畢節市區大氣污染特征及影響因素分析

徐 萌,張春鑫,徐 林,張 然,支嘉健

(畢節市環境監測中心站，貴州 畢節 551700)

隨著城市工業化的快速發展，SO2、氮氧化合物(NOx)、臭氧(O3)、CO和大氣中的細顆粒物(PM10、PM2.5)已經成為影響城市大氣環境質量的重要污染物，由于它們對全球氣候變化的影響、對生態環境的危害以及對人類生產生活和人體健康造成嚴重威脅的效應，引起了各國政府的關注，也成為環境學家研究的熱點[1-2]。近年來大氣污染源增加對社會帶來的壓力與大氣環境保護措施間的相互作用是驅動我國環境空氣質量變化的主要因素。目前已有研究表明，我國主要通過測定SO2、NOx和可吸入顆粒物(PM10)濃度的大小來衡量城市環境空氣質量的優良度[3-4]。在國內，已有不少學者基于大氣污染物實際觀測數據或利用模式對城市環境空氣質量進行研究，如辛金元等[5]利用2008年北京奧運會期間北京及周邊地區大氣污染物濃度的觀測數據，對奧運會前后北京及周邊地區大氣污染物濃度的變化進行了分析；杜吳鵬等[6]對石家莊夏秋季節大氣污染物濃度進行了觀測，結果發現除NOx外，其他大氣污染物均有濃度超標的情況出現；韓素芹等[7]對天津大氣污染物日變化進行了WRF-Chem數值模擬，結果發現CO、NOx、O3、PM2.54種大氣污染物具有明顯的時空變化特征。另外，在我國武漢[8]、南京[9]、深圳[10]、上海[11]和廣州[12]等特大城市也開展了類似的研究，但這些研究主要集中于京津冀、長江中下游、珠江三角洲等經濟發達地區中的大型城市，而對我國南方，尤其是西南地區中小城市大氣污染物的相關研究鮮有報道。

貴州省位于中國西南腹地，畢節市地處貴州省西北部，是全國唯一一個以“開發扶貧、生態建設”為主題的試驗區，作為貴州金三角之一，該地區地處川、滇、黔三省結合部，東靠貴陽，南連安順，西鄰云南，北接四川，是烏江、北盤江、赤水河發源地，屬于亞熱帶季風濕潤氣候，具有西南地區中小城市大氣污染的典型特征。為此，本文以畢節市城區為研究區，利用畢節市區2015年的SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O36種大氣污染物濃度監測數據和氣象因子數據，對畢節市區大氣污染物濃度的月、季、年平均變化特征以及大氣污染物濃度之間、大氣污染物濃度與氣象因子之間的相關性進行了分析，以掌握畢節市環境空氣污染現狀及其影響因素，評價其空氣質量總體狀況以及大氣污染物濃度的變化趨勢，為政府管理部門決策以及開展城市空氣污染健康危害評估提供參考。

1 材料與方法

1. 1 觀測地點

畢節市城區分別于2007年、2009年安裝了環境空氣自動監測系統，其中有2個國控站，分別為位于天河路八中站(東經105°17′11″，北緯27°18′45″)和位于學院路畢節學院站(東經105°18′36″，北緯27°17′25″)(見圖1)，附近無高大建筑和典型污染源，符合探測環境的要求。

圖1 畢節市城區環境空氣自動監測系統位置圖Fig.1 Location of the automatic air monitoring stations of Bijie City注：上藍色點為八中站，下藍色點為畢節學院站

1. 2 大氣污染物和氣象數據來源

本次在畢節市城區在線監測的主要大氣污染物為SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O3，在線監測所使用的儀器均為美國熱電公司生產的環境設備，監測時間為2015年1月1 日至12月31日。其中，采用43i型紫外熒光法SO2分析儀測定SO2的濃度，最低檢測限為0.5 ppb；采用42i型化學發光法NO-NO2-NOx分析儀測定NO2的濃度，最低檢測限為0.5 ppb；采用5030i型β射線法和微量振蕩天平法環境顆粒物監測儀測定PM10和PM2.5的濃度，最低檢測限為0.06 μg/m3；采用49i型紫外光度法O3分析儀，測定O3的濃度，最低檢測限為0.5 ppb；采用48i型非分散紅外吸收法CO分析儀測定CO的濃度，最低檢測限為0.5 ppm。所有儀器在監測期間每3個月標定一次，以減少儀器造成的系統誤差。

2015年畢節市地面氣象數據(氣溫、氣壓、相對濕度、風速)由畢節市氣象局提供。

1. 3 數據處理

本文利用Excel2010對各測定指標進行計算與數據整理，利用SPSS19.0統計分析軟件進行單因素方差分析，并進行Pearson相關性分析和線性回歸分析；采用Excel和Origin8.0進行數據繪圖。

2 結果與討論

2. 1 畢節市區環境空氣質量特征分析

根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633—2012)，采用空氣質量指數(Air Quality Index,AQI)來評價城市的環境空氣質量，其具體劃分標準見表1。

表1 城市環境空氣質量的劃分標準

空氣質量指數(AQI)越大，對應的級別越高，說明大氣污染越嚴重，對人體健康的影響也越明顯。

根據畢節市區2015年大氣污染物濃度的監測數據，本文繪制了畢節市區2015年每月空氣質量優良天數所占比例的變化趨勢圖，見圖2。

圖2 畢節市區2015年每月空氣質量優良天數所占 比例的變化趨勢圖Fig.2 Change trend of the percentages of days with good to moderate air quality of Bijie City in 2015

由圖2可見：畢節市區2015年4～9月份空氣質量優良天數所占比例均為100%；空氣質量優良天數所占比例最低的月份為1月份，空氣質量未達到二級標準的天數多達12 d，空氣質量優良達標率僅為61.3%，其次是12月份和3月份，空氣質量未達到二級標準的天數各有2 d，空氣質量優良達標率都為93.5%。全年監測365 d，空氣質量未達到二級標準的天數為18 d，空氣質量優良天數所占比例為95.1%。

根據畢節市區2015年大氣污染物濃度的監測數據(以質量濃度計，下同)，SO2、NO2、PM10和PM2.5的年平均濃度分別為(15.59±8.49) μg/m3、(24.24±8.01) μg/m3、(47.28±28.85) μg/m3、(31.86±20.85) μg/m3，均達到《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)中二級標準年平均濃度限值的要求，大氣中主要污染物是PM10和PM2.5，這與我國大多數城市環境空氣中的首要污染物一致[13]。畢節市區大氣污染物濃度的監測數據表明，夏季和秋季的空氣質量顯著優于春季和冬季，春季和冬季空氣質量優良的平均達標率分別為96.1%和83.7%，而夏季和秋季空氣質量優良的平均達標率分別為100%和98.9%。

2. 2 畢節市區大氣污染物濃度的月變化特征分析

畢節市區2015年大氣污染物濃度的月變化特征，見圖3。

由圖3可以看出：

(1) 畢節市區大氣中SO2濃度的月變化呈單谷變化趨勢[圖3(a)]， 在冬季1月份SO2濃度最大，其值為(25.2±7.8) μg/m3，12月份次之，其值為(18.7±6.2) μg/m3，谷底出現在夏季的6月份，其值為(10.8 ±2.7) μg/m3。其原因除了冬季化石燃料的燃燒排放外，還與氣象因素有關，如冬季大氣層結穩定、靜風頻率高等因素都不利于大氣污染物的擴散和消除，而夏季降雨量和空氣濕度大，大氣污染物受雨水沖洗稀釋，其濃度會大幅度下降[14-15]。

圖3 畢節市區2015年大氣污染物濃度的月變化物征Fig.3 Variation characteristics of monthly average concentrations of the atmospheric pollutants of Bijie City in 2015

(2) 畢節市區大氣中NO2濃度的月變化具有典型的單谷變化特征[圖3(b)]，1月份NO2濃度最高，其值為(31.7±7.9) μg/m3，2月份逐漸下降，在6月份時達到谷底，其值為(17.8±5.6) μg/m3，而后又逐漸上升，12月份時NO2濃度又增加到(27.6±6.1) μg/m3。其原因主要與冬季(12月、1月、2月)供暖所用的化石燃料的燃燒、光化學轉化以及濕沉降有關[16]。

(3) 畢節市區大氣中PM10和PM2.5濃度的變化趨勢相似，月平均濃度變化有較強的季節特征，近似呈“V型”[見圖3(c)、圖3(d)]。總體上從月份來看，PM10和PM2.5濃度都是在1、2月份相對全年較高，其中1月份PM10和PM2.5最高值分別為(77.8±46.1) μg/m3和(59.0±34.6) μg/m3，從4月份開始下降，一直到6月份其濃度值達到谷底，而后各月份的PM10和PM2.5濃度值又開始上升，到12月份又達到較高值。其原因主要是由于冬季采暖化石燃料燃燒多且干燥少雨，大氣層結穩定，從而導致大氣污染物垂直輸送受到抑制與對流擴散減緩[17]，因而冬季大氣中污染物PM10和PM2.5的濃度較高。

(4) 畢節市區大氣中O3濃度的月平均變化波動較大[見圖3(e)]，O3濃度最大值出現在春季的4月份，其值為(111.7±27.8) μg/m3，其次為夏季的7月份，其值為(106.7±23.5) μg/m3，O3濃度最低值出現在12月份，其值為(49.6±19.3) μg/m3，本研究結果與潘月云等[18]對廣東省大氣污染研究得出的結果相似。已有研究表明，對流層O3的產生主要來自光化學反應[19]，O3濃度變化速率與太陽紫外線輻射強度、揮發性有機物(VOCs)及NOx等物質密切相關[20]。4月份畢節地區溫度升高較快，太陽輻射加強，有利于生成O3的光化學反應進行，此外植被在這個時期大量萌發，能產生大量VOCs(O3的前體物質)[21]，因此這個時期O3濃度較高；7月份雖然溫度高、太陽輻射強，但雨水充足，大氣中液態水含量處于全年最高，已有研究表明液態水含量是影響大氣中O3濃度下降的最關鍵因子[22]；秋季過后隨著溫度降低，太陽輻射減弱，生成O3的光化學反應速率減緩，所以O3濃度最低值主要出現在冬季較冷的12月份。

(5) 畢節市區大氣中CO濃度的月平均變化趨勢與SO2濃度相同，均呈單谷變化趨勢[見圖3(f)]，其中CO濃度最大值出現在1月份，其值為(1.46±0.22) mg/m3，12月份次之，其值為(1.32±0.15) mg/m3，谷底出現在夏季的6月份，其值為(0.85±0.13) mg/m3。其原因主要是由于冬季幾個月含碳燃料不完全燃燒的排放，以及溫度過低而不利于光化學通量的增強，導致無法降低大氣中CO的濃度[23]；而6月份畢節地區溫度高，含碳等燃料使用少，且高溫使CO的氧化速率加快，使其在空氣中的濃度降低。

2. 3 畢節市區大氣污染物濃度的季節變化特征分析

根據氣象學方法將畢節市四季劃分為春季(3月1日—5月31日)、夏季(6月1日—8月31日)、秋季(9月1日—11月30日)、冬季(12月1日—2月28日)，得以畢節市2015年6種大氣污染物在各季節及全年的平均濃度,并將各大氣污染物濃度與《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)中一級和二級標準的濃度限值進行比較，詳見表2。

表2 畢節市2015年大氣污染物濃度季節及全年均值統計(單位：μg/m3)

注：表中同行不同小寫字母(a、b、c、d)表示差異顯著(p<0.05)。

由表2可以看出：

(1) 畢節市區大氣中SO2濃度的季節變化為冬季最高[(21.47±12.28) μg/m3]、夏季最低[(11.47±3.98) μg/m3]，且四季差異性顯著(p<0.05)，該研究結果與鄭鳳魁對昆明市[24]和黃璐等[25]對瀘州市大氣中SO2的研究結果相似。其原因是畢節地區屬北亞熱帶季風濕潤氣候，夏季高溫多雨加之大氣氧化性強，加快了SO2轉換形成硫酸鹽的速度，大氣污染物受大雨沖洗稀釋，其濃度會大幅度下降；冬季畢節地區受少量北方冷氣流和西南暖氣團的影響，云層低而薄，加之時常發生的逆溫層抑制了端流的發展，大氣常處于穩定狀態，不利于大氣污染物的稀釋與擴散[26]。畢節市區大氣中SO2濃度年平均值為(15.59±8.49) μg/m3，低于我國《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)中一級標準的SO2濃度年平均限值(20 μg/m3)，比2015年之前的SO2濃度年平均值[27]都有所降低。

(2) 畢節市區大氣中PM10與PM2.5濃度的季節變化特征相同且均為冬季最高[(62.93±40.48) μg/m3、(46.61±30.39) μg/m3]，春季次之[(50.47±23.81) μg/m3、(31.78±14.84) μg/m3]，秋季[(40.42±21.09) μg/m3、(26.87±13.59) μg/m3]和夏季[(35.54±16.43) μg/m3、(22.44±9.87) μg/m3]較低，冬季與其他三個季節之間的差異性顯著(p<0.05)，而夏季與秋季之間的差異性不顯著(p>0.05)，該研究結果與張羽等[28]對湛江市大氣中PM10和魏玉香等[29]對南京市大氣中PM2.5污染特征的研究結果相似。畢節市區大氣中PM10和PM2.5濃度的年平均值依次為(47.28±28.85) μg/m3、(31.86±20.85) μg/m3，分別超過我國《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)中一級標準的年平均限值(40 μg/m3、15 μg/m3)的18.2%、112.4%，但均低于二級標準的年平均限值(70 μg/m3、35 μg/m3)。

(3) 畢節市區大氣中NO2和CO濃度的季節變化特征相同，都是冬季最高，其值分別為(28.23±8.93) μg/m3和(1.22±0.37) mg/m3，春季次之[(24.79±6.55) μg/m3、(1.06±0.24) mg/m3]，夏季最低[(21.59±7.8) μg/m3、(0.91±0.22) mg/m3]，夏季與冬季之間差異性顯著(p<0.05)，但夏季與秋季之間的差異性不顯著(p>0.05)。其原因是：①不同季節NO2和CO的排放量不同，表現為夏季低、冬季高；②夏秋季節畢節地區雨水多、空氣濕度大，對大氣污染物有一定的清除效果，而冬天空氣干燥，大氣層結穩定，溫度低且大氣氧化性弱，能參與光化學反應的NO2和CO較少，容易造成大氣污染物NO2和CO的積累[30]。畢節市區大氣中NO2濃度年平均值為(24.24±8.01) μg/m3，未超過我國《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)中一級標準年平均限值(40 μg/m3)。

(4) 畢節市區大氣中O3濃度的季節變化最高為春季[(105.56±31.8) μg/m3]，夏季次之[(94.31±31.59) μg/m3]，冬季最低[(63.71±26.04) μg/m3]，且春季與其他三個季節之間的差異性顯著(p<0.05)，該研究結果與劉新春等[31]對新疆塔克拉瑪干沙漠和安俊琳等[32]對北京市大氣中O3濃度的研究結果有所差異。大量研究表明，北方城市地區夏季O3濃度都較其他三個季節高，因為北方夏季植被茂盛，能產生大量O3前體物質——揮發性有機物(VOCs)[21]，且夏季太陽輻射強烈，加快了大氣光化學反應，利于更多的O3生成；但畢節市區春季大氣中O3濃度最高，這是因為畢節夏季與春季溫度差異不大，太陽輻射強度相當，加之夏季雨水充沛，對O3有著淸除作用。

綜上可見，畢節市區2015年各季節大氣污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO的濃度均為冬季最高、夏季最低，這是因為冬季取暖消耗大量的化石燃料、春運期間交通運輸量急劇增加等導致其含量增加；而大氣中O3濃度均為春季最高、冬季最低。

2. 4 畢節市區大氣污染物濃度之間的相關性分析

為了解畢節市區大氣中各污染物之間的相關性，對畢節市2015年6種大氣污染物濃度之間的相關性進行了分析，其分析結果見表3。

表3 畢節市2015年6種大氣污染物濃度間的相關性分析結果

注：r表示相關系數；“*”表示顯著水平(p<0.05)；“**”表示極顯著水平(p<0.01)。

由表3可知，畢節市區大氣污染物SO2、NO2、CO濃度與顆粒物PM10、PM2.5濃度之間兩兩呈極顯著正相關性(p<0.01)，表明這5種大氣污染物具有同源性，因為這些污染物主要來自化石燃料燃燒和汽車尾氣的排放[33]；大氣污染物O3濃度與SO2、NO2、CO濃度之間呈極顯著負相關性(p<0.01)，其與PM2.5濃度之間呈顯著負相關性(p<0.05)，其與PM10濃度之間無相關性，該研究結果與薛蓮等[34]對深圳市和王海燕等[35]對呼和浩特市大氣污染特征的研究結果相似。

PM2.5是導致霧霾天氣的主要原因[36]，相關性分析表明PM2.5濃度與PM10、SO2、NO2、CO濃度之間呈極顯著正相關性，而其與O3濃度之間呈顯著負相關性。為了進一步了解PM2.5與其他5種大氣污染物之間的相關關系，本文利用SPSS軟件對PM2.5濃度和其他5種大氣污染物濃度之間進行了多元線性回歸分析，其分析結果見表4。

表4 PM2.5濃度與其他大氣污染物濃度之間的多元線性回歸分析結果

由表4可知，SO2、PM10、NO2、O3、CO 5種大氣污染物非標準化回歸系數B分別為0.130、0.747、0.255、-0.077和0.678，回歸系數B的顯著性水平Sig.基本上小于0.05，可以認為自變量對因變量有顯著影響。因此，其多元線性回歸模型方程為

PM2.5=2.718+0.130SO2+0.747PM10+0.255NO2-0.077O3+0.678CO

(n=365，R2=0.961，p<0.0001)

R2值越大，所反映的自變量與因變量的共變量比率越高，回歸模型方程與數據的擬合程度越好；相關系數R為0.980，表明該回歸模型方程可以解釋98%的5種對應大氣污染物與PM2.5的關系。

該回歸模型方程的顯著性檢驗結果見表5。

由表5可知，F統計量的值Sig=0.000<0.005，說明上述多元線性回歸模型非常顯著、可信、有效，可以反映PM2.5濃度與大氣污染物SO2、PM10、NO2、O3、CO濃度之間的相關關系。

表5 回歸模型的顯著性檢驗結果

2.5 畢節市區大氣污染物濃度與氣象因子之間的相關性分析

氣象條件是影響近地面大氣中各污染物濃度的重要因素之一[37]。6種大氣污染物濃度與氣象因子數據之間的相關性分析結果，見表6。

表6 大氣污染物濃度與氣象因子之間的相關性分析結果

由表6可知，氣壓與大氣污染物SO2、NO2、CO、PM10濃度之間呈顯著正相關性，其與O3濃度之間呈極顯著負相關性，該研究結果與楊瑩等[38]的研究結果相似；溫度與SO2、NO2、CO 濃度之間呈極顯著負相關性(p<0.01)，其與PM10、PM2.5濃度之間呈顯著負相關性(p<0.05)，其與O3濃度之間呈極顯著正相關性，且相關性系數最大(r=0.501)，說明溫度對大氣中O3濃度的影響較大，這是因為氣溫會影響太陽輻射強度，從而影響O3的產生；本研究中除相對濕度與CO濃度無顯著相關性外，其與其他大氣污染物濃度之間均呈顯著負相關性，說明較高的相對濕度不利于大多數大氣污染物的生成和積累[31,39]，這是因為CO極難溶于水，在濕沉降中難以被清除；風速與大氣污染物SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5濃度之間呈極顯著負相關性，因為風對空氣中污染物有稀釋擴散和運輸的作用[40]，因此其與O3濃度之間呈極顯著正相關性(p<0.01)，該研究結果與王濤等[41]對無錫市大氣污染特征的研究結果不一致，這是因為大風引起了O3的動力輸送，雖然紫外輻射才是影響O3生成的關鍵性因素，但氣流來源不同也是影響大氣污染物濃度的一個重要因素[42]。

3 結 論

(1) 畢節市區2015年空氣質量總體良好，空氣優良天數占95.1%，該市的主要大氣污染物為 PM10和PM2.5；夏季和秋季的空氣質量顯著優于春季和冬季。

(2) 畢節市區大氣污染物SO2、PM10、NO2、PM2.5、CO的月濃度變化趨勢相同，都呈“V”型單谷變化特征，而O3的月濃度則為單峰變化趨勢；大氣污染物SO2、PM10、NO2、PM2.5、CO濃度的季節變化為冬季最高、夏季最低，O3濃度的季節變化則為春季最高、冬季最低，且季節之間的差異性顯著(p<0.05)；PM10和PM2.5濃度的年平均值均超過我國《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)一級標準的年平均限值，SO2和NO2濃度的年平均值均未超過國家一級標準年平均限值。

(3) 畢節市區大氣污染物濃度之間的相關性分析結果表明：大氣污染物SO2、NO2、CO 濃度與顆粒物PM10、PM2.5濃度之間兩兩呈極顯著正相關性(p<0.01)，其與O3濃度之間呈極顯著負相關性(p<0.01)；O3濃度與SO2、NO2、CO濃度之間呈極顯著負相關性(p<0.01)；PM2.5濃度與PM10、SO2、NO2、CO濃度之間呈極顯著正相關性，而其與O3濃度之間呈顯著負相關性。多元線性回歸分析得出PM2.5濃度與其他大氣污染物濃度之間的多元線性回歸模型方程為：PM2.5=2.718+0.130SO2+0.747PM10+0.255NO2-0.077O3+0.678CO。

(4) 畢節市區大氣污染物濃度與氣象因子之間的相關性分析結果表明：氣壓與SO2、NO2、CO、PM10濃度之間呈顯著正相關性，其與O3濃度呈極顯著負相關性；溫度與SO2、NO2、CO濃度之間呈極顯著負相關性，其與PM10、PM2.5濃度之間呈顯著負相關性(p<0.05)，其與O3濃度之間呈極顯著正相關性，且相關系數最大(r=0.501)；相對濕度與大氣污染物PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3濃度之間呈顯著負相關性，其與CO濃度無相關性；風速除與O3濃度呈極顯著正相關性外，與其他大氣污染物濃度之間均呈極顯著負相關性。