2017～2020年臨汾市空氣質量特征分析及評價

于秋月，牛俊杰，林 菲，李穎俊，董海平

(太原師范學院 汾河流域科學發展研究中心，山西 晉中 030619)

0 引 言

隨著我國社會經濟的高速發展，工業化進程的加速，大量的資源和能源消耗導致灰沉、霧霾天氣、光化學污染等空氣污染問題的產生[1]。空氣中的有害成分以及污染物，越來越受到人們的關注[2]，因此，防治大氣污染成為社會發展過程中首要問題。近年來，我國的大氣污染特征已經從原來的“煤煙型”污染轉變為“復合型”污染，大氣污染嚴重威脅著人類的身體健康，引起人們多發呼吸道感染等疾病，影響著動植物的生長環境。城市人口的增長加劇了煤炭、石油等能源的消耗，使其成為空氣污染的主要因素。空氣環境污染所引發的負面問題得到了相關政府的重視，各級政府給予政策支持，積極防護治理，環保部門為了開展大氣環境保護工作，需要根據空氣質量數據確定當地的污染物狀況，為制定針對本土污染特征的防治措施提供決策依據[3-7]。

隨著城市污染問題與日俱增，對空氣質量進行定性定量分析，判斷空氣質量污染程度，從而進行空氣質量評價十分重要[8]。國內外許多專家學者，對空氣質量問題進行了深入研究。對空氣質量主要的評價方法有灰色聚類法[9]、模糊綜合評價法[10-11]、層次分析法[12]、綜合污染指數法等[13]。綜合污染指數法，更適用于評價年度或季節城市空氣質量污染變化特征[14]；范燦鵬等[15]運用綜合污染指數法和單項污染指數法，分析了珠海市金灣區空氣質量時間變化趨勢及特征；賈薇等[16]采用綜合污染指數法研究了山陰縣主要污染物年內變化特征。臨汾市地形呈“凹”字型分布，污染物不易擴散，同時臨汾的產業結構以鋼鐵、化工、煤炭工業的第二產業為主，致使臨汾市空氣污染嚴重[17]，人類活動頻繁導致生活廢氣、汽車尾氣的排放增多，進而使霧霾天氣增多，光化學污染增多。空氣污染嚴重影響臨汾市人民的生產生活以及身體健康。本文將臨汾市2017～2020年的空氣數據作為研究對象，對AQI和PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3(8 h)六項污染物濃度特征分析，從而對臨汾市空氣質量進行綜合評價，以期為臨汾市的空氣污染治理與防護提供依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

臨汾市位于山西省西南部，是山西省下轄地級市，是中國三大優質主焦煤基地之一，臨汾市地形呈“凹”字形分布，四面環山，中間平原，地處半干旱、半濕潤氣候區，屬溫帶大陸性氣候，冬冷夏熱，雨熱同期；年平均氣溫9.0～12.9 ℃，降水量420.1～550.6 mm。臨汾市2020年GDP累計完成1 505.2億元。

1.2 數據來源

本文空氣質量數據來源于真氣網(https://www.zq12369.com)經濟社會數據來源于臨汾市統計年鑒和統計公報，提取2017年1月1日到2020年12月31日的空氣質量指數(AQI)和常規六項污染物濃度(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3(8 h))的逐日數據。2017年的空氣質量指數的總樣本量為365 d，2018年12月22～26日的數據缺失，故樣本總量為360 d，2019年因缺失8月9日數據，故樣本總量為364 d，2020年的空氣質量指數樣本為366 d，有效數據共1 455 d。

1.3 研究方法

根據2012年國家新發布的《環境空氣質量指數技術規定(試行)》(HJ 633—2012)[18]，空氣污染指數是一種能夠對空氣質量污染狀況定量描述的無量綱指數，指數值越大說明空氣受到的污染情況越嚴重，危害越大。綜合污染指數法是一種用以對城市環境空氣質量綜合狀況評價的研究方法，通過該方法將污染物標準化，對環境污染的程度進行簡明直觀地描述和比較。

綜合污染指數:P=∑Pi

(1)

單項污染指數:Pi=Ci/Si

(2)

式中：P為空氣綜合污染指數；Pi為第i項空氣污染物的分指數；Ci為第i項空氣污染物濃度的年均值；Si為i項空氣污染物的環境質量標準值。

按照國家環境空氣質量二級標準規定，將空氣綜合污染指數分級為：清潔(P≤1.3)、輕污染(1.312)。

2 結果與討論

2.1 空氣質量的年變化特征分析

2.1.1 各級別空氣質量天數年變化

根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633—2012)[18]，AQI值按照0～50為優、50～100為良、101～150為輕度污染、151～200為中度污染、201～300為重度污染，以及>300為嚴重污染，將空氣質量劃分為六個等級，將AQI按照等級劃分得到不同級別的空氣質量天數的年變化情況(見表1)。

提取2017～2020年臨汾市逐日空氣質量等級數據，發現4年中等級為良所占比重最大，有852 d，占樣本總數的59%；優的等級天數有103 d，占總體的7.1%；達到輕度污染級別及以上的天數為500 d，占樣本總數的34.4%。由表1可知，與其它年份相比，2017年空氣質量最差，優良等級天數最少，為173 d，輕度污染及以上等級天數最多，為192 d。2018年的優良等級天數為219 d，比上一年增加了46 d，輕度污染及以上等級天數為141 d，比上一年減少了51 d，中度污染的天數比重度污染的多了14 d。2019年空氣質量優良等級天數為268 d，輕度污染及以上的天數為96 d，比上一年減少了45 d，良的天數比輕度污染多了192 d。2020年空氣質量最好，優良等級天數最多，達到295 d，輕度污染及以上等級天數最少，為71 d，且嚴重污染等級僅在2020年出現2 d，優的天數超過中度及以上污染30 d。綜上，2017～2020年，空氣質量為優良的天數是逐年增多的。優良天數占比由47.4%上升到81%，而輕度污染及以上的等級天數是逐年減少的趨勢，占比由53%下降到19.4%。

表1 2017～2020年臨汾市各級別空氣質量天數 Table 1 Days of each air quality level in Linfen City from 2017 to 2020 天

2.1.2 各項污染物年平均質量濃度變化

如表2所示，據臨汾市2017～2020年的各項污染物年平均質量濃度分析，結果顯示，除NO2、O3外，各項污染物年平均質量濃度變化趨勢與空氣質量指數變化趨勢相一致，均呈逐年下降的趨勢。其中SO2的年平均質量濃度值下降幅度最大，由2017年的78.6 μg/m3下降到2020年的18.4 μg/m3。PM2.5的濃度值是呈逐年小幅度下降，由2017年的82.3 μg/m3下降到2020年的51.9 μg/m3。PM10年平均質量濃度由2017年的129.6 μg/m3下降到2020年的87.2 μg/m3，其中，從2019年開始較前兩年的年均濃度值下降明顯。CO的年平均質量濃度較低，但年均質量濃度逐年下降幅度較大。NO2的年均質量濃度整體變化不明顯。O3的濃度逐年增加，與2017年相比，2018年增加明顯，增加了24.3%，2018年以后年均質量濃度只有小幅度提升。如表3可知，綠化覆蓋率呈逐年增加。私人汽車保有量是逐年增加的趨勢。第二產業占比呈逐年下降。2017年臨汾市煤炭消費占比為96.23%，2020年降到80%。城市綠化植被能夠有效凈化空氣中的污染物，對提高區域環境質量十分有益；冬季采暖期煤炭消耗量對空氣污染的貢獻很大，因此煤炭能源消耗總量的降低，有效減少了空氣中主要污染物，如SO2、NO2和PM10的濃度[5]，有助于改善空氣質量；私家車保有量的增長，會增加了汽車尾氣的排放量，與空氣中NO2的濃度有直接關系，而NO2可在太陽輻射下發生光化學反應，增加空氣中O3的濃度。

表2 年平均濃度表Table 2 Average annual concentration

表3 經濟數據Table 3 Economic data

綜上所述，對臨汾市空氣各項污染物濃度年均變化和超標天數分析，空氣質量按照國家二級標準劃分，濃度限值分別為(PM2.5為35 μg/m3；PM10為70 μg/m3；SO2為60 μg/m3；CO為4 mg/m3；NO2為40 μg/m3；O3為160 μg/m3)。PM2.5和PM10在2017～2020年的質量濃度均未達到國家二級標準，PM2.5的超標天數分別為328、327、262、188 d。PM10的超標天數分別為313、315、256、194 d。由此可見PM2.5和PM10的超標天數呈逐年下降的趨勢。PM2.5和PM10在2017年超標天數最多，在2020年超標天數最少，分別占全體的13%和13.3%。SO2僅在2017年的質量濃度未達到國家二級標準，超標天數為117 d。NO2、CO和O3的年均質量濃度在4年間均達到二級標準。

2.2 空氣質量季節變化特征分析

2017年空氣質量為優的天數主要出現在秋季，其次是夏季和冬季，春季僅有1 d。空氣質量為良的天數在秋季出現最多，有56 d，春夏次之，冬季最少，僅有9 d；輕度污染主要出現在夏季，超過了40 d，其次是春冬兩季，秋季最少；中度和重度污染主要集中出現在冬季分別為14 d和23 d；嚴重污染在全年占比最少，僅在冬季出現10 d，說明夏季的空氣質量最好。與2017年相比，2018年的空氣質量為優的天數減少了10 d，且春夏兩季均未出現；空氣質量為良的，在夏季占比最多，秋、春次之，冬季最少，四個季節良的天數均明顯較2017年增加；四個季節的輕度污染天數較2017年占比有所減少，而重度等級天數占比明顯下降，嚴重污染僅在冬季出現9 d，重度以上等級均未在春夏出現。2019年空氣質量為優的天數占比四個季節均較上一年增長明顯，而輕度污染的比例有明顯下降的趨勢，良的天數在夏季最多，有79 d，其次是春、秋，冬季最少，與前兩年相比，2019年空氣質量為中度及以上等級均未在春夏兩季出現，嚴重污染等級僅在冬季出現4 d。2020年的空氣質量為優的天數在夏季最多超過了20 d，空氣質量為良的春季最多，有77 d，夏秋兩季次之，冬季最少。綜合2017～2020年不同季節空氣質量等級天數結果，輕度污染在春夏兩季天數下降趨勢尤為明顯，分別由2017年35 d和46 d下降到2020年的1 d。冬季中度和重度污染均未超過15 d，嚴重污染在冬季僅出現2 d，與前三年相比嚴重污染等級天數明顯下降。綜上述分析，與前三年相比，2020年的空氣質量有所好轉，尤其是春夏兩季空氣質量提高明顯。

統計2017～2020年的各級空氣質量天數得出結論，空氣質量為良的，在夏季最多，有259 d，其次是春秋兩季，冬季最少，有87 d。且四季中，良的天數占比最多，有852 d占總樣本的59%，空氣質量為良的變化趨勢是由春秋到冬，呈下降趨勢。輕度污染和優在各個季節均有出現，夏季優等級天數最多，有38 d，秋季次之，有34 d。輕度污染在冬季天數最多，有107 d。中度及以上等級污染主要出現在冬季，且夏季并沒有出現。重度污染在秋季出現4 d，在春季僅出現2 d，且秋季的中度和重度污染天數超過春季的6 d。嚴重污染僅在冬季出現25 d。總之，空氣質量最好的季節是春夏兩季，秋季次之，冬季的空氣質量最差。周靜等[19]利用遙感和觀測數據分析了秸稈焚燒對臨汾市空氣質量的影響，發現秋冬季節在風向、風速、相對濕度、降水等氣象條件影響下，秸稈焚燒過程中生成大量的CO、氣溶膠等，對臨汾城市空氣污染物的變化有密切關系。另外冬季臨汾市進入采暖期，民用散煤燃煤增加了污染物的排放量。

2.3 首要污染物年變化特征

當AQI指數超過50時，空氣質量分指數最大的污染物，為首要污染物。四年均以PM2.5、PM10、O3作為首要污染物。2017～2020年以PM2.5作為首要污染物的天數最多，分別有218、204、143、122 d，呈逐年下降趨勢，分別占總樣本的63.56%、57.95%、42.56%和40%。其次是以PM10作為首要污染物的天數較多，先上升后下降趨勢，PM10在2018年和2019年出現的天數相差不大，分別有114 d和113 d，占總樣本的32.39%和33.63%，2020年最少，占總樣本的24.26%。以O3作為首要污染物出現的天數最少，2017年出現30 d，占總樣本的8.75%，2018年比2017年多了4 d，占總樣本的9.66%，2019年開始增加的特別明顯，比2018年多了46 d，占總樣本的23.81%，2020年出現的天數為四年中最多，有109 d，占總樣本的35.74%。O3的變化與PM2.5和PM10相比是相反的，呈逐年增加的趨勢。

圖2 2017～2020年首要污染物概況Fig.2 Overview of primary pollutants from 2017 to 2020

2.4 首要污染物季節變化特征

如圖3，統計2017～2020年期間首要污染物不同季節出現的天數，可知冬季首要污染物主要為PM2.5，有290 d，其次是PM10，有43 d。O3在冬季未出現。秋季的首要污染物仍是PM2.5，有169 d，PM10次之，O3最少。夏季首要污染物出現天數順序依次為O3、PM2.5、PM10。春季的首要污染物主要是PM10，O3出現的頻率比秋季多了15 d。對比不同年份各季節污染物出現的頻率，2018年～2020年以PM2.5為首要污染物出現的頻率高低季節順序依次為冬季、秋季、春季和夏季。以PM10為首要污染物出現的頻率高低季節在2017～2019年均保持一致，依次是春季、秋季、夏季和冬季的高低順序。2020年依舊是春季出現的頻率最多，其次是秋季，夏季較冬季出現頻率較少，僅有2 d。2017～2020年O3均在夏季出現的最多且逐年增長，分別為16、28、59、65 d。其次是春秋兩季，四年中均沒有在冬季出現過。對比每個污染物在各季節出現的頻率可知，冬季以PM2.5為首要污染物，占21.45%，秋季次之，占12.5%。以PM10為首要污染物所占比重在春季最多，超過10%，而冬季與之相比減少了9.68%。以O3為首要污染物在夏季占比最大，為12.43%，春季和秋季占比相對較少，不足4%，在冬季并未出現。這是因為夏季氣溫高，陽光照射強與汽車尾氣容易產生光化學污染[20]，由此可見，各個污染物所出現的頻率具有明顯季節性的差異。

圖3 2017～2020年AQI>50首要污染物出現的天數Fig.3 Days of occurrence of primary pollutants in AQI>50 from 2017 to 2020

2.5 空氣質量評價

通過對PM2.5、PM10和O3三個污染物的年均值計算空氣綜合污染指數，結果如表4所示。

表4 2017～2020年空氣質量綜合指數Table 4 Air quality composite index from 2017 to 2020

由表3可得，臨汾市的空氣綜合污染指數范圍在3.28～4.55之間，其中2017年和2018年的空氣綜合污染指數均超過4但低于8，根據空氣綜合污染指數的分級標準可知均屬于中度污染。2019和2020年的空氣污染綜合指數均在1～4之間，均屬于輕度污染。其中PM2.5在三個污染物中占比最多，年均值也最大，說明PM2.5是臨汾市需要加強治理防御的首要空氣污染物。2017～2020年這4年間，2017年的空氣綜合污染指數最高，2020年的空氣污染指數最低，且臨汾市空氣綜合污染指數呈逐年下降趨勢。綜上所述，臨汾市的空氣質量在逐年變好，2020年尤為突出。這是因為臨汾市從2018年開始，為了響應國家“藍天計劃”的號召，根據地方環境特點制定了符合臨汾當地的政策，包括《臨汾市人民政府辦公廳關于印發臨汾市2018～2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》和《2018年全市生態環境治理攻堅行動的實施意見》等一系列政策的提出并實施[21]，取締高能耗、高污染企業，升級落后工藝和設施；同時調整產業結構，鼓勵投資低碳、環保產業，資金支持清潔取暖，進行大規模植樹造林，使得臨汾市的空氣質量逐年變好[22]。但以煤炭、焦炭、鋼鐵為主導產業的臨汾今后仍面臨巨大的環保壓力，如何持續綠色發展，需要進一步的研究。

3 結 論

(1)2017～2020年空氣質量為優良的天數逐年增多；而輕度污染及以上等級天數逐年減少。能源總量消耗的降低，有助于減少空氣中的PM2.5、PM10、SO2和CO的產生。對比2017～2020年的空氣質量，2020的空氣質量最好，尤其是春夏兩季空氣質量提高明顯。對比2017～2020年不同季節各等級天數，秋冬兩季空氣質量最差。

(2)2017～2020年均以PM2.5、PM10、O3作為首要污染物。且以PM2.5作為首要污染物的天數最多，呈逐年下降趨勢，其次是PM10作為首要污染物的天數，先上升后下降趨勢。以O3作為首要污染物出現的天數最少，O3的天數變化趨勢與PM2.5相反，呈逐年增加的趨勢。

(3)綜合2017～2020年污染物占比情況可知，秋冬季節的首要污染物主要為PM2.5，夏季的首要污染物主要是O3。這是因為夏季氣溫高，陽光照射強與汽車尾氣容易產生光化學污染。春季的首要污染物主要是PM10，具有明顯的季節性差異。

(4)臨汾市的空氣綜合污染指數范圍在3.28～4.55之間，呈逐年減少趨勢，PM2.5是臨汾市主要的污染物。其中2017和2018年是中度污染，到了2019～2020年，空氣質量有所改善，均為輕度污染。