華東地區之濟南市大氣污染主要成分及來源分析

摘要：基于中國空氣質量在線監測分析平臺公布的2018年AQI及六種分項污染物的日報數據，分析了中國華東地區6個省份省會城市的AQI數據，并運用核密度分析法估計了中國山東省濟南市大氣污染的六種分項污染物的主要特征。研究發現：①濟南市AQI在華東地區6省省會城市中居于首位。②濟南市2018年PM2.5得到有效防治，PM2.5濃度得到顯著下降。③六項分項污染物中O3、PM10維持在一個較高的水平。以上結論為大氣污染治理體系并且為實現提高人民保護環境意識提供了有效依據。最后針對濟南市主要污染物給出了一些建議以供參考。

Abstract： Based on the daily data of 2018 AQI and six sub-contaminants published by China's air quality online monitoring and analysis platform， the AQI data of the provincial capital cities of six provinces in East China are analyzed， and the nuclear density analysis method is used to estimate the main characteristics of six sub-contaminants of air pollution in Ji'nan City， Shandong， China. The study found that： 1. Ji'nan AQI ranks first in the provincial capital cities of six provinces in East China. 2. PM2.5 in Ji'nan City was effectively controlled in 2018， and the concentration of PM2.5 was significantly reduced. 3. O3 and PM10 in the six sub-contaminants are maintained at a high level. The above conclusions are the air pollution control system and provide an effective basis for improving people's awareness of environmental protection. Finally， some suggestions for the main pollutants in Ji'nan are given for reference.

關鍵詞：大氣污染;核密度分析法;PM2.5

Key words： air pollution;nuclear density analysis;PM2.5

中圖分類號：X131.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0268-03

1? 方法與數據

1.1 研究方法

核密度估計（kerneldensity estimation）是概率論中用于估計概率密度函數的一種非參數方法。

假定隨機變量X的密度函數為f（x），在x點的概率密度用下式表示：

式中：N為觀測值個數;Xi為獨立同分布的觀測值;x為均值;K為核函數;h為帶寬。

1.2 樣本數據

本文選擇PM2.5，PM10，SO2，CO，NO2，O3等在內的六種常見污染物濃度值以及空氣質量指數（AQI）作為衡量大氣污染的指標?？諝赓|量指數（AQI）：AQI是空氣質量指數的縮寫。它的英文名字是空氣質量指數。數值越大，等級和類型越高，空氣污染越嚴重，對人體健康的危害越大。針對單項污染物還規定了空氣質量分指數。參與空氣質量評價的主要污染物為PM2.5，PM10，SO2，CO，NO2，O3六項。本文所有數據均來源于中國空氣質量在線監測分析平臺。

污染物主要來源：

PM2.5：其中以土壤揚塵、海洋氣溶膠和車輛尾氣最為重要。車輛排氣管排放的主要是細小的顆粒物即PM2.5。

PM10：PM10的來源主要為土壤，占總來源的21.3%，而且有明顯的季節和地區變化性，例如春季的土壤來源較多，而機動車燃油的排放所占比例則在秋冬季較高。

SO2：二氧化硫主要來源于化石燃料的燃燒（煤，石油，天然氣）。

NO2：二氧化氮除自然來源之外，燃料的燃燒、城市汽車尾氣也可以產生NO2。此外，工業生產過程也可產生二氧化氮。

O3：臭氧是由氮氧化物和揮發性有機化合物之間的光化學反應產生的，這需要足夠的光和溫度。

CO：空氣中CO主要來自含碳物質的不充分燃燒（如汽油、柴油、煤、木炭、煤氣、液化氣、天然氣等）和汽車尾氣。

本文針對2018年華東地區上海市、南京市、濟南市、合肥市、杭州市、福州市的空氣質量指數（AQI），由表1得出山東省濟南市空氣質量指數（AQI）最大，福建省福州市空氣質量指數（AQI）最小，其中濟南市空氣質量指數標準差最大，說明其與平均值之間的差異較大，空間差異性較大，福州市空氣質量指數標準差最小，說明其與平均值之間的差異較小，空間差異性較小，空氣質量較好。因此本文利用核密度估計方法著重分析了山東省濟南市的大氣污染現狀。如表1所示。

2? 空氣質量指數等級劃分

空氣質量指數（AQI）可以劃分為五個等級：

當空氣質量指數為0-50 時，為一級污染

當空氣質量指數為51-100 時，為二級污染

當空氣質量指數為101-150 時，為三級污染

當空氣質量指數為151-200 時，為四級污染

當空氣質量指數為201-300 時，為五級污染

當空氣質量指數>300 時，為六級污染

由圖1可以看出，2018年濟南市大約將近一半天氣處于三級污染以上，由此可見，對濟南市大氣污染的防治應立即并有條不紊的展開。

本文采用R語言工具繪制出2018年山東省濟南市分項污染物的核密度估計圖，如圖所示，NO2密度函數呈現較明顯的雙峰分布，表明其空間差異性較高。其余五種污染物均為單峰分布。從分布位置看，PM2.5，SO2，CO核密度圖形分布位置比較靠近左側，表明樣本城市PM2.5，SO2，CO的濃度水平較其他污染物相比較低，上述三項污染并不顯著，與濟南市近年來大氣污染的有效治理密不可分。而O3，PM10的核密度圖形分布較為相似，如圖2所示。

根據世界衛生組織（WHO）發布的《環境空氣質量標準》，對于PM2.5的年均濃度限值分為：第一個過渡期目標為35μg/m3，第二個過渡期目標為25μg/m3，第三個過渡期目標為15μg/m3。我國規定的PM2.5的一級標準值為15μg/m3，二級標準值為35μg/m3。由核密度圖像可以看出，濟南市PM2.5濃度值大約維持在40μg/m3左右，近似達標WHO過渡時期目標-1和我國二級標準值的35μg/m3，但與WHO過渡時期目標-3和我國一級標準值的15μg/m3相差較多，大約是2.5倍左右，雖然近年來濟南市PM2.5的治理效果顯著，但大氣污染的治理仍然任重道遠。

WHO空氣質量準則規定PM10年均濃度限值為：第一個過渡期目標為70μg/m3，第二個過渡期目標為50μg/m3，第三個過渡期目標為30μg/m3。我國新頒布標準規定的可吸入顆粒物一級標準為40μg/m3，二級標準為70μg/m3。由核密度圖像可以看出，濟南市PM10濃度值大約維持在120μg/m3左右，這大約是世界衛生組織過渡時期目標-3的30μg/m3 4倍，是我國新頒布一級標準40μg/m3 3倍?？梢钥闯鰸鲜锌晌腩w粒物（PM10）濃度遠遠沒有達標。

因為WHO認為“只要符合24小時濃度限值就可保證低的年平均濃度，故年平均濃度限值是不需要”，故只對24小時濃度值進行規定。WHO對二氧化硫24小時濃度限值分為第一個過渡期目標為125μg/m3，第二個過渡期目標為50μg/m3。我國環境空氣質量標準規定24小時平均濃度的一級標準為50μg/m3，二級標準為150μg/m3。由核密度圖像可以看出，SO2濃度大約維持在10μg/m3左右，遠遠低于WHO和中國規定的標準，說明濟南市SO2污染的控制相對較好。

WHO對于一氧化碳（CO）暴露的標準限值：15分鐘100mg/m3（90ppm），30分鐘60mg/m3（54ppm），1小時30mg/m3（27ppm），8小時10mg/m3（9ppm），中國《室內空氣質量標準》中規定，室內空氣中CO濃度標準值為10mg/m3。由核密度圖像可以看出，濟南市CO濃度大約維持在0.7mg/m3，被控制在一個較好的水平。

WHO規定的二氧化氮年平均準則值為40μg/m3。中國環境空氣質量標準規定的二氧化氮濃度標準值與WHO相同。由核密度圖像可以看出，濟南市NO2濃度值大約維持在40μg/m3左右，但由于其是雙峰分布，一段時間內NO2濃度也維持在60μg/m3左右，超出WHO和中國環境空氣質量標準20μg/m3左右，因此濟南市NO2濃度值相對其他分項污染物來說不太穩定，應重點考慮一下NO2濃度的控制。

WHO僅規定了臭氧（O3）8小時平均濃度的準則值。WHO的臭氧8小時濃度限值分為：高濃度240μg/m3，第一個過渡期目標為160μg/m3。中國規定臭氧8小時濃度的一級標準值100μg/m3，二級標準值為160μg/m3。由核密度圖像可以看出，濟南市O3濃度值（8h）大約維持在150μg/m3左右，基本達標WHO過渡時期目標-1值，但距離中國規定臭氧8小時濃度的一級標準值還有一定的差距。

3? 結論

本文以空氣質量指數（AQI）以及PM2.5，PM10，SO2，CO，NO2，O3六項分項污染物為指標，運用核密度分析法對濟南市大氣污染進行了初步的評估，研究結論如下：①華東地區省會城市中濟南市空氣污染指數（AQI）最大，空氣質量相對其他地區較差;福州地區空氣質量較好。②濟南市2018年PM2.5的治理有顯著效果。③濟南市PM10濃度較高，成為2018年濟南市首要污染物之一。④濟南市NO2濃度水平呈不穩定分布，差異性較大，應敲響濟南市NO2濃度防治的警鐘。

4? 建議

濟南四面環山，北倚黃河。地勢很淺。受南方山區影響，總體大氣污染擴散條件較差。城市地表附近容易形成“小風中心”，影響污染物的水平擴散。在垂直方向上，長期氣象觀測資料表明，濟南市區易發生逆溫天氣。下午5點逆溫天氣發生的概率超過80%，影響污染物的垂直擴散。濟南市大部分工業園區和主要大氣污染源都位于擴散條件較差的區域，對濟南市環境空氣質量影響較大。濟南市移動源、生活源和沙塵源的排放強度較強，過度集中在城市擴散條件較差的地區。塊煤燃燒、各種粉塵、機動車尾氣、油煙等對城市環境質量有很大的影響。其中濟南機動車高度集中在“風的中心”。由于機動車是在人的呼吸帶內排放的，其影響更為顯著。這也直接導致PM2.5和PM10濃度的增加。以下是對上述污染源分析的一些建議，供參考：①把工業園區轉移到空氣污染擴散較好的地區。商河、濟陽、天橋北部屬于擴散條件較好的區域。②拓寬城市道路，發展公共交通系統，增強人們的環保意識。它呼吁人們選擇公共交通，并采取措施，如私家車限制，以減少PM2.5和PM10的排放。③加強對各類排煙設施的監督管理，提高燃煤質量，改變能源結構。④進一步制定環境污染控制措施，完善處理體系，使各種廢物得到處理和排放，最大限度地減少對環境的直接污染。⑤加大力度宣傳可持續發展戰略，提高各級干部和廣大人民的環保意識，形成“環境保護，人人有責”的氛圍，嚴格遵守有關法律規定，并形成新的有特色的符合濟南的環境污染治理規定，提高法律觀念。

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作者簡介：姜銘（1996-），女，遼寧鞍山人，研究生在讀，研究方向為應用統計。