北京市大氣污染物時間變化特征及氣象影響因素分析

齊春楠

（華北電力大學，北京 102200）

自改革開放以來，我國工業建設與社會經濟發展取得了世界矚目的成就，然而在科技發展與生活便捷的同時，工業生產、燃料消耗、交通尾氣所引發的環境污染問題也日益突出，開展大氣環境污染治理活動刻不容緩[1]。北京市是我國的首都，其政治經濟地位不言而喻。近年來隨著北京市經濟的高速發展，其在交通運輸與工業生產方面的污染物排放量逐年增大，而這些污染物的根源在于化石燃料的燃燒與汽車燃油。為了遏制空氣污染發展的嚴重態勢，北京市于2013年開始對燃煤施行控制，并在周邊區域進行清潔能源生產改造，通過聯防聯控聯治手段顯著改善空氣質量[2]。

對于北京市大氣污染物的變化特征，很多學者進行了相關研究。從年際變化與月度變化兩個維度對北京市2001～2010年大氣污染物數據進行研究，發現大氣污染物排放濃度表現為顯著的下降的趨勢且排放總量也逐年降低[3]。對2013年～2015年的大氣污染物數據與氣象數據進行分析，發現污染物氣體濃度具有明顯的月、日變化特征，并呈現出夏低冬高、午低夜高的變化特點[4]。

1 數據來源與處理

本文所使用的大氣污染物濃度數據為2016～2020年北京市各國控站點日均值數據，各污染物濃度數據值均取整數，其中O3數據為每日最大8小時平均數據。以上數據均來源于中國環境監測總站（http：//www.cnemc.cn/）。各氣象數據來源于《中國地面氣候資料日均值數據集V3.0》。

本研究基于日均值數據計算出月均值與季度均值，其計算邏輯為將每個自然月內的日均值進行平均值運算得到月均值，將每個季度內的月均值進行平均值運算得到季度平均值，季度的劃分依據是：3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月、1月、2月為冬季。

2 北京市各大氣污染物的濃度時間變化特征

2.1 AQI變化特征

AQI是基于六項常規監測污染物計算所得出的、用來衡量空氣質量綜合情況的指標，從北京市2016～2020年各季節AQI變化趨勢圖（圖1）中可以看出：2016年各季節AQI較為平穩，變化幅度不明顯；2017年秋季AQI明顯低于其他三個季節；2018年從春季到冬季，AQI變化呈持續下降趨勢；2019年和2020年均表現為夏季AQI高于其他三季。從綜合情況來看，春季、夏季的五年AQI季節平均值（約100左右）高于秋冬兩季（約90左右）。自2016年至2020年，各季節AQI雖有小幅度反彈，但整體呈現逐年下降趨勢。

圖1 北京市2016～2020年各季節AQI變化圖

從北京市2016～2020年各月份AQI變化趨勢圖（圖2）中，可以看出：從全年趨勢情況來看，北京市逐月AQI呈現出中間高兩邊低的趨勢，5月、6月、7月的AQI平均值均高于100。逐年來看，自2016年至2020年，每個自然月內AQI月均值呈波動下降趨勢，其中，2016年2月最低，1月也處于較低水平，但是由于12月AQI突升至168，達到全年最高水平，因此拉高冬季整體AQI均值。12月數據突升是由于2016年12月1日至5日，北京市發生了5級空氣重污染。

圖2 北京市2016～2020年各月份AQI變化圖

2.2 PM2.5時間變化特征

如圖3所示，PM2.5濃度2016～2020年呈逐年下降趨勢，平均每年下降9.140 μg/m3。除2020年年均值外，其余年份年均值均未達到《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）二級濃度限值35 μg/m3。分季節來看，除2018年外，其余年份均表現為冬季最高，春季第二，秋季第三，夏季最低。北京地區屬“煤煙型”大氣污染，冬季濃度高的根源在于冬季需燃煤供暖，夏季濃度最低是由于北京屬北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，降水可有效去除空氣中懸浮的細顆粒物。2018年3月北京市長時期無有效降水，出現過兩次沙塵天氣，污染物擴散條件達歷史六年同期最差，當月PM2.5月均濃度為90 μg/m3。

圖3 北京市2016～2020年各季節PM2.5變化圖

如圖4所示，北京市PM2.5濃度在月份維度上表現為波浪式分布，在3月、7月、11月時均有峰值出現。2016年月均濃度最高值出現在12月（133 μg/m3），除此以外其余年份月均濃度最高值均出現在1月或2月，主要還是冬季燃煤取暖所致。2016年月均濃度最低值出現在2月（44 μg/m3），除此以外其余年份月均濃度最低值均出現在8月或9月。

圖4 北京市2016～2020年各月份PM2.5變化圖

2.3 PM10時間變化特征

如圖5所示，PM10污染物2016～2020年呈微弱逐年下降趨勢，平均每年下降8.809 μg/m3。年均值由92 μg/m3降至57 μg/m3，同比下降61.4%。分季節來看，其濃度變化表現為春季最高，冬季第二，秋季第三，夏季最低。2017年冬季與秋季PM10濃度差異較大，達16 μg/m3，其余年份差值較小，約1～5 μg/m3。五年中2018年春季濃度最高，為122 μg/m3。

圖5 北京市2016～2020年各季節PM10變化圖

北京市2016～2020年各月份PM10變化如圖6所示，各自然年內均呈現出兩邊高中間低的“U”形趨勢，1月、12月較高，8月最低。春季3月～5月PM10濃度值均保持在全年范圍內的較高水平，說明PM10污染主要出現在春季，其原因是春季北京氣候干燥，風力大、風沙大，頻發沙塵暴天氣。

圖6 北京市2016～2020年各月份PM10變化圖

2.4 O3、NO2、SO2、CO時間變化特征

北京市O3、NO2、SO2、CO此四項氣態污染物2016～2020年的變化趨勢如圖7所示：O3年均值波動不大，穩定在95～102 μg/m3，僅2018年（102 μg/m3）超出《環境空氣質量標準》（GB 3095～2012）一級濃度限值100 μg/m3。NO2年均值呈波動下降趨勢，由2016年46 μg/m3下降至2020年24 μg/m3，同比下降46.8%。SO2年均值呈穩定逐年下降趨勢，由2016年10 μg/m3下降至2020年3 μg/m3，同比下降66.2%，遠低于《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）一級濃度限值。CO年均值呈逐年明顯穩定下降趨勢，由2016年1.7 mg/m3下降至2020年0.8 mg/m3，同比下降52.9%。

圖7 北京市2016～2020年各年份O3、NO2、SO2、CO變化圖

從季節表現上來看，O3四季濃度由高到底依次為：夏季、春季、秋季、冬季，且夏季明顯高于其他三季。就五年綜合趨勢來看，春夏兩季略有下降，秋冬兩季略有提升。2018年NO2的最高值出現在秋季，其余年份最高值均出現在冬季，而五年最低值均出現在夏季，且明顯低于其他三季，2016年和2020年秋冬兩季濃度值相差不大。CO四季濃度值2018年變化不明顯，其余年份均表現為冬季明顯高于其他三季。除夏季外，其余三季均有明顯的下降趨勢。SO2最高值均出現在冬季，最低值均出現在夏季，各季節均呈穩定下降趨勢。

北京市O3、NO2、SO2、CO此四項氣態污染物2016～2020年各月份的變化趨勢如圖8所示：NO2、SO2、CO三者相關性較高，變化趨勢比較一致。NO2最高值一般出現在冬季12月或1月，最低值出現在7月；SO2最高值一般出現在冬季12月或1月，最低值出現在8月；CO最高值一般出現在冬季12月或1月，最低值出現在5月。冬季污染嚴重的主要原因是燃燒取暖，化石燃料燃燒后會產生大量的大氣污染物，且北京冬季的氣候特點是溫度低、光照弱，使得光化學反應速率減慢，污染物無法及時轉化消除。此外，冬季存在逆溫，即垂直結構上地面上的大氣氣溫隨著高度的增加而升高，使得污染物擴散條件變差，進而造成污染。O3的變化特征與其他三項氣態污染物截然不同，呈現“倒U”形趨勢，最高值出現在其他污染物濃度最低的夏季，約6月前后，最低值出現在其他污染物濃度最高的冬季。造成此現象的原因主要是夏季溫度較高，光照也比較強烈，這為光化學反應創造出極為有利的反應條件，進而致使O3濃度升高。

圖8 北京市2016-2020年各月份O3、NO2、SO2、CO變化圖

3 空氣質量級別與首要污染物變化特征

《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》中對空氣質量指數（AQI）、空氣質量分指數（IAQI）和首要污染物進行定義，又根據AQI大小取值范圍u將空氣質量指數類別分為優、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴重污染這六個等級。如圖9所示，北京市優良天數比例逐年升高，由2016年的54.1%提升至2020年的76.8%。2016～2018年的嚴重污染天數逐年減少，分別為9天、5天、1天，2019～2020年無嚴重污染。逐年逐月來看，五年內優良天數比例最低的月份均在6月左右，其中2020年6月優良天數比僅為26.67%。2016～2020年內，北京市首要污染物有O3、NO2、PM2.5、PM10。O3主要發生在夏季，NO2主要發生在秋季與冬季，PM2.5主要發生在春季、秋季、冬季，PM10主要發生在春季。此項數據表明：北京市大氣污染已不再是單一的顆粒物污染所造成的霧霾問題，臭氧污染已愈發嚴重，應得到重視與治理。

圖9 北京市2016～2020年空氣質量級別占比天數堆積圖

4 氣象因素與大氣顆粒物濃度相關性分析

氣象因素會通過影響大氣污染物的沉積、擴散、生成、轉化進而影響其濃度范圍，前文研究已表明大氣污染物的濃度表現具有明顯的季節變化特征，因此本節將對六項大氣污染物與氣象因素中的氣溫、風速、降水、濕度、日照進行Pearson相關性分析，探究氣象因素對大氣污染物的影響，結果見表1。

表1 2020年北京市六項大氣污染物濃度與氣象因素相關性

春季時，平均氣溫與SO2呈顯著正相關，與O3、PM10呈極顯著正相關；風速與O3呈顯著負相關，與NO2、SO2、CO、PM2.5呈極顯著負相關，主要是由于風速越大，污染物擴散速率越快，濃度也隨之降低；濕度與NO2呈顯著正相關，與CO、PM2.5呈極顯著正相關，空氣濕度增大時，空氣中的懸浮細顆粒物氣溶膠發生吸濕作用，吸收水汽體積增大，形成霧或霾；日照與NO2呈顯著負相關，與CO、PM2.5呈極顯著負相關。

夏季時，平均氣溫與NO2呈顯著正相關，與O3、PM10呈極顯著正相關；降水與NO2、O3、PM10呈極顯著負相關；濕度與NO2、O3、PM10呈極顯著負相關，與SO2呈顯著負相關；日照與CO、PM2.5呈顯著負相關。夏季氣溫高，降水量增大，空氣濕度增加，空氣中的水蒸氣中含有大量自由基·OH、·HO2，這些自由基會將O3快速分解為氧分子，使得O3濃度下降。

秋季時，平均氣溫與NO2呈顯著負相關，與O3呈極顯著正相關；風速與SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10呈極顯著負相關；降水與PM10呈顯著負相關；濕度與CO、O3、PM2.5呈極顯著正相關；日照與NO2呈顯著負相關，與CO、PM2.5呈顯著負相關。北京秋季為高濕天氣，小顆粒污染物在高濕度時凝聚成大顆粒物。

冬季時，平均氣溫與SO2、NO2呈顯著正相關，與CO、O3、PM2.5、PM10呈極顯著正相關；風速與SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10呈極顯著負相關；濕度與SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10呈極顯著正相關；光照與PM2.5、PM10呈顯著負相關，與CO呈極顯著負相關。冬季北京受高氣壓影響，大氣層結構穩定，地面溫度較低，容易形成逆溫輻射，因此不利于污染物的擴散稀釋。

5 結論

（1）北京市大氣污染物具有明顯的季節變化特征，顆粒物污染物中：PM2.5冬季最高，夏季最低；PM10春季最高，夏季最低；氣態污染物中：NO2、SO2、CO三者趨勢相近，均表現為冬季最高、夏季最低；O3濃度變化與其他氣態污染物相反，表現為夏季最高，春冬季最低。

（2）北京市2016～2020年優良天數比例不斷提高，嚴重污染與重度污染天數持續下降，說明大氣治理手段取得初步成效。本文研究時間段內，北京市的首要污染物為O3、NO2、PM2.5、PM10，未來應加強對于O3污染的研究與管控。

（3）北京市大氣污染物與氣象因素具有較高的相關性，具體表現為：氣溫上升時，污染物分子間運動速率加快，化學反應速率加快，污染物濃度升高。風速越大，污染物的水平輸送與稀釋擴散速度就越快，濃度越低。降水對大氣污染物具有清潔去除作用。濕度越高，污染物的吸濕作用越明顯，濃度越高。日照強度可以影響光化學反應速率，進而影響污染物濃度。