2018年鄭州市空氣主要污染物與降水量關(guān)系分析及月變化規(guī)律

趙軍令， 巴紅霞

（河南省源鎂環(huán)?？萍加邢薰?，鄭州 450000）

空氣中的污染物主要包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等［1-2］. 工業(yè)生產(chǎn)、燃燒化石燃料等是空氣污染物的主要來源［3-5］. 空氣污染物在大氣中達(dá)到一定濃度后，如果不及時(shí)清除，就會(huì)對(duì)人體造成危害，同時(shí)影響交通，給人們?nèi)粘Ｉ顜聿槐悖?-8］.

當(dāng)前，空氣污染問題越來越受人們的重視，近期越來越多的研究開始關(guān)注空氣污染物的問題. 目前主要的研究表明，空氣污染物濃度與降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［9-12］，但相關(guān)研究只建立了空氣污染物與降水的總體關(guān)系，缺乏細(xì)致分析城市空氣污染物的月動(dòng)態(tài)變化以及空氣污染物之間的相關(guān)關(guān)系，不利于有針對(duì)性地治理空氣污染物［13-15］.

近年來鄭州大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)，但空氣污染問題也逐漸暴露出來，《2018 年鄭州市環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)》（http：//zzepb.zhengzhou.gov.cn/zlbgs/1779814.jhtml）數(shù)據(jù)與2017年相比，城區(qū)PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3年均濃度及特定日均值分別下降4.5%、10.2%、28.6%、7.4%、18.2%、2.5%，空氣質(zhì)量呈改善趨勢(shì). 本文以2018年鄭州市的降水量數(shù)據(jù)情況和主要空氣污染物濃度數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算和Pearson相關(guān)系數(shù)分析法，分析每種空氣污染物的月變化情況，重點(diǎn)分析鄭州市主要空氣污染物與降水量間關(guān)系，同時(shí)分析各污染物間相關(guān)關(guān)系，為今后鄭州市空氣治理提供理論依據(jù)，同時(shí)為針對(duì)性治理提供參考意見.

1 研究區(qū)概況

鄭州市為河南省會(huì)，是我國重要的交通樞紐，地理坐標(biāo)東經(jīng)112°42′～114°14′、北緯34°16′～34°58′. 鄭州市屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫15.6 ℃，8月份溫度最高，月平均氣溫25.9 ℃，1月份溫度最低，月平均氣溫為2.15 ℃，整年日照時(shí)間約1 869.7 h.

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)包含兩部分，一部分為2018年鄭州市每月降水量，一部分為2018年每月主要空氣污染物濃度. 數(shù)據(jù)分別來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn）中的數(shù)據(jù)和中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部網(wǎng)站（http：//www.mee.gov.cn）中的全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).

2.2 研究方法

Pearson相關(guān)系數(shù)法是用來衡量定距變量間的線性關(guān)系的有力工具，一般用r表示. 如有兩組變量，則設(shè)兩個(gè)變量：x1，x2，x3，…，xn；y1，y2，y3，…，yn.

相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：r的變化幅度為-1～1，r 絕對(duì)值越接近于1，相關(guān)性越強(qiáng)；相關(guān)系數(shù)大于0，表明兩變量為正相關(guān)，小于0，表明兩變量為負(fù)相關(guān).

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量月動(dòng)態(tài)變化

由圖1可見，2018年鄭州市降雨總量為640.9 mm. 降雨量隨月份的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，降雨量主要集中在7、8 月份，分別為146.2 mm 和138.9 mm，兩個(gè)月份降雨量之和占鄭州市全年降雨總量的44.5%. 12月份降雨量最低，為9.4 mm，1月份為9.6 mm，與12月份相接近. 2018年鄭州市降雨量最大值是最小值的15.6倍. 總體來看，2018年鄭州市降雨量主要集中在夏季，春秋季次之，冬季最少.

3.2 空氣主要污染物濃度月動(dòng)態(tài)變化

PM2.5被定義為空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物. 由圖2（a）可見，2018年鄭州市PM2.5濃度隨月份變化呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì). 冬季PM2.5濃度普遍偏高，1月份濃度最高，達(dá)117 μg/m3；夏季普遍偏低；9月份最低，為31 μg/m3，最高濃度是最低濃度的3.77 倍. 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是市民冬季取暖，大量燃燒煤炭等化石燃料，導(dǎo)致空氣PM2.5濃度升高.

PM10通常是指粒徑在10 μm 以下的顆粒物. 由圖2（b）可見，2018年鄭州市PM10濃度隨月份呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì). PM10濃度在12 月份達(dá)到最高，為148 μg/m3，PM10濃度在7月份達(dá)到最低，為66 μg/m3，比最大值低55%. PM10的來源主要機(jī)動(dòng)車尾氣和化石燃料不完全燃燒，冬季由于市民出行使用機(jī)動(dòng)車增加，使用較多的化石燃料，從而使空氣中PM10增多［16］.

SO2是比較常見的具有刺激性的硫氧化物，可導(dǎo)致環(huán)境酸化［17］. 由圖2（c）可見，2018 年鄭州市SO2濃度除夏季外，其余時(shí)間均處在較高水平，1 月份濃度最高，為23 μg/m3，7 月份濃度最低，為5 μg/m3. 重工業(yè)排放較多的SO2，由于鄭州市大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)，同時(shí)吸引較多外資建廠，導(dǎo)致SO2濃度長時(shí)間維持在較高濃度.

圖1 2018年鄭州市月降雨量分布Fig.1 Distribution of monthly rainfall in Zhengzhou City in 2018

圖2 2018年鄭州市空氣主要污染物月變化Fig.2 Monthly changes of major air pollutants in Zhengzhou City in 2018

NO2可造成酸雨，同時(shí)對(duì)人體有毒害作用，人體大量吸入會(huì)損害呼吸道. 由圖2（d）可見，2018年鄭州市空氣中NO2濃度10 月份最高，為71 μg/m3，7月份最低，為34 μg/m3. 通常NO2主要來自化石燃料的燃燒，例如機(jī)動(dòng)車尾氣的排放、工業(yè)廢氣的排放等，這可能是冬季空氣中NO2濃度較高的原因［18］.

CO是一種毒性氣體濃度過高會(huì)導(dǎo)致人體缺氧，由圖2（e）可見，CO濃度在幾種空氣污染物中濃度最高，為主要的空氣污染物. 2018年鄭州市CO濃度1月份最高，由圖2（e），為2.9 mg/m3；春季和夏季CO濃度都維持在較低水平，6月份最低，為1.1 mg/m3；1月份CO濃度比6月份CO濃度高164%. 大氣中的CO是煤、石油等含碳物質(zhì)不完全燃燒的產(chǎn)物，汽車廢氣內(nèi)含有較多的CO.

臭氧（O3）又稱為超氧，長時(shí)間直接接觸高濃度臭氧會(huì)出現(xiàn)疲乏、咳嗽等癥狀. O3濃度與其他不同，由圖2（f）可見，O3在夏季有濃度較高，冬季濃度較低，全年變化范圍為52～242 μg/m3. 人為源的O3主要是由人為排放污染物的光化學(xué)反應(yīng)生成［19］.

總體來看，CO和PM2.5在1、2、3、11月和12月為空氣中的主要污染物，PM10在4—5月為主要污染物，NO2在9—10月為主要污染物，O3在6、7月和8月為主要污染物. 根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可在不同時(shí)期采取有針對(duì)性的措施處理空氣中的污染物.

3.3 降水量與空氣主要污染物濃度關(guān)系

由表1可見，月降水量與PM2.5、PM10和SO2呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與NO2和CO呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與O3呈極顯著正相關(guān). 說明除O3外，降雨量大則空氣中污染物含量低，降雨對(duì)空氣污染物有明顯的清除作用，降雨對(duì)空氣的凈化有很大幫助.

表1 2018年鄭州市月降水量與空氣主要污染物濃度之間的相關(guān)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficient between monthly precipitation and concentration of major air pollutants in Zhengzhou City in 2018

3.4 空氣主要污染物間相關(guān)關(guān)系

由表2可見，PM2.5、PM10和CO與NO2均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），其余污染物之間均呈極顯著關(guān)系（P＜0.01）.除O3與其余種類空氣污染物呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）外，其余污染物間均為正相關(guān).

表2 2018年鄭州市不同種類空氣主要污染物間的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficients between different types of air pollutants in Zhengzhou in 2018

綜上所述可以看出，空氣中的污染物主要來源于工業(yè)廢氣的排放、機(jī)動(dòng)車尾氣的排放及人們的日常活動(dòng). 夏季空氣中污染物濃度較低，冬季空氣中的濃度較高，分析原因：一是夏季降雨充沛，空氣污染物濃度與降雨量呈負(fù)相關(guān)，降雨對(duì)空氣污染物有較好的清除作用；二是冬季人們更多使用汽車等交通工具，還有取暖燃燒化石燃料，增加了空氣中的污染物濃度. 結(jié)果表明，除O3外，各污染物間存在顯著正相關(guān)性，降低其中一種污染物的濃度就可降低其他污染物濃度. 故在今后的空氣治理中，應(yīng)加強(qiáng)冬季空氣治理，開發(fā)新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，推動(dòng)新能源汽車的應(yīng)用，同時(shí)做好節(jié)能減排工作.