近16年上海市空氣質(zhì)量變化趨勢及成因分析

俞華明,管擎宇,邰菁菁

（上海市嘉定區(qū)環(huán)境監(jiān)測站， 上海 201822）

0 引言

環(huán)境空氣污染危害人體、動物健康，影響植物生長，影響居民日常生活[1-2]。隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，人口密集程度上升，資源消耗總量增加，城市空氣質(zhì)量不容樂觀。近年來，大量的專家學者對城市環(huán)境空氣質(zhì)量與城市能源結(jié)構之間進行了相關研究，羅麗萍等[3-8]對烏魯木齊、北京市、天津、河南、江蘇等地能源消耗和大氣環(huán)境質(zhì)量之間的關系進行研究，結(jié)果表明：調(diào)整能源消費結(jié)構可以改善環(huán)境空氣質(zhì)量，城市環(huán)境空氣質(zhì)量與工業(yè)發(fā)展水平、民用車輛使用、能源結(jié)構等密切相關。

上海作為國家的中心城市和超大城市，近16年生產(chǎn)總值從5 000億元增加到25 000億元，人口密度達到3 809 km2/人。能源消耗也大幅上升，總消耗量從5.548 53×107t/a標準煤增至1.154 955×108t/a標準煤，機動車保有量從2001年的120萬輛增加到332萬輛，這些給上海的環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力。2000至2016年上海開展了6輪環(huán)保三年行動計劃。隨著《大氣污染防治行動計劃》的推進落實以及本市清潔空氣行動計劃的實施，上海市環(huán)境空氣質(zhì)量有所改善。張艷等[9]采用模型模擬的方式研究：上海受本地源和外地源的影響程度及相互比例隨季節(jié)的變化存在較大的差異，本地源排放仍是影響本地環(huán)境空氣質(zhì)量的主要原因。為了分析上海市環(huán)境空氣質(zhì)量變化趨勢及與能源結(jié)構的相關性，本文通過近16年來上海市環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，分析上海市環(huán)境空氣質(zhì)量變化趨勢并進行成因分析。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的上海市環(huán)境空氣中主要污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)來自上海市環(huán)境狀況公報[10]，能源消耗、人口增長、機動車保有量等數(shù)據(jù)來自上海統(tǒng)計年鑒[11]。

1.2 分析方法

使用Daniel趨勢檢驗方法（又名Spearman秩相關系數(shù)法）分析上海空氣污染物變化趨勢及其統(tǒng)計學顯著性特征，公式為：

式中：rs為秩相關系數(shù)；n為時間周期數(shù)，這里n取16；xi為年均值從小到大排列的序數(shù)；yi為年先后排列序數(shù)。將rs的絕對值與Spearman秩相關系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值Wp進行比較，如果則表明變化趨勢有顯著意義，如果rs是負值，則表明在評價時段內(nèi)有關統(tǒng)計量指標變化呈下降趨勢，如果rs是正值，則表明評價時段內(nèi)有關統(tǒng)計量指標變化呈上升趨勢。

2 結(jié)果

2.1 環(huán)境空氣質(zhì)量概況

2001~2016年，環(huán)境空氣中各項污染物總體呈下降趨勢，至2016年上海市環(huán)境空氣中6項主要污染物 SO2，PM10和 CO 已達到 GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》二級標準，NO2，O3接近二級標準但未達標，PM2.5距二級標準相差較大，有待進一步改善。環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良率統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：2001~2012年上海市環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良率(以API計)從84.7%逐步上升至93.7%。從2013年開始隨著GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》[12]的實施，環(huán)境空氣評價從API轉(zhuǎn)換為AQI，評價指標從3項(SO2，NO2，PM10)增加到 6 項(SO2，NO2，PM10，CO，O3，PM2.5)，空氣質(zhì)量優(yōu)良率急劇下降，2013年空氣質(zhì)量優(yōu)良率僅為66.0%，至2016年上海市環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良率為75.4%，詳見表1。

表1 2001～2016年上海市環(huán)境空氣各參數(shù)年均值統(tǒng)計

以2016年為例，2016年上海市環(huán)境空氣質(zhì)量等級中超過二級標準的天數(shù)共計88 d，各項超標污染物天數(shù)的占比排序如下：PM2.5＞ O3＞ NO2＞ PM10，SO2和CO全部達標，各超標污染物天數(shù)占比見圖1。PM2.5和O3成為影響環(huán)境空氣優(yōu)良率的主要污染物。

圖1 2016年上海市環(huán)境空氣中各超標污染物天數(shù)占比

2.2 空氣污染特征

2.2.1 氣態(tài)污染物

自2001年以來，環(huán)境空氣中主要污染度濃度總體呈下降趨勢。監(jiān)測結(jié)果表明：近16年NO2/SO2年均濃度比值為先降低后升高的趨勢。2001～2006 NO2/SO2年均濃度比值逐漸下降，體現(xiàn)煙煤型污染的特征；2007年開始NO2/SO2年均比值逐漸上升，主要是由于 NO2濃度降低幅度小于SO2，至2016年ρ（NO2）/ρ（SO2）年均比值已達到2.9，具體見圖2。由此推斷上海市環(huán)境空氣污染由煙煤型向機動車尾氣型轉(zhuǎn)變。

圖2 ρ(NO2)/ρ(SO2)比值的年際變化

自2013年開始，氣態(tài)污染物監(jiān)測除SO2和NO2外，增加O3和CO。2013～2016年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：CO年日均質(zhì)量濃度范圍為0.77～0.86 mg/m3，達到二級標準；O3第90百分位數(shù)質(zhì)量濃度范圍為149～164 μg/m3，除2014年外均未達到二級標準，O3日最大8 h滑動平均超標率在7.1%～10.7%之間。為了進一步分析O3的超標情況，以2016年O3日最大8 h滑動平均值為依據(jù)，統(tǒng)計每月O3各等級占比情況見圖3。2016年上海市O3超標從3月份開始持續(xù)到9月，主要集中在夏季。其中7月份超標最為嚴重，6月和8月O3超標情況略有好轉(zhuǎn)，這主要是由上海梅雨季節(jié)和臺風等特殊氣象因素所致。

圖3 2016年上海市O3日最大8 h滑動平均等級占比

2.2.2 顆粒物

2001～2016年環(huán)境空氣中PM10年均質(zhì)量濃度范圍在 59～108 μg/m3，2015 年和 2016 年達到二級標準限值（70μg/m3）。 2013～2016 年 PM2.5年均質(zhì)量濃度范圍62～45μg/m3，未達到二級標準限值（35μg/m3）。PM2.5和PM10總體呈逐年下降趨勢，具體見圖4。

圖4 2001～2016年上海市顆粒物年均值變化趨勢

2013～2016年期間，上海市PM2.5日均值超過二級標準的天數(shù)在48～96范圍內(nèi)，且呈逐年下降的趨勢，以2016年PM2.5日均值為依據(jù)，統(tǒng)計每月PM2.5各等級占比情況，見圖5。由圖5可見，2016年上海市PM2.5超標集中在1～4月和12月（冬季和春季），其中1月份超標最為嚴重。

圖5 2016年上海市PM2.5日均值等級占比

2.2.3 空氣污染總體特征

根據(jù)2001～2016年環(huán)境空氣中各項污染物的監(jiān)測數(shù)據(jù)，上海市環(huán)境空氣污染呈現(xiàn)復合型特征，首要污染物依次為 PM2.5，O3，PM10，NO2。 污染呈現(xiàn)季節(jié)性分布，冬季和春季首要污染物以顆粒物為主，夏季以O3為主，秋季則出現(xiàn)交替性復合污染。

2.3 主要污染物年變化趨勢

采用Daniel趨勢分析上海市環(huán)境空氣中主要污染物近16年的變化趨勢見表2。結(jié)果表明：近16年，SO2，NO2，PM10在置信度為 95%(p＜ 0.05) 和99%(p＜0.01)時均呈顯著下降趨勢（O3，CO，PM2.5監(jiān)測年份較短，不做趨勢評價）。

表2 主要污染物秩相關系數(shù)和趨勢分析

空氣中主要污染物年均值變化趨勢見圖6。根據(jù)圖 6 可以看出：SO2呈先上升后下降（圖 6（a）），總體為顯著下降；NO2，PM10為顯著下降（圖 6（b）和 6（c））。

圖6 空氣中主要污染物年均值變化趨勢

2.4 環(huán)境質(zhì)量原因分析

2.4.1 總量減排

改善環(huán)境必須從源頭上控制，減少污染物總量排放與環(huán)境空氣中污染物濃度直接相關。上海在總量減排方面實施“批項目、核總量”制度，同時在政策上采取減排激勵政策。

（1）SO2減排

2008年上海重點出臺了SO2超量減排獎勵政策，對燃煤電廠煙氣脫硫費建設費用補貼辦法，對提前建成脫硫設施的機組適當提高了補貼標準。根據(jù)2001～2015年SO2排放量數(shù)據(jù)見圖7。SO2排放量呈逐年下降趨勢，其中工業(yè)SO2排放量從2001年的30萬t標煤降低至2015年的10萬t標煤，降幅達66.7%；生活和其他SO2排放量從2001年的17萬t標煤降低至2015年的7萬t標煤，降幅達58.8%。其中2004～2007年SO2排放量呈現(xiàn)反彈的趨勢，對照2004～2007年環(huán)境空氣中SO2濃度值，也呈反彈的趨勢。

圖7 2001～2015年上海市SO2排放量變化趨勢

分析SO2排放量與環(huán)境空氣中SO2的年均值之間的相關系數(shù)r=0.931（詳見圖8），由此看出SO2的排放量與環(huán)境空氣中SO2的測量值呈現(xiàn)較強的正相關。

圖8 2001～2015年上海市SO2排放量與空氣中SO2年均值相關性

（2）機動車尾氣控制

根據(jù)2001~2015年上海市機動車保有量數(shù)據(jù)顯示，機動車保有量呈逐年增加的趨勢見圖9。從2001年的120萬輛增加到332萬輛，汽車保有量增加了1.77倍。從2012年起，民用車輛擁有量的數(shù)據(jù)不含強制報廢量，因此2012年的機動車保有量數(shù)據(jù)出現(xiàn)一個下跌，隨后仍保持向上增長的趨勢。

圖9 2001～2015年上海市機動車保有量變化趨勢

為進一步提高機動車排放水平，改善環(huán)境空氣質(zhì)量，2002年上海市積極開展本市提前實施國家第二階段機動車排放標準的申報審批工作，推進建立機動車I/M制度，2009年11月1日起上海實施國家機動車第IV階段排放標準；2014年4月30日起，上海市繼北京之后全國第2個實施國V排放標準的城市。

（3）其他

2011年出臺了《上海市主要污染物總量控制“十二五”工作方案》，強化了目標責任制和合力推進機制。穩(wěn)步推進電廠脫硝和脫硫減排制度，對VOC排放企業(yè)實施限期治理，至2015年已完成500家VOC企業(yè)的限期治理。這些政策的實施有利于環(huán)境空氣質(zhì)量的有效改善。

2.4.2 優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構

上海市終端能源消費總量呈逐年增加的趨勢見圖10。2001年為5 549萬t標煤，至2015年終端能源消費總量達11 550萬t標煤。

圖10 2001～2015年上海市終端能源消費量趨勢

從產(chǎn)業(yè)占比方面分析，第二產(chǎn)業(yè)所占比例從2001年的67%下降至2015年的54%，第三產(chǎn)業(yè)所占比例從2001年的23%上升至2015年的35%，見圖11。產(chǎn)業(yè)結(jié)構由能耗高、污染重的工業(yè)（第二產(chǎn)業(yè)）轉(zhuǎn)變?yōu)槟芎牡汀⑽廴据p的服務業(yè)（第三產(chǎn)業(yè)）。

圖11 2001～2015年上海市各產(chǎn)業(yè)占比

第三產(chǎn)業(yè)占比和空氣質(zhì)量優(yōu)良率（2001~2012年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以API計）的相關系數(shù)r=0.805，第二產(chǎn)業(yè)占比和空氣優(yōu)良率的相關系數(shù)r=0.794(見圖12)。由此看出產(chǎn)業(yè)結(jié)構的調(diào)整是促使環(huán)境空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)的原因之一。

圖12 2001～2012年上海市第二、三產(chǎn)業(yè)占比和空氣質(zhì)量優(yōu)良率相關性

在整體產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整的同時，產(chǎn)業(yè)能耗不斷降低，也是環(huán)境空氣質(zhì)量改善的原因之一。2001年上海市萬元GDP平均能耗為1.06 t標煤，2015年僅為0.46 t標煤，2001~2015年上海市萬元GDP平均能耗降低了56.6%。

2.4.3 清潔能源替代

至2016年，上海市完成公用燃煤電廠9臺60萬kW及以上機組的超低排放改造，全市全面供應符合國四標準硫含量限值要求的普通柴油；全面取締中小燃煤鍋爐，基本取締經(jīng)營性小茶爐和小爐灶，啟動剩余集中供熱鍋爐清潔能源替代。開展揮發(fā)性有機物治理，全面淘汰黃標車同時推廣新能源車。

3 結(jié)論與建議

隨著上海市環(huán)保三年行動計劃的持續(xù)推進、清潔空氣行動計劃以及大氣污染防治計劃等各項措施的實施，上海市環(huán)境空氣質(zhì)量呈現(xiàn)不斷改善的趨勢。環(huán)境空氣中SO2和CO已全面達標，NO2和PM10雖有一定程度的下降和削減，但仍超過國家二級標準，PM2.5和O3成為影響上海環(huán)境空氣質(zhì)量的關鍵指標。應加強總量控制從源頭上削減污染物的排放量，加強對重點行業(yè)污染物排放控制，實施清潔能源替代，降低行業(yè)單位產(chǎn)值能耗和產(chǎn)品單位能耗，積極發(fā)展清潔能源技術，不斷調(diào)整第三產(chǎn)業(yè)的比例，優(yōu)化和完善能源消費結(jié)構，最終達到改善環(huán)境空氣質(zhì)量的目標。

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