2019年湖南省環(huán)境空氣質(zhì)量時空變化特征分析

摘 要：該文通過空間克里金插值、多元統(tǒng)計分析等方法對2019年湖南省87個地面國控點空氣質(zhì)量監(jiān)測站的特護期和非特護期空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行分析，研究2019年湖南省環(huán)境空氣質(zhì)量和主要污染物指標(biāo)PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2和CO的時空變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，2019年湖南省環(huán)境空氣質(zhì)量狀況整體良好，優(yōu)良天數(shù)比例為83.7%；全省SO2濃度均值全年呈平緩上升趨勢，CO、PM2.5、NO2、PM10濃度呈“冬高夏低”，而O3濃度呈“夏高冬低”規(guī)律。2019年全省特護期整體空氣質(zhì)量狀況比非特護期差，其中PM2.5、PM10、NO2貢獻較大，但非特護期的O3污染也值得關(guān)注。湘中、湘北城市整體空氣質(zhì)量相對較差，尤其是長株潭等經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域污染更為突出。

關(guān)鍵詞：湖南省；大氣污染物；時空變化；特護期；長株潭城市群

中圖分類號：X51 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0123-04

Abstract： In this paper， the air quality data of special protection period and non-special protection period of 87 air quality monitoring stations in Hunan Province in 2019 were analyzed by means of spatial Kriging interpolation and multivariate statistical analysis， and the spatio-temporal changes of ambient air quality and main pollutant indexes PM2.5， PM10， O3， NO2， SO2 and CO in Hunan Province in 2019 were studied. The results show that in 2019， the ambient air quality in Hunan Province is good as a whole， and the proportion of excellent days is 83.7%; the average concentration of SO2 in the province shows a gentle upward trend throughout the year， and the concentration of CO， PM2.5， NO2 and PM10 is "high in winter and low in summer"， while the concentration of O3 is "high in summer and low in winter". In 2019， the overall air quality of the special care period in the province is worse than that of the non-special care period， in which PM2.5， PM10 and NO2 contribute more， but the O3 pollution in the non-special care period is also worthy of attention. The overall air quality in central and northern Hunan is relatively poor， especially in economically developed areas such as Changsha， Zhuzhou and Xiangtan.

Keywords： Hunan Province; air pollutant; spatio-temporal change; special protection period; Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Urban agglomeration

隨著我國工業(yè)水平不斷提高，長期以來高污染、高耗能、低效率和粗放型的經(jīng)濟發(fā)展模式加劇了中國生態(tài)環(huán)境脆弱性，導(dǎo)致重污染天氣頻發(fā)。目前，大氣污染已經(jīng)成為我國最被關(guān)注的環(huán)境問題之一[1-2]。PM2.5作為大氣環(huán)境監(jiān)測因子，具有直徑小，活性強，比表面積大等特點，可以在空氣中懸浮較長時間，從而通過引發(fā)心腦血管和肺部疾病損害人體健康[3]。此外，PM2.5污染對經(jīng)濟發(fā)展也會產(chǎn)生一定的負面影響。如陳莎等[4]研究結(jié)果表明，2017年北京、天津、石家莊由PM2.5污染所造成的經(jīng)濟損失分別為333.91、211.09和169.34億元。近地面高濃度的O3作為光化學(xué)煙霧的重要組成部分，也會對人體肺部呼吸和神經(jīng)等部位產(chǎn)生重大危害，引發(fā)癌變和心腦血管等疾病[5-8]。SO2、NO2和CO等可通過形成酸沉降或促進/參與大氣顆粒物的形成，影響人體健康[8]。因此，了解區(qū)域空氣污染演變特征及時空變化規(guī)律，深入研究造成空氣污染的主要污染物因子十分重要。

目前已有眾多學(xué)者對于各區(qū)域空氣質(zhì)量變化進行了大量研究，如郭雯雯等[9]對長江中游城市群空氣質(zhì)量時空變化特征及影響因素進行了分析，王麗娜等[10]對于黑龍江省2018年環(huán)境空氣質(zhì)量的時空變化特征進行了研究。但不同省份的氣候條件及當(dāng)?shù)氐呐欧徘闆r不同會導(dǎo)致各地環(huán)境空氣質(zhì)量的時空變化特征存在明顯差異[11-12]。本研究通過對2019年湖南省特護期和非特護期的空氣環(huán)境質(zhì)量進行時空特征分析為湖南省制定區(qū)域大氣污染防控政策及有效應(yīng)對重污染天氣提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

湖南省2019年87個國控環(huán)境空氣自動監(jiān)測SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO（95 per）和O8－8h（90 per）共6項監(jiān)測指標(biāo)的日均濃度值數(shù)據(jù)來源于湖南省城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺。

1.2 研究方法

1.2.1 GIS空間分析

各項監(jiān)測指標(biāo)的空間分布特征通過ArcGIS軟件的克里金插值進行分析，采用半變異函數(shù)為球面函數(shù)進行計算。

1.2.2 非參數(shù)相關(guān)性檢驗分析

采用SPSS 26.0軟件進行非參數(shù)檢驗分析和斯皮爾曼相關(guān)性分析。根據(jù)要素的選項數(shù)據(jù)量選擇多獨立樣本的非參數(shù)檢驗，其通過分析多組獨立樣本，推斷樣本來自總體的中位數(shù)或分布是否存在顯著差異。Mann-Whitney U檢驗方法是常用的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法之一，主要用于比較兩個獨立樣本的中位數(shù)是否存在顯著差異[13]。其表達式為

式中：U1表示一個樣本組的所有秩次之和；U2值表示另一個樣本組的所有秩次之和；n1表示第1組樣本的樣本量；n2表示第2組樣本的樣本量；R1表示第1組樣本的秩和；R2表示第2組樣本的秩和。通過比較兩個樣本的U值，做出統(tǒng)計推斷，判斷兩組數(shù)據(jù)是否存在顯著差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣質(zhì)量時間分布規(guī)律

2.1.1 月變化規(guī)律分析

如圖1所示，2019年湖南省空氣優(yōu)良天數(shù)比例為83.7%，優(yōu)良天數(shù)比例的月變化（1—12月）呈“M”型趨勢，且春夏季優(yōu)良天數(shù)比例高于秋冬季。全省3、4、5、6、7月平均優(yōu)良天數(shù)比例高于94%，1、2、8、9、10、11、12月平均優(yōu)良天數(shù)比例低于90%；且優(yōu)良天數(shù)比例年內(nèi)最高出現(xiàn)在4月（99%），最低出現(xiàn)在1月（48.8%）。

如圖2所示，2019年湖南省重度及以上污染天數(shù)共62 d，集中出現(xiàn)在1月、2月和12月，分別占比77.4%、4.9%和17.7%。嚴(yán)重污染共有2天，均出現(xiàn)在1月。《2019年湖南省生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示，與2018年相比，2019年全省重度及以上污染天數(shù)增加了38 d。這一結(jié)果可能受2019年大氣污染擴散條件差、大氣自凈能力持續(xù)走低影響。

圖3顯示了6項監(jiān)測指標(biāo)的月均值濃度變化趨勢。結(jié)果表明，SO2濃度均值呈平緩上升趨勢；而CO、PM2.5、NO2和PM10呈“兩端高，中間低”的趨勢，峰值出現(xiàn)在1月和12月，谷值出現(xiàn)在7月；O3均值濃度呈現(xiàn)出“先升后降”的趨勢，谷值出現(xiàn)在1月，峰值出現(xiàn)在9月，這可能是2019年12月、9月和1月全省優(yōu)良天數(shù)比例較低的原因。但《2019年湖南省生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示，全省的SO2、NO2和CO濃度均已達標(biāo)，表明全省空氣質(zhì)量主要影響因子為PM10、PM2.5和O3。

2.1.2 特護期與非特護期空氣質(zhì)量

區(qū)域大氣污染防治“特護期”實施方案是一種具有特殊針對性的環(huán)境管理規(guī)制措施[14-15]。湖南省大氣污染防治特護期工作方案確立1月1日—3月15日和10月16日—12月31日（共計5個月）為特護期。本研究對湖南省特護期和非特護期的空氣質(zhì)量狀況進行分析（圖4、圖5）。結(jié)果表明，2019年，全省14個市州特護期累計優(yōu)良天數(shù)為1 617 d（76.5%），低于非特護期2 661 d（88.8%）；全省重度及以上污染天數(shù)全部出現(xiàn)于特護期，累計為62 d。其中，益陽、常德、邵陽和株洲特護期的優(yōu)良天數(shù)比例低于全省平均值，分別比非特護期低34.3%、19.9%、14.8%和14.5%，表明這幾個城市特護期間的空氣質(zhì)量值得關(guān)注。

從圖6可以看出，全省SO2在特護期和非特護期的污染物濃度差別不大；但特護期的PM2.5、PM10、NO2和CO濃度比非特護期分別高出28 μg/m3、26 μg/m3、12 μg/m3和0.2 mg/m3，其中PM2.5濃度為非特護期的2.7倍，非特護期的O3濃度高于特護期。上述結(jié)果表明特護期的PM2.5、PM10、NO2和非特護期的O3污染值得關(guān)注。

2.2 空氣質(zhì)量空間分布規(guī)律

2.2.1 主要污染指標(biāo)空間分布特征

2019年湖南省NO2整體污染較輕，但PM2.5、PM10、O3均呈現(xiàn)湘西和湘南污染較輕，湘北和湘中污染較重的特征，尤其是長株潭等經(jīng)濟較發(fā)達區(qū)污染相對較重。研究表明，大量的人為活動會影響區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量[16-17]。因此，將長株潭城市群作為重點區(qū)域，對其空氣質(zhì)量污染因子特征進行進一步分析。

2.2.2 長株潭城市群與全省污染指標(biāo)差異性檢驗

運用非參數(shù)法（Mann-Whitney U）檢驗長株潭城市群主要污染指標(biāo)PM2.5、PM10、O3和NO2與全省之間差異性。結(jié)果見表1，長株潭城市群PM10和O3與全省差異不顯著，但PM2.5和NO2的分布與全省具有顯著性差異，說明長株潭城市群的PM2.5和NO2對空氣污染貢獻較大。

3 結(jié)論

2019年，湖南省全省空氣質(zhì)量狀況良好，優(yōu)良天數(shù)比例為83.7%，但較2018年有所下降。全省優(yōu)良天數(shù)比例月度變化呈“M”型趨勢，CO、PM2.5、NO2和PM10濃度呈現(xiàn)“夏低冬高”趨勢，O3呈“夏高冬低”趨勢，SO2全年變化不明顯。2019年湖南省重度及以上污染天數(shù)共62 d，集中出現(xiàn)在特護期，即1月、2月和12月；空氣質(zhì)量主要影響因子為PM2.5、O3和PM10；其中，湘中、湘北城市整體空氣質(zhì)量相對較差，尤其是長株潭城市群污染較重，主要是由于區(qū)內(nèi)的PM2.5和NO2的貢獻較高。

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