2015—2020年汾渭平原大气污染物时空分布特征及人口暴露

洪炜林 苗雨青 贾雪莹 孙方虎 罗浩 洪慧娟 王梦醒

收稿日期：2022-08-04

基金项目：安徽省自然科学基金面上项目（2108085MD126）；国家自然科学基金项目（41601083）.

作者简介：洪炜林（1998—），男，安徽滁州市人，硕士研究生，主要研究方向为大气污染评价；通讯作者：苗雨青（1985—），男，安徽庐江县人，博士，副教授，主要从事湿地生态系统碳氮循环研究，miaoyqjh@ahnu.edu.cn .

引用格式：洪炜林，苗雨青，贾雪莹，等. 2015—2020年汾渭平原大气污染物时空分布特征及人口暴露［J］.安徽师范大学学报（自然科学版），2023，46（5）：457-465.

DOI：10.14182/J.cnki.1001-2443.2023.05.007

摘要：基于中国空气质量在线监测分析平台发布的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3长期监测数据，采用统计分析、重心模型等方法探讨了2015—2020年汾渭平原3省11个地级市的6种大气污染物的时空变化特征，并结合各城市常住人口数据，评估了主要大气污染物PM2.5和O3的人口暴露数量。结果表明：（1）影响汾渭平原空气质量的主要污染物是PM2.5、PM10、O3，而SO2、NO2、CO污染程度并不明顯。（2）各污染物均有明显的季节性特征，PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO夏秋季节浓度较低、冬春季节浓度较高，峰值一般出现在1月份，最低值一般出现在7月份，而O3浓度则表现出与上述污染物相反的季节特征。（3）空间上看，这6年来汾渭平原南部污染状况要比北部严重，PM2.5的重心较为集中，O3的重心分布较为分散。细粒子、移动源污染对平原的空气质量影响较大。（4）研究期内PM2.5的人口暴露得到有效控制，暴露在O3浓度超标情况下的人口呈上升趋势，O3成为威胁汾渭平原空气质量的主要污染物。

关键词：大气污染；汾渭平原；时空分布；重心模型；人口暴露数量

中图分类号：P951文献标志码：A文章编号：1001-2443（2023）05-0457-09

随着城市化进程的不断加快和经济的快速增长，诸多地区出现严重的大气污染问题，尤其是在经济发达的地区，如长三角、珠三角和京津冀等地，大气污染问题积重难返［1-3］。大气中的污染物主要包括颗粒物（PM2.5和PM10）、O3、NO2、SO2、CO等［4］，这些污染物不仅影响空气质量，还对人体健康、生态环境产生影响。大气污染问题与自然因素和社会经济因素关系密切，由于各地的自然条件和经济发展程度存在差异，使得大气污染物的污染特征也存在区域差异［5］。

汾渭平原由于自身的盆地地形和产业结构成为全国污染最严重的地区之一［6］。2018年，生态环境部提出“打赢蓝天保卫战三年行动计划”，将汾渭平原纳入重点监测区域，但仍出现大气污染物浓度超标的情况。自“新冠”疫情爆发以来，汾渭平原各城市的社会经济生活受到严重影响，大气污染物的特征也呈现出新的变化［7］。汾渭平原所在的各城市的能源结构以煤为主，煤烟型污染特征明显，清洁化利用水平低［8］，同时还存在人口密度大，重化工产业聚集，运输偏公路等问题［9］。汾渭平原大气污染物来源除了原地生成以外，还受到来自北方的沙尘源和黄土高原源影响，周围京津冀地区和陕西北部地区也是平原大气污染物的潜在源区［10］。郑小华等［11］基于汾渭平原11个重点城市的空气质量监测资料和气象数据，发现平原各城市污染源类型多样且排放强度高，采暖期和非采暖期空气质量状况显著不同，姬艺珍等［12］发现汾渭平原秋冬季节平均空气质量优良天数比例明显低于春夏季节，上述研究对于汾渭平原大气污染特征和原因已有较为充分的认识，然而，对于汾渭平原大气污染物还缺乏多时间尺度、多污染物的研究，其污染特征与来源方面还有待定量分析，这些不足影响了区域大气污染防控政策的制定。

目前关于大气污染的研究主要关注城市和城市群，多集中在京津冀、珠三角等发达地区，对汾渭平原各城市的大气污染研究不多见，尤其是大气污染与人体健康评估方面的研究较缺乏。基于此，本文基于2015—2020年汾渭平原11个地级市的空气颗粒物（PM2.5、PM10）和气态污染物（SO2、NO2、CO、O3）的浓度数据，分析大气污染物的时空分布特征和污染物来源，并评估汾渭平原污染程度较高指标的人口暴露数量，以期为汾渭平原制定区域的大气污染防控政策提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

汾渭平原（33°33'～38°42'N，106°20'～114°07'E）北起山西省代县，南至陕西省秦岭山脉，西至陕西省宝鸡市，呈东北-西南方向的分布，位列中国第四大平原，主要涉及3省11个地级市，包括吕梁、晋中、临汾、运城、洛阳、三门峡、西安、咸阳、宝鸡、铜川、渭南（图1）。汾渭平原属于温带季风性半湿润气候，境内有吕梁山和秦岭山脉，另有太原盆地、临汾盆地、运城盆地、关中盆地、洛阳盆地等。境内产业布局密集，能源结构以煤为主，第二产业发展较迅速，交通运输以公路运输为主［12］。

1.2 数据来源

大气污染物浓度月均值数据（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3）来源于中国空气质量在线监测分析平台（https：//www.aqistudy.cn/），时间为2015年1月至2020年12月，其中CO浓度数据为日均值第95百分位浓度，O3浓度数据为日最大8小时平均第90百分位浓度，常住人口数据来源于2021年河南、山西、陕西省的统计年鉴。

1.3 数据处理

采用统计分析、重心模型等方法，分析了汾渭平原11个地级市的大气污染物分布状况。受多种因素的影响，网站发布的数据存在部分异常值，剔除异常值后用线性内插法对缺失数据进行插补。月均值由网站发布，年均值为每一年所有月均值的算术平均值。

重心是指研究区域内某属性的几何中心，重心的变动可反映区域某种属性的空间变迁情况和非均衡程度［13］。其计算公式为

Xt=[i=1nxiCiti=1nCit] （1）

Yt=[i=1nyiCiti=1nCit] （2）

式中，Xt，Yt分别是某时刻污染物重心的经度和纬度，xi，yi为第i个地级市的经度和纬度坐标，坐标数据采用各市政府所在地的坐标值，cit为t时刻第i个地级市的污染物浓度。某一污染物的重心向该污染物在总体中所占比例增大的地区移动。重心移动可以有效地反映各污染物6年来在空间上的不均衡变化，较好的表明研究区内大气污染物的区域差异。假设dt+1表示第t+1时刻相较于t时刻的重心移动距离，则

dt+1=k[（xt+1-xt）2+（yt+1-yt）2] （3）

式中：常数k=111.111，是地理坐标单位（°）转化为平面坐标距离（km）的系数；k（xt+1-xt），k（yt+1-yt）表示污染重心在经度、纬度方向上移动的距离，两者的比值决定污染重心移动的方向。

2 结果与讨论

2.1 汾渭平原大气污染物的时间变化

2.1.1 年变化特征 由图2可以看出，2015—2020年汾渭平原PM2.5、PM10虽在个别年份有所起伏但整体上呈现波动下降趋势，年均浓度分别下降4.70 μg/m3、8.92 μg/m3。2015—2020年SO2、CO整体呈下降趋势，年均浓度分别下降5.87 μg/m3、0.17 mg/m3，SO2下降幅度最大。NO2先上升后下降，呈波动变化，O3整体上呈上升趋势，年均浓度上升3.98 μg/m3。由此可以看出汾渭平原空气质量总体上呈良好趋势，但O3逐渐成为汾渭平原空气质量新的威胁，未来应对O3污染问题加以重视。2020年处于“新冠”疫情期间，平原各城市废气、SO2、氮氧化物排放量、工业固体废物产生量显著低于2019年，所以各污染物浓度均比2019年低，表明大气污染物浓度与人类活动、社会经济生活有着很大联系。

2.1.2 月变化特征 由图3可知，6种大气污染物均有明显的季节性特征，其中PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO的浓度峰值出现在冬季12月、1月左右，低值出现在夏季7、8月份。O3的变化特征与其他5种污染物的特征相反，峰值出现在6、7月份左右，低值出现在12月、1月。汾渭平原这6种大气污染的季节变化特征与华北地区［5］类似。

PM2.5、PM10的季节变化趋势较为一致，冬季处于最高水平。原因可能是冬季气温和光照强度等气象因素和冬季燃煤燃烧均影响PM2.5、PM10的污染水平，且不利于其扩散［6］。NO2浓度在7、8月份较低，夏季降水量大，温度高，降水的冲刷作用有效地减少了空气中的NO2［14］。O3的形成与VOCs等前体物有关，与温度、日间紫外辐射呈正相关，湿度呈负相关［15］，因此O3夏季浓度高、冬季低。

这6年中SO2和CO冬季下降幅度最大，SO2峰值由2016年12月的105.64 μg/m3下降到2020年12月的18 μg/m3，下降率为82.96%，CO峰值由2016年1月的2.73 mg/m3下降到2020年12月的1.09 mg/m3，下降率达60.07%。SO2主要来源于燃料燃烧和工业生产排放，CO主要以工业生产、生物质燃烧和机动车排放为主［16］，說明使用清洁能源和加强工业排放的控制能有效地改善空气质量。

在“新冠”疫情爆发前后，PM2.5、PM10、CO月均浓度冬春季节下降明显，SO2、NO2冬季下降明显，O3在冬夏季节明显变化，表现出夏季下降，冬季上升的特征。上述特征可能与疫情期间防控政策、交通量、复工复产率有关，同时气象条件也是引起这一新变化的重要因素［17］，各污染物疫情期间冬春季节的特征与京津冀地区［17］、南京地区［18］相似。

2.2 汾渭平原大气污染物的空间分布

2.2.1 大气污染物空间分布特征 PM2.5作为汾渭平原的主要大气污染物，其浓度空间分布特征在不同年份表现不一，2015—2017年以及2019年南部地区PM2.5浓度高于北部地区，2018和2020年间则呈现相反的特征（图4），临汾、运城地区PM2.5污染较严重。PM10的污染特征与PM2.5略有不同，2015—2017年污染主要集中在平原南部且范围有减小的趋势，2018—2020年南部和北部都有分布且污染范围有扩大的趋势。

SO2下降趋势较为显著，2015—2017年汾渭平原北部的污染较为严重，可能是由于临汾地区的控制措施不到位和产业结构向来依赖煤炭等因素所致［19］。CO污染主要集中在临汾、运城等地区，2018—2020年下降明显。NO2污染的空间分布较为复杂，2015—2017年NO2在西南部和北部污染范围逐渐扩大，2018—2020年范围逐渐减小。

O3近年来成为影响汾渭平原空气质量新的污染物，O3浓度高的地区主要集中在临汾、运城地区，南部和北部的浓度均较高。2017年临汾的O3浓度为118.67 μg/m3，运城的O3浓度为118.58 μg/m3。

2.2.2 主要大气污染物PM2.5、PM10、O3的重心分布 由图5和表1可知，总体上看PM2.5的重心较为集中，O3的重心分布较为分散，表明O3污染在空间上变化程度最大。PM2.5的重心迁移在2018—2019年最大，迁移距离为9.94 km，迁移方向为东北至西南方向。2019—2020年迁移最小，迁移距离为2.48 km，迁移方向为东南至西北方向，相关研究表明渭南、西安、咸阳、宝鸡、临汾等地区，由于喇叭口地形的不利扩散条件与高强度的排放源条件，在大气传输中，更容易受到本地及邻近区域排放污染物的影响［6］。同时人口越多、GDP越高、能源消耗越大的地区，PM2.5浓度越高［20］，由于以上自然和人为因素的影响，使得PM2.5主要集聚在平原的西南方向。

PM10的来源不仅受到人为影响，还受到沙尘传输的影响。研究发现汾渭平原秋冬季颗粒物污染主要受到西北方向的沙尘传输、工业粉尘、秸秆焚烧以及京津冀周边的粒子传输影响［21］。PM10的重心迁移在2016—2017年最大，迁移距离为9.16 km，迁移方向为西北至东南方向。2018—2019年迁移最小，迁移距离为2.48 km，迁移方向为西北至东南方向。2017—2020年PM10的重心迁移主要受到北方频发的沙尘天气的影响。

O3的重心迁移情况表明O3更易受到来自东北方向污染传输的影响，这可能与自身的气象条件和京津冀周边的污染有关。O3的重心分布表明O3在研究区域内皆有分布且情况较为复杂。相关研究发现汾渭平原能源结构层次较低，机动车尾气引起的NOx排放可能是导致O3污染程度较高的重要原因［22］。

2.2.3 污染物来源分析 PM2.5/PM10的比值通常被用来判断大气颗粒物中细粒子（PM2.5）对PM10贡献的指标［23］，如图6所示，2015—2020年各城市PM2.5/PM10的比值虽有起落，但总体上变化不大，均值变化范围为0.49～0.60。除吕梁外，其他城市的比值均高于0.5，表明粗粒子对PM10的贡献高于细粒子，该比值接近京津冀地区［24］。

NO2/SO2可以反映燃煤源和移动源对污染贡献的变化［25］，汽车尾气排放等移动源主要与NO2的排放相关，SO2主要来源于煤炭燃烧、工业生产和生活排放等固定源。如图7所示，2015—2020年各城市NO2/SO2的比值具有显著差异，均值变化范围为0.93～3.64。临汾均值低于1，表明临汾的大气污染主要受到煤炭燃烧等固定源影响；运城、吕梁、晋中等地区均值接近于1，说明固定源和移动源对这些城市的污染都有贡献；西安、三门峡、洛阳、渭南、铜川、咸阳、宝鸡等汾渭平原南部城市的比值较高，尤其是西安，均值为3.64，表明这些地区的污染主要受到移动源的影响。

2.3 PM2.5、O3人口暴露

2015—2020年汾渭平原O3污染严重，浓度不断上升，该地区存在PM2.5和O3的复合污染，PM2.5和O3又与人类的健康息息相关，暴露在较高水平的浓度下会增加肺病和呼吸病的患病率，引起过早死亡［26］。基于此，根据污染物PM2.5、O3国家环境空气质量二级和一级标准限值，将汾渭平原2015—2020年PM2.5和O3年均濃度分别划分为4个和6个区间，在此基础上分析暴露在不同浓度区间的人口占比情况。

由表2可知，PM2.5浓度超过70 μg/m3的主要是2015—2017年，其中2016年污染最为严重，暴露在70 μg/m3以上的人口达到63.13%，2018—2020年人口主要暴露在50～60 μg/m3的年均浓度中，2020年由于社会经济等原因，空气质量大有改善。随着PM2.5浓度的整体降低，暴露在70 μg/m3以上的人口也逐渐减少，但仍与（GB3095-2012）《环境空气质量标准》中规定的35 μg/m3二级限值相距甚远，总体上看PM2.5的人口暴露得到有效控制。

O3的人口暴露形势不容乐观，2017年和2019年暴露在一级限值（100 μg/m3）以上的人口百分比分别为46.97%，38.39%。2016—2020年人口主要暴露在80～100 μg/m3的年均浓度中，总体上看暴露在100 μg/m3以上的人口呈上升趋势，虽在2018和2020年有所下降，但面临风险仍较高。

3 结论

（1）时间上看，2015—2020年汾渭平原大气NO2、SO2、CO整体呈下降趋势，SO2下降幅度最大，PM2.5、PM10污染问题得到改善，O3呈上升趋势，污染情况仍不容乐观。由此可见，汾渭平原各城市空气质量有好转趋势，“蓝天保卫战”行动初见成效。季节变化上看，PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO均表现出冬高夏低的特点，而O3则表现出相反的特征。

（2）空间上看，2015—2020年汾渭平原大气污染物的空间分布特征不一。PM2.5浓度较高地区主要集中在临汾、运城等地。PM10的污染特征与PM2.5有所不同，在平原南北部都有分布。SO2、NO2污染在平原北部较严重，O3、CO在临汾、运城较严重。从重心来看，PM2.5的重心较为集中，O3的重心分布较为分散。PM2.5/PM10的比值表明各城市大气颗粒物中细粒子所占的比重较大。NO2/SO2的比值表明除临汾外，移动源污染对汾渭平原其他城市的空气质量有重要影响。

（3）PM2.5和O3人口暴露数量评估结果显示：2015—2020年汾渭平原暴露在PM2.5浓度超标情况下的人口得到有效控制，暴露在O3浓度超标情况下的人口整体呈上升趋势。后续大气污染防治工作尤其要关注人口较为密集的区域。

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Spatiotemporal Distribution Characteristics and Population Exposure of Air Pollution in the Fenwei Plain from 2015 to 2020

HONG Wei-lin1， MIAO Yu-qing1， JIA Xue-ying2， SUN Fang-hu1， LUO Hao1， HONG Hui-juan1， WANG Meng-xing1

（1.Anhui Provincial Key Laboratory of Surface Process and Regional Response in Jianghuai River Basin， School of Geography and Tourism， Anhui Normal University， Wuhu  241003， China; 2. School of Geography， Taiyuan Normal University， Jinzhong  030619， China）

Abstract：Based on the long-term monitoring data for air pollutants （PM2.5， PM10， SO2， NO2， CO， O3） released by China's air quality online monitoring and analysis platform， the spatial and temporal distribution characteristics of these six air pollutants from 13 cities of Fenwei plain from 2015 to 2020 were analyzed by using statistical analysis and barycenter model. Combined with the urban resident population data， the quantity of population exposure to PM2.5 and O3 were evaluated. The results showed that： （1） The main air pollutants from Fenwei Plain were PM2.5， PM10 and O3， while the levels of SO2， NO2 and CO pollution were not obvious. （2） The obvious seasonal characteristics were shown in these six air pollutants. The concentrations of PM2.5， PM10， SO2， NO2， and CO were lower in summer and autumn and higher in winter and spring. The highest and lowest concentrations of these air pollutants generally occurred in January and July， respectively. While， the seasonal characteristics of O3 concentration were opposite to the mentioned air pollutants. （3） Spatially， the pollution situation in the southern regions was more serious than those in the northern regions from 2015 to 2020. The barycenter of PM2.5 was more concentrated， and the barycenter of O3 was relatively dispersed. The pollution of fine particles and mobile sources had a great impact on air quality of the plain. （4） During the study period， the population of Fenwei plain exposed to PM2.5 concentrations was effectively controlled， and the population exposed to excessive O3 concentrations gradually increased. Thus， O3 became the main pollutant threatening the air quality of Fenwei Plain.

Key words：air pollution; Fenwei Plain; spatial-temporal distribution; barycenter model; population exposure quantity

（责任编辑：巩 劼）