镇江市大气颗粒物污染的特征分析

杨 严，徐一凡，张玉菲，周文鳞*，陈 聪，鞠英芹

1.镇江市气象局，江苏镇江 212001；2.江苏理工学院，江苏常州 213001；3.中国气象局 气象干部培训学院湖北分院，湖北武汉 430074

大气污染问题随着国家经济迅速发展和工业化的成熟日益加剧，并成为影响我国可持续发展的主要问题，严重影响着城市空气质量和人体健康。由此，人们逐渐意识到治理大气环境的重要性，有关大气污染的时空分布特征、成因和防治等问题逐渐被众多学者所关注。

国外学者通过研究发现大气污染颗粒物含量与季节变换有很大关系。Parkhurst等[1]从 美 国 中 东 部1982—1991年8个采集点的PM2.5季节特点中总结出夏高冬低的规律；Judith等[2]在美国南加州对1987年大气颗粒物的研究中发现，PM10质量浓度和颗粒物中大部分化学物质含量都在秋季最高；Villasenor等[3]从1997年 墨 西 哥 城 的PM2.5和PM10的时空特征中发现颗粒物季节变化明显。骆红[4]、岳丽[5]等人分别对我国北京市、石家庄市PM2.5与PM10的平均质量浓度进行研究，最终得出国内的颗粒物污染均呈现冬季高、夏季低的季节变化特征的结论。

镇江市位于江苏省西南部，长江下游南岸。东西最大直线距离、南北最大直线距离分别为95.5，76.9 km。全市土地总面积3 847 km2，占全省面积的3.7%。地貌走势为西高东低、南高北低；北部以沿江冲积平原为主，市区南部为低山残丘。气候属于北亚热带季风气候；年累计日照时数为1 912.7 h，年平均气温15.5 ℃，最高气温34 ℃，低气温0 ℃；年平均降雨量817 mm。因此，利用2013—2019年镇江区域常规污染物数据，对环境空气质量、颗粒污染物的时空变化特征展开分析，为大气颗粒物污染防治提供科学决策。

1 材料与方法

1.1 数据来源

基础研究数据来自镇江市丹徒区、市疾控中心、新区办事处、职教中心4个大气环境监测站点；监测时间为2013年1月1日—2019年6月4日。监测站点实时连续监测NO2、SO2、CO、O3、PM10、PM2.5等6项污染物，数据的时间分辨率为监测污染物的日均浓度。

1.2 数据处理方法

1.2.1 预处理 对镇江市4个监测站点6项污染物浓度数据进行预处理。为了保证原始数据的完整性与准确性，删除空白值和异常值（如负值），并将数据配对成时空结构配对的数据组。将有效数据根据不同变量进行分类储存，便于后续数据提取。

1.2.2 AQI指数的计算 根据各项污染物分级浓度限值，通过AQI公式分别计算各项大气污染物的空气质量指数。取其中最大的值为当天空气质量指数(AQI)。污染物项目P的空气质量分指数按下式计算:

式中:IAQIp—污染物项目P的空气质量分指数；

Cp—污染物项目P的质量浓度值；

BPHi—表1(相应地区的空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表)中与Cp相近的污染物浓度限值的高位值；

BPL0—表1(相应地区的空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表)与Cp相近的污染物浓度限值的低位值；

IAQIHi—表1(相应地区的空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表)中与BPHi对应的空气质量分指数；

IAQIL0—表1(相应地区的空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表)中与BPL0对应的空气质量分指数。

1.2.3 空气质量指数标准 表1为空气质量指数标准。

表1 空气质量指数

2 结果与分析

2.1 镇江市环境空气质量现状

由镇江市2013年—2018年环境空气质量统计可得，镇江市空气质量为优或良的占比为整体的50%以上；之后呈现空气污染等级越高占比越低的趋向。除2016年外，一级（优）空气质量天数占比呈逐年上升；重度污染、严重污染天数占比呈逐年下降；但轻度污染为25%左右，空气质量问题依旧存在。2013—2018年间，镇江市空气质量年均达标率为64%，其中2013年达标率最低，为61%；2016年达标率最高，为71%。

2013—2018年间，镇江市空气质量总体良好，丹徒区、市疾控中心、新区办事处和职教中心4站优良天数占比的多年均值为64.00%，其中2016年空气质量达标情况最好，4站优良天数历年占比在68.85%～77.87%之间；2013年空气质量相对较差，丹徒区、市疾控中心和新区办事处3站历年达标率在59.17%～62.19%之间。新区办事处与丹徒区站点的历年达标率呈波动增长趋势，且前者增幅较大，后者增幅较为平坦。

污染天气中，污染天数占比随污染等级逐级降低，轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染占比多年均值依次为24.73%、7.70%、3.28%和0.28%。就轻度污染而言，市疾控中心和新区办事处2站历年达标率呈波动变化，2016年达谷值，2017年为峰值，丹徒区和职教中心2站变化不明显；丹徒区和新区办事处2站的中度污染天数占比逐年总体改善，市疾控中心和职教中心两站波动变化，历年达标率在6.30%～9.32%之间；丹徒区、市疾控中心和新区办事处3站的重度污染天数占比趋势表现为“减—增”，职教中心站变幅不大；严重污染天数占比极少，总体上仅在2013、2014和2017年有零星发生。

2.2 镇江市首要污染物天数占比分析

分析镇江市首要污染物天数占比可知，镇江市以颗粒物污染为主，其中又以PM2.5作为首要污染物天数占比为最高，维持在30%～65%之间，但颗粒物污染整体呈现波动下降趋势。气态污染物中，O3作为首要污染物天数的占比最高，并呈波动上升趋势。2016年除新区办事处监测点，其他站点O3均超过PM2.5成为当年占比最重的污染物。

2.3 大气颗粒物的时间变化特征

2.3.1 年际变化特征 研究期间，镇江市PM2.5、PM10的年平均质量浓度如表2所示。2013—2018年PM2.5质量浓度年平均最大值、最小值分别为72 μg/m3，50 μg/m3，低于《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）中规定的二级浓度限值（75 μg/m3）。PM2.5、PM10年平均质量浓度总体呈波动下降趋势，且最小值出现在2016年。

表2 各监测站大气颗粒物浓度年平均变化情况 μg/m³

在图1、图2、图3中，红线为2013—2018年大气颗粒物日均浓度总体变化趋势线，可见大气颗粒物日均质量浓度呈逐年下降趋势；比较发现，PM10下降趋势较PM2.5更为显著。总体比较可发现每年颗粒物日均质量浓度呈现高峰—低谷—高峰的趋势，峰值均集中在冬季（即年末至次年初时段）。

图1 市疾控中心监测站颗粒物日均值与7天滑动平均值时间序列

图2 新区办事处监测站颗粒物日均值与7天滑动平均值时间序列

图3 职教中心监测站颗粒物日均值与7天滑动平均值时间序列

2.3.2 月变化特征 由4个站点PM10和PM2.5的月浓度特征分布可知，2013—2018年镇江市大气颗粒物质量浓度月平均变化呈现两边高、中间低的特征，7—9月大气颗粒物质量浓度较低，12月、1月的大气颗粒物质量浓度较高，与夏季颗粒物浓度低，冬季颗粒物浓度高的季节特征相吻合。从2月开始，颗粒物月均浓度呈下降趋势，并于8月份达到最低点。这是因为太阳辐射增强，大气的垂直气流增强，大气逆温层不易形成。随着季节转变温度升高，大气水平流通能力增强。因此颗粒物扩散能力显著增强，浓度降低。其中，PM10在3月、5月出现浓度回升现象。

PM2.5/PM10的比值在6—11月变化不大；在12—翌年2月比值较高，说明冬季PM2.5污染加剧；在3—5月比值较低，结合PM10在3月、5月出现浓度回升现象，分析原因可能为颗粒物可随着季风造成区域污染[7]。

2.4 空间分布特征

利用SPSS统计软件对镇江市4个监测站点2013—2019年大气颗粒污染物日均浓度及对应的空气质量指数进行聚类分析可知，大气颗粒污染与AQI指数空间分布呈现以下规律，丹徒区监测站、市疾控中心和职教中心3个站点的大气颗粒污染及AQI指数分布特征具有共性，而新区办事处较其他站点具有特异性，且大气污染较重，可能与镇江东部工业生产有关。

3 结论

（1）2013—2018年，镇江市空气质量总体良好，空气质量多年均达标，达标率为64%；首要污染物以颗粒物污染为主，其中PM2.5占比高于PM10。

（2）PM2.5、PM10年平均质量浓度总体波动下降，且最小值出现在2016年；季节规律为冬季＞春季＞秋季＞夏季，具有明显的季节变化特征；7—9月大气颗粒污染较轻，12月、1月的污染较重。

（3）AQI指数和大气颗粒污染的空间聚类表明，新区办事处站有别于丹徒区监测站、市疾控中心和职教中心其他3站。