月31日宁夏大气污染物(PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO，O3)、空气质量指数、逐日质量浓度资料来自环保部门的公开数据；石嘴山市和银川市大气污染物的逐时质量浓度数据来自国家环境空气质量监测网.
1.2 研究方法
根据气象学方法把每个月划分为上旬(1—10日)、中旬(11—20日)和下旬(21—30日或21—31日)；把一年划分为春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月).
污染物日、月、旬、季、年的平均质量浓度，空气质量指数的确定，参照HJ 633—2012[27]和GB 3095—2012.
为确保监测数据的准确度，对有效日采集的数据进行处理，剔除由于仪器故障或维修等原因造成的浮动较大数据或无效数据，最终得到的有效数据占96.4 %，达到统计标准.
2 宁夏空气质量及大气污染物
2.1 空气质量特征
依据GB 3095—2012和HJ 633—2012[27]的规定，空气质量分为6级，分别为优(IAQ≤50)、良(50
由空气质量指数IAQ的年平均值(表2)可知，观测期间，宁夏整体空气污染指数为92，空气质量级别为二级，空气质量状况属于良.石嘴山等5市的空气质量状况虽各有高低，但均属于良，其中石嘴山市和中卫市的空气污染指数最高(IAQ>96)，银川市的次之(IAQ=94)，固原市的最低(IAQ=80).从修订前后(2018年12月)的空气质量分级对比看(图略)，修订后优良时间(天数)增多3%、污染时间(天数)减少8%，其中轻度、中度、重度、严重级别的污染时间(天数)分别减少7%，5.5%，16%，26.7%.
由于地形和气候的差异，宁夏所辖区内5个地级市的大气污染物质量浓度和分布特征也有所不同，因而呈现的大气污染问题也不尽相同.不同等级空气质量的发生频率(图1)显示，观测期间，宁夏空气质量为良的出现频率最高，为71.2 %，轻度污染的出现频率为21.4 %，优的出现频率为2.5 %，重度污染的出现频率仅为0.8 %.5市中空气质量为良和优的出现频率最高均为固原市(分别为75.9 %，11.6 %)，轻度污染和重度污染的出现频率最高分别为石嘴山市和吴忠市(分别为24.6 %，1.6 %)，中度污染出现的频率最高为银川市(5.7 %)，这可能与固原市的重工业较少、车辆保有量较低有关，亦与石嘴山市、吴忠市的资源类产业和重工业较多有关.总体而言，固原市的空气质量稍好于其他市，而其他4市的差别不大.分析其原因，主要是由于固原市的城市发展结构有别于石嘴山市，固原市更侧重于农业发展，即人为活动造成的空气污染较轻.
表1 不同大气污染物的质量浓度限值
表2 宁夏不同大气污染物质量浓度的年平均值
图1 宁夏不同等级空气质量的发生频率
分析观测期间宁夏各月不同等级空气质量的出现频率(图2)，发现全区除12月轻度污染出现的频率最高外，其他各月均是良出现的频率最高，其中8—10月良的频率高于82.2 %，以9月出现的频率最高(高达89.1 %).5—7月出现轻度污染的频率较高，处于25.8 % ～ 43.8 %.全年空气状况为优、中度污染和重度污染的频率都很低，其中优、中度污染和重度污染的出现频率最高的月份分别为9，12，5月，出现频率依次为10.9%，8.4 %，5.4%；出现频率最低的月份为6—7月、6—10月、1—4和6—10月.
图2 宁夏及其5市各月不同等级空气质量的出现频率
5市各月不同等级空气质量的出现频率各不相同.5市各月出现频率最高的均为良，其中，固原市7月的频率最高(86.0%)；石嘴山市和吴忠市8月的频率最高，均为76.7%；银川市和中卫市9月的频率最高，分别为84.0%，84.8%.空气质量为优的出现频率，石嘴山市和吴忠市的9月最高(16.8%)，其他市的10月最高，为12.9%～31.2%.轻度污染出现的频率，固原市的3月最高(19.4%)，其他市均为6月，为34.8%～41.6%.5市其他等级空气质量的出现频率不超过10%.综合看，5市空气状况为中度污染和重度污染的频率较低，尤其是固原市.受污染物排放源和大气扩散条件影响，8—10月宁夏的空气质量状况相对全年较好.
2.2 大气污染物质量浓度的年际变化
观测期间，宁夏大气中PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO，O3的年平均质量浓度分别为109.2，42.6，33.9，30.5，0.88，61.6 μg/m3，其中,PM10,PM2.5的质量浓度超过年平均二级标准，且分别超标0.56，0.22倍.GB 3095—2012中未给出CO，O3的年平均二级标准，但根据CO的日平均值和O3的日最大8 h平均值的二级标准计算，发现CO的日平均值及O3的日最大8 h的平均值均未超标.
由表1可知，宁夏5市大气中的PM10年平均质量浓度均超标，超标分别为0.60，0.57，0.52，0.77，0.34倍，其中超标最严重的是中卫市，质量浓度为123.8 μg/m3.PM2.5的年平均质量浓度除固原市(33.9 μg/m3)达标外，其他市均超标，其中,银川市PM2.5的年平均质量浓度最高，达47.0 μg/m3，超标0.34倍，这可能是银川市的机动车排放、道路与建筑扬尘、各类工业生产过程等产生的PM2.5较其他市高造成的.大气中SO2的年平均质量浓度，石嘴山市的最高，为52.8 μg/m3.SO2主要来源于含硫燃料的燃烧.石嘴山市作为宁夏典型的煤炭资源型工业城市，各种工业生产过程，尤其是燃煤、化工等行业直接排放的粗颗粒物较多[22].近3 a来，宁夏加强生态文明建设，整顿和规范矿产资源开发，石嘴山市大气中SO2的平均质量浓度在逐年下降，由2016年的66.4 μg/m3(超过年平均二级标准)降至2018年的39.24 μg/m3.NO2的年平均值银川市最高，达37.1 μg/m3，但未超标.NO2的人为排放源主要是燃料的燃烧，一般2/3来自于机动车等流动源的排放，这也反映出银川市机动车保有量较其他市高.根据国家标准，宁夏5市大气中CO质量浓度的日平均值和O3的日最大8 h平均值较二级标准均未超标.
宁夏中部和南部的吴忠市、中卫市和固原市，各类污染物的质量浓度均低于宁夏北部的石嘴山市和银川市，尤其固原市，除PM10(94.0 μg/m3)的质量浓度超标0.34倍外，其他污染物均达标，这与当地主要经济发展类型和城市化进程速度相关.固原市位于宁夏的南部山区，以农业发展为主，因此主要污染物浓度较低，工业生产等人为活动造成的空气污染不明显.
环境保护部于2017年委托中国工程院对《环境空气质量标准》开展了专题评估，评估报告中指出,在2012年的标准中，污染物的质量浓度和排放量是按照标准状态(即0 ℃，1个标准大气压)来计算的，但对于年平均气温高于0 ℃，特别是高原地区与东部沿海地区，气象要素(主要指气压、气温、湿度)差别大，由于颗粒物在大气中沉降速率具有很强的区域性差异，高原地区颗粒物类的质量浓度易被高估而气态污染物的质量浓度被低估.宁夏处黄土高原，该特征表现较明显.从2019年前后大气污染物的质量浓度变化对比(图略)看，确实存在着修订后大气中PM2.5，PM10的质量浓度较修订前略偏低，而CO，SO2，NO2的质量浓度略偏高，同时空气质量指数较修订前略偏高.
2.3 大气污染物质量浓度的季变化特征
图 3 宁夏及其5市大气污染物质量浓度的季变化
2.4 大气污染物质量浓度的月变化特征
图4为观测期间宁夏大气污染物的逐月变化，显示出5市大气污染物质量浓度的月变化特征基本相似.大气中PM10的质量浓度峰值出现在11—12月(5市的峰值分别为130.6，146.5，135.1，136.9，109.7 μg·m-3)，6—8月的质量浓度最低.冬季大气中PM10的质量浓度较高，主要原因是,冬季燃煤取暖致使污染物排放量大，且污染物扩散条件差.春季大气中PM10的质量浓度高,是由于宁夏春季风速较大，且植被覆盖率低，裸露地面的尘土和微尘容易被风卷起，多扬沙、浮沉天气.
5市大气中PM2.5，SO2，NO2，CO的质量浓度月变化均呈“U”型分布，1，11，12月为污染物质量浓度较高月份，而6—8月污染物的质量浓度较低.由上述分析可知，这与不同时间段内的污染物排放量和大气扩散条件息息相关.比较发现，宁夏5市大气中NO2的月平均质量浓度标准差均较其他污染物小，尤其相较于SO2，这是由于污染物的主要来源不同造成.SO2主要来源于含硫化石燃料的燃烧，冬季受燃煤供暖和较稳定的大气层结共同影响，SO2排放量较夏季增加明显.NO2的主要排放源是机动车，而机动车尾气的月质量浓度变化不明显.受太阳辐射强度分布影响，6—7月为各市大气中O3质量浓度最高月.
2.5 大气污染物质量浓度的旬变化特征
宁夏主要的大气污染物为PM10，PM2.5，O3.将全年分为36旬，并对以上3种污染物进行逐旬统计(平均值)分析(图5)，发现大气中PM10的质量浓度在3月中旬和5月上旬较高，固原市的质量浓度较其他4市偏低.地区大气中PM2.5的质量浓度，固原市无明显周期性变化，其他市均呈明显的周期变化，且周期在3—5旬.大气中O3的质量浓度峰值主要出现在6月下旬至7月下旬，且无周期性变化，其中石嘴山市在9月下旬的质量浓度异常高.
2.6 大气污染物质量浓度的日变化特征
相较于其他市，宁夏北部2市大气污染物的质量浓度处于较高水平.为进一步揭示宁夏大气污染物质量浓度的变化特征，对石嘴山市和银川市的6种大气污染物质量浓度的日变化进行分析(图6).由图6可知，6种大气污染物的质量浓度均呈现显著的日变化特征，其中，大气中PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO的质量浓度日变化呈明显的双峰分布，而O3的质量浓度呈单峰分布.
对于大气污染物PM10，NO2，石嘴山市和银川市的日变化规律较一致，即质量浓度最高值和次高值均分别出现在夜间和上午.其中，大气中PM10的质量浓度最高值出现在夜间21—23时，次高值在上午10—11时；大气中NO2的质量浓度最高值和次高值出现时间提前，尤其是次高值，出现在上午8—9时.这是因为,早间为交通高峰期，机动车排放使NO2出现高值，但2种污染物的质量浓度均在15—17时最低.与PM10不同，2市大气中PM2.5质量浓度的日变化特征差异较大，其中石嘴山的主次峰分别出现在10时和22时，而银川市与之相反，其主次峰分别出现在23时和11时，但2市大气污染物质量浓度的最低值均出现在17时.大气中SO2的质量浓度最高值，2市均出现在12时，次高在21—23时，质量浓度最低值在17—18时.2市大气中CO质量浓度的主次峰均分别出现在9时和22时，17时的质量浓度最低.
图6 石嘴山市和银川市大气污染物质量浓度的日变化
各种大气污染物的质量浓度具有明显的日变化特征,其最高值均出现在9—12时和21—23时，而最低值均在16—18时，这与人为活动、污染物扩散条件等因素有关.早晨，随着人为活动的开始，工业生产、机动车尾气和道路扬尘等排放量增加，且早上空气对流弱，甚至存在逆温层结，不利于污染物扩散，因而污染物容易富集积累，致使中午前后出现质量浓度最高或次高值.午后温度上升，空气湍流增强，污染物逐渐扩散稀释，其质量浓度降至最低.傍晚辐射减弱，气温下降，空气湍流减弱，污染物又较难扩散，且人为活动增加，导致污染物的质量浓度积累，再次在夜间出现峰值.午夜后，人类活动减弱，污染物的质量浓度也逐渐减小并进入低值区.此外，主要受太阳辐射影响，石嘴山市和银川市大气中O3的质量浓度均呈单峰形日变化特征，质量浓度最高值和最低值分别出现在16，8时.
值得注意的是，不同于其他污染物，大气中NO2，CO的质量浓度，银川市高于石嘴山市，这与银川市的机动车保有量较高有关，这在一定程度上也反映出银川市的空气质量受交通影响较大.
3 结论
1)宁夏空气质量呈南优北劣分布，固原市远优于其他4市.观测期间，全区空气质量为良的出现频率最高，为71.2 %，轻度污染次之.受污染物排放源和大气扩散条件影响，8—10月为宁夏空气质量状况相对较好月.标准修订后，空气质量为优良的时间(天数)增多3%、污染时间(天数)减少8%.
2) 宁夏大气中PM10，PM2.5，SO2，NO2，O3的年平均质量浓度分别为109.2，42.6，33.9，30.5,61.6 μg/m-3,CO的年平均质量浓度为0.88 mg/m3，其中PM10,PM2.5分别超标0.56,0.22倍，其他污染物未超标.受经济发展类型和城市化进程速度等影响，宁夏中部和南部的吴忠市和固原市，各类污染物质量浓度均低于宁夏中部和北部的中卫市、石嘴山市和银川市，尤其是固原市.标准修订后，PM2.5，PM10的质量浓度偏低，而CO，SO2，NO2的质量浓度偏高,相应的空气质量指数偏高.
3) 宁夏5市大气污染物PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO质量浓度的季、月、旬变化特征相似.冬季燃煤供暖使污染物排放量增加，且冬季多为静稳天气，不利于污染物扩散，从而导致污染物累积出现高值.夏季污染物排放相对少，大气层结不稳定使污染物扩散条件较好，且夏季多降水过程，对污染物的冲刷稀释作用强，因而夏季大气污染物的浓度较低.
4)宁夏及其5市大气中PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO，O3的日变化呈明显的双峰分布， 9—12时和21—23时为大气污染物质量浓度较高时段，这与人为活动、污染物扩散条件等因素相关.与上述污染物不同，O3主要受太阳辐射强度影响，其质量浓度最高为6—7月，O3的质量浓度日变化为单峰形，在 16时的质量浓度最大.
5)修订后的新国标，增加了3类大气污染物，有利于对空气质量进行综合和精细化评价.
