北京市大氣環境評價及污染物時空分布

白 莉 溫 軒 徐昭煒

吉林建筑大學市政與環境工程學院

1 引言

改革開放以來，我國經濟迅猛發展，與此同時，京津冀區域工業化進程明顯加快，鋼鐵、煤炭、化工等行業迅猛發展[1]。伴隨而來的是日漸嚴重的空氣污染問題，具體表現為大范圍的霧霾天氣，以及造成河流干涸、森林減少、動物滅絕、臭氧層破壞、溫室效應、酸雨等環境問題。大氣污染物不僅對城市居民的身體健康造成危害（對人的呼吸系統、免疫系統、心血管系統等造成損傷），致使每年有幾十萬人患急性或慢性疾病，甚至過早死亡[2-3]；而且對日常生活和農業生產也會造成不利影響，例如，出現霧霾天氣時，大氣能見度顯著降低，對出行造成阻礙；在大氣污染物濃度較高時[4]，農作物葉子出現水漬斑點，進一步枯死、脫落，全株枯死；在濃度較低，接觸時間較長時，葉片退綠、枯黃、植物體內污染物積累[5]。因此，對于大氣污染的治理已經刻不容緩[6-7]，而治理污染的第一步就是對于污染物的研究，所以，認知大氣污染物的時空分布及其化學組成是評估大氣污染影響的科學基礎[8]。

本文利用2018 年1 月1 日—2018 年12 月31 日北京市空氣質量逐時監測數據，針對北京市空氣質量水平、大氣污染物時空分布特征等展開分析，歸納各種污染物在大氣污染中的比例，為大氣污染的治理提供理論依據。

2 材料與方法

2.1 監測站點與數據源

北京地處中國華北地區，地勢西北高、東南低。西部、北部和東北部三面環山，東南部是一片緩緩向渤海傾斜的平原。由圖1北京人口密度分布可以看出，人口密集的主要地區為東西城區、海淀、豐臺、朝陽、石景山這六個城區。所以選取這六個城區的數據作為參考，對于人的影響更具有參考意義。

這六個城區對應的空氣質量國控監測站點，分別為萬壽西宮、東四、農展館、豐臺花園、古城、萬柳。

分別記錄以上站點2018年1月1日～2018年12月31日SO2、NO2、O3、CO、PM2.5、PM10等污染物質量濃度逐時數據（北京市環境保護監測中心）作為本次研究的數據源。

2.2 數據處理方法

本實驗是由由于儀器連接接觸不良、離線或故障等客觀因素導致監測數據的小部分缺失（比例小于1%），采用插值法補充缺失的數據，以及利用Tableau 數據庫進行整理統計工作，時空分布特征圖利用originlab科學繪圖軟件進行制作，而數據分析的工作則通過excel軟件完成。

NO2：以氨基苯磺酸[NH2C6H4SO3H]、冰乙酸、鹽酸萘乙二胺制成吸收液，放入如圖所示的吸收瓶內。通過空氣采樣器采集空氣，經過吸收瓶中的溶液吸收后，用分光光度計分析NO2的濃度。

CO：利用CO分析儀分析大氣中的CO濃度。

3 結果與分析

3.1 空氣質量水平

北京市區空氣質量指數大部分時間低于一、二級標準，夏季大氣受污染水平明顯優于其他季節，超標樣本主要集中在四月。

圖1

3.2 污染物區域特征

表1為監測期間北京市區各監測站點達到一級、二級標準的樣本出現的概率，從依據超標污染物（超過國家二級標準）出現概率對6個監測站點由大至小依次排序：豐臺花園＞東四＞古城＞萬壽西宮＞農展館＞萬柳。

表1 各檢測站點空氣質量等級出現概率統計

圖3反應了綜合2018年各個監測站點不同種類污染物污染水平，數值以空氣質量分指數（IAQI）來表示。可以看出：在6種污染物中PM2.5、PM10和O3數據最為突出，是主要污染物，而且均超過國家一級標準，其中PM10的貢獻率遠高于其他污染物，是大氣首要污染物，而豐臺花園是PM10污染最嚴重的地點。豐臺花園位于北京市豐臺區豐臺鎮叉路口，緊臨四環路主干道，靠近交通樞紐，車流量巨大，導致其成為污染最為嚴重的地區[10]。同時PM2.5與PM10又有較好的相關性（spearman 相關系數為0.726，p＜0.01，N=46237），可以初步理解為相同原因引起的污染物。

圖3 各監測站點污染物分布情況

3.3 污染物時間分布

污染物季節變化特征：為了分析不同季節北京市區大氣污染物質量濃度變化規律，將12 個自然月按照氣象學的規定劃分[11]（3～5 月為春季、6～8 月為夏季、9～11 月為秋季、12～2 月為冬季），對不同季節各類污染物質量濃度日變化規律進行統計，并根據GB 3095—2012《環境空氣質量標準》中關于大氣污染物濃度限值的規定繪制標準線（圖4中虛線）。從圖4中可以看出：除PM2.5、PM10以外，各類污染物不同季節的日變化規律大致相同，而PM2.5和PM10在不同季節呈現出不同的變化規律，其中PM10除秋季12：00左右外，其余季節及秋季大部分時間都超過國家一級標準，PM2.5則全部超出國家標準限值，而CO和SO2在整個觀測周期內都遠低于標準限值，對環境的危害較輕。O3濃度在每天8：00 開始升高，在16：00 達到峰值，又以夏季的情況最為嚴重，此時的質量濃度均值已經超過標準中規定的濃度限值，而夏季的輻射強度高于其他季節，并且質量濃度日變化幅度巨大，最大濃度是最小濃度的18倍左右。NO2在每天0：00～8：00為濃度最高的時間，此時其在4個季度的濃度均超過標準限值，此后的時間濃度開始下降在16：00左右達到最低值，而后又逐漸回升。PM2.5與PM10日變化規律在春季時出現明顯異常，而其它季節變化趨勢大致相同。如果從氣象特征來看，春季大氣環流較為活躍，水分隨著氣流傳輸到京津冀地區，致使該區域暖空氣增加，氣溫快速回升，同時相對濕度明顯增加，對大氣污染的擴散造成阻礙，所以PM2.5濃度水平整體偏高。

圖4 各季度污染物濃度日變化

4 結束語

（1）在觀測期內，北京市區空氣質量整體滿足標準，只存在極少數超標的情況，PM10為引起污染的最重要的因素，污染趨勢整體表現為夏季由于冬季，4月污染最為嚴重。

（2）4 種污染物空間分布情況各有不同，在豐臺花園站超標最為嚴重的是PM10和PM2.5，O3濃度在古城站達到最高，萬柳站附近的空氣質量最優，超標率為26%，而達到二級標準的時間達到了45%以上。

（3）各污染物呈現出季節性變化趨勢，每種污染物的變化特點也不盡相同，SO2、NO2、PM2.5、PM10和CO呈現出夏低冬高的變化趨勢，而O3的變化趨勢則剛好相反，SO2、CO、O3的濃度在大多數情況下都滿足一級標準，而且，O3和NO2質量濃度呈現出一天內劇烈變化的趨勢，具有極大的不穩定性。