中國空氣污染指數變化特征及影響因素分析

李小飛 張明軍 王圣杰 趙愛芳 馬潛

隨著社會經濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，城市環(huán)境空氣質量也越來越成為人們普遍關注的熱點話題，因而對城市大氣環(huán)境質量做出客觀、全面、實時的認識和評價是極其必要的。大氣環(huán)境質量評價是對大氣環(huán)境狀況優(yōu)劣的定性和定量的評述，其將監(jiān)測點的監(jiān)測數據與國家規(guī)定的大氣質量標準等級相比較，進行綜合評價，不僅有利于人們認識和研究大氣環(huán)境質量，還為有效治理和控制大氣污染提供必要的科學依據。

空氣污染指數（air pollution index，API）是反映大氣環(huán)境質量水平的重要指標。根據環(huán)境空氣質量標準和各項污染物對人體健康和生態(tài)環(huán)境的影響，將常規(guī)監(jiān)測的幾種空氣污染物濃度簡化成為單一的概念性指數值形式，它將空氣污染程度和空氣質量狀況分級表征，適合于表示城市的短期空氣質量狀況和變化趨勢。

研究 API指數時空分布特征對城市環(huán)境空氣質量分析與預報均具有宏觀指導意義。然而API指數時空分布一方面受局地和長距離輸送污染源的共同影響，另一方面氣象場形勢在一定程度上亦決定著污染擴散和污染水平。因此，多要素共同作用決定了 API指數時空分布的復雜性；國外對此研究不多，主要集中在對模型預測空氣污染指數的研究以及計算方法的改進。在國內對空氣污染指數的研究大多數局限于少數區(qū)域、單一或少數幾個城市的空氣污染指數（分指數）或主要污染物的分析，僅僅得到的是特定地區(qū)和特定條件下空氣污染指數的分布特征，對大尺度區(qū)域，特別是全國性空氣污染的時空分布特征研究較少。基于此，本研究以全國 42個主要城市2001—2010年的日空氣質量數據對我國 API的時空分布進行了分析，在較長時間和較大空間尺度上研究我國各站點城市 API的季變化、年變化和空間變化及分布特性，并對其時空分布特征的驅動機制做了探討；利用 API研究城市較長時期空氣質量狀況和變化趨勢，對于進一步揭示我國城市大氣污染問題、制定合理科學的城市空氣質量保護提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 空氣質量分級標準

我國目前采用的空氣污染指數API分為5個等級（I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V），7個檔，范圍為0～500。其中，50、100、200分別對應我國空氣質量標準中的日均值一、二、三類標準的污染物濃度限值，500對應于人體健康產生明顯危害的污染水平，分別與 API值（0～50、51～100、101～200、201～300、301～500）相對應。指數越大，級別越高，說明污染越嚴重，對人體健康的危害也越明顯。

1.2 數據來源

本研究所用空氣污染指數資料取自中華人民共和國環(huán)境保護部網站重點城市空氣質量日報數據，選取2000年12月—2010年12月記錄完整的42個城市。日報資料主要包括逐日空氣污染指數、主要污染因子、空氣質量級別和空氣質量狀況。

2 結果與分析

2.1 季節(jié)變化特征

特定的季節(jié)、不同的天氣氣候條件會使得城市空氣質量發(fā)生較大的變化；局地因素，即各個城市的氣象條件、地貌狀況、植被分布以及當地人們的活動狀況是形成這種季節(jié)變化的關鍵因素。全國42個城市2000年12月—2010年12月API的季節(jié)變化均值顯示，我國城市空氣污染指數以夏季作為轉折點，冬季至夏季 API大幅度降低，夏季之后 API趨于升高；也即冬季空氣質量最差，春季大氣污染指數次于冬季，夏秋兩季相對較好，總體上空氣污染指數＜100處于I或Ⅱ級；污染指數季節(jié)順序為冬季（88）＞春季（79）＞秋季（73）＞夏季（63）。依據我國環(huán)境污染的特點和污染防治重點，目前計入空氣污染指數的項目為：二氧化硫、氮氧化物（二氧化氮）和總懸浮顆粒物（PM10），其中可吸入顆粒物污染分指數的貢獻率為 73.04%，其余 6.11%來自二氧化硫和二氧化氮的貢獻；各季節(jié)主要污染因子出現天數均表現為：可吸入顆粒物＞無污染＞二氧化硫＞二氧化氮；可吸入顆粒物 10 a的季度平均值排列順序為：春＞秋＞冬＞夏，無污染是夏＞秋＞春＞冬，二氧化硫是冬＞春＞秋＞夏，二氧化氮冬＞秋＞春＞夏；污染因子二氧化硫、二氧化氮在四季中出現天數均較少，尤其夏季天數最少；無污染及可吸入顆粒物則相反，夏季出現天數較多。可吸入顆粒物可以被人直接吸入呼吸道內造成危害，其主要的人為源是工農業(yè)生產和人類活動；大氣中的二氧化硫則主要來源于含硫燃料（特別是煤）的燃燒，其余則來自于冶金、硫酸制造等工業(yè)過程；二氧化氮是大氣中主要的含氮污染物，其人為源主要是燃料的燃燒，在城市則主要表現為汽車尾氣的排放。對各個城市空氣質量狀況季節(jié)分布特征統(tǒng)計，我國城市空氣質量狀況的季節(jié)變化總體上表現出，優(yōu)或良在總天數中所占比例較大，其次為輕微污染和輕度污染，中度污染、中度重污染和重度污染所占比重最小；夏、秋季I和Ⅱ級天數占總天數的45.66%，冬、春季 Ⅳ1、Ⅳ2和V級污染天數分別為 390、287和 673 d；空氣質量狀況10 a的季度平均值排列順序表現為：優(yōu)是夏＞秋＞春＞冬，良是秋＞春＞夏＞冬，輕微污染、輕度污染、中度污染和中度重污染的規(guī)律相同，均為冬＞春＞秋＞夏，重度污染是是春＞冬＞秋＞夏，再次表明我國空氣質量夏、秋季較好，春季次之，冬季最差。

綜上，四季大氣污染指數、主要污染因子以及空氣質量狀況 10 a統(tǒng)計分析結果顯示，冬季大氣污染最為嚴重，秋、春次之，夏季污染最低。這種季節(jié)變化規(guī)律，表現出我國以煤煙和二次揚塵的為主的大氣污染特征，也與天氣氣候條件以及局地因素的季節(jié)變化有關。冬季降水偏少，氣候干燥，植被干枯，西北風強勁，易引發(fā)起沙、揚塵天氣；另外冬季，尤其是早晚，容易出現逆溫層抑制污染物在大氣中的擴散，同時冬季為采暖期，燃料消耗量大，污染物排放量大，更加劇了大氣污染。春季是沙塵暴頻發(fā)的季節(jié)，多發(fā)生于西北的沙塵暴借強勁的西北風可長距離輸送影響中國的不少城市，有時會席卷大半個中國，沙塵加大了空氣中的含塵量，從而影響環(huán)境空氣質量。然而，夏秋兩季降水增多，濕度增大，植被覆蓋度明顯增大（相對于春、冬兩季），而且太陽輻射強，近地面層熱力對流旺盛，逆溫出現的幾率小，空氣的擴散條件好，有利于污染物的稀釋和擴散，空氣質量無疑相對較好。

2.2 年變化特征

2001—2010年全國站點城市空氣污染指數變化趨勢，API總體上表現為下降趨勢。從 2001—2005年API平均值表現出逐年下降的趨勢，波動較小，在2006年API陡然升高，之后又表現出平緩下降趨勢。2001—2010年無污染出現天數雖有波動但整體上表現出逐年增大，2010年全國站點城市無污染的天數為 4038 d；可吸入顆粒物作為首要污染物的天數2001—2010年表現為下降趨勢，2001—2006年下降幅度較小，甚至在2007年略微升高，但之后又急劇下降，至2010年趨于穩(wěn)定；二氧化硫作為污染物出現天數較少，10 a間分別于2003年和2008年出現一谷一峰；即2001—2003年二氧化硫天數呈減少趨勢，2003—2008年表現為上升趨勢，2008—2010年又趨于減少。主要污染因子中，二氧化氮出現天數最少，且年際變化波動較大，分別于2002年、2005年和2009年出現極小值，2004年和2007年出現2個峰值，總體上無規(guī)律可循。全國站點城市2001—2010年空氣質量狀況的年際變化空氣質量出現優(yōu)的天數雖略微有波動但整體上表現出逐年增大；良出現的天數在 2007年發(fā)生了變化，即2001—2007年良出現天數呈增大趨勢，2007年之后則表現為趨于減小；2001—2010年輕微污染和輕度污染出現天數減小均趨勢明顯，波動較小；中度污染、中度重污染和重度污染出現天數較少，10 a間雖有較大的波動但總的趨勢是趨于減小；同時，本研究發(fā)現3種空氣質量級別在2006年均表現出增大的轉折，加之API在2006年的陡然升高，表明2006年全國出現了較大范圍的空氣污染。

綜上，大氣污染指數、主要污染因子以及空氣質量狀況10 a統(tǒng)計分析結果表明：API的年際變化表現為逐年減小，空氣污染趨于良好；主要污染因子當中無污染出現的天數逐年增大，可吸入顆粒物出現天數也明顯趨于減少，二氧化硫和二氧化氮出現天數雖有波動，但減少趨勢也較為明顯；空氣質量狀況的年際變化也進一步表明了2001—2010年全國城市空氣質量的好轉趨勢。這與近年來各地方政府和環(huán)保部門在大氣污染治理方面的工作密不可分，也與城市綜合整治力度的加大，環(huán)境建設和環(huán)境管理工作的不斷地深入，科學有效地治理措施以及全民的參與密不可分。

2.3 空間變化特征

選取中華人民共和國環(huán)境保護部網站重點城市空氣質量日報數據，所有站點城市的空間分布，基本涵蓋我國南北以及沿海內陸地區(qū)（東西差異）。我國城市大氣環(huán)境質量在區(qū)域上存在明顯的差異，API、主要污染因子和空氣質量狀況均表現出從南向北，從沿海至內陸的變化趨勢。API的空間分布，雖然空氣質量均表現為 I 或 Ⅱ 級（蘭州、烏魯木齊表現為Ⅲ1），在區(qū)域上則南方和沿海城市 API均值較低，其中珠海、湛江和海口表現為 I 級，北方與內陸城市空氣質量皆為Ⅱ 級，且均是 API高值區(qū)。無污染的區(qū)域特征表現為南方及沿海城市出現天數較多，北方和內陸城市出現天數較少；可吸入顆粒物和二氧化硫則表現為北方和內陸城市出現天數較多，南方及沿海城市較少；二氧化氮作為污染物主要出現在南京、南通、上海、溫州、福州、廈門、汕頭、深圳、珠海、廣州、南寧等沿海城市和西北干旱區(qū)的呼和浩特、銀川和烏魯木齊，以及蘭州和哈爾濱，區(qū)域差異主要表現為沿海城市大于內陸城市，南方大于北方城市；海口、湛江、合肥以及拉薩等，10 a來從未出現過二氧化硫和二氧化氮的天數。空氣質量狀況的區(qū)域分布特征也比較明顯，空氣質量級別優(yōu)或良出現天數表現為南方和沿海城市大于北方和內陸城市；輕微污染、輕度污染、中度污染、中度重污染和重度污染出現天數均表現為北方和內陸城市大于南方和沿海城市，并且南方和沿海的部分城市10 a來并沒有出現過輕度污染或輕度污染以上的空氣質量狀況，如珠海、海口、湛江和昆明等城市。

總之，我國城市大氣環(huán)境質量在區(qū)域上存在顯著差異，API、主要污染因子以及空氣質量狀況均表現出從南到北、從沿海到內陸的變化趨勢。北方和內陸城市API較高，主要污染因子類型多且出現天數較多，空氣質量級別齊全，I或Ⅱ級的天數較少，Ⅲ2級或Ⅲ2級以上的污染出現天數較多；南方和沿海城市則相反，總體上表現出優(yōu)質的大氣環(huán)境質量。導致這種差異出現的原因是：北方城市（尤其是進入采暖期），污染物的排放量顯著增加，再加上北方地區(qū)受季風影響相對較弱，西北地區(qū)城市多以山谷盆地（特別是蘭州）等特殊地形為主，更加重了大氣環(huán)境污染；東部沿海地區(qū)多處于平原，地形平坦，季風氣候顯著，有利于污染物的擴散和稀釋。可見，氣象條件、地形以及人們的活動狀況均對城市大氣質量的區(qū)域變化和分布產生著重要影響。

3 討論

3.1 污染源對城市空氣質量的影響

通過對各城市污染物的統(tǒng)計，可吸入顆粒物作為主要污染物出現的頻率最高，可見中國城市大氣污染受燃煤影響嚴重。燃煤，特別是在采暖期燃煤量急劇增加，導致了我國北方采暖期的顆粒物排放量、二氧化硫含量以及API值的升高，空氣質量下降。局地地面土壤揚塵及西北地區(qū)沙塵傳輸造成的自然降塵對 API中可吸入顆粒物濃度的貢獻也很大。局地地面揚塵主要指綠化率和硬質覆蓋度，地面裸露程度越高越容易引起揚塵，在多風干燥季節(jié)對局地城市空氣質量的影響不容忽視。作為中亞沙塵暴區(qū)的重要組成部分——中國西北地區(qū)，主要包括南疆的塔克拉瑪干沙漠、柴達木盆地、內蒙古西部沙地（巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、毛烏素沙地、烏蘭布和沙漠）、內蒙古東部沙地（渾善達克沙地和科爾沁沙地）和黃土高原；西北地區(qū)荒漠化和沙漠化的現狀，再加上我國西高東低的地勢，致使發(fā)生于我國西北地區(qū)的沙塵天氣會順勢而下，并在高空強西北氣流作用下，影響到我國華北廣大地區(qū)和東部沿海地區(qū)。

3.2 氣象條件對城市空氣質量的影響

氣象要素是制約污染物在大氣中稀釋、擴散、遷移和轉化的重要因素。與大氣污染有關的氣象要素很多，主要包括降水量、風、逆溫、地面氣壓、地面溫度、相對濕度、云量等。污染物在水平方向上的擴散由風速決定，風速越大，污染物越容易擴散，風速小甚至靜風時，污染物難以擴散，容易形成污染物局地積累；污染物在垂直方向的擴散受到垂直方向上溫度的分布狀況控制，當地面空氣溫度高于高空中大氣溫度時，大氣是不穩(wěn)定的，在熱力對流的作用下污染物向上擴散，地面污染物濃度降低，當高空中大氣溫度高于地面空氣溫度時，就形成了所謂的逆溫現象，這時熱力對流減弱甚至消失，大氣狀況變得穩(wěn)定，污染物的垂直擴散受到抑制，地面污染物累積；降水（降雨、降雪）對空氣污染物能起到清除和沖刷作用：在雨水作用下，大氣中的一些污染氣體能夠溶解在水中，降低空氣中污染氣體的濃度，較大的雨雪對空氣污染物粉塵顆粒也起著有效的清除作用。馮宏芳等對福州污染物濃度與氣象條件的關系進行了較為全面的分析，結果表明污染物的濃度變化與空氣污染氣象條件的優(yōu)劣密切相關，各氣象要素對大氣污染物有一定的制約關系。陳雷華等在其研究中也對氣象條件與空氣污染的相關關系進行了分析。API與降水量和風速相關關系曲線。烏魯木齊 API指數與月總降水量在0.05水平上呈負相關，其線性相關系數為－0.289；東南部城市API與月平均降水在 0.05的水平上呈明顯的負相關，其線性相關系數為－0.629。說明降水對污染物有顯著的清除作用，降水量越大，API指數越小，反之亦然。烏魯木齊 API與風速在 0.001的水平上呈明顯負相關，相關系數為－0.812，說明風速的大小直接影響著烏魯木齊 API指數的變化，風速越大，越有利于污染物的擴散，API指數就越小。究其原因，風速加大更有利于污染物的擴散，雖然風速增大可能會帶來沙塵天氣，但北疆城市尤其是烏魯木齊，污染日首要污染物更多的是SO2；東南部地區(qū)API與月平均風速在0.01的水平上呈正相關，相關系數較小僅為0.079，這是由于風速加大容易觸發(fā)地面塵土的揚起，空氣污染會因此而加重，表現出API與風速呈正相關。研究發(fā)現，污染天氣過程與近地層逆溫層的出現相對應。由于季節(jié)因素，夏季逆溫層厚度較薄，高度相對偏低；冬天逆溫天氣出現的頻率較多，大氣比較穩(wěn)定，不利于空氣污染物的擴散稀釋，因此我國空氣污染表現出明顯的冬高夏低的季節(jié)特征。

3.3 地形因素對城市空氣質量的影響

由中國地形起伏度空間分布趨勢和海拔高度規(guī)律可知，西部地區(qū)地形起伏度高于東部，南部高于北部；最高值分布在藏東南—橫斷山區(qū)和天山地區(qū)，除一些巨大的盆地外，由此二處向兩側逐漸降低；最低值分布在東北平原、華北平原和塔里木盆地，四川盆地、內蒙古高原、江南地區(qū)、華南地區(qū)為次低值區(qū)域；全國低海拔地區(qū)以低值地形起伏度為主，高海拔地區(qū)以高值地形起伏度為主。中國的地貌類型復雜多樣，地勢西高東低，形成3大階梯的總特征，主要表現為：西北部多高原、盆地和山地，東南部以平原、丘陵和低山地貌為主，地勢低平，沃野千里。我國地形的空間差異對氣象條件分布產生著巨大影響，進而影響著大氣環(huán)境質量的區(qū)域變化。山谷盆地地形阻塞易出現閉合環(huán)流的小風，對氣流產生阻擋效應，會使這一地區(qū)的污染加重；山區(qū)地形起伏使得接受的太陽日輻射強度和輻射冷卻不均勻，由此引起的熱力環(huán)流形成地形風，再加上山區(qū)逆溫維持時間比平原地區(qū)長，限制了空氣的擴散，加重了污染；平原地區(qū)則由于風向和風速在某一水平面上基本是均勻的，污染物的輸送規(guī)律比較簡單，主要由當地風向頻率所決定，有利于污染物的擴散和稀釋。

3.4 人類活動對城市空氣質量的影響

人類活動對城市大氣環(huán)境的影響既存在消極的方面同時也存在積極的方面。隨著城市人口遞增，工業(yè)、生活爐灶與采暖鍋爐排放量增加，機動車擁有量及排放量也逐年上升，能源消費量和燃油消耗量大幅增加，市政施工揚塵和道路揚塵加重，使大氣污染不容忽視；另一方面，隨著人類環(huán)保意識的增強，對城市大氣環(huán)境產生著積極地影響：投資和產業(yè)結構的調整，提高能源利用率并積極開發(fā)新能源，逐年提高城市的綠化覆蓋率和道路綠化總長度，制定并實行新的經濟指標（綠色GDP、單位GDP能耗），加強污染的預防、治理和法律職能等，城市空氣質量也表現出進一步好轉趨勢。

4 結論

（1）我國城市受燃煤影響較為嚴重，特別是在采暖期燃煤量急劇增加，導致了我國北方采暖期的顆粒物排放量、二氧化硫含量以及API值的升高；總體上，城市API處于I或Ⅱ級，主要污染因子以可吸入顆粒物出現頻率最高，空氣質量狀況較好，以優(yōu)、良和輕微污染居多。

（2）API、主要污染因子以及空氣質量狀況表現出顯著的時空變化。從時間變化上看，不同季節(jié)表現出不同的特征，冬春季較夏秋季空氣污染最嚴重；從年際變化看，空氣質量表現出逐年好轉趨勢；在空間變化上，東西南北差異較大，空氣質量由南到北，從沿海到內陸的逐漸變差。

（3）我國城市空氣質量主要受污染源、氣象條件、地理因素和人類活動的影響。其中，污染源主要來自于局地污染及西北地區(qū)沙塵傳輸造成的自然降塵；各氣象要素對大氣污染物有一定的制約，其中空氣污染指數與降水量、風速和逆溫線性相關；地形的空間差異間接影響著空氣質量的空間變化，人類活動則對其產生著雙重作用；各影響因素并非孤立，而是相互交織共同作用于空氣質量的變化。

（摘自《環(huán)境科學》2012年第6期）