2019年湖南省环境空气质量时空变化特征分析

摘 要：该文通过空间克里金插值、多元统计分析等方法对2019年湖南省87个地面国控点空气质量监测站的特护期和非特护期空气质量数据进行分析，研究2019年湖南省环境空气质量和主要污染物指标PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2和CO的时空变化规律。研究结果表明，2019年湖南省环境空气质量状况整体良好，优良天数比例为83.7%；全省SO2浓度均值全年呈平缓上升趋势，CO、PM2.5、NO2、PM10浓度呈“冬高夏低”，而O3浓度呈“夏高冬低”规律。2019年全省特护期整体空气质量状况比非特护期差，其中PM2.5、PM10、NO2贡献较大，但非特护期的O3污染也值得关注。湘中、湘北城市整体空气质量相对较差，尤其是长株潭等经济发达区域污染更为突出。

关键词：湖南省；大气污染物；时空变化；特护期；长株潭城市群

中图分类号：X51 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）27-0123-04

Abstract： In this paper， the air quality data of special protection period and non-special protection period of 87 air quality monitoring stations in Hunan Province in 2019 were analyzed by means of spatial Kriging interpolation and multivariate statistical analysis， and the spatio-temporal changes of ambient air quality and main pollutant indexes PM2.5， PM10， O3， NO2， SO2 and CO in Hunan Province in 2019 were studied. The results show that in 2019， the ambient air quality in Hunan Province is good as a whole， and the proportion of excellent days is 83.7%; the average concentration of SO2 in the province shows a gentle upward trend throughout the year， and the concentration of CO， PM2.5， NO2 and PM10 is "high in winter and low in summer"， while the concentration of O3 is "high in summer and low in winter". In 2019， the overall air quality of the special care period in the province is worse than that of the non-special care period， in which PM2.5， PM10 and NO2 contribute more， but the O3 pollution in the non-special care period is also worthy of attention. The overall air quality in central and northern Hunan is relatively poor， especially in economically developed areas such as Changsha， Zhuzhou and Xiangtan.

Keywords： Hunan Province; air pollutant; spatio-temporal change; special protection period; Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Urban agglomeration

随着我国工业水平不断提高，长期以来高污染、高耗能、低效率和粗放型的经济发展模式加剧了中国生态环境脆弱性，导致重污染天气频发。目前，大气污染已经成为我国最被关注的环境问题之一[1-2]。PM2.5作为大气环境监测因子，具有直径小，活性强，比表面积大等特点，可以在空气中悬浮较长时间，从而通过引发心脑血管和肺部疾病损害人体健康[3]。此外，PM2.5污染对经济发展也会产生一定的负面影响。如陈莎等[4]研究结果表明，2017年北京、天津、石家庄由PM2.5污染所造成的经济损失分别为333.91、211.09和169.34亿元。近地面高浓度的O3作为光化学烟雾的重要组成部分，也会对人体肺部呼吸和神经等部位产生重大危害，引发癌变和心脑血管等疾病[5-8]。SO2、NO2和CO等可通过形成酸沉降或促进/参与大气颗粒物的形成，影响人体健康[8]。因此，了解区域空气污染演变特征及时空变化规律，深入研究造成空气污染的主要污染物因子十分重要。

目前已有众多学者对于各区域空气质量变化进行了大量研究，如郭雯雯等[9]对长江中游城市群空气质量时空变化特征及影响因素进行了分析，王丽娜等[10]对于黑龙江省2018年环境空气质量的时空变化特征进行了研究。但不同省份的气候条件及当地的排放情况不同会导致各地环境空气质量的时空变化特征存在明显差异[11-12]。本研究通过对2019年湖南省特护期和非特护期的空气环境质量进行时空特征分析为湖南省制定区域大气污染防控政策及有效应对重污染天气提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

湖南省2019年87个国控环境空气自动监测SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO（95 per）和O8－8h（90 per）共6项监测指标的日均浓度值数据来源于湖南省城市空气质量实时发布平台。

1.2 研究方法

1.2.1 GIS空间分析

各项监测指标的空间分布特征通过ArcGIS软件的克里金插值进行分析，采用半变异函数为球面函数进行计算。

1.2.2 非参数相关性检验分析

采用SPSS 26.0软件进行非参数检验分析和斯皮尔曼相关性分析。根据要素的选项数据量选择多独立样本的非参数检验，其通过分析多组独立样本，推断样本来自总体的中位数或分布是否存在显著差异。Mann-Whitney U检验方法是常用的非参数统计检验方法之一，主要用于比较两个独立样本的中位数是否存在显著差异[13]。其表达式为

式中：U1表示一个样本组的所有秩次之和；U2值表示另一个样本组的所有秩次之和；n1表示第1组样本的样本量；n2表示第2组样本的样本量；R1表示第1组样本的秩和；R2表示第2组样本的秩和。通过比较两个样本的U值，做出统计推断，判断两组数据是否存在显著差异。

2 结果与讨论

2.1 空气质量时间分布规律

2.1.1 月变化规律分析

如图1所示，2019年湖南省空气优良天数比例为83.7%，优良天数比例的月变化（1—12月）呈“M”型趋势，且春夏季优良天数比例高于秋冬季。全省3、4、5、6、7月平均优良天数比例高于94%，1、2、8、9、10、11、12月平均优良天数比例低于90%；且优良天数比例年内最高出现在4月（99%），最低出现在1月（48.8%）。

如图2所示，2019年湖南省重度及以上污染天数共62 d，集中出现在1月、2月和12月，分别占比77.4%、4.9%和17.7%。严重污染共有2天，均出现在1月。《2019年湖南省生态环境状况公报》显示，与2018年相比，2019年全省重度及以上污染天数增加了38 d。这一结果可能受2019年大气污染扩散条件差、大气自净能力持续走低影响。

图3显示了6项监测指标的月均值浓度变化趋势。结果表明，SO2浓度均值呈平缓上升趋势；而CO、PM2.5、NO2和PM10呈“两端高，中间低”的趋势，峰值出现在1月和12月，谷值出现在7月；O3均值浓度呈现出“先升后降”的趋势，谷值出现在1月，峰值出现在9月，这可能是2019年12月、9月和1月全省优良天数比例较低的原因。但《2019年湖南省生态环境状况公报》显示，全省的SO2、NO2和CO浓度均已达标，表明全省空气质量主要影响因子为PM10、PM2.5和O3。

2.1.2 特护期与非特护期空气质量

区域大气污染防治“特护期”实施方案是一种具有特殊针对性的环境管理规制措施[14-15]。湖南省大气污染防治特护期工作方案确立1月1日—3月15日和10月16日—12月31日（共计5个月）为特护期。本研究对湖南省特护期和非特护期的空气质量状况进行分析（图4、图5）。结果表明，2019年，全省14个市州特护期累计优良天数为1 617 d（76.5%），低于非特护期2 661 d（88.8%）；全省重度及以上污染天数全部出现于特护期，累计为62 d。其中，益阳、常德、邵阳和株洲特护期的优良天数比例低于全省平均值，分别比非特护期低34.3%、19.9%、14.8%和14.5%，表明这几个城市特护期间的空气质量值得关注。

从图6可以看出，全省SO2在特护期和非特护期的污染物浓度差别不大；但特护期的PM2.5、PM10、NO2和CO浓度比非特护期分别高出28 μg/m3、26 μg/m3、12 μg/m3和0.2 mg/m3，其中PM2.5浓度为非特护期的2.7倍，非特护期的O3浓度高于特护期。上述结果表明特护期的PM2.5、PM10、NO2和非特护期的O3污染值得关注。

2.2 空气质量空间分布规律

2.2.1 主要污染指标空间分布特征

2019年湖南省NO2整体污染较轻，但PM2.5、PM10、O3均呈现湘西和湘南污染较轻，湘北和湘中污染较重的特征，尤其是长株潭等经济较发达区污染相对较重。研究表明，大量的人为活动会影响区域环境空气质量[16-17]。因此，将长株潭城市群作为重点区域，对其空气质量污染因子特征进行进一步分析。

2.2.2 长株潭城市群与全省污染指标差异性检验

运用非参数法（Mann-Whitney U）检验长株潭城市群主要污染指标PM2.5、PM10、O3和NO2与全省之间差异性。结果见表1，长株潭城市群PM10和O3与全省差异不显著，但PM2.5和NO2的分布与全省具有显著性差异，说明长株潭城市群的PM2.5和NO2对空气污染贡献较大。

3 结论

2019年，湖南省全省空气质量状况良好，优良天数比例为83.7%，但较2018年有所下降。全省优良天数比例月度变化呈“M”型趋势，CO、PM2.5、NO2和PM10浓度呈现“夏低冬高”趋势，O3呈“夏高冬低”趋势，SO2全年变化不明显。2019年湖南省重度及以上污染天数共62 d，集中出现在特护期，即1月、2月和12月；空气质量主要影响因子为PM2.5、O3和PM10；其中，湘中、湘北城市整体空气质量相对较差，尤其是长株潭城市群污染较重，主要是由于区内的PM2.5和NO2的贡献较高。

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