2014—2017年太原市空气质量变化特征分析

戴燕燕，张鹏飞

(太原师范学院 地理科学学院，山西 晋中 030619)

0 引言

近年来，随着社会的进步，工业化、城市化进程的加快以及全国各地机动车数量的不断增加，带来了越来越严重的大气污染问题，严重地影响了社会的发展和人们的身体健康[1-3]，空气质量的优劣程度已成为一个地区和城市的软实力和竞争力的重要方面.太原作为主要的能源、重工业基地之一，空气污染较为严重[4]，为此省市政府提出煤改气、煤改油、推行新能源汽车、实行机动车限号等措施，对大气污染的改善起到了一定的效果.为定性地了解太原市环境综合治理水平，需要对近年来太原市空气质量和各污染物浓度的变化特征和原因展开研究.目前，关于太原市大气环境质量方面已进行了一些研究，马小荣[1]等研究了太原市2013年环境空气质量变化特征；姚清晨[2]等采用相关分析、小波分析等方法研究了太原市2013—2016年空气质量变化特征；宋丽红[3]研究了2016年太原市PM2.5时空分布特征；邱文[4]等采用受体模型和箱模型对太原市PM10开放源起尘量进行估算；王翠红[5]等利用2007—2012年山西省11个城市的空气质量日报资料研究了空气质量的变化特征及其影响因素；闫雨龙[6]等研究了太原市城区臭氧变化特征及影响因素；吕佳莉[7]等研究了太原城区PM2.5重金属元素季节变化及形态分析.但是以上有关太原市空气污染的研究大多集中在PM2.5，PM10和臭氧等指标以及与气象因子相关性分析中，而针对太原市空气质量指数AQI的不同时间序列变化特征的研究尚不多见.本研究利用中国空气质量在线监测分析平台的监测资料对2014—2017年太原市空气质量指数的年变化、季节变化、月及月期间变化、周内变化和日变化规律及与各大气主要污染物的相互关系进行了统计分析与讨论，以期为太原市空气质量的预报提供科学的基础数据资料和支持.

1 数据来源和研究方法

本文整理了太原市2014—2017年逐日空气质量数据.空气质量数据来源于中国空气质量在线监测分析平台 (http://www.aqistudy.cn).本文首先采用描述统计的方法对太原市2014—2017年的空气质量特征进行了描述和统计，分别从年内、季节、月内、月期间、周内和日内角度分析了太原市空气质量的变化情况；然后通过单因子评价法，分析太原市各年份和各季节AQI 的日均值与影响空气质量的大气主要污染物(PM2.5,PM10,CO,NO2,SO2,O3)的相关性，进一步阐明影响太原市空气质量的主要大气成分，相关数据处理在 Excel 2013中完成.

2 结果与讨论

2.1 2014—2017年太原市环境空气质量状况

图1给出了2014—2017年太原市空气质量等级出现概率的逐年变化.由图1可知，2014—2017年太原市空气质量以良和轻度污染为主，全年优良率平均为59.3%，其中优率为6.5%，良率52.8%，轻度污染率27.7%，中度污染率7.3%，重度污染率4.6%，严重污染率1.2%，出现优、重度污染和严重污染天的概率较低.从逐年变化来看，2015年和2016年有轻微改善，优良率分别比2014年上升了8.5%和6.4%，其中优率分别上升了3.3%和0.8%，而2017年呈显著下降趋势，优良率比2014年下降了9.9%，其中优率下降了3.3%，良率下降了6.6%，特别是2016年和2017年严重污染天的出现概率同比2014年和2015年平均严重污染率0.3%上升了1.65%.

图1 2014—2017年太原市空气质量等级出现概率的逐年变化

图2给出了2014—2017年太原市空气质量等级出现概率的逐月变化.太原市空气质量月优良率变化特征较明显，呈单峰型分布，其中3—9月都在60%以上，最高出现在8月，为85.5%，其次是9月，下降了10个百分比，为75%，最低出现在12月，仅为34.7%；除9月外(16.7%)，优率都在10%以下，5月最低为0%；良率出现最多的是8月，为77.4%，其次是4—6月，都在60%以上，12月良率出现次数最少，为29.8%；轻度污染率最大值出现在6月，为33.3%，最小值出现在8月，为14.5%；中度污染率出现最多的是11月，为20%，4—9月出现概率都在6%以上，其中8月最低为0%；重度污染主要发生在1—2月和10—12月，出现概率最大的是12月，为19.4%，剩下的7个月均低于1%；而严重污染率主要出现在11,12和1月，最大值是4.8%(1月和12月)，除5月的0.8%外，其他月份均未出现严重污染天.

图2 2014—2017年太原市空气质量等级出现概率的逐月变化

2.2 AQI时间变化趋势分析

2.2.1 年际变化特征

2014—2017年太原市 AQI年际变化特征如表 1 所示.由表 1 可知，太原市空气质量指数平均值除2015年有所下降外，自2014年以来基本逐步上升，空气质量呈现恶化的趋势.从数值上看2015年空气质量最好，空气质量指数约为93.04，为良级别，而2017年空气质量最差，空气质量指数约为113.92，为轻度污染级别.就空气质量的波动情况来看，2015 年空气质量整体良好并且空气质量指数数值最为平稳，而 2014、2016 和2017年的 AQI 波动有所增大，数值差异较为显著.

表1 2014—2017年太原市AQI年际变化特征

2.2.2 季节变化特征

2014—2017年太原市 AQI季节变化特征如表 2所示.由表 2 可知，太原市春季和夏季的AQI平均值均为良级别，而秋季和冬季的AQI平均值均为轻度污染级别，从数值上看，夏季空气质量最好，空气质量指数约为86.02；春季空气质量相对较好，空气质量指数约为95.03；秋季空气质量次之，空气质量指数约为106.97；冬季空气质量较差，空气质量指数约为125.24.从数据的稳定性来看，夏季数据最稳定，而春季、秋季和冬季数据的稳定性呈逐渐变差趋势，冬季数据波动性最大.

表2 2014—2017年太原市AQI季节变化特征

2.2.3 月及月期间变化特征

2014—2017年太原市 AQI月和月期间变化特征如表3和表4所示.由表3可知，太原市从3月到9月的AQI平均值均为良级别，1,2月份及10—12月份的AQI平均值均为轻度污染级别，从数值上看8月份空气质量最好，空气质量指数约为74.79，12月份空气质量最差，空气质量指数约为143.94.从数据的稳定性来看，8月份数据最稳定，12月和1月数据稳定性较差，显示了较大的波动性.由表4可知，2014—2017年太原市的月期间的AQI平均值相差不大，空气质量等级均为轻度污染级别，其中下旬的空气质量相对较好，指数为102.23.从数据的稳定性来看，下旬数据最稳定，标准差为48.33，上旬数据稳定性最差，标准差为57.24，显示了较大的波动性.

表3 2014—2017年太原市AQI月变化特征

表4 2014—2017年太原市AQI月期间变化特征

2.2.4 周内变化特征

2014—2017年太原市 AQI周内变化特征如表5所示.由表5可知，太原市从周一到周日的AQI平均值均为轻度污染级别，其中在周五与周六平均值最高，存在一定程度的周末效应.与此前在北京的研究结果相似[8].从数值上看，周六数值最高，为108.42；周五其次，为104.94；周二数值最小，为100.82.从数据的稳定性来看，周二数据最稳定，标准差为48.57，星期六数据稳定性最差，标准差为56.23，显示了较大的波动性.

表5 2014—2017年太原市AQI周内变化特征

2.2.5 日变化特征

图3 太原市AQI日变化特征(2017.1.1和2017.7.1)

2017年1月1日和7月1日太原市AQI日变化特征如图3所示.由图3可知，太原市7月1日与1月1日的AQI日变化特征是相反的，1月1日从早晨6:00到下午15:00空气质量等级为重度污染，凌晨和夜晚时间段的空气质量等级为严重污染，早晨6:00-15:00时间段的空气质量相对较好，这是由于从夜间开始，环境温度降低，大气层结变得非常稳定，污染物质逐渐积累，不易扩散造成的.而7月1日大部分是在晚上20:00到凌晨3:00较其他时间段的空气质量较好，空气质量等级为良，其他时间段空气质量等级为轻度污染，这是由于夏季空气污染的主要污染物是来自机动汽车的尾气排放，在晚上20:00到凌晨3:00之间机动汽车数量较少，带来的污染物质较少.

2.3 AQI相关性分析

通过单因子评价法，分析太原市各年份和各季节AQI 的日均值与PM2.5，PM10，CO，NO2，SO2，O3的相关性，进一步阐明影响太原市空气质量的主要大气成分.如表6和表7所示.由表6可知，从2014到2016年PM2.5与AQI呈显著性相关，相关系数达到0.9以上，2016年相关系数最大，为0.962，2017年呈中度相关，相关系数为0.798，2014—2017年也呈中度相关，相关系数为0.897.2014，2015，2017及2014—2017年PM10与AQI呈中度相关，相关系数均低于0.9，其中2017年相关系数最小，为0.782，而2016年呈显著性相关，相关系数为0.905.除2016年外，其他年份及2014—2017年SO2，CO及NO2与AQI的相关性较差，相关系数基本上均低于0.5，其中NO2较其他两种污染物与AQI的相关程度最低，相关系数整体上均低于0.4，特别是2014年NO2与AQI的相关系数仅为0.225，显示了较差的相关性，而2016年SO2，CO及NO2与AQI的相关性相对较好，相关系数分别为0.633，0.561和0.652.除2015年O3与AQI呈极差的正相关外，其他年份与整个调查期间的四个年份的O3与AQI存在一定程度的负相关.从以上的分析可以发现，在本次调查年份期间PM2.5、PM10和AQI的相关性明显高于其他大气污染物，说明PM2.5和PM10是影响太原市空气质量的首要污染物.

由表7可知，太原市各季节AQI 与各大气主要污染物相关性在秋冬季明显高于春夏季，在秋冬季PM2.5，PM10与AQI呈显著性相关，相关系数均高于0.9，特别是在冬季相关性最高，相关系数分别为0.988和0.951，PM2.5，PM10与AQI在春季呈中度相关，相关系数分别为0.658和0.801，而在夏季相关性最差，相关系数分别为0.468和0.600，就PM2.5，PM10与AQI的相关程度比较而言，春夏季中PM10与AQI的相关性明显高于PM2.5与AQI的相关性，秋冬季中PM2.5与AQI的相关性高于PM10与AQI的相关性.在所有季节中，SO2，CO及NO2与AQI的相关性明显低于PM2.5，PM10与AQI的相关性；特别是春夏季SO2，CO及NO2与AQI的相关性是最差的，其中春季相关系数最小，均低于0.1；除秋季CO与AQI呈中度相关，相关系数为0.738外，在秋冬季这三种大气污染物与AQI呈低度相关，相关系数均处于0.5左右.在春夏季O3与AQI呈正相关，特别是夏季相关程度最高，相关系数为0.821，而在秋冬季呈负相关，这是因为夏季太阳辐射强，日照充足，气温较高，非常有利于光化学反应的进行，从而造成臭氧污染较为严重.

表6 2014—2017年太原市各年份AQI与各大气主要污染物浓度相关系数统计

表7 2014—2017年太原市各季节AQI与各大气主要污染物浓度相关系数统计

3 结论

根据2014—2017年太原市逐日空气质量数据观测资料，统计分析了2014—2017年太原市空气质量变化特征及其与其他污染物浓度的关系，得出结论如下：

1)从整体来看，2014—2017年太原市空气质量以良和轻度污染为主，全年优良率平均为59.3%，出现优、重度污染和严重污染天的概率较低.从逐年变化来看，2015年和2016年空气质量有轻微改善，2017年最差.从逐月变化来看，太原市空气质量月优良率变化特征较明显，呈单峰型分布，优良率最大值出现在8月，为85.5%，最小值出现在12月，仅为34.7%.

2)不同时间序列的AQI的统计结果表明，2015年的空气质量指数最低，约为93.04，为良级别，2017年空气质量指数最高，约为113.92，为轻度污染级别.从数据稳定性来看，2015 年空气质量整体良好并且空气质量指数数值最为平稳，而2016年稳定性最差，说明2016年存在重污染天气的概率较大.从季节角度来看，秋冬季节污染较为严重，春夏季节污染相对较轻，其中夏季空气质量最好，冬季空气质量最差，两者AQI差为39.22，冬季无论是AQI平均值还是标准差都最大，说明冬季污染天气频发而且重污染天气出现的概率较大.从月及月期间角度来看，8月的数值和标准差最小，显示了较好的空气质量，12月的数值和标准差最大，说明空气污染的天数较多，程度较大；而月期间(上旬、中旬和下旬)的数值相差不大，均为轻度污染级别，下旬数据波动性最小，上旬波动性较大，说明上旬出现重污染天气的天数更多.从周内变化来看，太原市AQI存在一定程度的周末效应，周六空气质量最差，周五次之，周二空气质量最好.从数据的稳定性来看，周六和周日的稳定性最差，说明周末外出人流较多，带来较多的交通出行量，从而对太原市空气质量带来一定的影响.从日内角度来看，2017年1月1日与7月1日的AQI小时变化特征是相反的，1月1日早晨到下午空气质量相对较好，凌晨和夜晚空气质量较差；7月1日空气质量较好的时间段出现在晚上8点到凌晨3点之间，这是由于该时间段机动汽车数量较少，带来了较少的污染物质.

3)相关性分析结果表明，各年份AQI与PM2.5，PM10，SO2，NO2、CO呈正相关，其中与PM2.5和PM10的相关性最高，说明两者是影响太原市空气质量的首要污染物；而除2015年外，各年份AQI与O3呈负相关.从季节角度来看，除O3外，AQI与各大气主要污染物相关性在秋冬季明显高于春夏季，说明PM2.5，PM10，SO2，NO2，CO是影响秋冬季空气质量的主要污染物，而O3在夏季与AQI相关程度最高，说明臭氧是夏季的主要空气污染物.