基于環境空氣質量數據的湖北省武漢市大氣污染特征研究

高丹丹， 趙麗婭，李 成，程 暢

(湖北大學資源環境學院，湖北武漢 430062)

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基于環境空氣質量數據的湖北省武漢市大氣污染特征研究

高丹丹， 趙麗婭*，李 成，程 暢

(湖北大學資源環境學院，湖北武漢 430062)

根據湖北省武漢市大氣主要污染物的濃度數據、空氣質量指數，運用線性回歸分析、主成分分析法對其大氣污染特征進行系統分析。結果表明，PM2.5對空氣質量的貢獻率最大，為武漢市大氣的首要污染物，其濃度季節變化為冬季﹥春季﹥秋季﹥夏季。最后針對武漢市大氣污染特征提出防治措施，旨在為改善空氣質量提供科學依據。

武漢市；污染物濃度；空氣質量指數；PM2.5

我國大氣污染形勢嚴峻，霧霾頻發，已波及到全國17個省市，超過8億人口受到影響。頻發的霧霾成為了人們的“心肺之患”，導致一些呼吸系統疾病發病率上升及大氣能見度下降，給人們的生產生活帶來極大困擾[1]。PM2.5(粒徑≤2.5μm)是構成霧霾的主要成分，是空氣復合污染的關鍵污染物[2-4]。因此對PM2.5的研究成為人們關注的熱點之一。湖北省武漢市近年霧霾頻發成患，2012年6月遭遇霧霾嚴重侵襲；2013年1月PM2.5超標率為96.8%，超《環境空氣質量標準》日均限值4.52倍，10～12月持續霧霾，霧霾天數分別達到27、22、21d，尤其10月達到自1961年以來同期極值，同年武漢市曾三度啟動空氣污染應急響應；2014年6月再次遭遇霧霾，11月23日武漢被濃霧籠罩，空氣質量指數達到峰值(441)，排名全國倒數第一，空氣質量面臨嚴峻挑戰[5]。造成武漢市霧霾頻發的原因主要是隨著中部崛起戰略的實施，武漢市積聚了較多的產業，燃煤、工業、建筑和交通等均成為大氣污染的主要排放源。如，武漢汽車保有量在2013年為153萬臺，至2015年上半年卻達到了205.8萬臺，汽車尾氣排放有增無減。此外，在逆溫等不利氣象條件下，周圍省市霧霾、浮塵天氣、秸稈燃燒等外源污染物盤踞武漢上空難以擴散。基于此，筆者根據2013～2015年武漢市污染物濃度數據和環境空氣質量指數對武漢市環境空氣質量進行分析，旨在為改善大氣狀況及減少霧霾提供科學依據。

1　數據來源

根據《環境空氣質量標準》(GB3095—2012)，選取武漢市城區(國控點平均值)2013～2015年的6項監測內容(SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10)的濃度值、空氣質量指數數據進行分析。根據武漢市環境保護局提供的監測點選取10個國控監測點，分別為沌口新區、吳家山、漢陽月湖、漢口花橋、漢口江灘、武昌紫陽、東湖梨園、東湖高新、青山鋼花、沉湖七壕(對照點)；其余為市控點。

2　武漢市大氣污染特征

2.1污染物濃度超標比例分析利用武漢市2013～2015年的大氣污染物數據[6-8]，對照國家標準空氣污染項目基本濃度限值進行分析(表1)。結果表明，武漢市2013～2015年空氣優良指數分別為159、182和201d，呈現一個上升的趨勢。其中，SO2、CO達標，其余均超標。由表2可知，PM2.5的超標率最大，其次為PM10、NO2、O3。武漢市2013～2015年大氣污染物濃度超標率呈遞逐年減狀態，說明大氣污染控制已取得了一定的成果。

表1　環境空氣主要污染物項目濃度限值

注：CO單位為mg/m3，其余污染項目單位均為μg/m3。

Note:UnitofCowasmg/m3,unitofotheritemswasμg/m3。

2.2污染物濃度貢獻率分析利用主成分分析法對武漢市2014年1月～2015年12月6個指標的大氣質量數據進行分析，得出主要的污染因子。主要基于SPSS18.0進行分析[9-11]。2.2.1計算特征值及主成分貢獻率。通過協方差矩陣，可以求出每一個主成分所對應的特征值、解釋方差以及累積方差貢獻率(表3)。從表3可以看出，前2個主成分的方差累積貢獻率達到91.309%，說明前2個主成分已可以反映原始數據的絕大部分信息，因此確定主成分個數為2個。

表22013～2015年武漢市環境質量指標超標比例

Table2Proportionofenvironmentalqualityindexfrom2013to2015inWuhanCity

年份Year超標比例Excessivearea∥%NO2O3PM2.5PM10201322.4913.9348.5329.88201413.267.1345.5722.58201511.2415.0034.1018.13

表3　特征值及主成分貢獻率

2.2.2計算主成分特征向量和主成分表達式。利用SPSS軟件先求出主成分載荷矩陣，然后將主成分載荷矩陣中的數據除以主成分相對應的特征值，再開平方根便可得到2個主成分中每個指標所對應的系數(表4)。

表4　2個主成分的特征向量

由表4可得，這2個主成分與各個變量的線性組合關系分別為：

Z1=0.428ZSO2+0.434ZNO2+0.399ZPM10+0.444ZPM2.5+0.410ZCO-0.321ZO3

(1)

Z2=0.102ZSO2+0.193ZNO2+0.503ZPM10+0.126ZPM2.5-0.348ZCO+0.750ZO3

(2)

從第一主成分的特征向量構成來看，PM2.5的絕對值最大，說明其起主導作用，是影響空氣質量的主要因子。

2.3空氣質量指數與主要污染物指數的關系空氣質量指數是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數，當空氣質量指數>50時對應的污染物即為首要污染物。該研究主要分析了2014和2015年SO2、NO2、PM2.5、PM10與空氣質量指數的擬合關系[12]，結果見圖1、2。

大氣環境質量指標與空氣質量指數間的相關關系分析表明：SO2、NO2、PM10、PM2.5日均濃度與空氣質量指數的相關系數R2(2014年分別為0.360、0.337、0.697、0.966；2015年分別為0.318、0.385、0.687、0.880)中，PM2.5與空氣質量指數的相關系數最大，其次是PM10。說明PM2.5對空氣質量指數的貢獻最大，空氣質量指數>50時對應的污染物為PM2.5，其天數最多，因此今后需采取控制以PM2.5為主的大氣污染防治措施。

2.4主要污染物的季節變化隨著城市化進程的加快，我國空氣污染物的狀況和性質發生了顯著變化，傳統污染物SO2和總懸浮顆粒物得到一定控制，但顆粒物污染仍然是我國很多城市的首要空氣污染物[13]。對PM2.5、PM10的日平均濃度值進行進一步分析，結果見表5。由表5可知，武漢市大氣PM2.5、PM10濃度呈顯著的季節變化規律，表現為冬季>春季>秋季>夏季，冬季明顯大于夏季，春、秋季節相差不明顯。這主要是由于武漢地處平原、山地交叉帶，冬季大氣活動減弱，大氣擴散條件不佳，容易造成當地污染累積；冬季受偏北風的影響將北方污染物輸入武漢；而夏季由于受降水等影響，PM2.5、PM10濃度相對較低[14-16]。

表5 2014～2015年武漢市大氣PM2.5、PM10日平均濃度值

Table5ThedailyaverageconcentrationofPM2.5andPM10inWuhanCityform2014to2015

μg/m3

注：春季為3～5月，夏季為6～8月，秋季為9～11月，冬季為12月～翌年2月。

Note:SpringwasfromMarchtoMay;summerwasfromJunetoAugust;AutumnwasfromSeptembertoOctober;andwinterwasfromDecembertoFebruaryofthenextyear.

3　結論

(1)武漢市大氣污染物的超標率呈逐年遞減狀態，說明武漢市在全國生態文明建設的大背景下，其在機動車尾氣治理與城市揚塵控制、農村綜合整治與城區空氣質量預警及大氣污染治理方面已取得了一定成效。

(2)通過對主要污染物指數與空氣質量指數進行相關性分析及運用主成分分析法對污染物濃度進行分析，得出PM2.5對空氣質量指數的貢獻率最大，其次是PM10，所以PM2.5為首要污染物。PM2.5、PM10日均濃度值均呈現有規律的時空分布，冬季最高且遠遠高于春、夏、秋季，春、秋季相差不大，夏季最低。針對這一情況應積極啟動冬季污染天氣“削峰”工作，降低污染物濃度[17]。

(3)PM2.5是構成霧霾的主要成分，也是空氣復合污染的關鍵污染物，其污染狀況、化學特征、形成機制及來源值得我們今后繼續研究。面對當前嚴峻的大氣污染形勢應積極采取有效措施，堅持走低碳、環保、綠色發展之路，樹立生態文明發展理念，攻堅克難以減霾、治霾[18-19]。如嚴格控制煤炭消費總量、城市揚塵污染，加強社會生活及農業污染防治，強化機動車污染防治，嚴格控制機動車保有量等，以實現經濟社會和生態環境的可持續協調發展。

注：a、b、c、d分別為SO2、NO2、PM10、PM2.5與空氣質量指數擬合關系。　Note: a, b, c and d were the fitting correlation between air quality index and SO2, NO2, PM10 and PM2.5, respectively. 圖1　2014年空氣質量指數與主要污染物指數的擬合曲線Fig. 1　Fitting curve between air quality index and the main pollutant indexes in 2014

注：a、b、c、d分別為SO2、NO2、PM10、PM2.5與空氣質量指數擬合關系。　Note: a, b, c and d were the fitting correlation between air quality index and SO2, NO2, PM10 and PM2.5, respectively. 圖2　2015年空氣質量指數與主要污染物指數的擬合曲線Fig. 2　Fitting curve between air quality index and the main pollutant indexes in 2015

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CharacteristicsofAirPollutionBasedontheEnvironmentalQualityDatainWuhanCity

GAODan-dan,ZHAOLi-ya*,LIChengetal

(SchoolofResourceandEnvironmentalScience,HubeiUniversity,Wuhan,Hubei430062)

Accordingtoconcentrationdataofthepollutantsandairqualityindex,weanalysedtheatmosphericpollutioncharacteristicsinWuhanCitybyusinglinearregressionanalysisandprincipalcomponentanalysis.TheresultsshowedthatPM2.5ofthelargestcontributionratewastheprimaryatmospherepollutant,itsseasonalvariationinconcentrationwasintheorderofwinter>spring>autumn>summer.Finally,controlmeasureswereputforwardaccordingtotheairpollutioncharacteristicsofWuhanCity,aimingatprovidingscientifictheoreticalbasisfortheimprovementofairquality.

WuhanCity;Pollutantconcentration;Airqualityindex;PM2.5

湖北省教育廳重點項目(D2015003)；湖北省科技廳軟科學專項(2013BDF034)。

高丹丹(1990- )，女，山西大同人，碩士研究生，研究方向：環境地理。*通訊作者，副教授，碩士生導師，從事環境生態、環境規劃、生態補償研究。

2016-05-25

S181.3

A

0517-6611(2016)18-058-04