太原市大氣污染物變化特征及其影響因素分析

孫佳祺，余 華*，劉春杰

（1.閩江學(xué)院 地理與海洋學(xué)院，福建 福州 350108；2.閩江學(xué)院 工會，福建 福州 350108）

0 引言

近年來，隨著太原市工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展，以SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O3等6種污染物為主的大氣污染日益嚴(yán)峻，危害到當(dāng)?shù)鼐用竦纳睿呀?jīng)成為政府、社會共同面臨的一項十分嚴(yán)峻的問題。目前，大氣污染受到了各國政府和公眾的普遍關(guān)注［1］。2016年公布的《中國環(huán)境狀況公報》中，在首期開展新環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)第一階段實施監(jiān)測的74個城市中，太原市排第62名，位居倒數(shù)第10名［2］。我國城市環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)現(xiàn)象已經(jīng)引起了全社會的普遍關(guān)注，大氣污染在給生態(tài)系統(tǒng)造成破壞的同時也制約著社會經(jīng)濟的發(fā)展［3］。長期以來，太原市粗放式的發(fā)展致使大氣污染界限由城市局部地區(qū)向更大范圍蔓延，并且復(fù)合型污染也已逐步取代了工業(yè)污染，成為了影響城市發(fā)展的重要阻力［4］。

大氣污染現(xiàn)狀及治理問題已經(jīng)成為許多氣象學(xué)、生態(tài)學(xué)研究的熱點。盧盛棟等［5］分析了氣象與太原地區(qū)空氣質(zhì)量的關(guān)系；王浩宇等［6］分析了太原市冬季3種污染物在城郊的變化情況；彭潔等［7］分析了中小盆地城市的大氣污染。但是，目前針對太原市大氣污染物濃度與社會經(jīng)濟因子之間的相關(guān)關(guān)系的研究較少，本文將重點對此進行分析。

太原市以煤炭礦產(chǎn)而聞名，是我國北方的重要工業(yè)城市和能源重化工基地。太原市的煤炭使用率高，燃燒煤炭易導(dǎo)致嚴(yán)重的煤煙型污染，主要原因是舊式鍋爐以原煤為燃料，生成的大量懸浮煙塵和二氧化碳通過煙囪排入大氣所致。長期依賴資源的高投入、高消耗來換取經(jīng)濟的發(fā)展，致使太原市生態(tài)環(huán)境日趨惡化［8］。為了實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，大氣環(huán)境治理顯得尤為關(guān)鍵，“十四五”期間，中國的空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，但大氣污染壓力仍然存在，并面臨許多新情況。太原作為資源型城市，筆者研究了其2014—2020年的大氣污染物變化及其影響因素，對科學(xué)制定大氣污染物控制策略，提高空氣質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

太原市作為山西省的省會，東、西、北部三面被山環(huán)繞，平均海拔約為800 m，地貌崎嶇，汾河穿城而過，市區(qū)依河而建，呈南北帶狀分布［9］。太原作為資源型城市，其發(fā)展依托冶金、化工、煤炭行業(yè)，一直以重工業(yè)和能源重化工基地而著稱。太原市屬干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬季風(fēng)為寒冷干燥的偏北風(fēng)；夏季風(fēng)為濕熱偏南風(fēng)。逆溫頻次多、強度大，氣溫年較差大［9］。

圖1 太原市區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

太原市2014—2020年的空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Qua-lity Index,AQI)、6項污染物濃度、天氣狀況等信息來源于太原市生態(tài)環(huán)境局(http://hbj.taiyuan.gov.cn)、天氣后報網(wǎng)(http://www.tianqihoubao.com)。從太原市環(huán)保局9個國控24 h連續(xù)自動檢測站獲取SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO的小時濃度數(shù)據(jù)，以及O3的日最大8 h平均濃度數(shù)據(jù)。太原市的地面月平均氣象資料來源于《國家統(tǒng)計年鑒》，包括平均相對濕度、平均氣溫、平均降水量、日照時數(shù)等。太原市2014—2020年6項污染物缺失了47 d的數(shù)據(jù)，則采用日平均值的方法進行計算。太原市常住人口數(shù)、GDP、人均GDP、第一二三產(chǎn)業(yè)等社會因子來源于《山西省統(tǒng)計年鑒》。本文采用《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)作為6項污染物空氣質(zhì)量的分類依據(jù)，并以此標(biāo)準(zhǔn)作為各因子的二級濃度限值(表1)。

表1 空氣質(zhì)量指數(shù)及相關(guān)信息

1.3 研究方法

利用皮爾遜相關(guān)分析法對6種大氣污染物濃度進行相關(guān)性分析。以月平均相對濕度、月平均氣溫、月平均降水量、月均日照時數(shù)等氣象因子，以及常住人口數(shù)、GDP、人均GDP、第一二三產(chǎn)業(yè)等社會因子為自變量，污染物濃度數(shù)據(jù)作為因變量，通過一元線性回歸方法來分析其相關(guān)性。運用Excel 2019軟件整理數(shù)據(jù)并繪圖，SPSS 24.0軟件進行數(shù)理統(tǒng)計。本文劃定采暖期為11月15日至次年3月15日，其他時間為非采暖期［10］，運用數(shù)理統(tǒng)計方法統(tǒng)計采暖期與非采暖期不同等級天數(shù)的比例。

2 太原市大氣污染物的變化特征

2.1 大氣污染物的月和年變化特征

污染物濃度逐月變化值與環(huán)境空氣質(zhì)量Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)作對比發(fā)現(xiàn)(圖2)，SO2在2015和2017年的12月至次年2月超標(biāo)；PM2.5在每年的11月到次年3月均超標(biāo)，呈明顯的季節(jié)性差異，即夏秋季低、冬春季高；NO2、PM10、CO和O3在2014—2020年中均未超過Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)。其中，NO2在2017—2019年中呈明顯的季節(jié)性變化，而在其他年份則呈隨機性波動；PM10、CO在歷年的季節(jié)性變化中，都表現(xiàn)出夏季和秋季濃度低、冬季和春季濃度高的特點；O3在歷年中也呈明顯的季節(jié)性變化，變化特征為典型的單峰單谷型，但與SO2、PM2.5、NO2、PM10、CO的季節(jié)性變化特征相反，即夏季和秋季濃度高、冬季和春季的含量低。

圖2 各污染物濃度的逐月變化

由圖3可知，2014—2020年空氣質(zhì)量指數(shù)為Ⅰ級的天數(shù)總體上呈增加的變化趨勢；空氣質(zhì)量指數(shù)為Ⅱ級的天數(shù)除了2019年出現(xiàn)明顯增加外，整體上比較穩(wěn)定；空氣質(zhì)量指數(shù)為Ⅲ、Ⅳ級的天數(shù)呈現(xiàn)先減后增再減少的變化趨勢；空氣質(zhì)量指數(shù)為Ⅴ級的天數(shù)也呈比較穩(wěn)定的變化趨勢；空氣質(zhì)量指數(shù)為Ⅵ級的天數(shù)以2017年最多，為7 d。2018年的污染天數(shù)占比(污染天數(shù)指Ⅲ級及以上的天數(shù)占全年的比例)由45.48%下降到2020年的24.59%，下降了20.89個百分點。

圖3 2014—2020年太原市不同級別空氣質(zhì)量天數(shù)及污染天數(shù)的占比

2.2 采暖期與非采暖期大氣污染物的變化特征

由圖4可知，2020年采暖期，太原市空氣質(zhì)量優(yōu)良的天數(shù)占全年的比重為17.8%，重度及嚴(yán)重污染的天數(shù)占全年的比重為2.7%，優(yōu)良的天數(shù)占全年的比重較非采暖期低39.8個百分點，重度污染及嚴(yán)重污染的天數(shù)占全年的比重較非采暖期的高2.7個百分點。與2019年采暖期相比，2020年空氣質(zhì)量優(yōu)良的天數(shù)在全年的比重中上升了3.6個百分點，重度污染及嚴(yán)重污染的天數(shù)占全年的比重增加了0.2個百分點；而在非采暖期則相差很小。

圖4 2014—2020年太原市各級別天數(shù)的占比分析

在2014—2020年采暖期，空氣質(zhì)量的優(yōu)良率呈增高—降低—增高的趨勢，重度污染及嚴(yán)重污染物天數(shù)占全年的比重均在5%以下，2018年以來，太原市空氣質(zhì)量優(yōu)良率呈直線上升。在2014—2020年非采暖期，天氣優(yōu)良率與采暖期優(yōu)良率變化方向一致；重度及嚴(yán)重污染的天數(shù)占全年的比例與采暖期相比，呈明顯下降。

3 太原市大氣污染物之間的相關(guān)性分析

由表2可知，大氣污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO之間表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(P＜0.001)；O3-8 h與其他5種污染物之間表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.001)。PM2.5與PM10、SO2與CO之間的相關(guān)系數(shù)較高，分別為0.877、0.822；PM2.5與SO2、NO2、CO之間的相關(guān)系數(shù)次之，分別為0.651、0.606、0.734。O3-8 h與其他5種污染物之間呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)均較低；AQI與PM2.5、PM10之間的相關(guān)性高于其他大氣污染物，相關(guān)系數(shù)分別為0.959、0.949。

表2 大氣污染物之間的相關(guān)性分析

4 太原市大氣污染物的影響因素分析

4.1 大氣污染物濃度與氣象因子的相關(guān)性分析

本文對太原市2014—2020年6種大氣污染物濃度與對應(yīng)氣象因素進行了相關(guān)分析，得出不同氣象因子對6種污染物的影響。由表3可知，隨著氣溫、降水量的增加，大氣污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO濃度下降，且在P＜0.01或P＜0.001水平上呈顯著負(fù)相關(guān)；日照時數(shù)的變長，致使SO2、NO2、PM10、PM2.5濃度下降，其中，日照時數(shù)與NO2、PM2.5分別在P＜0.01、P＜0.05水平上呈顯著負(fù)相關(guān)；隨著平均相對濕度的增加，SO2、PM10濃度下降，分別在P＜0.001、P＜0.01水平上呈顯著負(fù)相關(guān)，但與其他4種污染物的濃度沒有顯著關(guān)系；由于平均氣溫的升高、平均降水量的增加、日照時數(shù)的變長，O3-8 h的濃度升高，分別表現(xiàn)為P＜0.001、P＜0.001、P＜0.05水平上的顯著正相關(guān)。O3-8 h濃度的變化與平均相對濕度之間無直接的關(guān)聯(lián)。

表3 大氣污染物與氣象因子的相關(guān)性分析

4.2 大氣污染物濃度與社會因子的相關(guān)性分析

由表4可知，隨著GDP、第二三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的增加，造成了大氣污染物SO2、CO濃度下降，表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.001或P＜0.01)，導(dǎo)致O3-8 h濃度增加，表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(P＜0.05)。隨著常住人口數(shù)量、綠地面積、林業(yè)產(chǎn)值的增加，造成SO2、CO濃度減少，表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.001、P＜0.05或P＜0.01)。隨著原煤產(chǎn)量的增加，造成了PM10濃度下降，呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。隨著工業(yè)煙塵排放量、生活NOx排放量的增加，造成了SO2、CO濃度的增加，呈顯著正相關(guān)(P＜0.05或P＜0.01)。由于工業(yè)NOx排放量的增加，導(dǎo)致了CO濃度的增加，呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)；NO2、PM2.5的濃度與上述幾種社會因子之間沒有直接的關(guān)聯(lián)。

表4 大氣污染物與社會因子的相關(guān)性分析

5 結(jié)論與建議

5.1 太原市大氣污染物變化特征的影響

大氣污染物濃度逐月變化值與環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)作對比發(fā)現(xiàn)，SO2在2015和2017年的12月到次年2月超標(biāo)，反映了山西省在這之前一直是以煤為主的能源消費結(jié)構(gòu)，而2017年10月太原市出臺的“禁煤令”，使得SO2濃度在2018年后穩(wěn)步下降；PM2.5在每年的11月到次年3月均超標(biāo)，呈明顯的季節(jié)性差異，即夏秋季低、冬春季高。這是由于太原市位于黃土高原，冬春季濕度低，導(dǎo)致大氣中的塵埃含量高、降塵量大。此外，沙塵暴發(fā)生頻繁，大氣污染更嚴(yán)峻［11］。12月—翌年1月的冬季燃煤排污造成了PM10、PM2.5濃度升高；而3—4月的PM10、PM2.5的濃度高，則與春季沙塵暴頻發(fā)有關(guān)［12］。O3在歷年中的季節(jié)性變化分明，屬于典型的單峰單谷型，但與SO2、PM2.5、NO2、PM10和CO的季節(jié)性變化相反，即表現(xiàn)為夏季、秋季含量高，冬季、春季含量低，這是由于夏秋光照充足、溫度高、空氣干燥的氣候條件，有利于O3形成。采暖期大量煤、石油和天然氣等礦石燃料的燃燒供暖，導(dǎo)致污染源排放量增加，進而SO2、PM2.5、PM10的濃度在冬春季出現(xiàn)明顯的增加，從而使得環(huán)境更加糟糕。

5.2 太原市大氣污染物之間的相關(guān)關(guān)系

單純某一種氣象因子對大氣污染的影響是有限的，是由各種氣象因子之間相互作用、交叉影響所導(dǎo)致的。前文述及，6種大氣污染物間的相關(guān)關(guān)系，其中，PM2.5與PM10具有高度的相關(guān)關(guān)系，是由于PM2.5與PM10間存在包含的關(guān)系，污染物來源存在較高的同源性，因此相關(guān)性極顯著［13］。O3與其他5種污染物之間的相關(guān)性比較低，說明污染來源的同源性較低。AQI與PM2.5、PM10具有高度的相關(guān)性，相關(guān)性的顯著水平超過了其他污染物，由此說明PM2.5、PM10是影響太原市大氣污染的首要污染物。

5.3 氣象因子對太原市大氣污染的影響

近地面的大氣污染與當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件是緊密聯(lián)系的。在污染源及排放量一定的前提下，氣象條件對空氣質(zhì)量的好壞扮演極其重要的角色［14-15］。太原市大氣質(zhì)量好壞主要受2個方面因素影響：一是氣象條件對大氣質(zhì)量產(chǎn)生的影響；二是社會經(jīng)濟因素，特別是太原市以煤為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對大氣污染物所產(chǎn)生的影響。降水可以凝聚和運移污染物，風(fēng)可以運送和沖淡污染物［16］，氣溫可以分散污染物［17］，相對濕度減小可以使霧變成霾，從而使污染加劇［18］。前文述及，隨著氣溫的上升、降水量的增加，大氣污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO濃度減少，呈顯著負(fù)相關(guān)，這是由于氣溫的升高和降水量的增加，使空氣中的相對濕度亦隨之增加，這有利于污染物的集結(jié)和運輸；隨著日照時數(shù)的變長，SO2、NO2、PM10、PM2.5濃度減少，也表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，這是由于日照時數(shù)越長，則地面溫度升高，從而加快了近地面的氣流流速，使稀釋和運移地表污染物的能力增強［13］；由于平均相對濕度的增加，導(dǎo)致了SO2、PM10的濃度的下降，呈顯著負(fù)相關(guān)，但與其他4種污染物的濃度無直接的關(guān)系，這說明大氣相對濕度低，污染物濃度升高；氣溫升高、降水量增加和日照時數(shù)變長，O3-8 h濃度也隨之增加，與之表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，但O3-8 h濃度與平均相對濕度并沒有直接的關(guān)系，這是因為在溫度升高，太陽輻射增強的情況下，容易造成NOx和碳?xì)浠衔锇l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生O3［19］。因此，氣溫高、日照強烈有助于O3引物的生成，并經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)形成O3［20］。

5.4 區(qū)域地理背景對太原市大氣污染的影響

太原市大氣質(zhì)量較差與其所處的區(qū)域環(huán)境是密切相關(guān)的。太原市位于黃土高原上，屬干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，黃土土質(zhì)松軟，坡面溝谷侵蝕強烈，地面異常破碎，地面干燥，浮土較多。冬季，西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，容易使空氣中沙塵顆粒物增加；春季，西北風(fēng)衰退，來自太平洋的微弱暖濕氣流還無法到達(dá)內(nèi)陸腹地，太原市的空氣水分含量較低、土壤水分含量缺失，導(dǎo)致春季干旱嚴(yán)重；并且太原市的植被覆蓋率較低，現(xiàn)有的綠地難以有效地凈化空氣，這些因素相互作用使得太原市冬春季的PM2.5、PM10顆粒物出現(xiàn)天數(shù)增加，是形成太原市大氣污染的極其重要因素。

太原作為建設(shè)在山谷中的工業(yè)城市，東、西、北部三面環(huán)山，冬春季逆溫出現(xiàn)的頻率高、強度大、氣溫年差較大，使空氣常處于滯留狀態(tài)，污染物的擴散能力弱，嚴(yán)峻的大氣污染問題一度使太原市空氣質(zhì)量較差，排名在全國城市中墊底，也是大氣污染難以控制的先天性制約因素。此外，太原市缺乏主導(dǎo)風(fēng)向，近地面氣流流速緩慢，靜風(fēng)頻率偏高，并在污染物集聚上扮演重要的角色［21-22］。

除靜風(fēng)外，太原市盛行西北風(fēng)，但是由于太原市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局不當(dāng)，工廠等重要污染源在城市盛行風(fēng)的上風(fēng)向，順著西北風(fēng)傳播到城市各地，導(dǎo)致太原市的空氣質(zhì)量惡化。一般來說，污染源理應(yīng)布局在盛行風(fēng)的下風(fēng)向，但由于太原市北面較高的特殊地勢條件，污染物無法及時排出，全部聚集在城市上空，因此產(chǎn)業(yè)布局在東南方向也不適合［23］。

5.5 大氣污染物的治理及防治建議

太原位于京津冀空氣污染傳播通道，被列為冬季奧運會、殘奧會空氣質(zhì)量二類重點保障區(qū)。該市持續(xù)頒布了“減煤、降塵、治理企業(yè)、治理車輛”等各種相關(guān)環(huán)保措施和規(guī)劃，在治理大氣污染上都取得了新的突破［24］。

5.5.1 加大散煤治理力度，改善城區(qū)集中供暖覆蓋度 在中國，工業(yè)生產(chǎn)及生活燃煤是PM2.5與PM10等顆粒物和SO2排放的首要渠道，大多數(shù)城市的PM2.5與PM10等顆粒物和SO2的排放濃度并不符合世界衛(wèi)生組織(WTO)的公眾健康標(biāo)準(zhǔn)，且普遍偏高2～5倍［25］。山西省煤炭儲量極其豐富，城市采暖基礎(chǔ)設(shè)施的完善，城市采暖面積需求大，煤炭的燃燒量也持續(xù)增加，致使煙塵、SO2、CO、NO2等污染物濃度排放量增加。特別是煤炭燃燒加重了空氣中細(xì)顆粒物和SO2濃度［10］。在冬季采暖期，燃煤是供熱的主要方式，煤炭需求量增大，燃煤效率低，加劇了太原市大氣污染物狀況。因此，太原市應(yīng)該切實落實“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)和要求，加大技術(shù)投入，減少煤炭開采和消耗，推行綠色燃煤，積極、穩(wěn)步地開展清潔取暖、集中供暖等模式，加大對散煤的治理力度。

5.5.2 技術(shù)革新，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型 由圖5可知，第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比呈下跌趨勢；太原市第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比波動下滑；第三產(chǎn)業(yè)相比于第一二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的占比，表現(xiàn)為連年上升。這表明太原市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)日趨完善，重心也由第一二產(chǎn)業(yè)向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變。因太原市的地勢條件不利于污染物的擴散。而太原市重點工業(yè)污染源多布局在市區(qū)，且多聚集在建成區(qū)168 km2范圍內(nèi)，對市區(qū)環(huán)境的污染極大［26］。加之太原鋼鐵等重工業(yè)產(chǎn)業(yè)分布在太原市北部，因而工業(yè)污染是影響太原市秋冬季空氣質(zhì)量的主要因素之一。太原市能源消耗以高硫、高灰分的煤炭為主，煤炭提供了一次性能源消耗的97%以上［27］。因此，要加大淘汰“高能耗、高污染”的產(chǎn)業(yè)力度，促進鋼鐵行業(yè)向超低排放轉(zhuǎn)型，從而有助于太原市第二產(chǎn)業(yè)向低污染轉(zhuǎn)型。在政府部門出臺的《2013—2020年大氣污染防治規(guī)劃》中指出：通過適度約束促進了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，即積極推動第二產(chǎn)業(yè)向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，主要是因為第二產(chǎn)業(yè)規(guī)模的縮小能夠直接降低大氣中硫、氮的含量［28］。

圖5 太原市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

5.5.3 推進運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整 山西省有太原鋼鐵等大型工礦企業(yè)，且多生產(chǎn)煤炭、焦炭、鋼鐵等大宗貨物，應(yīng)強化重型運輸車輛NOx減排，盡快優(yōu)化鐵路運輸組織，大型企業(yè)盡快實現(xiàn)連接鐵路運輸，開行集裝箱班列，推動物流運輸體系結(jié)構(gòu)化完整。

5.5.4 加強環(huán)保意識 加強環(huán)保意識，自覺樹立規(guī)范化經(jīng)營意識，承擔(dān)好生態(tài)責(zé)任、社會責(zé)任，切實提升煤礦安全生產(chǎn)、清潔生產(chǎn)管理水平，采用綜合手段更好地保障企業(yè)經(jīng)濟、生態(tài)效益的發(fā)展。

城市綠化是減輕城市環(huán)境污染的重要組成部分；森林能夠調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙；植樹種草能夠使得局部濕度增高，降水量增加，氣溫趨于緩和。此外，城市綠化不僅可以改變風(fēng)向，而且能夠減輕風(fēng)速，起到固沙保土的作用。