安徽省PM2.5與PM10和幾種主要大氣污染物濃度間的相關性分析

徐卓然 胡豪杰 趙子瑤 劉 慧

（安徽理工大學空間信息與測繪工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

在國民經濟迅猛發展、城鎮化水平快速推進、制造業水平不斷提升、人口激增的形勢下，我國的大氣污染問題也變得日益嚴峻，我國的“首都經濟圈”等地區都籠罩在PM2.5污染的陰影下。在能源以及地理位置方面，地處我國東中部地區的安徽省屬于至關重要的省份。隨著國民經濟的發展，安徽省的經濟也在不斷發展，并正值發展轉軌階段。一些地區對煤炭礦物存在較大的依賴性，重工業快速發展，但卻沒有及時治理環境污染，使得安徽省的PM2.5污染并未得到有效整治。近年來，安徽省經濟發展速度較快，但PM2.5污染問題也愈發嚴峻，頻繁出現霧霾等惡劣天氣。在各類大氣污染物中，PM2.5、PM10已成為首當其沖的大氣污染物［1］。

在空氣動力學中，大氣中當量直徑不大于2.5μm的細顆粒物即為PM2.5。因霧霾中含有大量的大氣氣溶膠，這些物質大都可被人體吸入，特別是當人體吸入亞微米粒子后，會積淀于呼吸道等部位，進而使人體出現鼻炎等疾病，在這種環境下停留時間過長，還會增加罹患肺癌的概率，對人體健康構成極大威脅。霧霾天氣持續時間過久，影響范圍進一步擴大，還會對氣候帶來一定影響，使農作物減產［2］。霧霾天氣的形成與濃度較高的PM2.5的不斷聚集密不可分。本研究將安徽省16個地級市作為研究樣本，對這些城市2021年3月至次年2月的大氣污染物數據進行分析，進而對空氣中的PM2.5和PM10在不同城市（點位）、不同季節的變化規律及各自相關性進行了研究，并定量分析了PM2.5與幾種核心的大氣污染物之間的相關關系。通過研究得出相應結論，進而更加高效地治理PM2.5。

1 研究對象

從PM2.5歷史數據網（http：//www.aqistudy.cn/historydata/）中獲取安徽省16個地級市在指定時間（2021年3月至次年2月）內的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和CO濃度數據作為數據處理及定量研究分析的對象。

2 研究方法

對變量之間的相關系數進行計算，來明確不同變量之間的相關性：皮爾遜相關系數（Pearson）被普及應用于對（x，y）兩種變量之間的相關性程度進行測度，并且其數值最小為-1，最大為1。對總體相關系數的定義為式（1）。

其次，通過估算樣本數據的協方差和標準差，可以得到皮爾遜相關系數，常用英文小寫字母r代表，計算公式為式（2）。

同時可由(X i,Y i)樣本點的標準分數均值估計，得到與式（2）等價的式（3）。

通常情況下，|r|值介于0.0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0，分別表示兩者為極弱相關或不相關、弱相關、中等程度相關、強相關、極強相關。

3 結果與分析

3.1 安徽省PM2.5與PM10季節變化特征

3.1.1 不同城市（點位）PM2.5和PM10質量濃度的變化特征。繪制安徽省16個地級市的大氣污染物變化規律圖，如圖1、圖2所示。對圖1、圖2反映的數據進行分析不難發現，隨著季節的變化，各地級市的PM2.5和PM10質量濃度出現了顯著變化，并且整體變化趨勢基本相符［3］：表現出夏季最低，7月跌至谷底，冬季最高，1月數值最大，秋季濃度急劇增長的變化趨勢。

圖1 安徽省不同城市（位點）PM2.5濃度隨時間變化規律

圖2 安徽省不同城市（位點）PM10濃度隨時間變化規律

其次，按照《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012），將PM2.5濃度值分為6個級別：濃度值介于0～35μg/m3，表示當前的空氣質量處于優秀級別；濃度值介于35～75μg/m3，表示當前的空氣質量處于良好級別；濃度值介于75～115μg/m3，表示當前的空氣質量處于輕度污染級別；濃度值介于115～150μg/m3，表示當前的空氣質量處于中度污染級別；濃度值介于150～250μg/m3，表示當前的空氣質量處于重度污染級別；濃度值高于250μg/m3，表示當前的空氣質量處于嚴重污染級別［4］。依照該標準，將各市監測的PM2.5濃度數據劃分為不同級別，總結出一年內不同污染等級的天數，結果見表1。

表1 安徽省16個地級市一年內不同污染等級天數表單位：天

分析表1可得到以下結論。

①隨著季節的變化，安徽省PM2.5與PM10濃度也會發生顯著變化。一年內，冬季的空氣質量較差，而無論是在春季，還是在夏季，這兩個季節的空氣質量都處于良好，對這一現象進行分析：因冬季濕度較小，機動車輛易于排放出大量尾氣，人們會采取取暖措施，因此冬季易于高頻出現霧霾污染天氣，而春夏季節，安徽省大氣內含有大量水汽，能夠有效地降低大氣顆粒物濃度［5-6］。

②作為安徽省兩種核心的空氣污染物，PM2.5與PM10濃度呈現出由北向南不斷減小的趨勢，并且濃度值由高位轉變為低位，存在明顯的空間分布差異［5］。這一現象的出現與安徽省的區位因素息息相關：安徽省緊鄰上海、江蘇省以南地區，長江經濟帶地區的同步發展能夠有效降低安徽省的要素成本，有助于吸引資本，帶動當地工商業、建筑業的發展，帶動蕪湖市等安徽省南部地區城市的發展；而淮北市等安徽省北部地區城市原本就是能源基地，其能源發展對周邊地區的經濟帶來一定影響［1，7］，同時生態環境也付出了一定代價。

③安徽省16個地級市的空氣質量普遍為“良好”等級，空氣質量等級較高的城市有黃山市、宣城市。其中，黃山市作為我國的旅游勝地，將建設生態保護區作為重心，以發展農林茶葉為主，當地空氣質量極好，使得當地的兩種核心大氣污染物的濃度處于最低水平，月均空氣質量普遍為優良等級。而分布有大量煤礦區的阜陽市等地級市，需要生產大量原煤、洗煤，煤礦配套產業發達，使得這些城市的兩種核心大氣污染物的濃度值處于最高水平，整體空氣質量等級較差。通過全面分析得知，空氣質量也會因產業以及工業化發展而受到顯著影響［7］。

3.1.2 PM2.5與PM10質量濃度的季節變化相關性。安徽省四季氣候存在明顯差異，夏天高溫，冬季嚴寒，在降雨量方面，地處中緯度地帶的安徽省具有明顯的季節性特點。可以將氣候特點作為四季的分類標準，每年3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季［8］。為了進行全面研究，將兩種核心大氣污染物的濃度的相關性直觀展示出來，對不同季節安徽省兩種核心大氣污染物的濃度數據進行整合分析，結果如圖3所示。由圖3可知，兩種核心大氣污染物的濃度變化規律大體相同，均表現為冬季達到峰值，秋季、春季濃度值較高，夏季濃度值處于最低水平。最后運用皮爾遜相關性分析方法定量分析得出：PM2.5與PM10之間的相關系數為0.906，即兩者為極強線性相關關系，可以同步治理。

圖3 安徽省PM2.5與PM10濃度季節變化規律

3.2 PM2.5與4種主要大氣污染物相關性定量分析

3.2.1 分析過程。作為一種核心的大氣污染物，PM2.5具有化學構成較為錯綜復雜的特點，主要包含SO42-、NO3-、NH4+、有機物等，PM2.5通過與NOx、SO2、NH3等物質的化學反應，可以產生一些特定的顆粒物，這些物質含有二次組分［9］，將4類核心的大氣污染物濃度與PM2.5濃度變化進行分析繪圖，研究這些污染物與PM2.5濃度的相關性。

以下使用SPSS軟件進行計算、驗證。

通過對研究數據進行K-S檢驗，判斷這些數據是否呈線性相關，得出相應結論。首先，如果顯著性為0.00，表明兩者呈線性相關。隨后使用皮爾遜（Pearson）相關系數進行判斷不同變量之間是否相關及相關程度。

3.2.2 PM2.5與4種主要大氣污染物濃度間的相關關系。同理，選擇2021年3月至次年2月安徽省4種核心大氣污染物的濃度數據，對數據的顯著性進行檢驗，檢驗符合要求，之后使用Pearson相關系數法進行計算，結果如表2所示。

表2 PM2.5與4種主要大氣污染物濃度間的相關系數

對表2中數據進行分析可知：PM2.5與SO2、NO2、CO、O3之間存在一定的相關性，但其相關程度存在一定差異。PM2.5與O3呈負相關，與另外3種核心大氣污染物呈正相關［4，10］。其中PM2.5與CO的相關性最高，兩者的相關系數為0.732，從中不難看出，兩者的相關性極為顯著。如煤等含碳物質的不完全燃燒以及機動車輛排放的尾氣是大氣中CO的核心來源。其次PM2.5與SO2、NO2之間也呈正相關，其相關系數相應為0.524、0.652，對這一現象進行分析，可能是因在特定的條件下，SO2、NO2是PM2.5形成前的核心氣態物所致。在不良的環境下，經燃燒后，一些化學燃料會生成NO2等在近地面大氣中滯留的大氣污染物，進而導致PM2.5濃度不斷提升。在氣相或液相氧化反應的作用下，空氣中的二氧化硫會生成H2SO4，之后與氨氣作用生成硫酸銨，因此二氧化硫是生成PM2.5二次顆粒物的前體物的罪魁禍首。而PM2.5與O3間呈顯著的負相關，兩者的相關系數為-0.611，這就意味著O3能夠抑制PM2.5的生成。一些有機污染物會在光照較強、溫度較高的環境下發生光化學反應，生成O3［10］，即O3的生成會損耗一些生成PM2.5的污染物，進而抑制PM2.5的生成［2］。

4 結論

PM2.5、PM10是大氣中的核心污染物，SO2、NO2、CO、O3是大氣中含量較高的主要污染物。本研究通過對不同城市、不同季節的大氣污染物濃度數據進行研究，得出以下結論。

①不同城市的兩種核心大氣污染物的深度呈現出顯著的空間分布差異，并且季節不同，兩者的濃度空間分布情況也存在一定差異。整體來看，PM2.5每年平均濃度值呈現出北高南低、濃度值由北向南不斷下降的趨勢。淮北市的空氣質量級別較差，空氣質量良好的城市是黃山市。

②不同季節，PM2.5和PM10存在較為明顯的濃度差異，具有鮮明的季節性特點。冬季污染物的濃度值處于較高水平，秋季以及春季的濃度值次之，夏季大氣污染物的濃度值處于最低水平［11］。

③安徽省各地級市的空氣質量級別普遍為“良好”，工業化發展、一些核心產業會對城市空氣質量帶來顯著影響。工業化水平較為發達的城市，大氣污染物濃度越高，而以農業、旅游業為發展重心的城市，大氣污染物濃度往往較低，有著良好的空氣質量［12］。

④兩種核心大氣污染物的變化規律基本一致，兩者的濃度呈線性相關，相關系數為0.906，相關性較為顯著，表明兩者具備同源性，可以同步治理。

⑤PM2.5與SO2、NO2、CO、O3四類核心大氣污染物的相關性均較強。與O3呈負相關，與另外三種大氣污染物呈正相關［10，13］。

⑥如果想要提升空氣質量等級，市民日常生活中應盡量使用不易造成環境污染的清潔能源，減少污染氣體排放，在出行時，應盡可能地選擇綠色交通方式。此外，針對幾種污染物季節性變化差異的情況，建議大力增加城市綠色植被面積，并規范后期管理；限期整改城市工業生產的重污染企業和違規排放車輛；在冬季空氣質量最低迷時期，建議市政部門劃分時段，對市區道路、街道做好噴灑水措施，以沖洗道路積塵，吸附沉降空氣中的顆粒污染物。