基于環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)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(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430062)

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基于環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)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(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430062)

根據(jù)湖北省武漢市大氣主要污染物的濃度數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量指數(shù)，運(yùn)用線性回歸分析、主成分分析法對(duì)其大氣污染特征進(jìn)行系統(tǒng)分析。結(jié)果表明，PM2.5對(duì)空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)率最大，為武漢市大氣的首要污染物，其濃度季節(jié)變化為冬季﹥春季﹥秋季﹥夏季。最后針對(duì)武漢市大氣污染特征提出防治措施，旨在為改善空氣質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

武漢市；污染物濃度；空氣質(zhì)量指數(shù)；PM2.5

我國(guó)大氣污染形勢(shì)嚴(yán)峻，霧霾頻發(fā)，已波及到全國(guó)17個(gè)省市，超過8億人口受到影響。頻發(fā)的霧霾成為了人們的“心肺之患”，導(dǎo)致一些呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率上升及大氣能見度下降，給人們的生產(chǎn)生活帶來極大困擾[1]。PM2.5(粒徑≤2.5μm)是構(gòu)成霧霾的主要成分，是空氣復(fù)合污染的關(guān)鍵污染物[2-4]。因此對(duì)PM2.5的研究成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。湖北省武漢市近年霧霾頻發(fā)成患，2012年6月遭遇霧霾嚴(yán)重侵襲；2013年1月PM2.5超標(biāo)率為96.8%，超《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》日均限值4.52倍，10～12月持續(xù)霧霾，霧霾天數(shù)分別達(dá)到27、22、21d，尤其10月達(dá)到自1961年以來同期極值，同年武漢市曾三度啟動(dòng)空氣污染應(yīng)急響應(yīng)；2014年6月再次遭遇霧霾，11月23日武漢被濃霧籠罩，空氣質(zhì)量指數(shù)達(dá)到峰值(441)，排名全國(guó)倒數(shù)第一，空氣質(zhì)量面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[5]。造成武漢市霧霾頻發(fā)的原因主要是隨著中部崛起戰(zhàn)略的實(shí)施，武漢市積聚了較多的產(chǎn)業(yè)，燃煤、工業(yè)、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(tái)，至2015年上半年卻達(dá)到了205.8萬臺(tái)，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(kuò)散。基于此，筆者根據(jù)2013～2015年武漢市污染物濃度數(shù)據(jù)和環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)對(duì)武漢市環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行分析，旨在為改善大氣狀況及減少霧霾提供科學(xué)依據(jù)。

1　數(shù)據(jù)來源

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)，選取武漢市城區(qū)(國(guó)控點(diǎn)平均值)2013～2015年的6項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容(SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10)的濃度值、空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)武漢市環(huán)境保護(hù)局提供的監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取10個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為沌口新區(qū)、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(duì)照點(diǎn))；其余為市控點(diǎn)。

2　武漢市大氣污染特征

2.1污染物濃度超標(biāo)比例分析利用武漢市2013～2015年的大氣污染物數(shù)據(jù)[6-8]，對(duì)照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)空氣污染項(xiàng)目基本濃度限值進(jìn)行分析(表1)。結(jié)果表明，武漢市2013～2015年空氣優(yōu)良指數(shù)分別為159、182和201d，呈現(xiàn)一個(gè)上升的趨勢(shì)。其中，SO2、CO達(dá)標(biāo)，其余均超標(biāo)。由表2可知，PM2.5的超標(biāo)率最大，其次為PM10、NO2、O3。武漢市2013～2015年大氣污染物濃度超標(biāo)率呈遞逐年減狀態(tài)，說明大氣污染控制已取得了一定的成果。

表1　環(huán)境空氣主要污染物項(xiàng)目濃度限值

注：CO單位為mg/m3，其余污染項(xiàng)目單位均為μg/m3。

Note:UnitofCowasmg/m3,unitofotheritemswasμg/m3。

2.2污染物濃度貢獻(xiàn)率分析利用主成分分析法對(duì)武漢市2014年1月～2015年12月6個(gè)指標(biāo)的大氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出主要的污染因子。主要基于SPSS18.0進(jìn)行分析[9-11]。2.2.1計(jì)算特征值及主成分貢獻(xiàn)率。通過協(xié)方差矩陣，可以求出每一個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的特征值、解釋方差以及累積方差貢獻(xiàn)率(表3)。從表3可以看出，前2個(gè)主成分的方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)到91.309%，說明前2個(gè)主成分已可以反映原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息，因此確定主成分個(gè)數(shù)為2個(gè)。

表22013～2015年武漢市環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)超標(biāo)比例

Table2Proportionofenvironmentalqualityindexfrom2013to2015inWuhanCity

年份Year超標(biāo)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(xiàn)率

2.2.2計(jì)算主成分特征向量和主成分表達(dá)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(shù)據(jù)除以主成分相對(duì)應(yīng)的特征值，再開平方根便可得到2個(gè)主成分中每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù)(表4)。

表4　2個(gè)主成分的特征向量

由表4可得，這2個(gè)主成分與各個(gè)變量的線性組合關(guān)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(gòu)成來看，PM2.5的絕對(duì)值最大，說明其起主導(dǎo)作用，是影響空氣質(zhì)量的主要因子。

2.3空氣質(zhì)量指數(shù)與主要污染物指數(shù)的關(guān)系空氣質(zhì)量指數(shù)是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)，當(dāng)空氣質(zhì)量指數(shù)>50時(shí)對(duì)應(yīng)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(zhì)量指數(shù)的擬合關(guān)系[12]，結(jié)果見圖1、2。

大氣環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)與空氣質(zhì)量指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系分析表明：SO2、NO2、PM10、PM2.5日均濃度與空氣質(zhì)量指數(shù)的相關(guān)系數(shù)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(zhì)量指數(shù)的相關(guān)系數(shù)最大，其次是PM10。說明PM2.5對(duì)空氣質(zhì)量指數(shù)的貢獻(xiàn)最大，空氣質(zhì)量指數(shù)>50時(shí)對(duì)應(yīng)的污染物為PM2.5，其天數(shù)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(jié)變化隨著城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)空氣污染物的狀況和性質(zhì)發(fā)生了顯著變化，傳統(tǒng)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(guó)很多城市的首要空氣污染物[13]。對(duì)PM2.5、PM10的日平均濃度值進(jìn)行進(jìn)一步分析，結(jié)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(jié)變化規(guī)律，表現(xiàn)為冬季>春季>秋季>夏季，冬季明顯大于夏季，春、秋季節(jié)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(dòng)減弱，大氣擴(kuò)散條件不佳，容易造成當(dāng)?shù)匚廴纠鄯e；冬季受偏北風(fēng)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(duì)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(jié)論

(1)武漢市大氣污染物的超標(biāo)率呈逐年遞減狀態(tài)，說明武漢市在全國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，其在機(jī)動(dòng)車尾氣治理與城市揚(yáng)塵控制、農(nóng)村綜合整治與城區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)警及大氣污染治理方面已取得了一定成效。

(2)通過對(duì)主要污染物指數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析及運(yùn)用主成分分析法對(duì)污染物濃度進(jìn)行分析，得出PM2.5對(duì)空氣質(zhì)量指數(shù)的貢獻(xiàn)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(xiàn)有規(guī)律的時(shí)空分布，冬季最高且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于春、夏、秋季，春、秋季相差不大，夏季最低。針對(duì)這一情況應(yīng)積極啟動(dòng)冬季污染天氣“削峰”工作，降低污染物濃度[17]。

(3)PM2.5是構(gòu)成霧霾的主要成分，也是空氣復(fù)合污染的關(guān)鍵污染物，其污染狀況、化學(xué)特征、形成機(jī)制及來源值得我們今后繼續(xù)研究。面對(duì)當(dāng)前嚴(yán)峻的大氣污染形勢(shì)應(yīng)積極采取有效措施，堅(jiān)持走低碳、環(huán)保、綠色發(fā)展之路，樹立生態(tài)文明發(fā)展理念，攻堅(jiān)克難以減霾、治霾[18-19]。如嚴(yán)格控制煤炭消費(fèi)總量、城市揚(yáng)塵污染，加強(qiáng)社會(huì)生活及農(nóng)業(yè)污染防治，強(qiáng)化機(jī)動(dòng)車污染防治，嚴(yán)格控制機(jī)動(dòng)車保有量等，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

注：a、b、c、d分別為SO2、NO2、PM10、PM2.5與空氣質(zhì)量指數(shù)擬合關(guān)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(zhì)量指數(shù)與主要污染物指數(shù)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(zhì)量指數(shù)擬合關(guān)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(zhì)量指數(shù)與主要污染物指數(shù)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(diǎn)項(xiàng)目(D2015003)；湖北省科技廳軟科學(xué)專項(xiàng)(2013BDF034)。

高丹丹(1990- )，女，山西大同人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境地理。*通訊作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事環(huán)境生態(tài)、環(huán)境規(guī)劃、生態(tài)補(bǔ)償研究。

2016-05-25

S181.3

A

0517-6611(2016)18-058-04