阜陽市空氣質量時空分布特征研究

王紅新，王曉俊，俞 夢

（池州學院 材料與環境工程學院，安徽 池州 247000）

隨著我國經濟的發展以及人口迅猛增長，環境污染問題越來越突出。與發達國家相比，我國工業化進程相對較晚。1973年，第一次全國環境保護會議召開之后，針對大氣污染的研究才開始正式拉開序幕[1]。隨著霧霾天氣的頻發，溫室效應的加重，空氣污染問題已成為人類必須面對的現實，空氣質量成為人們日益關注的焦點。據統計，2016年全世界約有91%比例的人口幾乎無法呼吸到清新空氣，約50%的城鎮住戶生活在約2.5倍高于安全標準的空氣環境里，每年最高有700萬人由于空氣污染致死[2]。進入21世紀之后，隨著我國經濟的快速發展、各種行業飛速發展，機動車數量的日益增加，大氣污染問題也日趨嚴重。研究區域不再局限于我國北方的重工業城市，逐漸擴大到全國范圍。為了有效控制環境污染問題，政府采取了一系列措施。例如，《環境空氣質量標準GB3095-2012》是國家在2012年開始使用的，該標準的檢測結果為一小時發布一次，相較于之前標準的一天一次，空氣質量的優劣更加精準和透明化。從2013年到2016年，一系列法案相繼出臺，如《大氣污染防治行動計劃》《水十條》《土壤污染防治行動計劃》，由此可見人們已經逐漸意識到環境對人類的重要性，大氣空氣質量又是其中重要的一個環節。

1 數據來源

本研究選用安徽省生態環保廳發布的阜陽市2016年1月1日-2020年12月31日期間 環境監測數據進行統計分析，監測整理統計處理的數據為小時數據和日數據。對于沒有數據的時期，用其前后時期的平均值代替。根據北方城市的季節特征，來劃分阜陽市四季的月份范圍。阜陽市共設置10個環境空氣質量監測站點，分別為市監測站、阜陽職業技術學院、市開發區、太和中學、臨泉縣環保局、潁上縣第一中學、阜南縣環保局、界首市人民政府、棗園社區和實驗二小。各監測站點均對SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10、AQI等數據進行實時公布。

2 分析方法

由于實際情況和經濟及地理條件環境的限制，導致原始數據不完整，為解決這一情況，使用ARCGIS軟件里的空間插值法來重繪完整的空間分布[3]。因此，作為研究分析的軟件選用為ARCGIS10.2版本，可選用的插值方法不少，其中最為常用的空間插值法分為樣條函數法、克里金法與反距離法等，本研究選用反距離權重法來探究阜陽市空氣質量現狀及時空變化特征。

反距離權重法又被稱作為距離倒數乘方法，是ARCGIS中常用的空間插值方法之一，其計算方法簡單，經常應用在各種領域。方法原理是以通過計算已知地點的真實數值的加權平均來進行推算插值出未知地點的值。其空間相關原理，空間上越接近的事物或現象越相似，取得的權值也越大。因此此方法在相鄰范圍里結果的準確，與所在位置有著主要關系[4]。

公式為：

式中，Z是待插值的點，Zi是第i(i-1,2,3,......，n)個已知采樣點的值，di是第i個已知采樣點與待插值點的距離，P是冪參數，冪參數是一個正實數，常選用為2。

3 結果與分析

3.1 阜陽市空氣質量時間分布

3.1.1 大氣污染物濃度年度變化特征

SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O36種 大 氣 污 染 物的年均濃度變化如圖1所示。由圖1可以看出PM10、PM2.5這兩種最常見的顆粒污染物的年均濃度均為先上升（2016-2017）再逐年下降（2017-2020），SO2濃度為先下降（2016-2017）再增長（2017-2020），而NO2污染物的年均濃度則為先下降（2016-2018）再增長（2018-2019）再下降(2019-2010)的趨勢。污染物CO的年均濃度呈現出逐年降低的趨勢，污染物O3的年均濃度先增長（2016-2019）再下降（2019-2020）。

圖1 大氣污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3濃度的年際變化

進一步分析知SO2濃度在2016-2017年降幅最大，2016年濃度為20μg/m3，2017年濃度為12.8 μg/m3，下降率達36%，且這五年的年均濃度值均低于60μg/m3的國家二級標準限值[5]，其中SO2年均濃度在2019年最低，為5.83μg/m3是國家二級標準的9.7%。NO2在2019年短暫升高后，在2020年下降，年均濃度均滿足國家二級標準限值（40μg/m3），2016年最高為37.58μg/m3，最低在2020年，濃度值為26.25μg/m3。PM2.5、PM10兩種污染物濃度均未滿足標準的限值（35μg/m3、70μg/m3），且在同年，年均濃度值分別為77.83μg/m3（PM10）、49.83μg/m3（PM2.5），是國家二級標準濃度限值的1.11倍、1.42倍，可見顆粒物污染依然是阜陽市空氣質量改善面臨的挑戰。CO濃度五年一直下降2016年為1.35mg/m3，2020年為0.86mg/m3。O3在2016年濃度最低，最低為111.83μg/m3，在2017-2019年連續3年上升后，2019年 達 到 最 高 值145.75μg/m3，2020年 開 始 下降，濃度為134.58μg/m3。

3.1.2 污染物濃度季節變化特征

根據季節劃分，統計阜陽市2016年3月至2020年2月數據得出污染物季節變化圖，由圖2可知，四個季節的二氧化硫、二氧化氮平均濃度排列順序依次夏＜春＜冬＜秋。PM10、PM2.5、CO季平均濃度為夏季＜春季＜秋季＜冬季。臭氧的季平均濃度為冬天＜春天＜秋天＜夏天。其中SO2、NO2在春天濃度8.66μg/m3、22.83μg/m3。在秋天濃度分別為11.66μg/m3和37.91μg/m3；PM10夏季和冬季濃度分別為52.66 μg/m3、129.16μg/m3，PM2.5夏季和冬季濃度分27.66 μg/m3、95.58μg/m3，一氧化碳夏季和冬季濃度為0.83mg/m3、1.52mg/m3。在夏天SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10這五個污染物濃度明顯低于其他三個季節，這是由于阜陽市夏季太陽日照長、輻射強烈、溫度高、多雨，大氣層結構不穩定，導致垂直對流運動旺盛，污染物擴散速度加快，污染物濃度低[6]。且在六月下旬到七月上旬為阜陽市梅雨季，雨水對污染物擴散也有一定幫助作用，而O3在夏天濃度高是因為O3是二次污染的產物，來自于其他污染物的光解反應，夏季溫度高、日照時間長、輻射強，光化學反應易于發生[7]。冬天SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10、濃度較高則是由于冬天夜長日短，冬天白天輻射弱而且白日時間短，晚上夜間冷卻時間又長，容易形成逆溫層，形成的逆溫層阻礙了污染物的擴散[8]。且在冬天阜陽市氣溫較低，基本都在五攝氏度左右，又不像北方城市那樣，有普遍的供暖系統，阜陽市人們的取暖活動急劇的增多，導致不規范燃煤情況的發生及空調的多次使用等取暖行為，直接間接導致燃煤量的增多，使得污染物濃度升高。O3在冬季平均濃度較低，是由于冬天太陽輻射比夏季低，光化學反應不容易發生，阻礙了O3的生成。總體上阜陽市空氣質量夏天好冬天劣。這和肖悅、王鵬飛等研究結果一致[9,10]。

圖2 六種大氣污染物濃度的季變化

3.1.3 污染物濃度月變化特征

統計處理2016-2020年五年來，阜陽市空氣質量數據得出，SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O36種大氣污染物的五年內月平均變化如圖2-3所示。通過圖3可以發現SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO這五種污染物的月變化形式和O3的變化趨勢不一致，前者的變化形勢基本一致，總體呈“V”型分布。這一結論和李梅、晏彩霞、陸雅靜等的研究結果一致[11-13]。SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO五種污染物的月濃度，又以一月、二月、十一月、十二月這四個月份的濃度值最高，其中SO2、CO、PM2.5三種污染物濃度同時在一月份達到最高值，分 別達到16±0.8μg/m3、1.8±0.09mg/m3、104±5.2μg/m3。NO2、PM10兩種污染物在十二月份濃度最高，分別為47±2.35μg/m3、138±6.9μg/m3。五種污染物同時在七月份出現月均濃度最小值。分別為7±0.35μg/m3（SO2）、21±1.05μg/m3（NO2）、41±2.05μg/m3（PM10）、23±1.15μg/m3（PM2.5）、0.7±0.03mg/m3（CO），這和上面得出的季均值變化特征結論一致。而O3月均濃度趨勢則與上面相反，在一月、二月、十二月這三個月份的濃度值低于其他月份的濃度值，一月份濃度值為77±3.85μg/m3、十二月份濃度值為75±3.75μg/m3，六月份濃度值最高為181±9.05μg/m3。

圖3 大氣污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3濃度月變化

3.1.4 污染物濃度逐時變化特征

利用2018-2020年二分二至（春分、夏至、秋分、冬至）的逐小時AQI及六種空氣污染數據分析了阜陽市空氣質量日變化特征。如圖4和圖5所示?？偟膩碚f，各污染物隨時間段變化比較大，2020年日空氣質量較前兩年有好轉。阜陽市SO2濃度最高峰出現在7：00-12：00，濃度低峰出現在0：00-3：00和14：00-16：00，空氣中的SO2主要來自周圍發電廠和工業企業煤燃燒。AQI、CO、NO2的日變化均是先上升再下降再上升的類似“W”形，NO2濃度高峰值在9：00-10：00和19：00-22：00，濃度低峰值在0：00-6：00和14：00-16：00，這可能是阜陽市上下班高峰期車輛行駛帶來的交通尾氣和人群活動增多導致的。PM2.5和PM10兩種污染物的小時變化相似，高峰均集中在8：00-10：00和21：00-0：00，低峰值集中在1：00-3：00和15：00-18：00。大體上，PM2.5和PM10最高值徘徊出現在上午和零點左右。這和羅岳平的研究一致，這是由于該時間的氣溫是一天中最低的，嚴重出現大氣層逆溫現象，導致垂直擴散效果差，PM2.5和PM10的濃度擴散不及時開始累積，因此出現最大值[14]。O3濃度較高值集中出現在13：00-16：00，濃度較低值集中出現在3：00-7：00，O3濃度在8：00左右開始上升，在14：00-16：00濃度最高，之后O3濃度開始下降，這和溫度以及白日光照強度的變化是相似的[15]。

圖4 AQI日變化

圖5 污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3濃度日變化

3.2 阜陽市空氣質量空間分布

為了進一步分析阜陽市污染物濃度分布情況，對阜陽市2020年10個監測站點的數據進行整理得出表1，SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10五種污染物的單位為μg/m3，一氧化碳（CO）的單位為mg/m3。

表1 2020年阜陽市各監測點位污染物及AQI數值

根據表1數據，運用ARCGIS軟件中空間插值方法里的反距離權重法對2020年阜陽市十個監測點位的六種大氣污染物和AQI進行插值分析，得出阜陽市年均濃度值的空間分布結果，如圖6~圖12。由圖6可看出，NO2在市監測站，市開發區、棗園社區濃度較高，阜南縣環保局濃度較低；造成這種現象可能是市監測站、市開發區、棗園社區屬于阜陽市的中心，人流量大、交通發達、導致NO2濃度較高。

圖6 污染物NO2空間分布圖

圖12 AQI空間分布圖

由圖7可看出，和其他區域相比，臨泉縣環保局SO2濃度較高，在市監測站、市開發區、阜陽職業技術學院較低；SO2和人類的活動密切相關，臨泉縣環保局所在地離臨泉縣化肥廠僅有不到3公里，臨泉縣化肥廠在生產過程中，煤燃料的燃燒會產生較多的SO2；由圖8可看出，對于CO來說，實驗二小、棗園社區、阜南縣環保局較高，臨泉縣環保局較低；且臨泉縣環保局CO濃度顯著低于其他地區，由圖9可看出，對于O3來說，阜陽職業技術學院、市監測站、市開發區三個監測點位較高，其他監測站點較低；即市區污染重，其他區域低，這可能是因為，阜陽市中心的機動車數量較多，機動車行駛過程中產生大量的氮氧化物，這些氮氧化物發生二次反應生成O3，可以通過控制機動車的行駛時間、使用清潔的燃料，降低排放標準等措施減少O3的產生。

圖7 污染物SO2空間分布圖

圖8 污染物CO空間分布圖

圖9 污染物O3空間分布圖

由圖10和圖11可看出對于PM2.5來說，界首市人民政府、實驗二小、市監測站、市開發區較高，棗園社區、臨泉縣環保局較低；對于PM10來說，市開發區、界首市人民政府較高，阜陽市職業技術學院、潁上縣第一中學較低；其中最高的均為市開發區，PM2.5（3-10）濃度值為51.78μg/m3，是國家標準的1.47倍，PM10（3-11）濃度值為88.21μg/m3，是國家標準的1.26倍，結合周圍環境，這可能是因為開發區有較多的工業園，工業化程度較高，導致的顆粒物濃度較高。由圖還可以看出棗園社區PM2.5濃度明顯低于其他監測點位，其值為40.83μg/m3，比市開發區低10.95μg/m3。

圖10 污染物PM2.5空間分布圖

圖11 污染物PM10空間分布圖

由圖12可看出，對于AQI來說最高的是阜陽市監測站，值為89，最低的是棗園社區值為68.15，阜陽市全部監測站點AQI值范圍在50-100，說明整個阜陽市空氣中質量等級為良。其中阜南縣、太和縣、潁上縣空氣質量好于臨泉縣、界首市空氣質量。臨泉縣和界首市可加強行政部門的監督和執法，對于運送沙土的大型貨車進行監控，同時減少私家車的使用。

3.3 阜陽市空氣質量評價

3.3.1 環境空氣質量等級分布

圖13利用阜陽市2016-2020年的空氣質量AQI指數數值，對阜陽市五年的數據進行了空氣等級的劃分，發現優良天氣出現的天數占五年總有效天數的50%以上，優良天氣出現天數最高的是2020年，優良天數出現的頻率達到71.8%，其次是2018年優良頻率達到69.2%，最低的2019年優良頻率也達到58.3%。出現輕度污染頻率最高和最低的的年份分別在2019年和2020年，分別是32.9%，20.5%。出現中度污染天數頻率這五年相近，最高的是2019年7.12%，最低的是2018年的5.75%。重度污染天氣前三由高到低依次是2017年、2016年、2018年，頻率分別是5.75%、4.37%、3.28%。2019年和2020年的嚴重污染天氣近乎一致。只有2017年出現了嚴重污染天氣，其頻率為0.54%。綜上可知，空氣質量最優的是2020年，最差的是2017年。

圖13 2016-2020年AQI等級分布圖

3.3.2 首要污染物分布

2016-2020年阜陽市各年首要污染物占比如圖14所示，由圖可知，阜陽市主要以PM10、PM2.5、O3三種污染物為首要污染物，2016年-2018年占比最大的是PM2.5，分別高達57.9%、45.7%和41.1%。2019年占比最大的是O3為46.2%，2020年PM2.5、O3占比相當，PM2.5為43.9%、O3為41.4%。在2017-2020年均出現了以PM10、O3為主要污染物的天氣，而以PM10、PM2.5為主要污染物的天氣出現在了2016、2018、2019、2020四年，且在2019年首次出現了以PM2.5、O3為主要污染物的天氣。在2016年-2019年四年中以O3為首要污染物的天氣頻率逐年遞增，分別以1.21、1.28、1.26倍的速度在前一年的基礎上增長。而PM2.5占比則與之相反從2016-2019逐年遞減?？梢娫谥卫眍w粒物污染的同時，O3污染也不能忽視。

圖14 2016-2020年首要污染物占比圖

由圖15進一步分析阜陽市2019年各月首要污染物占比情況可以看出：在六月、七月、八月這三個月中首要污染物全為O3。二月則全為PM2.5，四月、五月、九月O3占比最大，占比最大的九月高達8.43%，一月、十二月、十一月PM2.5占比最大，其中一月和十二月以PM2.5為主要污染物的天氣出現的頻率是一樣的，占比均也為8.43%。說明在九月、一月、十二月這三月中以PM2.5為主要污染物天數和以O3為主要污染物天數是一模一樣的。在三月、十月中污染物主要以顆粒物PM2.5、PM10為主且兩種污染物占比相差不大，其中三月份PM2.5、PM10頻率分別為4.36%、3.77%。十月份PM2.5、PM10出現頻率為2.03%、3.48%。

圖15 2019年首要污染物占比圖

綜上所述，阜陽市冬季未出現以O3為主要污染物天數，這是因為阜陽市冬天天氣寒冷，氣溫低，不利于光化學反應的進行，所以O3濃度低，而在5-9月，太陽輻射強，光化學反應強烈，O3濃度高。阜陽市可對5-9月O3濃度進行抑制，防止濃度上升。而在其他月份主要是以PM10、PM2.5污染防治為主。

4 結論

（1）總體來看，阜陽市空氣質量往好的方向發展，五年來空氣質量優良占比均超過50%，且在2020年占比達到71.8%，說明阜陽市整體環境質量還不錯。全市以PM10、PM2.5、O3為主污染物，季節性污染變化較大，O3為夏季首要污染物，PM2.5為冬季首要污染物，PM10、PM2.5為春秋兩季的首要污染物。

（2）從空間分布來看空氣污染較嚴重的區域主要集中在阜陽市市區。潁上縣、阜南縣空氣質量相對較好。市區SO2濃度較低；臨泉縣SO2濃度較高，CO濃度較少；界首市顆粒物污染較為嚴重；阜南縣CO濃度較高，NO2濃度較低；太和縣CO、PM2.5濃度較高；潁上縣總體污染物濃度較低。