北京市大气污染物时间变化特征及气象影响因素分析

齐春楠

（华北电力大学，北京 102200）

自改革开放以来，我国工业建设与社会经济发展取得了世界瞩目的成就，然而在科技发展与生活便捷的同时，工业生产、燃料消耗、交通尾气所引发的环境污染问题也日益突出，开展大气环境污染治理活动刻不容缓[1]。北京市是我国的首都，其政治经济地位不言而喻。近年来随着北京市经济的高速发展，其在交通运输与工业生产方面的污染物排放量逐年增大，而这些污染物的根源在于化石燃料的燃烧与汽车燃油。为了遏制空气污染发展的严重态势，北京市于2013年开始对燃煤施行控制，并在周边区域进行清洁能源生产改造，通过联防联控联治手段显著改善空气质量[2]。

对于北京市大气污染物的变化特征，很多学者进行了相关研究。从年际变化与月度变化两个维度对北京市2001～2010年大气污染物数据进行研究，发现大气污染物排放浓度表现为显著的下降的趋势且排放总量也逐年降低[3]。对2013年～2015年的大气污染物数据与气象数据进行分析，发现污染物气体浓度具有明显的月、日变化特征，并呈现出夏低冬高、午低夜高的变化特点[4]。

1 数据来源与处理

本文所使用的大气污染物浓度数据为2016～2020年北京市各国控站点日均值数据，各污染物浓度数据值均取整数，其中O3数据为每日最大8小时平均数据。以上数据均来源于中国环境监测总站（http：//www.cnemc.cn/）。各气象数据来源于《中国地面气候资料日均值数据集V3.0》。

本研究基于日均值数据计算出月均值与季度均值，其计算逻辑为将每个自然月内的日均值进行平均值运算得到月均值，将每个季度内的月均值进行平均值运算得到季度平均值，季度的划分依据是：3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月、1月、2月为冬季。

2 北京市各大气污染物的浓度时间变化特征

2.1 AQI变化特征

AQI是基于六项常规监测污染物计算所得出的、用来衡量空气质量综合情况的指标，从北京市2016～2020年各季节AQI变化趋势图（图1）中可以看出：2016年各季节AQI较为平稳，变化幅度不明显；2017年秋季AQI明显低于其他三个季节；2018年从春季到冬季，AQI变化呈持续下降趋势；2019年和2020年均表现为夏季AQI高于其他三季。从综合情况来看，春季、夏季的五年AQI季节平均值（约100左右）高于秋冬两季（约90左右）。自2016年至2020年，各季节AQI虽有小幅度反弹，但整体呈现逐年下降趋势。

图1 北京市2016～2020年各季节AQI变化图

从北京市2016～2020年各月份AQI变化趋势图（图2）中，可以看出：从全年趋势情况来看，北京市逐月AQI呈现出中间高两边低的趋势，5月、6月、7月的AQI平均值均高于100。逐年来看，自2016年至2020年，每个自然月内AQI月均值呈波动下降趋势，其中，2016年2月最低，1月也处于较低水平，但是由于12月AQI突升至168，达到全年最高水平，因此拉高冬季整体AQI均值。12月数据突升是由于2016年12月1日至5日，北京市发生了5级空气重污染。

图2 北京市2016～2020年各月份AQI变化图

2.2 PM2.5时间变化特征

如图3所示，PM2.5浓度2016～2020年呈逐年下降趋势，平均每年下降9.140 μg/m3。除2020年年均值外，其余年份年均值均未达到《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）二级浓度限值35 μg/m3。分季节来看，除2018年外，其余年份均表现为冬季最高，春季第二，秋季第三，夏季最低。北京地区属“煤烟型”大气污染，冬季浓度高的根源在于冬季需燃煤供暖，夏季浓度最低是由于北京属北温带半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，降水可有效去除空气中悬浮的细颗粒物。2018年3月北京市长时期无有效降水，出现过两次沙尘天气，污染物扩散条件达历史六年同期最差，当月PM2.5月均浓度为90 μg/m3。

图3 北京市2016～2020年各季节PM2.5变化图

如图4所示，北京市PM2.5浓度在月份维度上表现为波浪式分布，在3月、7月、11月时均有峰值出现。2016年月均浓度最高值出现在12月（133 μg/m3），除此以外其余年份月均浓度最高值均出现在1月或2月，主要还是冬季燃煤取暖所致。2016年月均浓度最低值出现在2月（44 μg/m3），除此以外其余年份月均浓度最低值均出现在8月或9月。

图4 北京市2016～2020年各月份PM2.5变化图

2.3 PM10时间变化特征

如图5所示，PM10污染物2016～2020年呈微弱逐年下降趋势，平均每年下降8.809 μg/m3。年均值由92 μg/m3降至57 μg/m3，同比下降61.4%。分季节来看，其浓度变化表现为春季最高，冬季第二，秋季第三，夏季最低。2017年冬季与秋季PM10浓度差异较大，达16 μg/m3，其余年份差值较小，约1～5 μg/m3。五年中2018年春季浓度最高，为122 μg/m3。

图5 北京市2016～2020年各季节PM10变化图

北京市2016～2020年各月份PM10变化如图6所示，各自然年内均呈现出两边高中间低的“U”形趋势，1月、12月较高，8月最低。春季3月～5月PM10浓度值均保持在全年范围内的较高水平，说明PM10污染主要出现在春季，其原因是春季北京气候干燥，风力大、风沙大，频发沙尘暴天气。

图6 北京市2016～2020年各月份PM10变化图

2.4 O3、NO2、SO2、CO时间变化特征

北京市O3、NO2、SO2、CO此四项气态污染物2016～2020年的变化趋势如图7所示：O3年均值波动不大，稳定在95～102 μg/m3，仅2018年（102 μg/m3）超出《环境空气质量标准》（GB 3095～2012）一级浓度限值100 μg/m3。NO2年均值呈波动下降趋势，由2016年46 μg/m3下降至2020年24 μg/m3，同比下降46.8%。SO2年均值呈稳定逐年下降趋势，由2016年10 μg/m3下降至2020年3 μg/m3，同比下降66.2%，远低于《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）一级浓度限值。CO年均值呈逐年明显稳定下降趋势，由2016年1.7 mg/m3下降至2020年0.8 mg/m3，同比下降52.9%。

图7 北京市2016～2020年各年份O3、NO2、SO2、CO变化图

从季节表现上来看，O3四季浓度由高到底依次为：夏季、春季、秋季、冬季，且夏季明显高于其他三季。就五年综合趋势来看，春夏两季略有下降，秋冬两季略有提升。2018年NO2的最高值出现在秋季，其余年份最高值均出现在冬季，而五年最低值均出现在夏季，且明显低于其他三季，2016年和2020年秋冬两季浓度值相差不大。CO四季浓度值2018年变化不明显，其余年份均表现为冬季明显高于其他三季。除夏季外，其余三季均有明显的下降趋势。SO2最高值均出现在冬季，最低值均出现在夏季，各季节均呈稳定下降趋势。

北京市O3、NO2、SO2、CO此四项气态污染物2016～2020年各月份的变化趋势如图8所示：NO2、SO2、CO三者相关性较高，变化趋势比较一致。NO2最高值一般出现在冬季12月或1月，最低值出现在7月；SO2最高值一般出现在冬季12月或1月，最低值出现在8月；CO最高值一般出现在冬季12月或1月，最低值出现在5月。冬季污染严重的主要原因是燃烧取暖，化石燃料燃烧后会产生大量的大气污染物，且北京冬季的气候特点是温度低、光照弱，使得光化学反应速率减慢，污染物无法及时转化消除。此外，冬季存在逆温，即垂直结构上地面上的大气气温随着高度的增加而升高，使得污染物扩散条件变差，进而造成污染。O3的变化特征与其他三项气态污染物截然不同，呈现“倒U”形趋势，最高值出现在其他污染物浓度最低的夏季，约6月前后，最低值出现在其他污染物浓度最高的冬季。造成此现象的原因主要是夏季温度较高，光照也比较强烈，这为光化学反应创造出极为有利的反应条件，进而致使O3浓度升高。

图8 北京市2016-2020年各月份O3、NO2、SO2、CO变化图

3 空气质量级别与首要污染物变化特征

《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》中对空气质量指数（AQI）、空气质量分指数（IAQI）和首要污染物进行定义，又根据AQI大小取值范围u将空气质量指数类别分为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染这六个等级。如图9所示，北京市优良天数比例逐年升高，由2016年的54.1%提升至2020年的76.8%。2016～2018年的严重污染天数逐年减少，分别为9天、5天、1天，2019～2020年无严重污染。逐年逐月来看，五年内优良天数比例最低的月份均在6月左右，其中2020年6月优良天数比仅为26.67%。2016～2020年内，北京市首要污染物有O3、NO2、PM2.5、PM10。O3主要发生在夏季，NO2主要发生在秋季与冬季，PM2.5主要发生在春季、秋季、冬季，PM10主要发生在春季。此项数据表明：北京市大气污染已不再是单一的颗粒物污染所造成的雾霾问题，臭氧污染已愈发严重，应得到重视与治理。

图9 北京市2016～2020年空气质量级别占比天数堆积图

4 气象因素与大气颗粒物浓度相关性分析

气象因素会通过影响大气污染物的沉积、扩散、生成、转化进而影响其浓度范围，前文研究已表明大气污染物的浓度表现具有明显的季节变化特征，因此本节将对六项大气污染物与气象因素中的气温、风速、降水、湿度、日照进行Pearson相关性分析，探究气象因素对大气污染物的影响，结果见表1。

表1 2020年北京市六项大气污染物浓度与气象因素相关性

春季时，平均气温与SO2呈显著正相关，与O3、PM10呈极显著正相关；风速与O3呈显著负相关，与NO2、SO2、CO、PM2.5呈极显著负相关，主要是由于风速越大，污染物扩散速率越快，浓度也随之降低；湿度与NO2呈显著正相关，与CO、PM2.5呈极显著正相关，空气湿度增大时，空气中的悬浮细颗粒物气溶胶发生吸湿作用，吸收水汽体积增大，形成雾或霾；日照与NO2呈显著负相关，与CO、PM2.5呈极显著负相关。

夏季时，平均气温与NO2呈显著正相关，与O3、PM10呈极显著正相关；降水与NO2、O3、PM10呈极显著负相关；湿度与NO2、O3、PM10呈极显著负相关，与SO2呈显著负相关；日照与CO、PM2.5呈显著负相关。夏季气温高，降水量增大，空气湿度增加，空气中的水蒸气中含有大量自由基·OH、·HO2，这些自由基会将O3快速分解为氧分子，使得O3浓度下降。

秋季时，平均气温与NO2呈显著负相关，与O3呈极显著正相关；风速与SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10呈极显著负相关；降水与PM10呈显著负相关；湿度与CO、O3、PM2.5呈极显著正相关；日照与NO2呈显著负相关，与CO、PM2.5呈显著负相关。北京秋季为高湿天气，小颗粒污染物在高湿度时凝聚成大颗粒物。

冬季时，平均气温与SO2、NO2呈显著正相关，与CO、O3、PM2.5、PM10呈极显著正相关；风速与SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10呈极显著负相关；湿度与SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10呈极显著正相关；光照与PM2.5、PM10呈显著负相关，与CO呈极显著负相关。冬季北京受高气压影响，大气层结构稳定，地面温度较低，容易形成逆温辐射，因此不利于污染物的扩散稀释。

5 结论

（1）北京市大气污染物具有明显的季节变化特征，颗粒物污染物中：PM2.5冬季最高，夏季最低；PM10春季最高，夏季最低；气态污染物中：NO2、SO2、CO三者趋势相近，均表现为冬季最高、夏季最低；O3浓度变化与其他气态污染物相反，表现为夏季最高，春冬季最低。

（2）北京市2016～2020年优良天数比例不断提高，严重污染与重度污染天数持续下降，说明大气治理手段取得初步成效。本文研究时间段内，北京市的首要污染物为O3、NO2、PM2.5、PM10，未来应加强对于O3污染的研究与管控。

（3）北京市大气污染物与气象因素具有较高的相关性，具体表现为：气温上升时，污染物分子间运动速率加快，化学反应速率加快，污染物浓度升高。风速越大，污染物的水平输送与稀释扩散速度就越快，浓度越低。降水对大气污染物具有清洁去除作用。湿度越高，污染物的吸湿作用越明显，浓度越高。日照强度可以影响光化学反应速率，进而影响污染物浓度。