基于环境监测数据的2016-2020年吉林省大气环境质量时空变化分析

何 丹， 金明姬

(延边大学 地理与海洋科学学院，吉林 延吉 133002)

随着工业化进程飞跃发展，社会经济水平不断提高。在高楼林立的同时，生活生产过程中产生的污染物无时无刻不在影响着大气环境，威胁着人类和其他动植物的安全。大气环境污染会导致人体器官损伤，引发哮喘等呼吸道疾病，污染气体也会降低土壤养分水平，造成植物减产，同时也会造成酸雨等气象性灾害[1-3]，故大气环境问题逐渐成为大家关注的热点。

近些年来不少学者已经利用大气环境监测数据对我国主要城市进行系统的调研，并取得一定的成果，为区域大气环境治理作出了一定的贡献。但目前关于大气环境污染的研究多倾向于污染严重的城市，例如北京和天津[3-5]，而对东北地区的几个省份则缺乏细致的研究。吉林省有着独特的地理气候条件，相较于中国其他地区四季分明。鉴于此，该文使用2016—2020年吉林省6种大气环境污染物监测数据，从时间和空间2个尺度对吉林省近5年大气污染物浓度变化进行阐述，寻找规律。从而了解吉林省整体和局部的大气环境污染状况，探究气候、自然等因素对大气环境污染的影响，为后续研究提供理论基础。同时，为有关部门对大气环境质量展开管控优化工作提供参考及建议。

1 材料与方法

1.1 数据来源

研究所需基础数据包括6种主要大气污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10)浓度数据，来源于吉林省生态环境保护厅网站公布的《吉林省生态环境公报(2016—2020年)》及《吉林省空气质量月报(2016—2020年)》；9个主要城市大气环境监测数据及空气质量指数(Air Quality Index)数据在中华人民共和国生态环境部网站(http://www.mee.gov.cn)下载。

此外，历年人口、森林覆盖率等来至吉林省统计年鉴。其中，2020年数据暂未完全公布，按照平均增长率估算出当年人口总数及森林覆盖率。气象数据(气温，降水，气压，风速)来源于省监测站点，汇总计算得出年平均值。

1.2 数据处理

1) 该研究对6种污染物浓度进行方差分析，检验了污染物年度差异；2) 利用Origin8.0制图，对5年内吉林省6种大气污染物月均、季均浓度进行比较，寻找其变化规律；3) 将吉林省划分为西部(白城、松原)、中部(四平、长春、辽源、吉林)、东南部(通化、白山)和东北部(延边朝鲜族自治州)[6]，运用Arcgis10.7软件进行插值分析，了解吉林省6种大气污染物空间分布特征，并参照《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[7]评价空气质量状况；4) 通过SPSS软件及Canoco 5软件，探究各类大气污染物之间及其与各环境因素之间的关联。

2 结果与分析

2.1 时间尺度

2.1.1 不同年份污染物浓度变化

方差分析结果表明，6种大气污染物中CO浓度在不同年分间变化极显著(F=5.358，P=0.001)，其中,2018年浓度显著降低，2020年浓度有所升高。SO2、NO2浓度在近2年变化显著，整体呈现降低趋势，而O3及2种颗粒污染物浓度在5年间无显著变化差异(表1)。

表1 2016—2020年6种大气污染物浓度变化的方差分析

2.1.2 不同月份污染物浓度的变化

由图1可知，近5年6种大气污染物中除O3外，其余5种污染物的月均浓度整体均呈先下降后升高的变化趋势。最低月均浓度往往出现在每年的7、8月份，而最高浓度绝大多数出现在1或12月。

图1 2016-2020年吉林省6种大气污染物月均浓度的变化情况

5年SO2月平均浓度最高值出现在2月，其浓度为54 μg/m3；最低值出现在8月，其浓度为6 μg/m3。从NO2来看，吉林省5年间的月均浓度波动较大，但无明显的变化规律。5年间最高NO2平均浓度达到37 μg/m3，出现在2月份，而最低值出现在8月份，当月平均浓度约为13 μg/m3。近3年6、7、8月平均浓度相差较低，浓度范围在13.7～18 μg/m3。

CO月均浓度呈现与SO2相似的变化趋势，最高值均出现在1或12月，而最低值往往出现在每年的4～9月。5年间CO最高月均浓度达到1.6 mg/m3，约为最低值的2.6倍。近两年O3浓度有所升高，在整年的浓度变化过程中5～7月会出现波峰，此时吉林省能够监测到较高的O3浓度。5年间最高浓度2次出现在5月份，2次出现在6月份，1次出现在7月份。最高O3月均浓度达到157 μg/m3，12月的最低浓度仅为最高值的30.82%。

PM2.5月均浓度整体上稳步降低，波谷出现在每年的8月份。最高值通常在1或2月产生，浓度范围在48～75 μg/m3。之前的研究表明，PM2.5往往是造成吉林省大气环境污染的首要污染物，而在近年O3逐渐取代PM2.5成为导致污染天数较多的首要污染因素，防治重点从雾霾的治理趋向于2种首要污染物的协同管控[8-10]。近5年PM10月均浓度在不同年份间呈现不规律的变化，在不同月份间则呈现明显的波动。与PM2.5月均浓度相同，每年的8月份是全年PM10平均浓度最低的时候。监测到的5年间最高PM10月均浓度为97 μg/m3，出现在2月；最低月均浓度为25 μg/m3，出现在8月。

2.1.3 不同季节污染物浓度的变化

从整体来看，吉林省2016—2020年6种大气污染物平均浓度在不同季节均呈现一定的波动规律(图2)。SO2浓度变化波动最大，冬季贡献了较高的SO2浓度。5年间冬季SO2平均浓度为45.33 μg/m3，而夏季的SO2平均浓度仅为冬季浓度的20.58%。夏季SO2平均浓度均为全年最低值，而春、秋季SO2的排放量则不及冬季的一半。

不同季节NO2的平均浓度与SO2的平均浓度呈现出相似的变化规律(图2B)，平均浓度冬季>秋季>春季>夏季。5年间最高平均NO2浓度出现在的冬季，季均浓度为33.67 μg/m3；最低浓度值出现在夏季，季均浓度为15.33 μg/m3。

从图2C来看，冬季的CO浓度较高，最高CO平均浓度约为1.4 mg/m3，最低平均浓度则出现在夏季，约为0.63 mg/m3。吉林省近5年O3平均浓度的季节性变化明显区别于其他几种污染物的季节性变化，夏季的平均O3浓度较高，最高浓度达到137.32 μg/m3，这是因为夏季受副高气压控制有利于O3生成[11]。而冬季成为全年O3平均浓度最低的季节，冬季的O3浓度为当年最高季均浓度的55%左右。

PM10的季均浓度在春、冬两季均较高，而PM2.5仅在每年的冬季浓度最高(图2E,2F)。5年间PM10最高季均浓度出现在冬季，为66.33 μg/m3，最低浓度为30.33 μg/m3，发生在夏季。PM2.5最低浓度出现在夏季，为15.31 μg/m3，最高浓度出现在冬季，为60.34μg/m3，是最低值的3.94倍。

图2 2016-2020年吉林省6种大气污染物季均浓度的变化

2.2 从空间尺度上分析

整体来看，2016—2020年吉林省6种大气污染物在空间上呈现出不同的分布规律，其中，东北部和西部地区的污染物浓度通常较低，其他地区均有各自的污染物分布特征(图3)。

图3 2016年-2020年吉林省6种大气污染物分布情况

就SO2和CO而言，吉林东南部浓度高于其他区域，其中，白山市在近5年呈现出最高的排放量，5年间年均SO2浓度约为22.6 μg/m3，CO年均浓度高达1.06 mg/m3，表明白山市2种污染较其他区域严重。东北部的延边朝鲜族自治州和西部的白城市、松原市SO2排放较少，5年年均浓度分别为12.2、10和9.6 μg/m3。西部地区的白城和松原依旧呈现出相对较低的CO浓度，最低为0.57 mg/m3。中部地区的几个城市CO年均浓度为0.81～ 0.98 mg/m3。

吉林省西部和东北部地区的3个城市NO2污染较轻，5年年均浓度分别为18.52、17.07和19.43 μg/m3。长春市5年平均浓度约为35.55 μg/m3，明显高于其他城市，其他几个城市的浓度25.67～28.37 μg/m3。

中部的O3浓度较高，5年平均浓度85.58～94.33 μg/m3，其中，辽源>吉林>四平>长春，东南部的通化市5年平均浓度约为75.82 μg/m3，为全省最低。西北部和东南部近5年的O3浓度相差不大，平均82.2 μg/m3左右。

就PM2.5和PM10而言，在中部区域监测到较高的浓度，污染面较大，PM2.5浓度39.15～41.37 μg/m3。东北区域的延边朝鲜族自治州2种污染物排放最少，PM2.5约为26.9 μg/m3，PM10年均浓度约为43.3 μg/m3。

吉林省整体的空气质量水平为Ⅱ级良，其中大部分区域空气质量处于中等状态。东北部的延边朝鲜族自治州5年间AQI指数约为54.17，空气质量相对较好，接近Ⅰ级优。而中部地区的吉林市污染较为严重，2016—2020年，AQI指数约为74.38，为延边州的1.37倍，这可能由于早年未完全集中供暖以及若干次沙尘天气造成的。

2.3 大气污染物之间的相关性

6种大气环境污染物之间均呈现出一定的相关性(表2)，其中，SO2和NO2之间存在着极显著的正相关关系(r=0.83,P<0.01)，CO与SO2、NO2之间同样处于一个极显著的正相关关系(r>0.76，P<0.01)，说明这3种大气污染物通常相伴产生。O3一般与其他5种大气污染物呈现极显著的负相关关系(r>0.34，P<0.01)，主要由于O3是对流层含氧化合物及VOCs(挥发性有机物)在一定条件下经过光化学反应形成的[12-13]。PM2.5和PM10同样存在极显著的正相关系(r=0.92,P<0.01)，两者间相较于其他几种污染物有着更高的相关系数，这是由于两者经常在同一过程中同时产生，例如化石燃料的燃烧、车辆尾气的排放等。

表2 2016—2020年吉林省污染物浓度相关性分析

3 讨论

3.1 吉林省大气污染物的形成机制

除O3外的几种大气污染物在全年的几个月份表现出较高的浓度(图1),这可能由于吉林省冬季漫长，煤燃烧的过程中会产生SO2、氮氧化合物、碳氧化合物以及其他有机物质(图2A)。此外，中部污染物浓度较高，空气质量较差，这是因为吉林省重工业占据主导位置，生产过程会中产生大量粉尘及气态污染物，且整体地势呈东南部较高，不利于中部地区污染物的扩散(图3)。自《2017年秋冬季大气污染处理“百日攻坚”行动方案》的实施以来吉林省开展取缔小锅炉行动并推动老旧供暖设施的改造，有效地减少了化石燃料的使用，规范了废气处理，一定程度上减轻了大气环境污染。

沥青、工厂粉尘及路上车辆排出的尾气颗粒物都是PM10的直接污染源[14-16]，而空气中硫氧化合物及其它化合物等相互作用也会形成粒径小于10 μm的颗粒，因此，PM10通常和SO2、NO2呈现出显著的正相关关系(表2)。PM2.5常在需要化石燃料的生产、发电过程中出现，其粒径更小含有害物质，并且不会随着高度增加而减少，是造成大气环境污染的首要污染物。过去的研究表明，颗粒污染物对光有一定的散射作用，因此当颗粒污染物浓度较高的时候，会阻挡一部分阳光，进而阻止臭氧的形成。O3显示出区别于其他几种污染物的变化趋势，监测到的浓度逐年增长，这可能是在全球变暖的大背景下，吉林省平均温度升高，充足的光照加剧光化合作用[17]，促进了臭氧转化。

3.2 影响大气环境污染物浓度的其他因素

RDA分析表明，气象因素对大气环境污染物浓度的变异解释度>90%，可以认为是驱动大气污染物浓度变化的重要因子。从区域层面来看，长春市的污染物浓度更易受风速影响，并且风速与除PM10、NO2以外的四种大气污染物呈显著的正相关关系，这是由于风速增加了空气涡流，聚集的污染物得到迁移和扩散，风速越大越有利于污染物浓度的稀释。气流的大幅度活动极易引起沙尘天气，加剧PM10主导的污染，高温高压有利于气体的扩散，进而导致监测到的污染数据降低，故而气压、风速和PM10呈显著的正相关，与其他污染物呈负相关。

从全省角度来看，气温往往与几种大气污染物有显著的相关性，这是由于气温升高会加速空气流通，促进污染物从低空向上迁移，此时监测到的污染物浓度相对较低，这与高婵娟[18]的研究是一致的。森林覆盖率解释了48%的污染物浓度变异，相关性分析也表明森林覆盖率大多数情况下会减轻污染物的浓度，这是因为森林对大气污染物有一定的吸附能力[19]，并且植物呼吸作用会转化并稀释部分气态污染物。降水并没有很好地解释大多数污染物浓度的变异，尽管由于沉降作用，降水会短期的降低以颗粒污染物PM10和PM2.5为主大气污染物浓度[20]，但对其他大气污染物并无明显影响。而人口对大气环境变异的解释度为47.2%，反映出人口聚集往往是造成大气环境污染的原因之一，中心城市污染天数往往比外围地区多，可能是由于中心城市相较于外围城市有着更频繁的人口流动[21](图4)。

图4 不同环境因子与6种大气污染物的冗余分析

4 结论

该研究通过分析2016—2020年吉林省6种大气污染物浓度，比较不同年份、不同季节各污染指标，揭示其时间尺度上的变化规律，运用插值阐明污染物空间上的分布情况，结果如下。

1) 吉林省大气环境逐渐好转，O3浓度有所增长，其他污染物排放得到了一定的控制；冬季贡献了最高的SO2浓度，季均浓度从45.33 μg/m3减少到18.32 μg/m3；中部和东南部城市平均AQI指数60.48～74.38，大气污染物排放问题仍未得到有效的解决。

2) 6种大气污染物间呈显著的相关性，防控治理工作中应当考虑多种污染指标的耦合，协同治理；气象是影响大气污染物浓度变化的重要因素，风速对各污染物浓度变化影响更显著，提高森林覆盖率可有效提升大气环境质量。