天津市近五年空氣質量變化特征分析

李懷明，郭 健，閆 佩，李敏姣，廖光龍，羅彥鶴，張亦楠

(天津環(huán)科環(huán)境規(guī)劃科技發(fā)展有限公司 天津300191)

0 引 言

大氣污染與人民生活密切相關，成為了我國目前最主要的環(huán)境問題之一，引起社會廣泛關注。2013年9月，國務院發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》(簡稱“大氣十條”)，出臺了大氣污染防治 10項措施，之后各級政府也相繼出臺了各項政策治理大氣污染問題[1]。自2013年實施“大氣十條”以來，多個城市和地區(qū)開展了空氣質量變化趨勢和污染特征研究[2-5]以及重污染天氣應對措施的評估[6]。本文利用 2013—2018年天津市逐日空氣質量監(jiān)測資料和氣象數(shù)據(jù)資料，分析天津市大氣主要污染物的現(xiàn)狀和變化特征，并進一步討論空氣質量與氣象要素之間的關系，以期為管理部門開展大氣污染防治工作提供參考。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的空氣質量監(jiān)測數(shù)據(jù)為中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的實時空氣質量監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括細顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)6種主要污染物濃度。氣象數(shù)據(jù)來自天津市國家基本氣象站日值數(shù)據(jù)，包括氣溫、氣壓、風速、相對濕度等要素。

1.2 處理方法

本文利用統(tǒng)計學中常用的斯皮爾曼(Spearman)相關系數(shù)來衡量各污染物濃度和氣象要素的相關關系。Spearman相關系數(shù)是一種無參數(shù)(與分布無關)檢驗方法，用于度量變量之間聯(lián)系的強弱，當分析的變量中有非正態(tài)分布的連續(xù)變量或順序變量時，更適合采用Spearman相關系數(shù)。

2 結果與分析

2.1 天津市近五年空氣質量變化情況

自 2013年實施“大氣十條”以來，天津市環(huán)境空氣質量逐年改善效果顯著。2018年全年達標天數(shù)207d，較 2013年增加 62d；重污染天數(shù) 10d，較2013年減少39d(圖1)。6項主要污染物中，除O3濃度(O3日最大8h滑動平均值第90百分位數(shù)濃度)較2013年有所上升外，其余 5項污染物濃度均明顯改善(圖2)。其中，PM2.5濃度均值 52μg/m3，較 2013年下降 45.8%；PM10濃度均值 82μg/m3，較 2013年下降 45.3%；SO2濃度均值 12μg/m3，較 2013年下降79.7%；NO2濃度均值 47μg/m3，較 2013年下降13.0%；CO日均值第 95百分位數(shù) 1.9mg/m3，較2013年下降48.6%。

圖1 天津市近五年污染天數(shù)對比Fig.1 Comparison of pollution days in Tianjin in recent five years

從 2014—2018年 PM2.5的逐月濃度變化(圖3)可以看出，PM2.5濃度在波動中呈現(xiàn)下降趨勢，2017年和 2018年月均濃度最高值不超過 82μg/m3，秋冬季的顆粒物污染狀況大為改善。值得注意的是，2018年8、9月的 PM2.5濃度值分別為 30.8、30.6μg/m3，這是自 2013年以來，天津市首次出現(xiàn) PM2.5月均濃度低于環(huán)境空氣質量標準(GB 3095—2012)二級濃度限值(35μg/m3)的月份。可見，以控制 PM2.5為目標的環(huán)境空氣質量治理舉措取得了顯著效果。

圖2 2013年和2018年天津市各污染物濃度比較Fig.2 Comparison of pollutant concentrations in Tianjin from 2013 to 2018

圖3 2014—2018年天津市PM2.5濃度逐月變化Fig.3 Monthly variation of PM2.5 concentration in Tianjin from 2014 to 2018

圖4 2014—2018年天津市O3濃度逐月變化Fig.4 Monthly variation of O3 concentration in Tianjin from 2014 to 2018

在 PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 5 項污染物濃度均明顯下降的同時，O3濃度卻有所上升(圖4)，2018年年均值 201μg/m3，相比 2013年均值上升 33.1%。此外，在 2018年天津市空氣質量不達標天數(shù)中(158d)，O3為首要污染物的天數(shù)占比 52.5%(83d)，首次超越顆粒物，成為影響天津市空氣質量達標的最重要因素。從 2014—2018年 O3的逐月濃度變化可以看出(圖4)，臭氧濃度總體呈現(xiàn)上升趨勢，除年均濃度逐年上升外，月均濃度超標的月份數(shù)量也逐年遞增，對臭氧的控制刻不容緩。

2.2 與其他城市空氣質量對比

與京津冀區(qū)域其他城市(北京、保定、唐山、石家莊、廊坊、秦皇島、張家口、承德、滄州、衡水、邢臺、邯鄲)相比，天津市 2018年 6種主要污染物(SO2、NO2、PM2.5、PM10、O3、CO)濃度分別為京津冀 13 個城市平均水平的 0.64、1.08、0.96、0.84、1.04、0.84 倍(圖5)。可見，除NO2和O3外，天津市其他4種污染物濃度均優(yōu)于京津冀區(qū)域平均水平，其中SO2濃度僅為平均水平的 0.64倍。總體而言，天津市 2018年環(huán)境空氣質量略好于京津冀區(qū)域平均水平。

與首批實施新環(huán)境空氣質量標準的74個重點城市平均水平相比，天津市 6種主要污染物(SO2、NO2、PM2.5、PM10、O3、CO)平均濃度分別為 74 個城市平均水平的 0.93、1.26、1.25、1.16、1.23、1.23 倍。除SO2外，各項污染物指標距離全國平均水平尚有一定差距。

圖5 2018年天津市各項污染物平均濃度與京津冀區(qū)域—74城市均值對比情況Fig.5 Comparison of average concentration of pollutants in Tianjin in 2018 with that in Beijing-Tianjin-Hebei region and 74 other cities

2.3 空氣質量與氣象要素的關系

對天津市近五年各類氣象要素和空氣質量污染物數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)分析變量不符合正態(tài)分布，故使用 Spearman相關系數(shù)描述其相關性。選取風速、氣溫、氣壓、相對濕度、降水量、最大風速、極大風速等氣象要素，利用 Spearman相關系數(shù)分析6種污染物濃度與氣象要素的相關性(表1)。從相關系數(shù)結果來看，PM2.5與風速、日照、濕度負相關性較其他更顯著，其中風速影響其擴散，日照和濕度影響其二次轉化，與氣壓無明顯相關性；PM10與風速、降水負相關性更顯著，說明其主要為一次污染，與氣壓、濕度無明顯相關性；SO2與氣壓正相關，與其他各要素負相關，與氣壓、氣溫的相關性較其他要素更顯著；NO2與氣壓顯著正相關，與風速、氣溫顯著負相關，與濕度無明顯相關性；CO 與風速、日照、氣溫的負相關性相對較顯著；O3與氣溫、日照有顯著正相關，與氣壓顯著負相關，與濕度無明顯相關性。總體來看，風速與各個污染物均存在顯著相關性；氣壓、氣溫與 SO2、NO2、O3相關性較大，與顆粒物相關性小；相對濕度與 PM2.5和 CO 有一定相關性，對其他污染物影響不大；降水量主要影響 PM10、SO2、NO2；日照時數(shù)與O3、PM2.5、CO相關性較大。

表1 天津市近五年 6種污染物濃度與主要氣象要素的相關系數(shù)Tab.1 Correlation coefficients between concentrations of 6 pollutants and main meteorological factors in Tianjin in recent 5 years

3 結 論

①自 2013年實施“大氣十條”以來，天津市環(huán)境空氣質量逐年改善效果顯著，2018年全年達標天數(shù) 207d，較 2013年增加 62d；重污染天數(shù) 10d，較2013年減少 39d。6種主要污染物中，PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 5項污染物濃度均明顯下降，但 O3濃度有所上升；2018年天津市空氣質量不達標天數(shù)中，O3為首要污染物的天數(shù)占比 52.5%，首次超越顆粒物成為影響天津市空氣質量達標的最重要因素。

②與京津冀 13個城市平均水平相比，天津市2018年環(huán)境空氣質量總體略好，除 NO2和 O3外，其他4種污染物濃度均優(yōu)于京津冀區(qū)域平均水平；但與首批實施新環(huán)境空氣質量標準的74個重點城市平均水平相比仍有一定差距。

③降水、風速、濕度和溫度等氣象要素對于天津市空氣質量影響顯著，風速、氣溫、降水、日照時數(shù)與O3正相關，與其他污染物負相關；氣壓與 SO2、NO2、CO正相關，與 O3負相關，與顆粒物無明顯相關性；相對濕度與 PM2.5和 CO 正相關，與 SO2、NO2負相關，與PM10、O3無明顯相關性。