太原市大氣污染物變化特征及其影響因素分析

孫佳祺，余 華*，劉春杰

（1.閩江學院 地理與海洋學院，福建 福州 350108；2.閩江學院 工會，福建 福州 350108）

0 引言

近年來，隨著太原市工業化和城鎮化的飛速發展，以SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O3等6種污染物為主的大氣污染日益嚴峻，危害到當地居民的生活，已經成為政府、社會共同面臨的一項十分嚴峻的問題。目前，大氣污染受到了各國政府和公眾的普遍關注［1］。2016年公布的《中國環境狀況公報》中，在首期開展新環境空氣質量標準第一階段實施監測的74個城市中，太原市排第62名，位居倒數第10名［2］。我國城市環境空氣質量超標現象已經引起了全社會的普遍關注，大氣污染在給生態系統造成破壞的同時也制約著社會經濟的發展［3］。長期以來，太原市粗放式的發展致使大氣污染界限由城市局部地區向更大范圍蔓延，并且復合型污染也已逐步取代了工業污染，成為了影響城市發展的重要阻力［4］。

大氣污染現狀及治理問題已經成為許多氣象學、生態學研究的熱點。盧盛棟等［5］分析了氣象與太原地區空氣質量的關系；王浩宇等［6］分析了太原市冬季3種污染物在城郊的變化情況；彭潔等［7］分析了中小盆地城市的大氣污染。但是，目前針對太原市大氣污染物濃度與社會經濟因子之間的相關關系的研究較少，本文將重點對此進行分析。

太原市以煤炭礦產而聞名，是我國北方的重要工業城市和能源重化工基地。太原市的煤炭使用率高，燃燒煤炭易導致嚴重的煤煙型污染，主要原因是舊式鍋爐以原煤為燃料，生成的大量懸浮煙塵和二氧化碳通過煙囪排入大氣所致。長期依賴資源的高投入、高消耗來換取經濟的發展，致使太原市生態環境日趨惡化［8］。為了實現碳中和的目標，大氣環境治理顯得尤為關鍵，“十四五”期間，中國的空氣質量明顯好轉，但大氣污染壓力仍然存在，并面臨許多新情況。太原作為資源型城市，筆者研究了其2014—2020年的大氣污染物變化及其影響因素，對科學制定大氣污染物控制策略，提高空氣質量具有十分重要的意義。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

太原市作為山西省的省會，東、西、北部三面被山環繞，平均海拔約為800 m，地貌崎嶇，汾河穿城而過，市區依河而建，呈南北帶狀分布［9］。太原作為資源型城市，其發展依托冶金、化工、煤炭行業，一直以重工業和能源重化工基地而著稱。太原市屬干旱大陸性季風氣候，四季分明，冬季風為寒冷干燥的偏北風；夏季風為濕熱偏南風。逆溫頻次多、強度大，氣溫年較差大［9］。

圖1 太原市區位圖

1.2 數據來源

太原市2014—2020年的空氣質量指數(Air Qua-lity Index,AQI)、6項污染物濃度、天氣狀況等信息來源于太原市生態環境局(http://hbj.taiyuan.gov.cn)、天氣后報網(http://www.tianqihoubao.com)。從太原市環保局9個國控24 h連續自動檢測站獲取SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO的小時濃度數據，以及O3的日最大8 h平均濃度數據。太原市的地面月平均氣象資料來源于《國家統計年鑒》，包括平均相對濕度、平均氣溫、平均降水量、日照時數等。太原市2014—2020年6項污染物缺失了47 d的數據，則采用日平均值的方法進行計算。太原市常住人口數、GDP、人均GDP、第一二三產業等社會因子來源于《山西省統計年鑒》。本文采用《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)作為6項污染物空氣質量的分類依據，并以此標準作為各因子的二級濃度限值(表1)。

表1 空氣質量指數及相關信息

1.3 研究方法

利用皮爾遜相關分析法對6種大氣污染物濃度進行相關性分析。以月平均相對濕度、月平均氣溫、月平均降水量、月均日照時數等氣象因子，以及常住人口數、GDP、人均GDP、第一二三產業等社會因子為自變量，污染物濃度數據作為因變量，通過一元線性回歸方法來分析其相關性。運用Excel 2019軟件整理數據并繪圖，SPSS 24.0軟件進行數理統計。本文劃定采暖期為11月15日至次年3月15日，其他時間為非采暖期［10］，運用數理統計方法統計采暖期與非采暖期不同等級天數的比例。

2 太原市大氣污染物的變化特征

2.1 大氣污染物的月和年變化特征

污染物濃度逐月變化值與環境空氣質量Ⅱ級標準作對比發現(圖2)，SO2在2015和2017年的12月至次年2月超標；PM2.5在每年的11月到次年3月均超標，呈明顯的季節性差異，即夏秋季低、冬春季高；NO2、PM10、CO和O3在2014—2020年中均未超過Ⅱ級標準。其中，NO2在2017—2019年中呈明顯的季節性變化，而在其他年份則呈隨機性波動；PM10、CO在歷年的季節性變化中，都表現出夏季和秋季濃度低、冬季和春季濃度高的特點；O3在歷年中也呈明顯的季節性變化，變化特征為典型的單峰單谷型，但與SO2、PM2.5、NO2、PM10、CO的季節性變化特征相反，即夏季和秋季濃度高、冬季和春季的含量低。

圖2 各污染物濃度的逐月變化

由圖3可知，2014—2020年空氣質量指數為Ⅰ級的天數總體上呈增加的變化趨勢；空氣質量指數為Ⅱ級的天數除了2019年出現明顯增加外，整體上比較穩定；空氣質量指數為Ⅲ、Ⅳ級的天數呈現先減后增再減少的變化趨勢；空氣質量指數為Ⅴ級的天數也呈比較穩定的變化趨勢；空氣質量指數為Ⅵ級的天數以2017年最多，為7 d。2018年的污染天數占比(污染天數指Ⅲ級及以上的天數占全年的比例)由45.48%下降到2020年的24.59%，下降了20.89個百分點。

圖3 2014—2020年太原市不同級別空氣質量天數及污染天數的占比

2.2 采暖期與非采暖期大氣污染物的變化特征

由圖4可知，2020年采暖期，太原市空氣質量優良的天數占全年的比重為17.8%，重度及嚴重污染的天數占全年的比重為2.7%，優良的天數占全年的比重較非采暖期低39.8個百分點，重度污染及嚴重污染的天數占全年的比重較非采暖期的高2.7個百分點。與2019年采暖期相比，2020年空氣質量優良的天數在全年的比重中上升了3.6個百分點，重度污染及嚴重污染的天數占全年的比重增加了0.2個百分點；而在非采暖期則相差很小。

圖4 2014—2020年太原市各級別天數的占比分析

在2014—2020年采暖期，空氣質量的優良率呈增高—降低—增高的趨勢，重度污染及嚴重污染物天數占全年的比重均在5%以下，2018年以來，太原市空氣質量優良率呈直線上升。在2014—2020年非采暖期，天氣優良率與采暖期優良率變化方向一致；重度及嚴重污染的天數占全年的比例與采暖期相比，呈明顯下降。

3 太原市大氣污染物之間的相關性分析

由表2可知，大氣污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO之間表現為極顯著正相關(P＜0.001)；O3-8 h與其他5種污染物之間表現為極顯著負相關(P＜0.001)。PM2.5與PM10、SO2與CO之間的相關系數較高，分別為0.877、0.822；PM2.5與SO2、NO2、CO之間的相關系數次之，分別為0.651、0.606、0.734。O3-8 h與其他5種污染物之間呈負相關，但相關系數均較低；AQI與PM2.5、PM10之間的相關性高于其他大氣污染物，相關系數分別為0.959、0.949。

表2 大氣污染物之間的相關性分析

4 太原市大氣污染物的影響因素分析

4.1 大氣污染物濃度與氣象因子的相關性分析

本文對太原市2014—2020年6種大氣污染物濃度與對應氣象因素進行了相關分析，得出不同氣象因子對6種污染物的影響。由表3可知，隨著氣溫、降水量的增加，大氣污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO濃度下降，且在P＜0.01或P＜0.001水平上呈顯著負相關；日照時數的變長，致使SO2、NO2、PM10、PM2.5濃度下降，其中，日照時數與NO2、PM2.5分別在P＜0.01、P＜0.05水平上呈顯著負相關；隨著平均相對濕度的增加，SO2、PM10濃度下降，分別在P＜0.001、P＜0.01水平上呈顯著負相關，但與其他4種污染物的濃度沒有顯著關系；由于平均氣溫的升高、平均降水量的增加、日照時數的變長，O3-8 h的濃度升高，分別表現為P＜0.001、P＜0.001、P＜0.05水平上的顯著正相關。O3-8 h濃度的變化與平均相對濕度之間無直接的關聯。

表3 大氣污染物與氣象因子的相關性分析

4.2 大氣污染物濃度與社會因子的相關性分析

由表4可知，隨著GDP、第二三產業產值的增加，造成了大氣污染物SO2、CO濃度下降，表現為顯著負相關(P＜0.001或P＜0.01)，導致O3-8 h濃度增加，表現為顯著正相關(P＜0.05)。隨著常住人口數量、綠地面積、林業產值的增加，造成SO2、CO濃度減少，表現為顯著負相關(P＜0.001、P＜0.05或P＜0.01)。隨著原煤產量的增加，造成了PM10濃度下降，呈顯著負相關(P＜0.05)。隨著工業煙塵排放量、生活NOx排放量的增加，造成了SO2、CO濃度的增加，呈顯著正相關(P＜0.05或P＜0.01)。由于工業NOx排放量的增加，導致了CO濃度的增加，呈顯著正相關(P＜0.05)；NO2、PM2.5的濃度與上述幾種社會因子之間沒有直接的關聯。

表4 大氣污染物與社會因子的相關性分析

5 結論與建議

5.1 太原市大氣污染物變化特征的影響

大氣污染物濃度逐月變化值與環境空氣質量二級標準作對比發現，SO2在2015和2017年的12月到次年2月超標，反映了山西省在這之前一直是以煤為主的能源消費結構，而2017年10月太原市出臺的“禁煤令”，使得SO2濃度在2018年后穩步下降；PM2.5在每年的11月到次年3月均超標，呈明顯的季節性差異，即夏秋季低、冬春季高。這是由于太原市位于黃土高原，冬春季濕度低，導致大氣中的塵埃含量高、降塵量大。此外，沙塵暴發生頻繁，大氣污染更嚴峻［11］。12月—翌年1月的冬季燃煤排污造成了PM10、PM2.5濃度升高；而3—4月的PM10、PM2.5的濃度高，則與春季沙塵暴頻發有關［12］。O3在歷年中的季節性變化分明，屬于典型的單峰單谷型，但與SO2、PM2.5、NO2、PM10和CO的季節性變化相反，即表現為夏季、秋季含量高，冬季、春季含量低，這是由于夏秋光照充足、溫度高、空氣干燥的氣候條件，有利于O3形成。采暖期大量煤、石油和天然氣等礦石燃料的燃燒供暖，導致污染源排放量增加，進而SO2、PM2.5、PM10的濃度在冬春季出現明顯的增加，從而使得環境更加糟糕。

5.2 太原市大氣污染物之間的相關關系

單純某一種氣象因子對大氣污染的影響是有限的，是由各種氣象因子之間相互作用、交叉影響所導致的。前文述及，6種大氣污染物間的相關關系，其中，PM2.5與PM10具有高度的相關關系，是由于PM2.5與PM10間存在包含的關系，污染物來源存在較高的同源性，因此相關性極顯著［13］。O3與其他5種污染物之間的相關性比較低，說明污染來源的同源性較低。AQI與PM2.5、PM10具有高度的相關性，相關性的顯著水平超過了其他污染物，由此說明PM2.5、PM10是影響太原市大氣污染的首要污染物。

5.3 氣象因子對太原市大氣污染的影響

近地面的大氣污染與當地的氣象條件是緊密聯系的。在污染源及排放量一定的前提下，氣象條件對空氣質量的好壞扮演極其重要的角色［14-15］。太原市大氣質量好壞主要受2個方面因素影響：一是氣象條件對大氣質量產生的影響；二是社會經濟因素，特別是太原市以煤為主的產業結構對大氣污染物所產生的影響。降水可以凝聚和運移污染物，風可以運送和沖淡污染物［16］，氣溫可以分散污染物［17］，相對濕度減小可以使霧變成霾，從而使污染加?。?8］。前文述及，隨著氣溫的上升、降水量的增加，大氣污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO濃度減少，呈顯著負相關，這是由于氣溫的升高和降水量的增加，使空氣中的相對濕度亦隨之增加，這有利于污染物的集結和運輸；隨著日照時數的變長，SO2、NO2、PM10、PM2.5濃度減少，也表現為負相關，這是由于日照時數越長，則地面溫度升高，從而加快了近地面的氣流流速，使稀釋和運移地表污染物的能力增強［13］；由于平均相對濕度的增加，導致了SO2、PM10的濃度的下降，呈顯著負相關，但與其他4種污染物的濃度無直接的關系，這說明大氣相對濕度低，污染物濃度升高；氣溫升高、降水量增加和日照時數變長，O3-8 h濃度也隨之增加，與之表現為顯著正相關，但O3-8 h濃度與平均相對濕度并沒有直接的關系，這是因為在溫度升高，太陽輻射增強的情況下，容易造成NOx和碳氫化合物發生化學反應，從而產生O3［19］。因此，氣溫高、日照強烈有助于O3引物的生成，并經光化學反應形成O3［20］。

5.4 區域地理背景對太原市大氣污染的影響

太原市大氣質量較差與其所處的區域環境是密切相關的。太原市位于黃土高原上，屬干旱大陸性季風氣候區，黃土土質松軟，坡面溝谷侵蝕強烈，地面異常破碎，地面干燥，浮土較多。冬季，西北風為主導風向，容易使空氣中沙塵顆粒物增加；春季，西北風衰退，來自太平洋的微弱暖濕氣流還無法到達內陸腹地，太原市的空氣水分含量較低、土壤水分含量缺失，導致春季干旱嚴重；并且太原市的植被覆蓋率較低，現有的綠地難以有效地凈化空氣，這些因素相互作用使得太原市冬春季的PM2.5、PM10顆粒物出現天數增加，是形成太原市大氣污染的極其重要因素。

太原作為建設在山谷中的工業城市，東、西、北部三面環山，冬春季逆溫出現的頻率高、強度大、氣溫年差較大，使空氣常處于滯留狀態，污染物的擴散能力弱，嚴峻的大氣污染問題一度使太原市空氣質量較差，排名在全國城市中墊底，也是大氣污染難以控制的先天性制約因素。此外，太原市缺乏主導風向，近地面氣流流速緩慢，靜風頻率偏高，并在污染物集聚上扮演重要的角色［21-22］。

除靜風外，太原市盛行西北風，但是由于太原市產業結構布局不當，工廠等重要污染源在城市盛行風的上風向，順著西北風傳播到城市各地，導致太原市的空氣質量惡化。一般來說，污染源理應布局在盛行風的下風向，但由于太原市北面較高的特殊地勢條件，污染物無法及時排出，全部聚集在城市上空，因此產業布局在東南方向也不適合［23］。

5.5 大氣污染物的治理及防治建議

太原位于京津冀空氣污染傳播通道，被列為冬季奧運會、殘奧會空氣質量二類重點保障區。該市持續頒布了“減煤、降塵、治理企業、治理車輛”等各種相關環保措施和規劃，在治理大氣污染上都取得了新的突破［24］。

5.5.1 加大散煤治理力度，改善城區集中供暖覆蓋度 在中國，工業生產及生活燃煤是PM2.5與PM10等顆粒物和SO2排放的首要渠道，大多數城市的PM2.5與PM10等顆粒物和SO2的排放濃度并不符合世界衛生組織(WTO)的公眾健康標準，且普遍偏高2～5倍［25］。山西省煤炭儲量極其豐富，城市采暖基礎設施的完善，城市采暖面積需求大，煤炭的燃燒量也持續增加，致使煙塵、SO2、CO、NO2等污染物濃度排放量增加。特別是煤炭燃燒加重了空氣中細顆粒物和SO2濃度［10］。在冬季采暖期，燃煤是供熱的主要方式，煤炭需求量增大，燃煤效率低，加劇了太原市大氣污染物狀況。因此，太原市應該切實落實“碳達峰、碳中和”的目標和要求，加大技術投入，減少煤炭開采和消耗，推行綠色燃煤，積極、穩步地開展清潔取暖、集中供暖等模式，加大對散煤的治理力度。

5.5.2 技術革新，產業結構轉型 由圖5可知，第一產業產值占比呈下跌趨勢；太原市第二產業產值占比波動下滑；第三產業相比于第一二產業產值的占比，表現為連年上升。這表明太原市的產業結構日趨完善，重心也由第一二產業向第三產業轉變。因太原市的地勢條件不利于污染物的擴散。而太原市重點工業污染源多布局在市區，且多聚集在建成區168 km2范圍內，對市區環境的污染極大［26］。加之太原鋼鐵等重工業產業分布在太原市北部，因而工業污染是影響太原市秋冬季空氣質量的主要因素之一。太原市能源消耗以高硫、高灰分的煤炭為主，煤炭提供了一次性能源消耗的97%以上［27］。因此，要加大淘汰“高能耗、高污染”的產業力度，促進鋼鐵行業向超低排放轉型，從而有助于太原市第二產業向低污染轉型。在政府部門出臺的《2013—2020年大氣污染防治規劃》中指出：通過適度約束促進了產業轉型升級，即積極推動第二產業向第三產業轉型升級，主要是因為第二產業規模的縮小能夠直接降低大氣中硫、氮的含量［28］。

圖5 太原市的產業結構

5.5.3 推進運輸結構調整 山西省有太原鋼鐵等大型工礦企業，且多生產煤炭、焦炭、鋼鐵等大宗貨物，應強化重型運輸車輛NOx減排，盡快優化鐵路運輸組織，大型企業盡快實現連接鐵路運輸，開行集裝箱班列，推動物流運輸體系結構化完整。

5.5.4 加強環保意識 加強環保意識，自覺樹立規范化經營意識，承擔好生態責任、社會責任，切實提升煤礦安全生產、清潔生產管理水平，采用綜合手段更好地保障企業經濟、生態效益的發展。

城市綠化是減輕城市環境污染的重要組成部分；森林能夠調節氣候、涵養水源、防風固沙；植樹種草能夠使得局部濕度增高，降水量增加，氣溫趨于緩和。此外，城市綠化不僅可以改變風向，而且能夠減輕風速，起到固沙保土的作用。