鎮江市大氣顆粒物污染的特征分析

楊 嚴，徐一凡，張玉菲，周文鱗*，陳 聰，鞠英芹

1.鎮江市氣象局，江蘇鎮江 212001；2.江蘇理工學院，江蘇常州 213001；3.中國氣象局 氣象干部培訓學院湖北分院，湖北武漢 430074

大氣污染問題隨著國家經濟迅速發展和工業化的成熟日益加劇，并成為影響我國可持續發展的主要問題，嚴重影響著城市空氣質量和人體健康。由此，人們逐漸意識到治理大氣環境的重要性，有關大氣污染的時空分布特征、成因和防治等問題逐漸被眾多學者所關注。

國外學者通過研究發現大氣污染顆粒物含量與季節變換有很大關系。Parkhurst等[1]從 美 國 中 東 部1982—1991年8個采集點的PM2.5季節特點中總結出夏高冬低的規律；Judith等[2]在美國南加州對1987年大氣顆粒物的研究中發現，PM10質量濃度和顆粒物中大部分化學物質含量都在秋季最高；Villasenor等[3]從1997年 墨 西 哥 城 的PM2.5和PM10的時空特征中發現顆粒物季節變化明顯。駱紅[4]、岳麗[5]等人分別對我國北京市、石家莊市PM2.5與PM10的平均質量濃度進行研究，最終得出國內的顆粒物污染均呈現冬季高、夏季低的季節變化特征的結論。

鎮江市位于江蘇省西南部，長江下游南岸。東西最大直線距離、南北最大直線距離分別為95.5，76.9 km。全市土地總面積3 847 km2，占全省面積的3.7%。地貌走勢為西高東低、南高北低；北部以沿江沖積平原為主，市區南部為低山殘丘。氣候屬于北亞熱帶季風氣候；年累計日照時數為1 912.7 h，年平均氣溫15.5 ℃，最高氣溫34 ℃，低氣溫0 ℃；年平均降雨量817 mm。因此，利用2013—2019年鎮江區域常規污染物數據，對環境空氣質量、顆粒污染物的時空變化特征展開分析，為大氣顆粒物污染防治提供科學決策。

1 材料與方法

1.1 數據來源

基礎研究數據來自鎮江市丹徒區、市疾控中心、新區辦事處、職教中心4個大氣環境監測站點；監測時間為2013年1月1日—2019年6月4日。監測站點實時連續監測NO2、SO2、CO、O3、PM10、PM2.5等6項污染物，數據的時間分辨率為監測污染物的日均濃度。

1.2 數據處理方法

1.2.1 預處理 對鎮江市4個監測站點6項污染物濃度數據進行預處理。為了保證原始數據的完整性與準確性，刪除空白值和異常值（如負值），并將數據配對成時空結構配對的數據組。將有效數據根據不同變量進行分類儲存，便于后續數據提取。

1.2.2 AQI指數的計算 根據各項污染物分級濃度限值，通過AQI公式分別計算各項大氣污染物的空氣質量指數。取其中最大的值為當天空氣質量指數(AQI)。污染物項目P的空氣質量分指數按下式計算:

式中:IAQIp—污染物項目P的空氣質量分指數；

Cp—污染物項目P的質量濃度值；

BPHi—表1(相應地區的空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度指數表)中與Cp相近的污染物濃度限值的高位值；

BPL0—表1(相應地區的空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度指數表)與Cp相近的污染物濃度限值的低位值；

IAQIHi—表1(相應地區的空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度指數表)中與BPHi對應的空氣質量分指數；

IAQIL0—表1(相應地區的空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度指數表)中與BPL0對應的空氣質量分指數。

1.2.3 空氣質量指數標準 表1為空氣質量指數標準。

表1 空氣質量指數

2 結果與分析

2.1 鎮江市環境空氣質量現狀

由鎮江市2013年—2018年環境空氣質量統計可得，鎮江市空氣質量為優或良的占比為整體的50%以上；之后呈現空氣污染等級越高占比越低的趨向。除2016年外，一級（優）空氣質量天數占比呈逐年上升；重度污染、嚴重污染天數占比呈逐年下降；但輕度污染為25%左右，空氣質量問題依舊存在。2013—2018年間，鎮江市空氣質量年均達標率為64%，其中2013年達標率最低，為61%；2016年達標率最高，為71%。

2013—2018年間，鎮江市空氣質量總體良好，丹徒區、市疾控中心、新區辦事處和職教中心4站優良天數占比的多年均值為64.00%，其中2016年空氣質量達標情況最好，4站優良天數歷年占比在68.85%～77.87%之間；2013年空氣質量相對較差，丹徒區、市疾控中心和新區辦事處3站歷年達標率在59.17%～62.19%之間。新區辦事處與丹徒區站點的歷年達標率呈波動增長趨勢，且前者增幅較大，后者增幅較為平坦。

污染天氣中，污染天數占比隨污染等級逐級降低，輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染占比多年均值依次為24.73%、7.70%、3.28%和0.28%。就輕度污染而言，市疾控中心和新區辦事處2站歷年達標率呈波動變化，2016年達谷值，2017年為峰值，丹徒區和職教中心2站變化不明顯；丹徒區和新區辦事處2站的中度污染天數占比逐年總體改善，市疾控中心和職教中心兩站波動變化，歷年達標率在6.30%～9.32%之間；丹徒區、市疾控中心和新區辦事處3站的重度污染天數占比趨勢表現為“減—增”，職教中心站變幅不大；嚴重污染天數占比極少，總體上僅在2013、2014和2017年有零星發生。

2.2 鎮江市首要污染物天數占比分析

分析鎮江市首要污染物天數占比可知，鎮江市以顆粒物污染為主，其中又以PM2.5作為首要污染物天數占比為最高，維持在30%～65%之間，但顆粒物污染整體呈現波動下降趨勢。氣態污染物中，O3作為首要污染物天數的占比最高，并呈波動上升趨勢。2016年除新區辦事處監測點，其他站點O3均超過PM2.5成為當年占比最重的污染物。

2.3 大氣顆粒物的時間變化特征

2.3.1 年際變化特征 研究期間，鎮江市PM2.5、PM10的年平均質量濃度如表2所示。2013—2018年PM2.5質量濃度年平均最大值、最小值分別為72 μg/m3，50 μg/m3，低于《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）中規定的二級濃度限值（75 μg/m3）。PM2.5、PM10年平均質量濃度總體呈波動下降趨勢，且最小值出現在2016年。

表2 各監測站大氣顆粒物濃度年平均變化情況 μg/m3

在圖1、圖2、圖3中，紅線為2013—2018年大氣顆粒物日均濃度總體變化趨勢線，可見大氣顆粒物日均質量濃度呈逐年下降趨勢；比較發現，PM10下降趨勢較PM2.5更為顯著。總體比較可發現每年顆粒物日均質量濃度呈現高峰—低谷—高峰的趨勢，峰值均集中在冬季（即年末至次年初時段）。

圖1 市疾控中心監測站顆粒物日均值與7天滑動平均值時間序列

圖2 新區辦事處監測站顆粒物日均值與7天滑動平均值時間序列

圖3 職教中心監測站顆粒物日均值與7天滑動平均值時間序列

2.3.2 月變化特征 由4個站點PM10和PM2.5的月濃度特征分布可知，2013—2018年鎮江市大氣顆粒物質量濃度月平均變化呈現兩邊高、中間低的特征，7—9月大氣顆粒物質量濃度較低，12月、1月的大氣顆粒物質量濃度較高，與夏季顆粒物濃度低，冬季顆粒物濃度高的季節特征相吻合。從2月開始，顆粒物月均濃度呈下降趨勢，并于8月份達到最低點。這是因為太陽輻射增強，大氣的垂直氣流增強，大氣逆溫層不易形成。隨著季節轉變溫度升高，大氣水平流通能力增強。因此顆粒物擴散能力顯著增強，濃度降低。其中，PM10在3月、5月出現濃度回升現象。

PM2.5/PM10的比值在6—11月變化不大；在12—翌年2月比值較高，說明冬季PM2.5污染加劇；在3—5月比值較低，結合PM10在3月、5月出現濃度回升現象，分析原因可能為顆粒物可隨著季風造成區域污染[7]。

2.4 空間分布特征

利用SPSS統計軟件對鎮江市4個監測站點2013—2019年大氣顆粒污染物日均濃度及對應的空氣質量指數進行聚類分析可知，大氣顆粒污染與AQI指數空間分布呈現以下規律，丹徒區監測站、市疾控中心和職教中心3個站點的大氣顆粒污染及AQI指數分布特征具有共性，而新區辦事處較其他站點具有特異性，且大氣污染較重，可能與鎮江東部工業生產有關。

3 結論

（1）2013—2018年，鎮江市空氣質量總體良好，空氣質量多年均達標，達標率為64%；首要污染物以顆粒物污染為主，其中PM2.5占比高于PM10。

（2）PM2.5、PM10年平均質量濃度總體波動下降，且最小值出現在2016年；季節規律為冬季＞春季＞秋季＞夏季，具有明顯的季節變化特征；7—9月大氣顆粒污染較輕，12月、1月的污染較重。

（3）AQI指數和大氣顆粒污染的空間聚類表明，新區辦事處站有別于丹徒區監測站、市疾控中心和職教中心其他3站。