聊城市空氣質量及相關大氣污染事件特征分析

紀凡華，韓雪蕾，徐 娟，王 麗，寧瑞斌

(聊城市氣象局，山東聊城 252000)

自2012年以來，許多地方接連出現了嚴重的大氣污染天氣[1]，據國家氣候中心資料，持續大規模的灰霾天氣涉及到17個省、市、自治區，影響到近6億人口[2-3]。近年來, 國內學者對大氣污染的時空分布及基本氣候特征、變化趨勢進行了詳細分析和探討[4]。廖志恒等[5]分析了珠三角地區SO2、NO2、O3和PM10濃度的年、月變化及空間分布特征；周輝等[6]分析了陜西省關中霾天氣時空分布特征；李胃勝等[7]采用聯系數Vague集方法對濟南市的城市環境空氣質量進行處理，構建城市的環境空氣質量評價模型；杜怡心等[8]分析了2016年西安市氣象條件對大氣污染影響；胡江波等[9]分析了漢中市空氣污染特征及氣象條件；丁一匯等[10]分析了主要污染事件霧、霾的變化特征。

近幾年來，魯西平原地區污染狀況愈來愈重。2013—2017年，聊城站的各月空氣質量指數在全國所有城市中排第8～15名，在山東全省空氣質量最差，嚴重影響了人們的生活和健康。但是目前對此地區大氣污染和大氣污染事件的研究較少，更缺少兩者相關性的探索。本文通過對聊城站2009—2017年污染成分特征、污染日數特征和污染事件特征進行統計分析，以期對某些污染型企業工廠的選址、政府部門的大氣環境治理決策等提供參考，也可以為進一步研究污染生成的天氣學條件及其預報提供科學依據。

1 資料來源

大氣污染資料由環保部門提供，包括聊城站2009年1月1日—2017年12月31日主要大氣污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM10)質量濃度日數據、2012年1月1日—2017年12月31日PM2.5質量濃度日數據，以及同時段的全省年平均質量濃度數據、聊城站日空氣質量指數(AQI)。

地面氣象觀測資料來自聊城市氣象局，與大氣污染有關的天氣現象包括霧、霾、沙塵暴、揚沙、浮塵、塵卷風等，提取 AQI大于100并產生較大影響的天氣現象為大氣污染事件。

2 研究方法

四季劃分采用氣候學方法，即春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12月—翌年2月。空氣質量等級采用空氣質量指數(AQI)劃分，分為5級：優(0～50)，良(51～100)，輕度污染(101～150)，中度污染(151～200)，重度污染(201以上)。

統計聊城站不同大氣污染物年平均質量濃度和AQI值、逐年首要污染物及其出現日數、逐月各空氣質量等級日數，構建聊城市月、季、年大氣污染災害數據集。利用傾向趨勢法，分析聊城市的月、季及年污染日數和污染物質量濃度變化特征。利用皮爾遜相關系數法研究污染日數和主要大氣污染事件的相關性[11]。

3 結果分析

3.1 大氣污染年際變化特征

3.1.1 污染物質量濃度的年際變化 統計聊城

城市主要污染物多年平均質量濃度，并與山東全省平均值對比(表1)，發現主要污染物中：CO質量濃度最高，達2.3 mg/m3，比全省平均偏高28%；PM2.5為101.0 μg/m3，比全省平均偏高32%；PM10為160.3 μg/m3，比全省平均偏高17%。而其他污染物質量濃度比全省平均偏低，其中：O3為55.6 μg/m3，比全省平均偏低27%；SO2為59.9 μg/m3，比全省平均偏低4%；NO2為43.7 μg/m3，比全省平均低0.8%。對比中國環境空氣質量標準(GB 3095—2012)中主要污染物的質量濃度限值，聊城大氣中CO年平均質量濃度明顯低于限值，SO2和O3年平均質量濃度稍低于限值；而NO2、PM10和PM2.5年平均質量濃度高于限值，其中PM2.5偏高189%、PM10偏高129%、NO2偏高9%。可見顆粒物類污染物質量濃度明顯偏高，污染比較嚴重。

表1 聊城2009—2017年污染物質量濃度多年平均 μg/m3

統計聊城2009—2017年主要污染物平均質量濃度年際變化(表2)，并與山東全省各年平均值比較。結果發現：聊城站SO2平均質量濃度總體呈降低趨勢，年平均降幅7.97 μg/m3；NO2平均質量濃度呈波動降低趨勢，年平均降幅0.79 μg/m3；CO平均質量濃度呈降低趨勢，年平均降幅0.35 mg/m3；O3年平均質量濃度呈升高趨勢，年平均升幅2.1 μg/m3，但 2009—2016年均較全省平均值偏低，2017年突然偏高9%；PM10年平均質量濃度呈微弱降低趨勢，年平均降幅1.88 μg/m3，僅2010年、2011年比全省平均值偏低；PM2.5(只有2012—2017年數據)平均質量濃度呈降低趨勢，年平均降幅10.06 μg/m3，但各年平均質量濃度均較全省偏高。

表2 聊城主要污染物平均質量濃度年際變化 μg/m3

注：—表示無數據，下同

綜上分析，聊城2009—2017年主要污染物中除O3質量濃度呈小幅升高外，其他污染物質量濃度都呈下降趨勢。表明聊城的空氣污染治理取得一定成效，但PM2.5對全省的空氣污染有正貢獻，大氣環境污染情況仍不容樂觀。2012年后距平偏高年份增多，治理效果減弱，需要加大治理力度。

3.1.2 大氣污染日數的年際變化 聊城2009—2017年大氣污染日數年際變化呈減少趨勢，平均降幅3 d/a，年平均污染日數244 d，中到重度污染日數87 d，污染狀況較為嚴重(圖1)。其中2009年污染日數最多達311 d，其次2013年為302 d，2011年最少為171 d。重度污染日數呈增加趨勢，平均增幅4 d/a ，2013年最多為111 d，2011年最少為6 d；中度污染日數亦呈增加趨勢，平均增幅2 d/a ，2013年、2014年最多為58 d，2011年最少為23 d；輕度污染日數呈減少趨勢，平均降幅11 d/a，2009年最多達247 d，2015年最少為126 d。各級污染日數所占比例呈階段性，2009—2011年輕度污染日數較多，中到重度污染日數占當年污染日數的17%，其中重度污染日數占3.5%；2012年后輕度污染日數比之前明顯減少，但中度和重度污染日數較之前明顯增加，特別是2013年中到重度污染占56%，其中重度污染占36.7%。總體來看，2009—2017年聊城污染日數呈減少趨勢，中到重度污染日數占比有增加趨勢，平均每年增加0.03%。重度污染日數占比增加趨勢最明顯，平均每年增加2.93%。

圖1 聊城2009—2017年大氣污染日數年際變化

3.1.3 首要污染物出現日數的年際變化 從首要污染物出現日數的年際變化(表3)可看出，2009年和2010年首要污染物主要為PM10和CO，2011年為PM10，2012年主要為PM2.5和PM10，2013年之后為PM2.5。從主要污染物的年際變化來看，2009—2011年CO作為日首要污染物出現的日數迅速減少，其他污染物作為日首要污染物出現的日數明顯增加。2012年之后開始觀測PM2.5，且PM2.5作為首要污染物出現的日數迅速增加，其他污染物作為首要污染物出現的日數明顯減少。表明2011年之前聊城產業結構調整成果較好[12]，但是2012年開始大力推進“工業強市”方針，建設有色金屬及金屬加工基地，造成能源消耗增加，同時城市規模繼續擴大，每年新增12萬汽車等，使顆粒物污染有所增加，污染情況不容樂觀。

表3 聊城2009—2017年首要污染物出現日數年際變化 d

3.2 大氣污染日數月、季節變化特征

由2009—2017年月平均污染日數變化(圖2),發現其變化成波浪型，1月、12月最多達27 d，8月最少14 d。1—5月月平均污染日數逐月減少，8—12月逐月增加，6、7月均為21 d，是夏季小高峰。中到重度污染日數也有類似的變化，12月最多達16 d，5、8月最少2 d。1—5月平均中到重度污染日數逐月減少，6月為5 d，是夏季小高峰，7—8月又有所減少，9—12月逐月增加。綜上可得，聊城12月為污染最嚴重月份，1月次之，8月最輕。

圖2 聊城2009—2017年大氣污染日數月平均分布

從季節來看，冬季平均污染日數75 d、秋季61 d、夏季55 d、春季54 d。中到重度污染日數，冬季最多41 d，秋季27 d，春季13 d，夏季10 d。可見，冬季污染最嚴重，夏季最輕。

3.3 大氣污染事件年際變化特征

由霾日和霧日數年際變化(圖3)可看出，9 a內，聊城霾天氣發生最頻繁，年平均137 d，并呈波動減少變化，降幅4 d/a。2009年最多為175 d，2016年最少為108 d；2009—2011年霾日數逐年減少，2012—2013年有所增加，之后又逐年減少，2017年有所回升。能見度小于3 km的中到重度霾天氣呈增加趨勢，2012—2017年比2009—2011年明顯增加，年平均75 d，是此時段中到重度大氣污染日數明顯增多的原因之一。年平均霧日數11 d，呈減少趨勢，2009、2011年最多為18 d，2014年最少為6 d。浮塵、揚沙天氣年平均日數小于1 d，屬于小概率事件，沙塵暴、塵卷風天氣沒有發生。

圖3 聊城2009—2017年出現霧和霾的出現日數年際變化

分析霾、霧等逐月出現日數與大氣污染日數的相關性，發現逐月霧日數與中到重度污染日數有明顯的正相關，相關系數達0.862；霧和霾逐月總日數與污染日數有較明顯的正相關，相關系數0.776。說明霾和霧為代表的靜穩天氣是聊城大氣污染嚴重的主要天氣學原因。

4 結論

分析2009—2017年聊城站日污染物質量濃度和日空氣質量指數(AQI)，探究聊城市空氣質量及相關大氣污染事件特征，得出以下結論。

(1)聊城主要污染物中，CO、PM10、PM2.5、NO2多年平均質量濃度高于山東省平均水平，其中NO2、PM10和PM2.5年平均質量濃度高于中國環境空氣質量標準限值，顆粒物污染比較嚴重。

(2)聊城主要污染物年平均質量濃度除PM10呈逐年小幅增加外，其他污染物質量濃度都呈不同幅度下降趨勢；污染日數總體有減少趨勢，但是中到重度污染日數及占比有增加趨勢，重度污染日數占比增加趨勢最明顯。

(3)2012—2017年首要污染物出現日數，PM2.5迅速增加，其他污染物明顯減少。月平均污染日數成波浪型變化，1月和12月最嚴重；冬季污染最嚴重，夏季最輕。

(4)霾為聊城最主要的污染天氣現象，其次為霧。霾、霧天氣出現日數與月污染日數呈明顯正相關，表明靜穩天氣多發是大氣污染嚴重的主要天氣學原因。