2015—2018年张家口市大气污染特征研究

方小珍, 肖化云, 梁 越, 谢亚军, 刘 诚, 王 芳, 2

(1.东华理工大学 江西省大气污染成因与控制重点实验室，江西 南昌 330013；2.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013)

随着社会经济的发展，空气污染事件频发，国家和民众对环境空气质量越来越关注。前期研究表明，颗粒物(PM2.5和PM10)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、二氧化硫(SO2)和一氧化碳(CO)均对人体健康有一定风险，易引起呼吸道疾病和心血管疾病等，同时还会对能见度、气候和生态环境等造成一定影响(Heftneal et al., 2018；Lu et al., 2018；Li et al., 2019；Pope et al. 2006；Leitte et al., 2011；邵平等，2012；宋从波等，2016; 杨继雷，2017；程朋根等，2015,2019; 曾浩等, 2019；刘树博等, 2018)。目前政府采取了很多相关治理措施，环境空气质量总体改善，优良天数增多，污染物超标率逐年下降。但大气污染形式也逐渐发生变化，由最开始的煤烟型污染，逐渐转变为复合型污染，现在臭氧污染呈上升态势，逐渐引起人们关注。

京津冀地区是我国社会经济发展的重要区域，同时也是环境空气污染较为严重区域之一。其中张家口市位于河北省西北部，是京津冀和冀晋蒙经济圈的交汇点，易受沙尘天气影响，当地气候干燥，第一产业占比较大。此外，张家口市的机动车保有量呈逐年递增趋势，交通源排放增多。目前京津冀地区对环境空气质量研究多集中于北京、天津、石家庄和唐山等地(He et al., 2017; Song et al., 2017; Zhao et al., 2013)，针对张家口的环境空气质量研究相对较少，且对张家口市的前期研究也多是沙尘天气对环境空气的影响等，考虑的污染种类不多(邵平等，2012; 刘庆阳等，2014)。因此，本研究选取张家口市2015—2018年在线观测数据为研究对象，对张家口市大气颗粒物(PM2.5和PM10)和4种气态污染物(NO2、O3、SO2和CO)的时间序列变化特征及不同空气质量等级下各污染物特征情况进行研究，以期为当地的大气污染防治工作提供治理方向和数据支持。

1 数据来源与处理

本研究选取了2015年1月至2018年12月张家口市空气质量指数(AQI)和6项常规污染物(PM2.5、PM10、NO2、O3、SO2和CO)逐时连续在线观测的数据。该数据来自中国空气质量历史数据下载网站(http://beijingair.sinaapp.com/)。为了保证数据的准确性，需对下载空气质量数据进行质量控制。首先采用z-scores方法对小时空气质量数据进行标准化，然后判断数据是否满足①|zt|>4；②zt-zt-1>6；③3zt/(zt+1+zt+zt-1)>2，若满足上述条件之一，将数据剔除。具体数据处理方法参考He等(2017)。

2 结果与讨论

2.1 年际变化特征

2015—2018年张家口市PM2.5和PM10的年平均质量浓度分别为32.56 μg·m-3和81.96 μg·m-3，PM2.5达到我国《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)的二级标准浓度限值(35μg·m-3)，但PM10超过二级标准浓度限值(70 μg·m-3)，其年际变化特征如图1所示。PM2.5和PM10的年均质量浓度整体变化平缓，差异较小。对比其他城市(He et al., 2017)，本研究PM2.5浓度低于北京、天津、石家庄、济南、成都、长沙、南京、广州、贵阳等城市，高于海口、拉萨等城市，与福州、昆明等城市接近；PM10浓度低于北京、天津、石家庄、济南、成都等城市，高于南京、广州、福州、贵阳、昆明、海口、拉萨等城市，与长沙、重庆等城市接近。PM2.5/PM10年均值在0.5以下，说明粗颗粒物是张家口市颗粒物的主要部分，这是由于张家口的地理位置易受到沙尘暴的影响造成的(毕燕茹等，2018；刘庆阳等，2014)。

4种气态污染物(NO2、O3、SO2和CO)的年平均质量浓度分别为25.06 μg·m-3、77.79 μg·m-3、19.91 μg·m-3和0.76 mg·m-3，均未超过我国《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)的浓度限值。由图2可知，NO2和SO2总体呈下降趋势，CO呈先下降后上升趋势，而O3呈上升趋势。相比2015年，2018年NO2、SO2和CO浓度分别下降14.2%、58.4%和8.1%，而O3浓度上升12.5%。对比其他地区研究结果(He et al., 2017)，本研究NO2、SO2和CO质量浓度相对较低，略高于海口、拉萨等城市；而 O3浓度相对较高，略低于拉萨市，明显高于北京、天津、石家庄、济南、成都、长沙、南京、广州、贵阳、福州、昆明等城市。

表1 各污染物的Spearman相关分析

根据Spearman相关性分析(表1)，发现PM2.5与O3呈显著负相关，而与其他污染物呈正相关，且与PM10、NO2和CO显著正相关。PM10与O3、NO2和CO呈显著正相关。NO2、SO2和CO间的相关性较好，说明这3种污染物具有同源性，可能主要来自交通排放和工业排放(Shi et al., 2018；Notario et al., 2012)。此外，本研究的O3相关性分析结果与其他城市研究结果存在差异，张家口市O3与NO2和CO相关性不显著，而其他城市研究发现O3与PM、NO2和CO一般呈负相关(He et al., 2017；Wang Y G et al., 2014)，这是因为张家口市主要以PM10为首要污染物，且受当地的气候条件影响(郑冬冬等，2014)。

2.2 季节变化特征

2015—2018年张家口市PM2.5和PM10的逐月变化趋势基本一致，呈明显的季节变化特征(图3)。PM2.5和PM10的总体季节变化趋势是春季最高，其次为秋、冬季，夏季最低，与邵平等(2012)和郑冬冬等(2014)的研究结果基本一致。其中3月份PM2.5和PM10浓度达到最大值，分别为42.39 μg·m-3和124.37 μg·m-3；9月份 PM2.5和PM10浓度达到最小值，分别为22.96 μg·m-3和55.84 μg·m-3。对于PM2.5/PM10比值，其变化趋势是春季最低，而夏、冬季相对较高。一般PM2.5/PM10比值在7月份最高，变化范围为0.52～0.58，而4、5月份比值相对最低，其变化范围为0.24～0.35。综上所述，张家口市春季颗粒物浓度相对较高，且主要以粗颗粒物为主，而夏、冬季主要以细颗粒物为主。

张家口市4种气态污染物的逐月变化趋势呈明显的季节特征。总体来说，NO2在秋、冬季时相对较高，夏季最低；CO在冬季时最高，春、秋季次之，夏季最低；而O3在夏季时最高，其次为春季，秋、冬季相对较低，与NO2和CO呈相反变化趋势，这与其他学者研究结果一致(Liu et al., 2018; Wang et al., 2017；宋从波等，2016)。这是因为夏季太阳辐射强，易发生光化学反应(Wang Y H et al., 2014；Notario et al., 2012；张亮等, 2015)。SO2在冬季时最高，夏、秋季相对较低，这主要是因冬季采暖使得燃煤排放增多造成的。

2.3 周末效应

为了表述污染物的周末效应，本研究采用工作日与非工作日各污染物的差值(W)和偏差(Dev)进行描述，其具体计算公式如下：

W=C非工作日-C工作日

(1)

(2)

式中，C非工作日为非工作日污染物浓度，C工作日为工作日污染物浓度。

工作日与非工作日期间颗粒物浓度差值和偏差结果如图4，存在周末效应。PM2.5浓度在3:00—14:00时，工作日高于非工作日，而其他时间主要是非工作日高于工作日。在6:00—8:00、16:00—17:00和19:00时，W和Dev绝对值较大，说明早晚交通高峰期周末效应明显，表明上述周末效应主要是由工作日与非工作日的交通流变化引起的(宋从波等，2016)。非工作日早晚交通高峰时间比工作日晚，且不明显。PM10浓度在20:00—23:00时，非工作日高于工作日，其他时间为工作日高于非工作日。

4种气态污染物(NO2、O3、SO2和CO)也具有明显的周末效应(图5)。NO2浓度在非工作日时相对较高，但7:00—9:00和17:00—19:00时工作日相对较高，且在17:00时W和Dev的绝对值相对较大，与交通源排放特征相对应；SO2浓度在1：00—7：00时工作日高于非工作日，而其他时刻基本是非工作日相对较高；CO与PM10的变化趋势基本一致，主要是工作日高于非工作日。O3浓度在0:00—7:00时是工作日高于非工作日，其他时刻是非工作日相对较高，且在15:00—16:00时达到峰值(108.81 μg·m-3)。

2.4 昼夜变化特征

PM2.5和PM10呈现明显的昼夜变化特征(图6)。总体来说，夜间PM2.5和PM10的质量浓度相对较高，而白天(7:00—19:00)相对较低，其昼夜差值分别为6.29 μg·m-3、2.15 μg·m-3，这与其他城市研究结果基本一致(陈波等，2016；方小珍等，2017)。从小时变化情况来看，00:00—7:00 PM2.5和PM10浓度呈现下降趋势，7:00—8:00开始呈上升趋势至12:00—13:00达到第一个峰值，后下降至15:00达到谷底值，再开始上升，在20:00—22:00出现峰值。

但气态污染物的昼夜变化与颗粒物相反，白天气态污染物浓度高于夜间，与Wang Y G等(2014)研究结果一致。NO2、SO2和CO整体呈双峰分布，其中NO2和SO2在8:00达到第一个峰值，而CO在10:00达到峰值，NO2、SO2和CO在20:00达到第二个峰值。NO2、SO2和CO的昼夜差异相对较小，昼夜差值分别为1.26 μg·m-3、3.59 μg·m-3和0.03 mg·m-3。O3浓度呈午后单峰分布，在15:00达到最大值。O3浓度昼夜差异较大，夜间相对于白天约下降22%，昼夜差值为18.56 μg·m-3，这是因为夜间没有太阳辐射，不发生光化学反应，同时夜间大气氧化性相对较低，易消耗O3(He et al., 2017；张亮等，2015)。

2.5 不同空气质量等级下各污染物变化特征

根据国家环境保护部发布的《环境空气质量指数(AQI) 技术规定(试行) 》(HJ 633—2012)，可将空气质量等级划分为6个等级。2015—2018年张家口市逐年不同空气质量等级的占比可见图8。总体来说张家口市空气质量较好，优良天数占总天数的85.29%，而污染天数占14.71%。其中张家口市空气质量为“优”(AQI: 0～50)共393天，占27.01%；空气质量为“良”(AQI: 51～100)共848天，占58.28%；空气质量为“轻度污染”(AQI: 101～150)共171天，占11.75%；空气质量为“中度污染”(AQI: 151～200)共26天，占1.79%；空气质量为“重度污染”(AQI: 201～300)共15天，占1.03%；空气质量为“严重污染”(AQI>300)共2天，占0.14%。

不同空气质量等级下6种污染物的浓度变化趋势如图9所示。由于严重污染仅有2天，发生概率极低，此处不作详细讨论，主要对其他5个质量等级进行讨论。由图9可知，PM2.5、NO2、SO2和CO的质量浓度随空气质量的污染程度呈先升后降趋势，在中度污染天时达到最大值；O3也呈现先升后降趋势，但在轻度污染天时达到最大值(103.56 μg·m-3)；PM10总体呈上升趋势。重度污染天时PM2.5/PM10最低为0.23，而其他4个空气质量等级下PM2.5/PM10均值在0.4以上，表明张家口市重度污染不是由PM2.5引起的，而是由PM10引起的(邵平等，2012)。

3 结论

2015—2018年张家口市环境空气质量整体较好，空气优良率为85.29%。除PM10外，其他5项常规污染物均达到国家二级标准浓度限值。整体来说，PM2.5和PM10浓度的年际变化差异相对较小，NO2和SO2浓度呈下降趋势，CO浓度自2016年呈上升趋势，而O3浓度呈上升趋势。

颗粒物(PM2.5和PM10)和气态污染物(NO2、O3、SO2和CO)均呈现明显的季节变化特征和日变化特征。PM2.5和PM10浓度在春季最高，NO2、SO2和CO浓度在秋、冬季相对较高，而O3浓度在夏季最高。6种污染物在早晚交通高峰期有明显的周末效应。PM10和CO浓度在工作日高于非工作日，O3和SO2浓度在1：00—7：00时，工作日高于非工作日，其他时刻主要为非工作日高于工作日。此外，PM2.5和PM10的质量浓度夜间相对较高，但气态污染物浓度白天相对较高。

不同空气质量等级下，各污染物浓度变化趋势不一致。轻度污染时O3浓度达到最大值，中度污染时PM2.5、NO2、SO2和CO浓度达到最大值，重度污染时PM10浓度相对较高， PM2.5/PM10较小，主要是由PM10引起的。随着政府对环境的不断治理，环境空气质量为重度污染及以上的污染天数越来越少，污染天也主要以轻度污染为主。