環境空氣質量標準修訂后城市空氣質量變化趨勢及污染特征分析
——以濟南市為例

徐夢辰，張利鈞，鄭 囡，郝 曼，張建國

(濟南市環境研究院，濟南 250100)

環境空氣質量作為城市環境質量的重要組成部分，直接影響著人類健康與生態安全，是當前生態文明建設與可持續發展的基礎保障。近年來，中國工業化、城鎮化進入中后期階段，以機動車數量劇增為特點的現代交通運輸迅速發展，加之煤炭、石油等化石燃料消耗與日俱增，導致城市空氣質量下降、大氣污染嚴重。當前，二氧化硫(SO2)、顆粒物(PM10)等傳統污染問題尚未根本解決，以細顆粒物(PM2.5)和臭氧(O3)為代表的二次污染又變得日益顯著，中國城市空氣污染特征正在向復合型污染轉變[1-2]。

面對這一新問題、新形式，原空氣質量標準(1996年版)已無法滿足擔心當下環境管理需求，大氣環境形勢的變化和現行標準的局限性呼吁著新標準的頒布。2012年，《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)(以下簡稱“新標準”)以及《環境空氣質量指數(AQI)技術規范(試行)》(HJ 633—2012)(以下簡稱“新評價體系”)正式出臺。新標準收緊了二氧化氮(NO2)、PM10等污染物濃度限值，將O3、PM2.5等污染物納入監測項目，并提高了數據統計要求；而新評價體系則用空氣質量指數(AQI)取代空氣污染指數(API)，同時增加空氣質量信息的發布頻次[3]。

濟南市地處魯中山地與魯北平原的過渡帶、黃河中下游地區，承載著山東省會城市群生態安全格局構建、區域大氣聯防聯控等重要生態功能。近年來，空氣污染問題已經成為制約全市發展的重要因素。濟南市作為“2+26”城市之一，率先于2013年正式實行新標準及評價體系。前人針對濟南市及周邊區域的大氣環境已做了大量研究。例如，張曉凱等[4]確定了濟南市春季大氣中PM2.5和PM10的粒徑范圍為0～1.0 μm和1.0～2.5 μm，并解析了污染來源為土壤塵、風砂塵及燃燒飛灰等；邱粲等[5]分析了2001—2010年濟南市空氣質量(API)與氣象條件的關系，結果表明PM10為全市主要污染物，空氣質量(API)與氣象要素的月相關系系數較高；杜改芳等[6]研究了2006—2010年濟南市SO2、NO2及PM10污染的時刻特征，結果表明冬季污染嚴重、全市污染嚴重區域集中在東北部地區；李玄等[7]分析了2013年濟南市空氣污染狀況并提出了相應控制對策，結果表明PM10污染嚴重區域為西部和西北部地區，SO2、NO2污染嚴重區為中心城區；Donkelaar等[8]運用衛星影像數據解譯了2001—2006年全球PM2.5污染狀況，結果表明山東半島屬全球污染嚴重區域；Zhang等[9]研究發現，自2000年起華東地區能見度較20世紀60年代降低了7～15 km。由此可見，當前關于濟南市及其周邊空氣環境質量的研究主要集中在PM2.5、PM10、API以及與氣象因素相關關系上，鮮見有關6項污染物(PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3)變化規律分析的綜合報道。尤其是“新標準”實施后，2013年至今濟南市空氣質量變化及污染特征分析暫為空白。此外，由于空氣質量標準調整，監測數據統計口徑發生變化，導致濟南市2013年前后空氣質量數據可比性較差。因此，有必要系統分析自2013年濟南市執行新標準后的空氣質量變化趨勢，識別大氣污染特征、闡明各污染物間的關系，為改善濟南市城市空氣質量、為地方環保及綜合決策提供科學依據。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

本文數據來源自國家生態環境部數據中心網站、濟南市生態環境局環境質量月報以及濟南市環境自動監測監控系統分析平臺。主要污染物濃度監測數據基于濟南市20個空氣質量監測站點，包括國控點9個，省控點8個，市控點3個。20個點位均位于人口密集的中央區域、覆蓋全市市區，監測數據可以代表濟南市市區環境空氣質量狀況。

1.2 研究方法

1.2.1 綜合污染指數與污染負荷

采用大氣綜合污染指數對濟南市大氣環境質量進行評價，通過污染分擔率描述各項污染物對空氣質量的影響程度，計算公式如下[10]：

(1)

Pi=Ci/Co

(2)

Ki=Pi/P

(3)

式中：P為綜合污染指數；Pi為第i種污染物的污染分指數；Ci為第i種污染物實測濃度；Co為第i種污染物的濃度標準；n為評價因子個數；Ki為污染負荷。

1.2.2 Damel趨勢檢驗法

Damel趨勢檢驗法采用Spearman秩相關系數計算[11]，具體公式如下：

(4)

di=Xi-Yi

(5)

式中：di為變量Xi與Yi的差值；Xi為周期i到周期N按濃度值由小到大的排列序號；Yi為按時間序列排列的序號；N為周期次數；Rs為秩相關系數。

把秩相關系數Rs的絕對值與Spearman秩相關系數統計表內的Wp進行對比。若Rs>0表示上升或加重趨勢，若Rs<0表示下降或改善趨勢，當Rs>Wp則表明變化趨勢有顯著意義；當Rs≤Wp，說明變化趨勢無顯著意義，表明在監測期內變化幅度小，較為穩定。

2 大氣環境質量變化特征

2.1 環境空氣質量狀況

2016—2018年濟南市環境空氣質量指數(AQI)變化情況如圖1所示，近3年監測天數共計1 096 d，有效監測天數1 091 d，空氣質量等級為優和良的天數合計536 d，空氣質量良好率為49.13%，近3年共出現污染日555 d，占全年有效監測天數的50.87%。其中，空氣質量等級優的天數為21 d，占比1.92%；空氣質量等級良的天數為515 d，占比47.20%；輕度污染376 d，占比34.46%；中度污染112 d，占比11.18%；重度污染48 d，占比4.40%；嚴重污染9 d，占比0.82%。從近3年空氣質量變化趨勢來看，濟南市空氣質量正迅速改善，2016年后全市輕度污染及無污染天數不斷增加，占2017—2018年總天數的84%以上。

圖1 濟南市2016—2018年環境空氣質量指數變化

由表1可知，近3年濟南市出現的1 070 d大氣污染日中，有365 d以PM10為首要污染物，占總污染天數的34.11%；有248 d以O3為首要污染物，占比32.52%；有296 d以PM2.5為首要污染物，占比27.66%；有39 d以NO2為首要污染物，占比3.64%；以PM10和PM2.5為共同首要污染物天數為13 d，占比1.21%；以NO2和PM10為共同首要污染物天數為7 d，占比0.65%；以PM10和O3為共同首要污染物天數為2 d，占比0.19%。由此可見，顆粒物污染與PM2.5、O3帶來的二次污染已成為影響濟南市空氣環境質量的主要問題。

2.2 主要污染物小時變化特征

選取近3年中空氣污染較為明顯的2016年作為典型年份進行分析，將2016年全年(1月1日—12月31日)每日24 h各主要污染物濃度值進行統計分析，得出每1 h的年均濃度值，如圖2所示。全市主要污染物小時變化上來看，PM10與PM2.5均呈“雙峰雙谷”型的變化趨勢，8:00—9:00與21：00—22:00分別達到污染峰值，5:00—6:00與15:00—16:00分別達到最低值，PM10較PM2.5的表現趨勢更為明顯。SO2濃度在10:00達到最高，表現出先增后減的“單峰”變化趨勢。NO2濃度于13:00—14:00 和20:00—21:00分別達到最低值和最高值，表現出先減后增的“單峰單谷”變化趨勢。O3濃度于14:00—15:00到達峰值，呈“單峰”變化趨勢。一氧化碳(CO)濃度在8:00—9:00與21:00—22:00達到峰值，于2:00—3:00與14:00—16:00達到最低值，呈“雙峰雙谷”的變化規律。

2.3 主要污染物月變化特征

2016年濟南市各類大氣主要污染在不同月份中超標天數的比例如圖3所示。其中，PM10、PM2.5每月均有超標現象，在春、秋、冬三季尤為頻繁，1、3、4、12月超標率均在50%以上，12月份超標率最高，分別為64.52%和77.42%；夏季超標現象較少，8月超標率最低，分別為9.68%和6.54%。SO2全年未出現超標現象。NO2在夏季和秋季10月未超標，其余月份均出現超標現象，其中1、9月超標率較高，分別為16.13%和10%，其他月份均在10%以下。CO僅1、12月出現超標，O3僅5月出現超標，且超標率均在4%以下。

表1 2016年首要污染物出現天數

圖2 主要空氣污染物小時變化趨勢

2.4 主要污染物季節變化特征

根據氣象學方法將全年分為春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)和冬(12月—次年1月)四季進行分析。如圖4所示，PM10季節變化基本遵循“冬季>春季>秋季>夏季”的變化規律，這主要由于冬季PM10受燃煤取暖影響顯著，而夏季受風沙天氣影響顯著。PM2.5和SO2季節變化規律一致，冬季最高，秋季和春季次之，夏季最低。NO2和CO均遵循“冬季>秋季>春季>夏季”的規律。O3呈現“夏季>春季>秋季>冬季”的變化規律，這是由于O3的生成條件限制，夏季氣溫高、光照強，利于光化學反應生成O3。

2.5 主要污染物年變化特征

圖5反映了濟南市2013—2018年空氣主要污染物年際變化，如圖5所示，PM10、PM2.5、SO2與NO2年均濃度自2013年起持續降低；O3自2013—2014年迅速上升，之后逐年緩慢增加，近年來相對穩定在180～200 μg/m3濃度水平上；CO則呈現出“先增-后減-逐步平穩”的變化趨勢，近3年基本穩定在1.7～2.1 mg/m3濃度水平上。總體來看，CO、O3濃度值在震蕩變化后均保持在相對穩定的區間范圍，而PM10、PM2.5、SO2與NO2濃度則呈現逐年降低的態勢，表明新標準實施后濟南市空氣污染得到了有效控制，大氣環境質量正逐步改善。

圖3 2016年主要空氣污染物各月超標率

圖4 主要空氣污染物季節變化趨勢

圖5 主要空氣污染物年際變化趨勢

3 分析與討論

3.1 空氣污染綜合評價

新評價體系采用空氣質量指數(AQI)對環境空氣質量進行評價，但在確定AQI時只根據當日首要污染物指標計算，無法體現其他污染物具有情況，例如NO2極少成為每日首要污染物，但也對濟南市空氣環境造成一定影響。因此，有必要運用各類污染物污染指數及負荷系數(分擔率)對全市空氣污染情況進行綜合評價。

如表2所示，濟南市2013—2018年大氣環境質量以2018年最好，2013年空氣質量最差，全市綜合污染系數逐年減少，這表征了濟南市空氣污染正逐漸減弱。近6年來，PM10與PM2.5一直是濟南市大氣污染的主導因素，兩者污染負荷加和保持在50%～60%；SO2在2013—2014年超標，之后逐年達標，對大氣污染貢獻逐漸降低；NO2則一直維持在超標水平，污染負荷保持在20%以下；CO近年來均未出現年均值超標現象；O3日益成為影響全市空氣質量的重要因素，研究時段內O3污染程度逐年上升，已成為繼PM10與PM2.5之后，濟南市的又一項空氣污染影響因素。

表2 濟南市大氣主要污染物污染指數與負荷

3.2 空氣質量變化趨勢分析

為精確表達新標準實施后濟南市環境空氣質量變化趨勢特征，利用Spearman秩相關系數分析了2013—2018年濟南市各項污染物污染年度變化規律。如表3所示，PM10、PM2.5、SO2的Rs為負且置信水平大于99%，表明近6 a濟南市顆粒物、細顆粒物及二氧化硫污染呈顯著性下降趨勢，其中SO2自2014年后逐年達標，其Rs最低，下降趨勢也最為明顯。NO2的Rs雖然為負，但其置信水平小于95%，呈不顯著下降趨勢；究其原因，新標準實施后，濟南市NO2年均濃度一直處于超標狀態，雖然近年來NO2超標倍數逐漸減小，但下降趨勢過緩，下降幅度不具備統計學意義。CO的Rs值為正，但置信水平小于95%，呈不顯著上升趨勢，這是由于CO逐年達標，其改善空間較小，故變化幅度較弱。O3的Rs為正，置信水平大于95%，是全市主要污染物中唯一呈顯著上升趨勢的污染指標，說明近年來濟南市O3污染已變得日益嚴重。綜上所述，新標準實施后，濟南市空氣環境質量正逐步改善，但O3污染問題變得日益突出。

表3 Spearman秩相關系數分析結果

3.3 空氣污染的季節差異分析

前文中關于月、季污染變化分析表明，濟南市冬季污染最為嚴重，尤其體現在1月與12月，其次為春季、秋季，夏季空氣污染較弱。究其原因，冬季是北方地區采暖季，濟南市作為山東省會城市，其人口數量龐大、基礎設施發達，冬季電力、熱力設施高負荷運行，大量使用煤炭等化石燃料，導致大氣污染物排放劇增。同時，濟南市呈淺碟形地貌，污染物擴散條件先天不足，而冬季平均風速小，近地面易形成逆溫層[12]，更加劇了污染物累積，故而冬季大氣污染嚴重。春季氣溫回升迅速、氣候干燥，加之受冬季污染影響，沙塵、揚塵以及煤煙塵等污染物滯留于近地面[13]，造成春季污染較為嚴重。而夏季作為全年空氣質量最好的季節，主要是由于夏季濟南市進入汛期，雨水增多，氣溫高、濕度大，不僅利于顆粒物沉降，更有效降低了逆溫層形成，為夏季空氣質量改善提供了有利氣象條件。

3.4 主要污染物相關性分析

由表4可知，PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO間均為正相關關系，O3與其他污染物間均為負相關關系，各類污染物間相關性大多達到極顯著水平(P<0.01)。PM10與PM2.5相關系數最高(0.928)，這是由于PM2.5是PM10的組成部分，二者具有同源性；此外，相關研究表明[14-15]，二者在一定條件下可以相互轉換，因此相關性最強。PM2.5與SO2、NO2為極顯著強相關關系(0.898、0.857，相關系數大于0.8)，這是由于SO2與NO2經過光化學反應形成的硝酸銨與硫酸銨等二次污染物是PM2.5的重要組成部分，故而其具有較強相關性。CO與PM2.5的相關性強于CO與其他污染物，或因尾氣排放是CO和PM2.5的共同來源，由于二者具有較強同源性所致。O3與PM2.5相關系數為-0.511，但不具備顯著性，二者間相關關系暫不明朗，已有研究表明[16-17]：由于氣象因素、太陽輻射及溫濕度等多方面因素造成O3與PM2.5之間的關系較為復雜。O3與NO2、CO表現為極顯著負相關，究其原因，城市中的O3主要是通過NOx、CO、VOCs等在合適氣象條件下反應生成的：晝間NOx與CO在太陽輻射與高溫下反應轉換，為O3產生提供了有利條件；而夜間失去太陽輻射與溫度下降導致部分O3分解，為NOx與CO的產生與積累創造條件。

表4 主要污染物濃度相關性矩陣

注：*表示在置信度(雙側)為0.01時，相關性為極顯著。

4 結論

基于新空氣質量標準實施后濟南市各時段大氣環境質量及污染物變化趨勢分析，并結合趨勢檢驗、污染指數、污染貢獻、相關分析等數理統計研究，得出如下結論。

(1)自2013年濟南市實行新空氣質量標準后，全市主要污染物PM10、PM2.5濃度下降趨勢明顯，SO2濃度自2014年后逐年達標，CO濃度保持穩定達標，尤其是近3年間，全市無污染天數占50%左右，中度污染及以上低于17%，這充分說明濟南市環境空氣質量正日益改善，大氣污染現象正不斷減少。

(2)從月、季變化分析來看，濟南市冬季大氣污染最為嚴重，尤其集中在12—1月。同時，受到冬季污染影響，加之市區呈淺碟形地貌不利大氣擴散的先天條件，導致春季大氣污染較為明顯。但夏秋兩季全市空氣環境質量較好。

(3)近年來，PM10、PM2.5、NO2等3項主要污染物雖得到有效控制，但仍處于超標水平，其中PM10與PM2.5超標0.5倍以上，NO2超標0.15倍左右。尤其是，O3污染愈加嚴重，其污染分擔率已升高至20.42%(2018年)，成為當前全市大氣污染的主要因素之一。總體來看，濟南市大氣環境污染特征表現為以PM10、PM2.5和O3污染為代表的復合型大氣污染。

(4)從相關性來看，正相關性最強的為PM10與PM2.5，這是由于二者的同源性以及可以相互轉化所致；其次PM2.5與SO2、NO2正相關性較強，這是由于SO2、NO2在光化學反應下的產生物質是PM2.5的重要組成部分。此外，O3與NO2、CO表現為較強的顯著負相關關系，這是由于通過NO2轉化產生的NOx與大氣中的CO在高溫輻射下影響著O3的生成與分解。