中國空氣污染指數(shù)時空分布特征及其變化趨勢（2001—2015）

孔鋒 呂麗莉 方建 徐宏輝

2013年政府間氣候變化專門委員會（IPCC）公布了全球氣候變化第 5次評估報告（AR5），與 2007年公布的全球氣候變化第4次評估報告（AR4）相比，第5次評估報告指出氣候變化要比原來認識到的更加嚴重，而且有 95%以上的置信度認為人類活動影響極可能是氣候變化的主要原因。

大氣氣溶膠作為空氣的重要組成部分，不僅作為凝結(jié)核影響降雨的形成，而且其數(shù)量的多少將影響空氣質(zhì)量。氣溶膠按來源可分為人為源和自然源。自然源主要包括：海鹽、氣粒轉(zhuǎn)換、風(fēng)沙揚塵、林火煙粒、火山噴發(fā)（變化很大）、隕星余燼、植物花粉等；人為源主要有：氣粒轉(zhuǎn)換、工業(yè)過程、燃料燃燒、固體廢棄物的焚燒、交通運輸、農(nóng)業(yè)活動排放、生物質(zhì)等。大氣中氣溶膠的主成分主要包括以人為源為主的硫酸鹽、硝酸鹽、黑碳和有機碳等，以及以自然源為主的沙塵和海鹽等。研究發(fā)現(xiàn)，人為源氣溶膠的年平均排放量和濃度只占氣溶膠總量的10%～20%，但是人為源氣溶膠產(chǎn)生的光學(xué)厚度卻占到總氣溶膠光學(xué)厚度的 50%左右。自然源氣溶膠濃度相對穩(wěn)定，在多年的地球大氣的演變過程中漸進平衡狀態(tài)，對于天氣及氣候的短周期變化影響較小。北半球人為氣溶膠的增加可能使云滴數(shù)濃度增加15%，氣溶膠作為凝結(jié)核導(dǎo)致云量和云生命時間的變化，最終都必將對降水產(chǎn)生間接的影響。

大氣污染物就是人為產(chǎn)生的氣溶膠的主要組成部分。從1978年改革開放以來，中國經(jīng)歷了一個城市化進程快速發(fā)展的時期，城市面積、城市人口、GDP、人均 GDP、用電量等都呈上升的趨勢。尤其是 2000年以來，隨著工業(yè)化、城市化日益加劇，人類活動排放的污染物迅速增多，且污染物在穩(wěn)定的無風(fēng)天氣狀況下持續(xù)時間不斷延長。以北京2014年2月霧霾為例，其發(fā)生時間從2月20日持續(xù)到2月27日，在此之前也有持續(xù)較長的霧霾發(fā)生。霧霾發(fā)生期間能見度低，空氣混濁，太陽輻射難以穿透大氣層到達地面?？梢娙藶榕欧诺拇髿鈿馊苣z通過改變大氣成分、輻射及反照率等影響著天氣和氣候。1980年代以來城市化、工業(yè)化迅猛發(fā)展，大氣污染物不斷增加，降水尤其是小雨不斷減少，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴重影響。其中大氣氣溶膠對長期氣候變化的影響國內(nèi)外已有不少研究。因此研究清楚大氣氣溶膠的時空格局及其變化趨勢對從成因機制上研究大氣氣溶膠對不同強度降水具有十分重要的作用。

空氣污染指數(shù)（air pollution index，簡稱 API）是反映空氣質(zhì)量的一種方法，就是將常規(guī)監(jiān)測的幾種主要空氣污染物的濃度簡化成為單一的概念性數(shù)值形式、并分級表征空氣質(zhì)量狀況與空氣污染的程度，其結(jié)果簡明直觀，適用于表示城市的短期空氣質(zhì)量狀況和變化趨勢。API近年來逐漸被納入到氣象預(yù)報中，因為 API值的大小不僅會像其它氣象常規(guī)因子（如降水、氣溫等）影響著天氣狀況，而且 API值的大小會直接對人們的健康和日常生活產(chǎn)生十分重要的影響。目前我國所用的空氣指數(shù)的分級標準為API50點對應(yīng)的污染物濃度為國家空氣質(zhì)量日均值一級標準；API100點對應(yīng)的污染物濃度為國家空氣質(zhì)量日均值二級標準；API200點對應(yīng)的污染物濃度為國家空氣質(zhì)量日均值三級標準；API更高值段的分級對應(yīng)于各種污染物對人體健康產(chǎn)生不同影響時的濃度限值，當 API超過 300點時會對健康的人體產(chǎn)生嚴重危害影響。另外 API包含了多種大氣氣溶膠，但由于大氣氣溶膠作為凝結(jié)核影響降水主要受其尺度影響，與氣溶膠種類關(guān)系不大，所以本文可以選用 API既可以作為空氣質(zhì)量的表征，又作為氣溶膠濃度的表征。因此，研究清楚 API的在我國不同地區(qū)的時空分布及其變化趨勢，不僅對不同地區(qū)、不同季節(jié)人們的健康和活動有指導(dǎo)意義，也對進一步從成因機制上研究 API對不同強度降水的影響具有十分重要的作用。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的 API日值數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國環(huán)境保護部官方網(wǎng)站的數(shù)據(jù)中心。每日的 API表征了每日最主要污染物濃度的日均值，它表征了每日最主要的三種污染物PM10，NO2和 SO2中，污染指數(shù)最高的污染物濃度的日均值。其中，API與 PM10，NO2和 SO2濃度的對應(yīng)關(guān)系。文章選取了中國重點城市空氣質(zhì)量日報 119個主要城市臺站從初始觀測之日到2015年12月31日的 API數(shù)據(jù)，其中大多數(shù)的站點觀測值開始于2000—2001年之間。根據(jù)API觀測臺站數(shù)據(jù)，統(tǒng)計春、夏、秋、冬季度多年 API日值的平均狀態(tài)和變化趨勢。

1.2 計算方法

本研究采用多年均值統(tǒng)計和、最小二乘法，對不同季節(jié)的 API數(shù)據(jù)分別進行均值統(tǒng)計和一元線性回歸。多年均值統(tǒng)計的具體步驟如下：對于每個 API觀測臺站，如果數(shù)據(jù)長度為 n 年的序列 APIij（i＝1，2，…，4；j＝1，2，…n）為其平均狀態(tài)表示為：

式中：Si為春夏秋冬4個季節(jié)數(shù)組；i為觀測數(shù)據(jù)的季節(jié)數(shù)組序號，j為觀測數(shù)據(jù)春、夏、秋、冬 4個季節(jié)的天數(shù)。春季為 3，4，5月、夏季為 6，7，8月，秋季為 9，10，11月、冬季為12，1，2月。對于每個API觀測臺站變化趨勢值，采用最小二乘法進行計算，計算方法如下：對于每個 API觀測臺站，如果數(shù)據(jù)長度為 n年的序列 APIij（i＝1，2，…，n），用 tij表示 APIij所對應(yīng)的時刻，建立 APIij與tij之間的一元線性回歸方程：

式中的 j為春夏秋冬每個季節(jié)的天數(shù)?；貧w系數(shù) b的符號表示變量的線性趨勢。b＞0表明隨時間增加 x呈上升趨勢，b＜0表示隨時間增加x呈下降趨勢。b的大小反映上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向程度。本文將回歸系數(shù) b稱為變量的變化趨勢值。最后采用IPCC AR5中給出的信度檢驗閾值進行變化趨勢的統(tǒng)計檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 四季API時空格局

從時間上看，中國四季的 API多年日值平均態(tài)從高到低依次是冬季、春季、秋季、夏季。一方面這是因為中國地區(qū)一般從10月底的秋末季節(jié)到次年的 4月初的初春季節(jié)是中國北方集中供暖的季節(jié)，供暖的資源一般是以煤炭為主的化石類資源。一般供暖最為嚴峻的季節(jié)是冬季，這個時段煤炭資源的消耗會很大，因此會有大量的污染排放。另一方面中國冬季氣溫相比夏季要低很多，而且冬季中國大部分地區(qū)太陽直射角較小，白晝時間較短，夜晚時間相對較長，這樣冬季的逆溫持續(xù)時間要比夏季的逆溫持續(xù)時間要長很多。逆溫持續(xù)的時間越長越不利于污染物的擴散。

從站點數(shù)看，各均值的站點比例可以看到API處于50～75和75～100是站點分布最為集中，占據(jù)了80%以上的站點。春、秋、冬3個季節(jié)占得比例更大，超過 90%。另外平均空氣污染物濃度的區(qū)域分布并不是完全由污染排放源決定的，濕沉降的清除機制和大氣動力混合對于大氣污染物的分布也有重要影響。中國北方地區(qū)人為污染物排放量明顯高于南方地區(qū)和中國內(nèi)陸地區(qū)，且由于夏季中國北方的降水總量和降水頻率都明顯少于南方地區(qū)，因此，中國北方地區(qū)夏季濕沉降的清除作用較弱，使得中國北方地區(qū)的大氣污染物濃度相對于南方地區(qū)得以更久地滯留在空氣中。

從空間上看，中國四季的 API多年均值具有顯著的南北區(qū)域差異。南北差異一方面是由于上述冬季集中供暖產(chǎn)生的，因為在中國秦嶺－淮河一線以南地區(qū)冬季不集中進行供暖，所以該地區(qū)的污染物排放要比北方地區(qū)少。另一方面南方地區(qū)冬季的濕沉降的清除作用也要比北方地區(qū)強。另外由于空氣污染物濃度會隨著較為清潔空氣的動力混合而減少，所以，在開闊的沿海地區(qū)，空氣污染物濃度的減少會比盆地或者內(nèi)陸地區(qū)更多，空氣相對比較清潔，這也使得污染物濃度存在東西區(qū)域格局差異。此外，由于沿海地區(qū)水汽充足，較大尺度的海鹽氣溶膠能夠作為成云致雨的凝結(jié)核，這樣也會使得空氣中的空氣污染物濃度減少。因此，沿海地區(qū)的觀測臺站中 API的觀測值一般要比內(nèi)陸地區(qū)觀測臺站的 API觀測值小。

2.2 四季API變化趨勢

根據(jù) IPCC AR5給出的信度范圍閾值可以得到，春季、夏季、秋季、冬季各有13.45%、11.76%、14.29%、11.76%的站點未通過信度檢驗。從 API趨勢變化來看下降的站點數(shù)目要多于上升的站點數(shù)目，說明近年來環(huán)境改善明顯。從時間上看，API濃度下降趨勢顯著的季節(jié)從高到低依次是春季、夏季、秋季、冬季。這可能是從春季開始氣溫逐漸升高，并且中國大部分地區(qū)的白晝時間變長，使得逆溫持續(xù)的時間較冬季縮短，大氣動力混合較冬季增強，有利于污染物的擴散。同時從春末開始到夏季中國大部分地區(qū)的降水逐漸增多，這使得濕沉降的清除作用越來越顯著。API濃度上升趨勢顯著的季節(jié)從高到低依次是冬季、秋季、春季、夏季。秋末、冬季、一方面是因為初春是中國北方地區(qū)集中供暖的時期，API排放較夏季多。另一方面是因為冬季氣溫較夏季低，白晝時間縮短，夜晚時間變長，使得逆溫持續(xù)的時間變長，不利于污染物的排放。

從空間上看，API濃度上升和下降的站點交錯分布，大致上升顯著的區(qū)域主要集中在以京津唐為主的環(huán)首都圈地區(qū)。可能主要是由于這里地處北方地區(qū)，冬季 API排放多，氣溫較南方地區(qū)低，不利于污染物的擴散，并且這個地區(qū)城市化水平發(fā)展較快使得人為排放的 API的不斷增多。上升的分布集中在京津唐工業(yè)區(qū)，山東半島，滬寧杭工業(yè)區(qū)以及珠江三角洲工業(yè)區(qū)以及其他一些工業(yè)中心附近，說明工業(yè)的發(fā)展對API影響較大。

3 結(jié)論及討論

3.1 結(jié)論

綜上所述，API具有明顯的時間和空間上的區(qū)域差異。① 從時間上來看，API濃度上升趨勢和下降趨勢顯著的季節(jié)從高到低依次是冬季、秋季、春季、夏季和春季、夏季、秋季、冬季。上升顯著的區(qū)域主要集中在以京津唐為主的環(huán)首都圈地區(qū)，而下降顯著的區(qū)域比較分散，沒有明顯的區(qū)域規(guī)律。② 從空間上來看，主要是中國北方人口稠密的城市地區(qū)多年API平均狀況要大于中國南方地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)。③ 從站點數(shù)目來看，多年 API均值介于50～75和75～100之間的站點分布最為集中，占據(jù)了80%以上的站點，春、秋、冬三個季節(jié)占得比例更大，超過 90%。④ 從趨勢上來看，API一年四季中下降趨勢站點數(shù)目比上升趨勢站點多，但是由于數(shù)據(jù)持續(xù)時間較為短，還不能就未來 API的變化做出診斷。但就目前 API排放下降的站點多并不能代表排放量就會減少，也不代表區(qū)域的 API整體均值會減小。

3.2 討論

從上可以看出還有一些問題需要進一步研究探討。

（1）API時間上的差異可能一方面主要是由于中國北方地區(qū)秋、冬、春季節(jié)用以煤炭為主的化石類燃料取暖和冬季逆溫時間持續(xù)時間較長產(chǎn)生的。另一方面可能主要是由于中國北方地區(qū)夏季的降水量和降水頻率要明顯少于南方地區(qū)，從而導(dǎo)致中國北方地區(qū)的濕沉降的清潔作用明顯小于南方地區(qū)。是否還有其它因素的影響時間上的分布，還有待于進一步研究。

（2）API空間上的差異可能一方面與中國人類活動強度大、人口密度大、城市化水平高的地區(qū)相重合?；径嘉挥谀樱v沖一線以界限的胡煥庸線以東。這里是改革開放以來中國最先開發(fā)的地區(qū)。高密度的經(jīng)濟生產(chǎn)和高密度的人口是否是導(dǎo)致 API排放較多的原因，還有待于從微觀水平去做對比驗證。但是由于受到局地的 API數(shù)據(jù)在時間分辨率和空間分辨率上的限制以及 API數(shù)據(jù)的持續(xù)時間有限，即使如此也很難獲取此類觀測的排放數(shù)據(jù)，這些都是限制近一步從空間上深化的原因之一。

（3）API變化趨勢一方面主要可能是由于中國南北降水量和降水頻率的區(qū)域差異和中國東西城市群規(guī)模區(qū)域差異引起的。另一方面可中國沿海地區(qū)的多年 API平均狀況要小于中國內(nèi)陸地區(qū)。這主要可能是是由于沿海地區(qū)地形開闊，水汽充足，人為排放的 API和更大尺度的海鹽氣溶膠能夠作為成云致雨的凝結(jié)核，從而大大減少。

（4）需要進一步深入API對霾發(fā)生的影響。API作為人類排放的污染物，雖然政府對其部分排放源有所限制，但其仍然呈現(xiàn)不斷增長的趨勢。API中的PM作為霾的主要成分，控制 API中PM的排放對減少霾的發(fā)生具有重要作用。在大氣觀測上，霾主要由兩個氣象變量判定：① 水平能見度小于10 km；② 相對濕度一般小于 80%。因而當大氣相對濕度小于 80%時，大氣渾濁視野模糊導(dǎo)致的能見度變化主要是霾造成的。近年來霾發(fā)生在不斷加劇。在空間上發(fā)生范圍不斷擴大。近年來霾的發(fā)生范圍逐漸擴大，已經(jīng)基本覆蓋了整個華北平原，并有強勁的增加趨勢。在時間上，進入21世紀以來不論是年單站平均霾日數(shù)，還是四季的單站平均霾日數(shù)都呈現(xiàn)不斷增加趨勢；此外霾發(fā)生后持續(xù)時間不斷增長，而且近年來嚴重霾日數(shù)的比例占霾總?cè)諗?shù)的比例不斷增大。綜上可以看到霾已經(jīng)成為影響人民生活的氣象災(zāi)害之一。在霾的發(fā)生過程中，自然塵降貢獻率占多少，人類排放貢獻率占多少，尤其是人類排放的哪些污染物對霧霾的發(fā)生貢獻大，哪些領(lǐng)域和行業(yè)又占據(jù)這些污染物排放源的寡頭是政府和人民關(guān)注的焦點，目前這個問題由于受到數(shù)據(jù)限制，尤其是長期序列的霧霾數(shù)據(jù)的限制，還沒有較為客觀的證據(jù)來得到學(xué)界的廣泛認同。這個領(lǐng)域還處于初步階段，尚待更加深入系統(tǒng)的研究。

綜上所述，城市化的水平的不斷提高，使得人類徹底的改變了自然地表景觀。原始大片的自然地表覆蓋被不同規(guī)模的城市取代。各類城市逐漸成為連綿的城市群（京津唐、長三角、珠三角城市群）使得API等氣溶膠以更大規(guī)模的尺度排放。大氣中的人為排放的氣溶膠和自然產(chǎn)生的氣溶膠各自占到多大的比例還有待于進一步研究，因為這關(guān)系到人為排放的氣溶膠對長期氣候變化的作用，有助于為減緩氣候變化，制定相關(guān)政策提供科學(xué)依據(jù)。

（摘自《災(zāi)害學(xué)》2017年第2期）