2016年-2020年天津市空氣質量及大氣污染物變化特征

韓 放，黃 昀

（1.天津市寶坻區突發公共事件預警信息發布中心，天津 301800；2.福建省龍巖市氣象局，福建 龍巖 364200）

近年來，城市化和工業化進程的迅猛發展，在給人類生活帶來便利的同時也對環境造成了一系列污染，特別是城市空氣質量的嚴重惡化，日益加劇的霧霾天氣，嚴重影響了人類的生存環境與正常生產和生活，危害著人類的身體健康。大氣污染物包括氣態污染物和顆粒物，氣態污染物包括二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）等；顆粒物例如粉塵、煙霧、PM10和PM2.5（指動力學當量直徑小于10 μm和2.5 μm的顆粒物）。

污染物的復雜特性對氣候、大氣環境和人體健康有著嚴重的危害。除了造成能見度的下降之外，PM2.5等顆粒物還會通過直接或間接作用影響地球系統的輻射收支平衡。此外，隨著粒子粒徑的降低，粒子在大氣中的保留時間會延長，運輸的距離也會更遠，更容易被人體吸入肺部，可吸入顆粒物的濃度升高與呼吸系統及心肺系統疾病的發病率關系密切。長期暴露于空氣中的PM2.5和PM10中會引起和加重慢性呼吸道和心血管疾病，減弱機體防御能力，引起肺功能下降并損害肺組織，甚至導致癌癥和過早死亡[1]。長期接觸過量的SO2和NO2也會使心血管疾病加重，引起呼吸系統疾病和肺防御系統的改變，甚至能對中樞神經系統造成損害。因此，大氣污染物的研究受到了社會公眾和政府部門的高度重視。

天津市位于我國華北平原海河五大支流匯流處，地屬中緯度亞歐大陸東岸，季風盛行，主要受季風環流的支配，屬溫帶季風氣候。總面積1.19萬平方公里，常住人口1 562萬人，是中國北方最大的沿海開放城市。隨著經濟建設的日益發展，人類活動造成的排放急劇增加，環境污染問題十分嚴峻，污染物的來源十分復雜，包括化石燃料燃燒的排放、生物質燃燒排放、機動車尾氣排放等等。因此，本文收集并整理了2016年至2020年天津市空氣質量指數（AQI）和大氣污染物NO2、SO2、PM2.5、PM10以及一氧化碳（CO）等數據，分析探索天津市近5年大氣污染情況，為天津市的可持續發展提供理論依據。

1 結果與討論

1.1 天津市空氣質量現狀

空氣質量指數（AQI）表示空氣的清潔或污染的程度，以及對健康的影響。一共分為6個等級，從一級至六級分別為優（0-50），良（51-100），輕度污染（101-150），中度污染（151-200），重度污染（201-300）和嚴重污染（300+）。2016年至2020年天津市日值 AQI 總有效監測天數為1 821天，空氣質量主要以優、良為主，優良總天數為1 345天，總達標率為73.86%。輕度污染及以上天數476天，污染率為26.14%。由表1可見，天津市2016年至2020年AQI的年均值逐年下降，由2016年的98.51下降至2020年的75.66，優良率也提升至80.87%，可見近年來天津市對污染物的防治有明顯的效果。

表1 2016年-2020年天津市AQI級別天數統計表

1.2 PM2.5、PM10變化特征

大氣顆粒物是大氣中組成成分復雜、危害較大的污染物之一，是造成灰霾天氣的主要污染物，也是目前人們最廣泛關注的一種大氣污染物。由圖1可見，2016年至2020年，天津市的PM2.5及PM10年平均濃度整體呈顯著下降趨勢。但PM2.5的年平均濃度仍未達到年濃度限值國家二級標準（35 μg m－3）[2]。2020年天津市PM10年平均濃度為68.9 μg m－3，達到年濃度限值國家二級標準（70 μg m－3）。圖2是依據數據整理的天津市PM2.5和PM10的五年內的月均濃度變化曲線，可以看到月平均濃度變化較為明顯，呈現出冬季污染較為嚴重，夏季污染較輕的特征，在夏季前后呈現出明顯的U型曲線。這可能是因為我國北方地區冬季的取暖造成了大量的化石燃料燃燒排放。且秋冬季節降水少，大氣穩定度高，顆粒物濃度上升快且不容易擴散，導致了污染物累積。而夏季邊界層相對較高，降雨增加，污染物更易被去除。

圖1 2016年-2020年天津市PM10，PM2.5年均值的變化。

圖2 PM10，PM2.5，NO2，SO2以及CO在2016年～2020年平均月均值的變化。

1.3 NO2、SO2、CO變化特征

N O2主要來源于化石燃料的燃燒排放、交通排放以及工業排放等。2016年至2020年，天津市的NO2日濃度范圍8.71～141.79 μg/m3，2016年、2017年、2018年、2019年、2020年天津市的NO2年平均濃度依次為49.54 μg/m3、50.15 μg/ m3、44.84 μg/m3、42.32 μg/m3、39.2 μg/m3，呈現穩步下降的趨勢，并且在2020年達到環境空氣污染物年濃度限值國家標準（40.0 μg/m3）。通過計算2016年至2020年的季節平均值發現，NO2的季節平均濃度整體表現為冬季>秋季>春季>夏季的特征。如圖2所示，NO2整體表現為年初、年末濃度偏高，年中濃度偏低，4月份～12月份NO2質量濃度值呈“U”型分布，波動振幅相對于其他污染物偏大。12月達到月平均質量濃度最大值，為63.33 μg/m3，在7月達到月平均質量濃度最小值，為26.39 μg/m3。NO2污染物的時間特征和顆粒物基本類似，主要源自冬季較多的化石燃料燃燒的排放。

SO2是酸雨形成的主要前體物，而近些年，我國針對其的控制已取得了明顯的進步，可以看到2016年至2020年五年的年均值分別為20.46 μg/m3，16.26 μg/m3，11.74 μg/m3，10.92 μg/ m3，8.56 μg/m3，污染濃度逐年下降，且均遠低于環境空氣污染物年濃度限值國家二級標準（60.0 μg/m3）。SO2全年變化明顯，也存在冬高夏低的季節特征，每年度的日濃度最高值均出現在冬季，日濃度最低值均出現在夏季[3]。

CO的主要來源包括機動車尾氣的排放和燃料的不完全燃燒。2016年至2020年，CO的年平均濃度分別為1.39 mg/m3，1.31 mg/ m3，1.05 mg/m3，0.96 mg/m3，0.89 mg/m3，呈現逐年降低的狀態。2016年和2017年分別有5天和3天超過環境空氣污染物年濃度限值國家標準（4 mg/m3），2018年至2020年這段時期均未超過環境空氣污染物年濃度限值國家標準（4 mg/m3）。

1.4 2020年AQI及各項污染物濃度變化特征

如圖3所示是2020年天津市AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的濃度日均值隨時間變化情況，可以看出各類大氣污染物濃度在一年內的增減波動情況具有很強的相關性，AQI與PM2.5，PM10以及SO2、NO2、CO有相同的時間變化特征，表明了它們之間具有相似的來源。整體上看，各類大氣污染物在1月份至3月份以及10月份至12月份的濃度相對偏高，在7、8、9月份振幅較小，較為穩定。查閱資料得知，天津市2019年供暖期自2019年11月1日至2020年3月31日，2020年供暖期由11月1日開始，由此可以推測，冬季采暖是各類大氣污染物的重要來源，在采暖期間減少大氣污染物的排放仍然是急需解決的問題[4]。

圖3 2020年，AQI（a）以及PM10，PM2.5（b），NO2，SO2，CO（c）濃度的時間序列圖

2 結論

通過對2016年至2020年AQI以及各類污染物的分析，本文得出如下結論，（1）2016年至2020年天津市空氣質量指數AQI五年來的優良率顯著提高。（2）從五年間的年變化上看，天津市PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO均呈下降趨勢。（3）從季節變化來看，PM2.5、PM10、SO2、CO 和NO2都表現為“冬高夏低”，推測這主要是因為天津地區冬季采暖，燃煤量增加，導致污染物濃度升高。在采暖期間減少大氣污染物的排放仍然是急需解決的問題。