青島市大氣顆粒物PM2.5動態分析

邵錫浩

摘要：基于青島市主城區大氣自動監測站實時發布的數據， 分析顆粒物PM2.5濃度的時空變化規律，并對PM2.5與其它顆粒物之間的相關性和影響因素進行了分析。結果表明，PM2.5顆粒物濃度年際變化起伏不定;年內變化冬、春季濃度較高，夏、秋季濃度低。根據PM2.5與其它顆粒物之間的相關曲線看，PM2.5與SO2、NO2、O3之間呈現顯著正相關，它們濃度的升高會引起PM2.5濃度增大，其來源相同或相關。

Abstract： Based on real-time data released by the atmospheric automatic monitoring station in the main urban area of Qingdao， the temporal and spatial variation of PM2.5 concentration in particulate matter is analyzed， and the correlation and influencing factors between PM2.5 and other particulate matter are analyzed. The results showed that the interannual variation of PM2.5 particle concentration fluctuated; the concentration during the year was higher in winter and spring， and lower in summer and autumn. According to the correlation curves between PM2.5 and other particulate matter， PM2.5 has a significant positive correlation with SO2， NO2， and O3. An increase in their concentration will cause an increase in PM2.5 concentration， which is the same or related source.

關鍵詞：青島市;PM2.5;污染;空氣質量

Key words： Qingdao;PM2.5;pollution;air quality

中圖分類號：X513 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0183-04

0 ?引言

山東省青島市是中國非常重要的沿海開放城市和經濟中心城市，自從改革開放開始，青島市綜合經濟實力穩步增長，尤其是近幾年經濟結構不斷優化，城市發展日新月異，涌現了海信、海爾、青島啤酒等一大批強有力的名牌產品和企業集團，形成了以港口運輸、濱海旅游、商貿、金融和信息服務為主體的發展格局。作為一座典型的北方城市，煤炭資源依舊是城市取暖和工業發展的主要能源。青島市雖然經過實施過各種防污減排措施，大大減少了顆粒污染物和污染氣體（如二氧化硫、二氧化氮和一氧化氮等）的排放量，使得大氣低空面源的污染得以控制，明顯提高了青島市的大氣空氣質量，但由于目前青島市的燃料結構仍以煤炭為主，并且受經濟技術和產業結構等因素制約，燃煤所產生的污染問題總體治理水平不高，城市的空氣污染仍屬于典型的煤煙型污染。大氣污染問題是城鎮化和工業化加速發展背景下人類活動與自然環境之間關系緊張的具體體現，由不合理的人類活動所引起，又進一步限制人類活動（比如城鎮化和工業化）高質量發展[1]。隨著中國生態文明建設和“五化”協同發展逐步推進，解決大氣污染問題既是落實生態文明和“五化”協同的現實表現，也是追求人與自然和諧發展的內在要求[2，3]。

青島市是山東半島藍色經濟區的龍頭城市，是我國東部沿海地區著名的旅游度假城市。雖然很早之前就有對于青島市主城區PM2.5顆粒物的研究，但多數數據的觀測點分散、觀察時間較短，并且缺乏連續時間、多空間和多角度的研究。本次研究所利用的數據來源于青島市主城區大氣監測站2013年至2019年（主要選取14-18年重點分析）持續監測所獲得的空氣質量指數以及PM2.5的顆粒物質量濃度，并基于此數據對青島市大氣顆粒物PM2.5的時空變化情況進行統計分析，揭示青島市主城區大氣污染顆粒物的特征，并分析大氣顆粒物的主要組成及其變化所引起的大氣環境問題，以便為青島市近地面大氣環境污染防治及進一步進行的環境優化提供理論依據。目前，中國基于空氣質量狀況建立了空氣質量指數AQI、空氣污染指數API及各類污染物指標數據的監測發布系統[4]。據此分析青島市環境空氣污染狀況。

1 ?研究背景

隨著經濟社會的發展和進步，全球的氣候變暖、生態失衡、環境惡化、海平面上升、大氣污染嚴重等已然成為各個國家所共同面臨和亟待解決的嚴峻問題。自從1992年6月，聯合國在巴西的里約熱內盧召開世界各國政府首腦參加的聯合國環境與發展會議，在該會期間簽訂《聯合國氣候變化框架公約》，在1994年3月開始生效。該公約要求發達國家和發展中國家履行相應義務，擔當相應責任。到2015年12月12日，在巴黎氣候變化大會上通過，在紐約簽署的氣候變化協定《巴黎協定》，成為首份具有法律約束力的全面應對氣候變化協定，該協定為2020年后全球應對氣候變化行動作出安排并進行了國際分工。其中，我國制定氣候變化目標是2030年的碳排放量增長速度達到最大值，并且相比于2005年下降百分之六十至百分之六十五。

為了加強各城市的大氣污染防治，我國于1994年加入世界衛生組織的健康城市計劃，2007年在北京、上海、杭州等10個市（區、鎮）開展健康城市試點，健康城市的建設將逐步成為全國甚至全球城市建設的發展趨勢[5]。

2 ?數據采集

本次研究所采用的數據主要來源于中國空氣質量在線監測分析平臺。目前國內主要依靠各種精密儀器檢測空氣中的大氣顆粒物污染物濃度。但由于觀測儀器的成本高，國家只能通過在城市部分地區設立環境監測站來檢測大氣顆粒物濃度及大氣質量。但這種空氣質量的檢測方法是粗略的、精確度不高的，大氣質量的監測點并不能覆蓋城市的所有角落。所以本文提出了一種基于圖像的空氣質量等級檢測方法，試圖通過移動檢測設備所采集的圖像檢測空氣質量等級，移動檢測設備的廣泛使用將使得通過圖像細粒度檢測空氣質量成為可能，該方法利用空氣污染對圖像顏色通道和灰度通道局部信息熵的影響構建空氣質量等級檢測模型[6]，并采用該平臺提供的分析結果。

3 ?數據分析

3.1 青島市空氣質量指數月變化趨勢（年內變化）

從中國天氣網中選取青島市2014年至2018年空氣質量指數（AQI）月變化趨勢。由圖1可以看出，年與年之間變化較大，最高峰與最高峰之間也有較大差別，并通過研究青島歷年來的天氣狀況，發現冬季AQI值大，夏季AQI小。初步推測AQI值與季節和天氣狀況有著密切聯系。

3.2 青島市空氣質量指數（AQI）等級月變化趨勢

從中國天氣網選取2014年至2018年青島市空氣質量指數（AQI）等級月變化趨勢。經圖2可以發現，每年空氣質量指數最大值均出現在一月或附近，最小值出現在七八月份。這個結果與已有的研究結論相符合，我國城市大氣顆粒物PM2.5質量濃度具有明顯的季節變化規律，即冬春季節污染較重而夏秋季節污染相對較輕[7]。青島市大氣顆粒物PM2.5月平均濃度變化整體趨勢呈現出單高峰單低谷型。從整個圖片來看，青島市PM2.5月均濃度最高值出現在一月份，月濃度最低值出現在出現多個波峰和波谷七月份，并有規律的呈現波浪形變化。自2014年1月至2018年12月，每年空氣質量指數等級在7月份左右達到最高，在2月到4月達到最低。

通過分析表1（取自中國天氣網）：在空氣質量指數達到最低的時候，PM2.5、PM10以及二氧化硫都達到每年最低值;在空氣質量指數達到最差的時候，PM2.5、PM10以及二氧化硫都達到每年最高值。通過近幾年數據，從各個季節結果來看，夏季風向多為東風、東南風，從海洋帶來清潔空氣，城市內部耗煤量低，所以空氣質量情況最佳;冬由于煤等化石燃料燃燒排放量大、不利風向條件（冬季多為西北風，北風）及向外輸送不良等影響，導致空氣質量較差。從各月份結果來看，每年8月或八月附近空氣質量最佳，八月前后幾月尤其是5月至10月期間，各個污染物的濃度均達到排放標準，空氣質量也較好。而每年的12月至來5月期間，氮氧化物、硫氧化物等大氣顆粒物量濃度較其余月份有明顯增加，空氣質量等級也不高，甚至出現多次輕度污染;PM10的濃度增減和PM2.5的增減趨勢相似，夏季附近濃度較低，冬季濃度較高。

從青島市環保局網站得知，在2017年，青島市共啟動過大氣重污染天氣應急預警3次，其中大氣污染藍色預警1次，黃色預警2次。2次的黃色大氣污染預警都是按照山東省區域應急聯防聯控統一部署的要求啟動，通過天氣污染預警，青島市組織全市采取應急響應措施，減少造成大氣污染的顆粒物排放，并且發揮了降低大氣污染顆粒物濃度和減少污染天氣出現的積極作用，大氣的實時監測結果未達到啟動青島市重污染天氣應急預案中的黃色預警條件，明顯提高了青島市的大氣質量指數。同年，青島市由于受不利天氣條件，導致大氣顆粒污染物向外輸送不便，導致該年共出現4天大氣重度污染，其中三天出現在一月，一天出現在2月，符合以上研究。與前幾年相比，出現重度天氣污染及以上等級天氣污染天數有所減少，是2013年以來出現嚴重不良天氣天數最少的一年[8]。

青島市是一個天然能源匱乏并且新型能源待開發潛力較大的城市。目前青島市使用的天然一次能源以煤和石油為主，并且能源全部依靠外地的輸入。新型清潔能源的開發情況基本上處于空白，尚未出現大規模開發利用新型能源的局面。雖然這種污染物排放量大的能源結構格局已經延續了很多年，但一次天然能源與新型清潔能源的比例在逐年改變，新型清潔能源也初步出現并投入使用。能源的質量在不斷提高。并且作為北方城市，冬季供暖所需能源比例很大。城市的快速發展導致了城市熱島效應的產生，產生該現象的主要原因是城市建筑的增加、能源結構不合理、下墊面的硬化、車輛增多、城市人口增多、工業的集聚、綠地和水體面積的減少、城市風速的降低等[9]。龐華基等研究認為，青島市的城市熱島效應在冬季比較明顯，這與青島市的冬季供暖應存在聯系。城市化進程的加快與城市熱島效應的增強有很強的對應關系[10]。2017年至2018年青島市供熱總面積超一億平方米，但城市熱化率不足60%，利用清潔能源供熱占比30%?，F有的城市集中供熱是由大型熱電聯產供熱廠、企業單位鍋爐房、區域地區小型鍋爐房、新型能源供熱等組成，具體的構成和能源消耗量估算見表2。

除此之外還有城市的分散式、個體式取暖，主要是以煤碳、石油油、電、天燃氣等為燃料的辦公室或家庭采暖[11]。

除此之外，大氣顆粒物PM2.5濃度一般也會與氣象因子之間存在密切聯系[12]。例如PM2.5顆粒物濃度會隨著風速的增大而導致擴散傳播加快，從而使得污染物濃度降低，但與此同時也會將大氣顆粒物PM2.5輸送至其他地方[13]，這也就是大氣顆粒物的向外輸送的主要途徑。與之相符的研究顯示，青島市主城區大氣顆粒物濃度在吹陸風（即以西風、西北風為主）且風速較小的時候較高，主要原因就是陸風帶來了內陸其他地區的大氣顆粒物;在吹海風（以東風、東南風為主）且風速較大時污染物濃度較低，主要原因時海風帶來了海洋的清潔空氣，使得青島市空氣質量指數高。風向能影響空氣中顆粒物的轉移、聚集和擴散。在春季，西南、西北風向下，PM2.5顆粒物濃度最高;夏季，東南、東風向上，PM2.5濃度較低;秋季，西北、西風向下，PM2.5濃度較高;冬季，西、西北風向下，PM2.5濃度較高。是因為青島市南、冬、北三面環海，在西風、西北風時會受到內陸地區大氣向外部輸送的影響，來自西伯利亞冷氣團的空氣會將京津冀地區以及山東省西部內陸地區的污染物帶到青島，導致大氣污染物濃度的升高，形成不良天氣。

當風速較小和靜風時，大氣顆粒物的水平擴散條件較差，不利于青島市當地產生氮氧化物和硫氧化物的輸送和擴散，導致大氣污染物質量濃度提高。同時臭氧在該天氣條件下時質量濃度最低，此時大氣污染物濃度與平均相比減少了百分之四十左右。而靜風時氮氧化物的濃度高，推測可能是因為靜風時氮氧化物與臭氧發生相互作用，同時靜風時大氣水平作用力較小，沒有外來的臭氧補充，導致當地臭氧濃度達到最低，但是由于缺乏對揮發性有機化合物（VOCs）的檢測資料，臭氧與氮氧化物之間的關系還有待進一步分析[14]。

4 ?結論

①從月變化情況看，青島市主城區PM2.5月濃度最低及空氣質量指數月等級最高出現在7月及8月份;PM2.5月濃度最高及空氣質量指數月等級最低出現在12月及1月份。

②青島市冬季空氣質量指數最低的原因由多方面造成。一，冬季城區供暖能源結構主要為一次能源，造成大量的空氣污染物;二，青島市氣候類型為溫帶大陸性氣候，冬季所吹的西風西北風帶來內陸地區的空氣污染物，造成了空氣質量指數低。

③青島市關于大氣污染的主要防治措施是控制大氣污染顆粒物的排放，包括煤煙塵、工業廢氣、汽車尾氣等廢氣排放;加強綠化、提倡公交出行、城市禁鞭、實施相關法律等是有效的提高大氣質量措施;再有就是預防氮氧化物、硫氧化物等污染物的二次轉化，所以防治大氣污染需要防治結合，包括減少污染物的排放、控制污染物輸送及預防污染顆粒二次轉換等問題。

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