河北省大氣污染物時空變化規律研究

李紹榮，趙錦儀，連瑩瑩，高愛舫,

河北地質大學 a.水資源與環境學院、b.河北省高校生態環境地質應用技術研發中心、c.河北省水資源可持續利用與開發實驗室、d.河北省水資源可持續利用與產業結構優化協同創新中心，河北 石家莊 050031

0 引言

近年來，隨著工農業快速發展、國民經濟的穩定增長以及城市化的推進，人們的生活水平逐步提高，隨之而來的是以霧霾為代表的日益頻發的大氣污染事件[1]。特別是2013年，霧霾席卷中國半數城市且停留時間長，因此造成了巨大的經濟損失和惡劣的社會影響。自2013年中國環境監測總站公布空氣質量狀況報告以來，空氣質量排名較差的城市中，河北省半數以上的城市都位列其中，河北省作為全國聞名的污染大省，同時也是京津冀地區的重要組成部分，空氣質量的好壞嚴重影響人類健康和河北省的對外形象。

國內學者對京津冀地區的研究很多，對PM10和PM2.5的關系的研究更多。2019年，郭敏等[2]以京津冀區域顆粒物污染演變特征為例，基于反距離權重插值模擬，結合細顆粒物（PM10）與可吸入顆粒物（PM2.5）濃度的比值關系，從時間、空間角度剖析京津冀區域大氣顆粒物污染演變特征，為未來京津冀區域環境空氣質量持續改善提供了方向。為深入了解空氣質量形成機理、探討空氣污染因子的分布特征，張子雅等[3]以2015年全國監測站點空氣質量數據為基礎，提取京津冀地區空氣質量數據，從時間、空間、時空變化3個角度出發，研究NO2、SO2、PM2.5、CO、O3、PM10六種空氣污染物以及空氣質量指數（AQI）的時空分布特征，并分析各個污染物之間以及與AQI的相關性。分析結果表明：京津冀地區空氣質量時空分布特征差異較大，北部地區AQI明顯低于南部地區，夏秋兩季空氣質量普遍好于春冬兩季；AQI與NO2、PM2.5、CO呈明顯正相關，與O3呈不明顯的負相關，O3與AQI相關性較小。為研究城市近地面CO濃度變化特征，劉鑫等[4]于2015年1-12月在山東大學開展了CO連續監測試驗。結果表明，CO表現出明顯的雙峰型日變化規律，峰值出現在8：00和21：00，谷值出現在15：00。不同季節的CO日變化幅度存在差異，夏季最小，冬季幅度最大。一周之中周末CO濃度要高于工作日時。CO存在明顯的季節變化規律，濃度最高值出現在12月，最低值出現在7月份。

國外研究學者研究的方向同樣能讓人類了解大氣污染物的危害。Heidi等[5]探討了人體暴露于相關室內空氣污染物、影響其水平的預測因子以及減少室內體育設施有害暴露的方法，結果得到主要關注的污染物有：室內攀巖、高爾夫和騎馬設施中的顆粒物；健身中心、體育館和體育館中的二氧化碳和顆粒物；體育館表面的葡萄球菌；冰球場中的二氧化氮和一氧化碳；汽車運動場中的一氧化碳、氮氧化物和顆粒物；以及室內氯化游泳池中的消毒副產品，這些空氣污染物嚴重危害著人體健康。Bonyadi等[6]研究了標準空氣污染物對伊朗設拉子市居民健康的影響， 2016年設拉子因空氣污染物導致的心血管疾病和呼吸系統疾病的死亡人數分別為911 628例和182例，2017年分別為346 370例和82例，二氧化硫（SO2）的總死亡率最高，2016年為4.3%，但2017年已降至0.42%。

以上這些研究提供了有價值的見解，但至今為止，很少有人全面研究河北省的大氣污染物的時空變化規律。因此，本研究根據中國生態環境部網站公布的河北省11個城市的污染物濃度數據（2017年1月至2020年2月），研究河北省PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2和O3-8h的時空變化規律，研究城市的空氣質量達標情況，確定超過環境空氣質量標準天數的主導因子，為相關部門決策者處理大氣污染物提供理論支撐。

1 研究范圍與方法

1.1 區域劃分

對河北省11個城市的PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3的環境監測數據進行分析。為了對比不同地區的空氣質量差異，將11個城市進一步劃分為4大區域，即冀北、冀東、冀中、冀南地區。根據每天的AQI數值判斷出城市的未達標天數，這些城市的空氣達標情況見表1。

表1 河北省11個城市的地區類別、2017、2018、2019至2020年2月未達標天數Table 1 Regional categories of 11 cities in Hebei Province, days of failing to meet the standards from 2017, 2018, 2019 to February 2020

1.2 污染數據來源

1.3 首要污染物的確定

論文利用AQI來定量描述空氣質量狀況，AQI的數值是根據針對單項污染物規定的空氣質量分指數IAQI的大小得到的，從各項污染物的IAQI中選擇最大值確定為AQI，當AQI大于50時將IAQI最大的污染物確定為首要污染物[8]。根據AQI的數值，利用表2得到河北省的空氣污染狀況。

表2 空氣質量指數等級劃分表Table 2 Air quality index classification

2 結果

2.1 河北地區大氣污染時間變化

2.1.1 污染物濃度的年均變化

河北地區2017到2019年空氣質量年際變化如圖1所示，2017、2018、2019年污染物濃度呈逐年下降趨勢，說明空氣質量有所好轉。CO濃度隨著年份變化不大，總體趨勢是下降的，說明近幾年來河北省的大氣治理頗有成效。這和中國提出的“十四五”時期是中國實現碳達峰關鍵期、推進碳中和起步期，做好碳達峰、碳中和工作目標一致[9]。

圖1 2017—2019年空氣質量年均變化圖Fig.1 Annual variation of air quality from 2017 to 2019

河北省每個城市的6種污染物2017—2019各年的濃度變化情況列于表3、表4和表5中。可以看出，邯鄲、邢臺和石家莊的PM2.5的濃度位于河北省各城市的前三列，但是也是逐年降低的，邯鄲細顆粒物的年平均濃度從81 μg/m3降到60 μg/m3，而石家莊的細顆粒物在2019年平均濃度降到59 μg/m3。三年中，所有城市的濃度均沒有達到世界衛生組織WHO的PM2.5指導值10 μg/m3的標準，僅僅張家口（以2019年為例，26 μg/m3）和承德（以2019年為例，31 μg/m3）兩個城市的年均值達到了WHO的過渡時期目標-1（IT-1）35 μg/m3的水平。而對于PM10來說，在2017年，各個城市均沒有達到WHO的PM10年平均濃度過渡時期目標-1（IT-1）70 μg/m3的水平。到2019年，除了張家口、承德和秦皇島達到標準外，其余城市均未達到70 μg/m3標準。對于目前大氣污染的另一個重要污染物O3，從11個城市的年均濃度可以看出，O3濃度穩中有升，WHO準則值最大8小時平均濃度是100 μg/m3，這幾年中張家口和保定均超過了這個臨界值，說明了在致力于減排細顆粒物PM2.5的同時，臭氧濃度在升高，兩者之間存在著相關關系。因此在實施大氣污染物治理的過程中，要考慮協同控制。近日，由中國環境科學學會臭氧污染控制專業委員會編制的《中國大氣臭氧污染防治藍皮書（2020年）》（以下簡稱《藍皮書》）正式發布，從中國臭氧污染問題的現狀與演變、臭氧污染的成因與來源、臭氧及其前體物防控技術進展等方面，全面梳理了現階段中國臭氧污染問題并提出了污染防治策略建議[10]。

表3 河北省11個地級市六項標準污染物2017年平均濃度值Table 3 Average concentrations of six standard pollutants in 11 prefecture level cities of Hebei Province in 2017

表4 河北省11個地級市6項標準污染物2018年平均濃度值Table 4 Average concentrations of six standard pollutants in 11 prefecture level cities of Hebei Province in 2018

表5 河北省11個地級市6項標準污染物2019年平均濃度值Table 5 Average concentrations of six standard pollutants in 11 prefecture level cities of Hebei Province in 2019

2.1.2 污染物濃度的季節變化

由于河北地區2017年、2018年、2019年的季節變化情況類似（圖2），所以，以2019年的圖3為例，可看出河北地區的大氣污染物具有強烈的季節性變化，它們的濃度大小情況為：冬季>春季>秋季>夏季。AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO等均在冬季濃度達到最高，夏季濃度最低，而臭氧則正相反，臭氧濃度在夏季濃度最高，冬季濃度最低。因為河北省冬季采用集中供暖的方式，在此期間，會燃燒大量的生物制燃料。據官方統計，河北省農村生活燃煤量約為4×104Gg / yr[11]。由于河北省特殊的地理位置，導致大量污染物無法稀釋擴散，所以冬季污染物含量高，夏季溫度高、降水充沛，能有效降低大氣中的污染物含量，故而夏季污染物含量少。但是又因為夏季溫度高，空氣中的污染物就容易發生化學反應，二次生成臭氧，所以臭氧夏季含量高于冬季。圖4、圖5、圖6、圖7是四季污染物的濃度變化規律，從這些圖可以看出，不管在哪一個季節，臭氧的濃度逐年升高，其它5種污染物濃度逐年降低，河北省冬季最主要的污染物是PM10和PM2.5，夏季最主要的污染物是O3。這和很多學者對中國PM2.5和O3的時空分布特征的研究得到的規律是一樣的：秋冬季PM2.5的污染重[12-13]，夏季臭氧污染突出[14-15]。例如吳飛等人[16]得到：京津冀地區工業生產和煤炭的燃燒是空氣污染的重要來源，其中PM2.5和PM10占主要成分。

圖2 2017-2019年6種大氣污染物季節平均濃度值（μg/m3）Fig.2 Seasonal average concentration of six air pollutants （μg/m3） in 2017-2019

圖3 2019年6種大氣污染物季節平均濃度值（μg/m3）Fig.3 Seasonal average concentrations of six air pollutants in 2019 （μg/m3）

圖4 春季6種大氣污染物季節平均濃度值（μg/m3）Fig.4 Seasonal average concentrations of six air pollutants in spring （μg / m3）

圖5 夏季6種大氣污染物季節平均濃度值（μg/m3）Fig.5 Seasonal average concentrations of six air pollutants in summer （μg/m3）

圖6 秋季6種大氣污染物季節平均濃度值（μg/m3）Fig.6 Seasonal average concentrations of six air pollutants in autumn （μg/m3）

圖7 冬季6種大氣污染物季節平均濃度值（μg/m3）Fig.7 Seasonal average concentrations of six air pollutants in winter （μg/m3）

2.1.3 污染物濃度的月變化

河北省6種污染物的月變化情況見圖8至圖12。

全因死亡：兩組都未發生全因死亡，無統計學差異；非致死性心肌梗死：介入組未發生非致死性心肌梗死，藥物組2例。兩組對比P=0.0154，有統計學意義；心絞痛：介入組無心絞痛發生，藥物組4例。兩組對比P=0.0069，有統計學意義；心力衰竭：介入組2例，藥物組7例，兩組對比P=0.0091，有統計學意義；總事件發生率：介入組2例，藥物組13例，兩組對比P=0.0082，有統計學意義。兩組患者事件發生情況。見表1。

河北省的PM2.5濃度顯示出很大的時間變化，這幾年中，冬季的1月濃度達到最高（2017年，2019年和2020年）和春季的3月最高（2018年），夏季最低，即8月份的月濃度最低。春季和秋季的各個月份濃度大致相同（圖8）。

在河北省的很多城市，PM2.5占PM10的很大一部分，除了春季（每年4、5月份）因沙塵事件導致PM10升高，其余時間段PM10與PM2.5的季節性變化趨勢都近似相同（圖8）。從圖9可以看出，PM2.5作為PM10中粒徑較小的部分，其在PM10中所占比重越高則空氣污染越嚴重，二次氣溶膠的生成等導致了PM2.5濃度的增加[17]。

圖8 PM2.5和PM10月平均濃度（μg/m3）Fig.8 PM2.5 and PM10 monthly average concentration （μg/m3）

圖9 PM2.5/PM10月份平均值變化情況Fig.9 PM2.5/PM10 average change

NO2和SO2（圖10）也表現出類似的季節變化，較冷的月份濃度最高，溫暖月份濃度最低，這兩種污染物的月變化反映了氣象條件和排放的影響。河北地區1月或12月產生的NO2、SO2濃度峰值表明：燃煤供熱對當地空氣質量的影響較大。在河北省中NO2的污染程度大于SO2，故在較冷月份時NO2也是河北省的首要污染物之一。

圖10 SO2和NO2月平均濃度（μg/m3）Fig.10 Monthly average concentrations of SO2 and NO2 （μg/m3）

大氣對流層中的臭氧主要位于近地面，又被稱為近地面臭氧，近地面臭氧約占臭氧總量的10%。O3的形成取決于太陽輻射強度，主要由大氣中的氧氣與機動車尾氣、工業廢氣等排放的氮氧化物（NOx）、揮發性有機化合物（VOCs）在太陽紫外線照射下發生光化學反應生成[18]。O3與其他幾種污染物呈現相反的月變化，夏季的6月O3濃度最高，冬季12月份O3濃度最低（圖11）。臭氧濃度全年變化很大，在5～7月份中，O3的最大8小時平均濃度超過了WHO的準則值100 μg/m3，8月份的濃度數值也偏高。

圖11 O3月平均濃度（μg/m3）Fig.11 Monthly average concentration of O3 （μg/m3）

如圖12，每一年的CO濃度從4月到10月變化幅度很小，濃度很低；11月到1月，CO濃度迅速增加并達到峰值。

圖12 CO月平均濃度（μg/m3）Fig.12 Monthly average concentration of CO （μg/m3）

2.1.4 污染物濃度的日變化

對于6種污染物的日變化情況，以石家莊為例，選取2019年的6月份和2020年的1月份分別代表O3、PM2.5和PM10重污染突出時段。在圖13中可以看出，2019年的6月份，O3污染的天數中有28天的最大8小時平均濃度值超過了中國空氣質量標準的一級濃度限值100 μg/m3，有16天的最大8小時平均O3濃度值超過了國家空氣質量的二級濃度限值160 μg/m3，最高O3-8h值高達250 μg/m3（2019-6-21）。圖14給出了2020年1月的污染物的變化情況，對于PM2.5來說僅僅有3天24小時濃度值達到了中國空氣質量標準的二級標準（75 μg/m3）即WHO的過渡時期目標-1（1T-1），PM2.5最高值達270 μg/m3（2020-1-17）。而PM10的24小時的最高值（387 μg/m3）則超過了國家二級標準（150 μg/m3）的2倍多。CO和PM2.5，PM10變化趨勢類似，而SO2，NO2，和O3的變化規律類似。

圖13 2019年6月6種污染物的日變化（石家莊）Fig.13 Daily variation of six pollutants in June 2019（Shijiazhuang）

圖14 2020年1月6種污染物的日變化（石家莊）Fig.14 Daily variation of six pollutants in January 2020（Shijiazhuang）

2.2 河北地區大氣污染空間變化

河北省地勢西北高、東南低，高度差別大。河北的北面為燕山，西面為太行山，內環京津，東臨渤海，地處華北、漳河以北，且河北高原、平原、山地所占面積比例為1∶4∶5，使得河北西、北方向風流受阻，導致霧霾污染物不易擴散[19]。另外，區域性輸入的污染物對河北省的城市之間的污染的形成也有貢獻，比如在冀南地區就形成了石家莊—邢臺—邯鄲嚴重污染的區域。

如：承德壩上高原與張家口壩上相連，地勢高、寒冷多風、土味沙性大，冬季盛行西北風[20]。冀北地區的重污染企業少，冬季取暖和汽車尾氣造成的污染在冬季擴散較好，所以冬季空氣質量相對較好。但是在夏季，冀北地區由于地勢高、晴空少云造成紫外線強烈且細顆粒物濃度較低，減少了與臭氧及其前提物相互作用[21]，導致了過氧羥基自由基和氮氧化物NOx自由基的增多，促進了臭氧的形成，所以臭氧成為了張家口和承德地區的首要污染物。

冀中、南地區的7個城市，冬季由于太行山脈在上風向且該地區多屬于平原，導致城市大氣層非常穩定，再加上周圍的重污染企業特別多—鋼鐵、水泥行業等，冬季常常發生逆溫層使得產生的污染物難以擴散，導致城市污染非常嚴重。夏季，冀中、南地區雨熱同期且夏季風充足，重污染企業雖然還是產生一樣多的污染物，但充沛的雨水和良好的擴散條件讓污染物濃度大大降低。但是高溫和還原性氣體的減少，帶來的是臭氧的二次爆發，這也是臭氧成為主要污染物的原因。

冀北地區的唐山，東、南兩面臨海，西、北兩面臨山，其鋼鐵、水泥等工業排污和曹妃甸建立的重工業項目均造成了巨大的污染，而且由于山脈阻擋導致污染物擴散不強，冬季污染較重，夏季顆粒物污染較輕，臭氧污染比較突出。

3 結論

論文利用2017年1月至2020年2月河北省11個城市空氣質量監測資料，分析了各城市PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O36種標準污染物濃度的時空變化特征，以及各城市空氣質量達標狀況，采用AQI參數，判定主要污染物最后得到如下主要結論：

（1）從污染物的年均變化上看，在2017-2019年，6種大氣污染物的濃度呈現逐年下降趨勢，證明河北省的空氣質量正在逐漸好轉；從季節變化和月份變化上看，這6種大氣污染物具有明顯的季節變化特征，除O3外，其余幾種污染物的濃度變化由高到低依次是冬季、春季、秋季、夏季。它們的高濃度月份主要是冬季的12月和1月，低濃度月份則是夏季的6、7、8三個月；從污染物的日變化情況來看，夏季的CO和PM2.5，PM10變化趨勢類似且上下波動相對較大，而SO2，NO2和O3的變化規律類似，都是起伏不明顯的類型。

（2）在河北省的11個城市中，冬季PM2.5是主要污染物，夏季O3是主要污染物。近幾年臭氧污染在河北未達標天數中所占的比例越來越高，尤其在冀北地區，臭氧已經成為冀北地區的首要污染物。

（3）從空間上看，河北省地勢西北高、東南低，高度差別很大。張家口和承德位于壩上高原，地勢西北高、東南低，在冬季盛行的西北風的作用下，污染物擴散非常好。但在夏季，由于日照強烈且細顆粒物濃度較低，造成臭氧濃度的升高。冀中、冀南地區的7個城市。冬季由于太行山脈的阻擋導致部分城市大氣層非常穩定，污染物不易擴散，使得城市污染非常嚴重。秦皇島的部分地區位于冀北山地區，可接受從壩上高原吹來的西北風來擴散污染物，而唐山市位于河北平原且兩面臨海，但由于風向問題，污染物擴散不強。