我國南方典型工業(yè)城市空氣質(zhì)量時間特征研究
——以湖南省衡陽市為例

黃一民，鐘順清，鄒君

（1.衡陽師范學院 城市與旅游學院，湖南 衡陽 421002；2.湖南省環(huán)境教育研究中心，湖南 衡陽 421002）

改革開放以來，我國經(jīng)濟取得了舉世矚目的成就。2010 年，中國已然躍居為全球第二大經(jīng)濟體。然而，長期以來我國經(jīng)歷的是 “高投入、高能耗、高排放、高污染” 的粗放型經(jīng)濟增長模式，這大大加劇了我國生態(tài)環(huán)境的脆弱性，產(chǎn)生了一系列環(huán)境污染問題，其中大氣污染尤為嚴峻[1-2]。當前，我國以高濃度臭氧（O3）和細顆粒物（PM2.5）為典型特征的大氣復合污染問題最為突出[3]。嚴重的大氣污染給人體健康和人們生活帶來了巨大的影響[4]，如每年我國因大氣污染暴露導致過早死亡人口達120-160萬[5-7]。為應對嚴重的大氣污染問題，切實改善空氣質(zhì)量，中華人民共和國國務院于2013 年9 月頒布了《大氣污染防治行動計劃》（以下簡稱《大氣十條》），設定了全國地級及以上城市和三個重點區(qū)域（京津冀、長三角、珠三角）的污染物到2017 年的排放目標。為了實現(xiàn)設定的目標，中國政府實施了包括工業(yè)行業(yè)提標改造、燃煤鍋爐整治、落后產(chǎn)能淘汰、民用燃料清潔化和移動源排放管控等一系列重大措施，主要大氣污染物減排效果顯著，如三個重點區(qū)域的PM2.5濃度下降28～40%，超額完成了《大氣十條》設定的目標[8]。

大氣污染是一個區(qū)域性的環(huán)境問題[9]，同時因大氣污染物往往會隨大氣擴散至區(qū)域以外地區(qū)而使得其也存在著跨區(qū)域性[10]，另外因其受自然及社會因素的影響而往往具有一定的周期性[10-12]。因此，研究通常聚焦一定區(qū)域，從時空兩維度對大氣污染進行分析，如區(qū)域的空氣質(zhì)量[10]、大氣污染物組成及排放源、污染物傳輸及擴散[13-15]等。我國大氣污染總體上呈現(xiàn)出冬春高于夏秋，北方重于南方的態(tài)勢[10,16-17]。大氣污染源則主要有工業(yè)生產(chǎn)[18]、煤炭、石油和生物質(zhì)能源消費[19]、汽車尾氣排放[20]等。

衡陽市為湖南省一地級市，位于該省中南部，是我國26 個老工業(yè)基地城市之一。該市采選礦業(yè)和冶金業(yè)歷史悠久，重化工業(yè)比重大，機械、化工、冶金、有色、石化、電力、煤炭和建材等七大重化工行業(yè)占全部工業(yè)比重超60%。2017 年，衡陽市還被納入長株潭 “中國制造” 2025 試點示范城市群。衡陽市主城區(qū)位于衡陽盆地中心位置，共4 個市轄區(qū)（分別為雁峰區(qū)、珠暉區(qū)、石鼓區(qū)、蒸湘區(qū)，這里未包含距主城區(qū)約50 km 的飛地市轄區(qū)南岳區(qū)）。據(jù)衡陽市2019 年統(tǒng)計年鑒，截至2018 年底，主城區(qū)城市人口達130.86 萬人（為Ⅱ型大城市）。作為一個大型老工業(yè)城市，衡陽市主城區(qū)空氣質(zhì)量需引起足夠重視。

基于中國環(huán)境監(jiān)測總站監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，2015、2016 年衡陽市主城區(qū)輕度大氣污染以上天數(shù)占全年比重分別達到21.5%、23.8%，其中PM2.5所致大氣污染天數(shù)占比高達50.1%、51.4%[21]。衡陽市城區(qū)PM2.5中14種金屬元素（Pb、Cd、Cu、Cr、Ni、Fe、Zn、Mn、K、Ca、Mg、Al、Hg、As）質(zhì)量濃度總值達到11.89 μg/m3，其中重金屬Pb、Cd、As 超標較明顯[22]。衡陽市大氣污染則在季節(jié)上存在很大差異，冬季最嚴重，夏季最輕[23]。然而，衡陽市主城區(qū)空氣質(zhì)量在不同時間尺度上的變化還不清楚。另外，衡陽市在《大氣十條》實施以來，有必要對其空氣質(zhì)量進行相應評估。本研究基于2016 年12 月至2020年7 月衡陽市逐時空氣質(zhì)量指數(shù)及首要污染物資料，分析了衡陽市空氣質(zhì)量在日內(nèi)、周內(nèi)、季節(jié)上的變化特征以及不同季節(jié)中空氣質(zhì)量等級和首要污染物的差異。研究將有助于揭示我國南方典型工業(yè)城市空氣質(zhì)量的時間變化規(guī)律，同時還能為政府大氣污染防治政策制定、市民日常生活提供科學參考。

1 資料來源

本研究采用從中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部數(shù)據(jù)中心（http://www.mee.gov.cn/）下載的衡陽市逐時空氣質(zhì)量指數(shù)和首要污染物資料，資料時長為2016 年12 月1 日0 時 至2020 年7 月31 日23 時。目 前，衡 陽市主城區(qū)共布設6 個國控空氣質(zhì)量監(jiān)測點，分別為市委黨校（位于工業(yè)區(qū)）、衡陽化工總廠（工業(yè)區(qū)）、市監(jiān)測站（居民區(qū)）、真空機電公司（居民區(qū)）、原169 醫(yī)院（清潔區(qū)）、珠暉區(qū)環(huán)保局（商業(yè)區(qū)）。監(jiān)測項目均包含細顆粒物（PM10）、可吸入顆粒物（PM2.5）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）。

空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index，簡稱AQI）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)，參與空氣質(zhì)量指數(shù)計算的污染物項目有六項，分別為SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5。

AQI 的計算分以下二步進行[24]：

第一步，根據(jù)單項污染物項目相應指數(shù)的濃度限值，計算空氣質(zhì)量分指數(shù)（Individual Air Quality Index，簡稱IAQI），公式如下：

式中，IAQIp是污染物項目p的空氣質(zhì)量分指數(shù)，Cp為污染物項目P的質(zhì)量濃度值，BPHi、BPLo分別為不小于Cp的濃度限值、不大于Cp的濃度限值，IAQIHi、IAQILo分別為濃度限值對應的指數(shù)限值。

第二步，AQI=max{IAQI1,IAQI2,…,IAQIn}，其中IAQI 為第一步計算的空氣質(zhì)量分指數(shù)，n為污染物項目。

根據(jù)上述計算獲得的AQI 可將空氣質(zhì)量劃分為六個等級，具體見表1。

表1 空氣質(zhì)量等級劃分

2 結(jié)果分析

2.1 衡陽市AQI 不同時間尺度上變化

2.1.1 衡陽市AQI 日內(nèi)變化

圖1 衡陽市不同季節(jié)AQI 日內(nèi)變化

考慮到一日內(nèi)人類活動所排放大氣污染物的強度差異以及大氣條件變化對大氣污染物凈化會產(chǎn)生影響，空氣質(zhì)量對此會產(chǎn)生相應的響應，這里我們給出了衡陽市不同季節(jié)中AQI 的日內(nèi)變化情況，見圖1。從圖1中可以看到：1）不同季節(jié)中AQI日內(nèi)均呈現(xiàn)雙峰型，峰值分別出現(xiàn)在上午11 時前后和夜間21時前后，谷值則分別出現(xiàn)在清晨6時前后和下午16時左右。張瑋等[25]發(fā)現(xiàn)南京地區(qū)PM2.5、PM10也具有雙峰型的特點。空氣質(zhì)量日內(nèi)雙峰型源于以下原因：夜間至清晨6 時前后城市生產(chǎn)生活活動強度降低，排放大氣污染物減少，從而AQI 在清晨達到一谷值；清晨后，隨著太陽輻射加強，氣溫升高，大氣穩(wěn)定度下降，這將有利于大氣污染物在垂直方向上的擴散，空氣質(zhì)量會轉(zhuǎn)好，然而AQI 卻緩慢上升至11 時前后達到一峰值，這顯然與新的一天城市活動加強，向大氣中排放污染物增加超過垂直擴散有關；這之后由于大氣污染物垂直擴散超過排放，AQI持續(xù)下降至16 時左右，并出現(xiàn)另一谷值，通常14 時左右氣溫達到一天內(nèi)最高，大氣污染物垂直擴散最強，可以判斷大氣污染物擴散超過排放直至2小時后；16時后至夜間21 時，大氣污染物擴散進一步減弱，尤其隨著夜晚的到來，近地氣層受地面輻射冷卻影響加強，甚至出現(xiàn)逆溫情形，使得大氣污染物更不易擴散，雖然城市排放大氣污染物在夜間呈減少，但是在21時前后仍然出現(xiàn)峰值。2）衡陽市AQI 日均值及日內(nèi)變化均表現(xiàn)出春夏小、秋冬大。表2 進一步給出了各月AQI 日內(nèi)波動的范圍，波動幅度最大的11 月達到26，波動幅度最小的6、7、8 月均只有8。引起AQI日內(nèi)變化春夏小、秋冬大的主要原因是秋冬夜間氣溫相對較低，同時由輻射冷卻使近地氣層易出現(xiàn)逆溫，不利于大氣污染物的擴散，結(jié)果導致秋冬夜間AQI 出現(xiàn)高值。3）衡陽AQI 在12、1 月為一年中最大值，一天中大部分時段內(nèi)空氣質(zhì)量等級為輕度污染，只在17 時前后約4 小時，AQI 才降至90 左右。

表2 衡陽市不同月份AQI 日內(nèi)波動

2.1.2 衡陽市AQI 周內(nèi)變化

通常，雙休日制度（周末：周六和周日；工作日：周一至周五）下，工作日因排放的大氣污染物增加，空氣質(zhì)量會下降，而周末由于排放大氣污染物減少，空氣質(zhì)量會改善，即表現(xiàn)出 “周末效應” 現(xiàn)象[26]。從圖2 衡陽市AQI在不同季節(jié)中周內(nèi)變化來看，衡陽市AQI 的周內(nèi)變化無明顯變化規(guī)律，這可能與亞熱帶季風氣候區(qū)多變的氣象條件有關。

圖2 衡陽市不同季節(jié)AQI 周內(nèi)變化

2.1.3 衡陽市AQI 季節(jié)變化

圖3給出了研究時段內(nèi)衡陽市AQI逐月變化?？梢钥吹?，衡陽市AQI 具有明顯的季節(jié)變化，具體表現(xiàn)出春夏低，秋冬高，夏季為最低值，冬季為最高值。通常，城市大氣污染物排放量的年內(nèi)差異不會產(chǎn)生如此大的影響，AQI的這種季節(jié)變化特征顯然受氣象條件的影響。地處亞熱帶季風氣候區(qū)的衡陽市，降水主要集中于春夏兩季，而降水對大氣具有 “洗滌效應”[27-28]，即降水能對大氣中的污染物進行沉降進而降低AQI。又如，春夏季大氣穩(wěn)定度差，尤其夏季，衡陽市常受對流性天氣影響，上升氣流能將近地氣層中的大氣污染物在垂直方向上快速擴散開來，因而AQI 表現(xiàn)為低值；秋冬大氣穩(wěn)定度好，尤其冬季，衡陽常受南下冷高壓影響，大氣層結(jié)尤為穩(wěn)定，這樣的大氣條件不利于大氣污染物的擴散，從而AQI表現(xiàn)出高值。

另外，從研究時段內(nèi)AQI 整體變化情形來看，衡陽市空氣質(zhì)量呈逐步改善的態(tài)勢。

圖3 衡陽市AQI 逐月變化

2.2 衡陽市空氣質(zhì)量等級季節(jié)變化

為了了解衡陽市空氣質(zhì)量不同等級的季節(jié)差異，我們計算了日AQI 所對應空氣質(zhì)量等級占當月比重并繪于圖4。由圖4 可見，研究時段內(nèi)，夏半年（對應4 至9 月）空氣質(zhì)量等級基本上均為優(yōu)、良，且夏季（6、7、8 月）空氣質(zhì)量等級為優(yōu)天數(shù)基本上均超過當月的一半以上，如2018 年7 月達到28 天，占比90.32%。然而，冬半年（對應10 至次年3 月）空氣質(zhì)量等級優(yōu)、良明顯減少，如11、12、1 月空氣質(zhì)量等級為優(yōu)多低于20%，最小的2017年12月僅為2天，占比6.45 %，與之對應的是輕度污染、中度污染、重度污染出現(xiàn)概率增大，如2017 年1 月，三者分別出現(xiàn)12、4、4 天。

圖4 衡陽市空氣質(zhì)量等級逐月變化

我們注意到2020 年上半年空氣質(zhì)量等級變化與其它年份同期有著明顯不同：2020 年1 月，優(yōu)、良合計就達到84 %，明顯高于往年同期，隨后的2 月、3 月空氣質(zhì)量等級為優(yōu)占比持續(xù)上升，優(yōu)良合計接近或達到100 %，超出其它年份同期，爾后4、5 月空氣質(zhì)量等級為優(yōu)占比通常上升反而持續(xù)下降。這種異于其它年份的現(xiàn)象，顯然與2020 年1、2、3 月，新冠疫情導致眾多工廠停工停產(chǎn)及市民戶外活動減少（注：1 月還疊加了中國傳統(tǒng)春節(jié)假所產(chǎn)生的 “假日效應”[29]），4、5月逐漸復工復產(chǎn)和城市活動增加有關。另外，2020年6 月，空氣質(zhì)量等級出現(xiàn)全為優(yōu)的情形，一方面可能源于城市生產(chǎn)還沒有完全恢復；另一方面，較多的降水也起著重要作用，該月衡陽市主城區(qū)降水天數(shù)達到14 天，降水量達到158.8 mm，較往年同期明顯偏多。

2.3 衡陽市首要污染物的季節(jié)變化

為了揭示衡陽市不同季節(jié)首要污染物情況，我們根據(jù)每日逐時首要污染物確定當天首要污染物即獲得逐日首要污染物，接著計算出不同日首要污染物占當月比重，然后將計算結(jié)果繪于圖5。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，衡陽市首要污染物以細顆粒物（PM2.5）為主、顆粒物（PM10）次之，它們具有明顯的季節(jié)差異，冬半年以PM2.5為主，夏半年以PM10為主。研究表明，在污染源大致相同的情景下，首要污染物的季節(jié)差異與氣象條件緊密相關[25,30-31]。對于亞熱帶季風氣候區(qū)的衡陽而言，夏半年中：一方面，由于相對濕度大，降水多，PM2.5容易吸附于水汽表面而發(fā)生沉降；另一方面，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，PM2.5更易在垂直方向上擴散。另外，已有研究發(fā)現(xiàn)，衡陽市城區(qū)冬季PM2.5主要由Pb、Cd、Cu、Cr、Ni 和Fe 組成，采用富集因子分析發(fā)現(xiàn)上述6 種成分均來自人為污染源，排放源主要為主城區(qū)周圍企業(yè)金屬冶煉、工業(yè)燃煤煙[32]。

圖5 衡陽市首要污染物逐月變化

3 結(jié)論

空氣質(zhì)量與人類息息相關，它受大氣污染排放物（如成分、濃度等）以及大氣污染物凈化（自然條件往往起著關鍵作用）等綜合影響。衡陽市是我國南方一典型大型工業(yè)城市，對其空氣質(zhì)量在時間維度上的認識具有重要的理論及實際意義?；诤怅柺锌諝赓|(zhì)量指數(shù)以及首要污染物資料，對該市空氣質(zhì)量的時間特征進行了研究，得到以下結(jié)論：

（1）衡陽市AQI 在日、周以及季節(jié)三個時間尺度上具有一定的規(guī)律性：在日內(nèi)，AQI呈現(xiàn)雙峰型，峰值分別出現(xiàn)在上午11 時前后和夜間21 時前后，谷值則分別出現(xiàn)在清晨6 時前后和下午16 時左右；在周內(nèi)，AQI無明顯規(guī)律；在季節(jié)上，AQI表現(xiàn)出春夏低，秋冬高，夏季為最低值，冬季為最高值。需要引起重視的是衡陽市在12 月和1 月，一天中僅在17時前后約4 小時空氣質(zhì)量指數(shù)降至90 左右，其余時間均超100，即為輕度污染。另外，研究時段內(nèi)，衡陽市空氣質(zhì)量呈逐步改善的態(tài)勢。

（2）衡陽市日AQI 對應空氣質(zhì)量等級具有以下特征：夏半年（對應4-9 月）基本上為優(yōu)、良，如夏季（6、7、8 月）空氣質(zhì)量等級為優(yōu)占比超50%；冬半年（10-次年3 月）優(yōu)、良明顯減少，如11、12、1 月空氣質(zhì)量等級為優(yōu)多低于20%，輕度污染、中度污染、重度污染出現(xiàn)概率增大。

（3）衡陽市首要污染物以PM2.5為主，PM10次之，且冬半年以PM2.5為主，夏半年以PM10為主。夏半年不穩(wěn)定的大氣層結(jié)以及豐富的降水均有利于降低PM2.5濃度。