阜阳市空气质量时空分布特征研究

王红新，王晓俊，俞 梦

（池州学院 材料与环境工程学院，安徽 池州 247000）

随着我国经济的发展以及人口迅猛增长，环境污染问题越来越突出。与发达国家相比，我国工业化进程相对较晚。1973年，第一次全国环境保护会议召开之后，针对大气污染的研究才开始正式拉开序幕[1]。随着雾霾天气的频发，温室效应的加重，空气污染问题已成为人类必须面对的现实，空气质量成为人们日益关注的焦点。据统计，2016年全世界约有91%比例的人口几乎无法呼吸到清新空气，约50%的城镇住户生活在约2.5倍高于安全标准的空气环境里，每年最高有700万人由于空气污染致死[2]。进入21世纪之后，随着我国经济的快速发展、各种行业飞速发展，机动车数量的日益增加，大气污染问题也日趋严重。研究区域不再局限于我国北方的重工业城市，逐渐扩大到全国范围。为了有效控制环境污染问题，政府采取了一系列措施。例如，《环境空气质量标准GB3095-2012》是国家在2012年开始使用的，该标准的检测结果为一小时发布一次，相较于之前标准的一天一次，空气质量的优劣更加精准和透明化。从2013年到2016年，一系列法案相继出台，如《大气污染防治行动计划》《水十条》《土壤污染防治行动计划》，由此可见人们已经逐渐意识到环境对人类的重要性，大气空气质量又是其中重要的一个环节。

1 数据来源

本研究选用安徽省生态环保厅发布的阜阳市2016年1月1日-2020年12月31日期间 环境监测数据进行统计分析，监测整理统计处理的数据为小时数据和日数据。对于没有数据的时期，用其前后时期的平均值代替。根据北方城市的季节特征，来划分阜阳市四季的月份范围。阜阳市共设置10个环境空气质量监测站点，分别为市监测站、阜阳职业技术学院、市开发区、太和中学、临泉县环保局、颍上县第一中学、阜南县环保局、界首市人民政府、枣园社区和实验二小。各监测站点均对SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10、AQI等数据进行实时公布。

2 分析方法

由于实际情况和经济及地理条件环境的限制，导致原始数据不完整，为解决这一情况，使用ARCGIS软件里的空间插值法来重绘完整的空间分布[3]。因此，作为研究分析的软件选用为ARCGIS10.2版本，可选用的插值方法不少，其中最为常用的空间插值法分为样条函数法、克里金法与反距离法等，本研究选用反距离权重法来探究阜阳市空气质量现状及时空变化特征。

反距离权重法又被称作为距离倒数乘方法，是ARCGIS中常用的空间插值方法之一，其计算方法简单，经常应用在各种领域。方法原理是以通过计算已知地点的真实数值的加权平均来进行推算插值出未知地点的值。其空间相关原理，空间上越接近的事物或现象越相似，取得的权值也越大。因此此方法在相邻范围里结果的准确，与所在位置有着主要关系[4]。

公式为：

式中，Z是待插值的点，Zi是第i(i-1,2,3,......，n)个已知采样点的值，di是第i个已知采样点与待插值点的距离，P是幂参数，幂参数是一个正实数，常选用为2。

3 结果与分析

3.1 阜阳市空气质量时间分布

3.1.1 大气污染物浓度年度变化特征

SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O36种 大 气 污 染 物的年均浓度变化如图1所示。由图1可以看出PM10、PM2.5这两种最常见的颗粒污染物的年均浓度均为先上升（2016-2017）再逐年下降（2017-2020），SO2浓度为先下降（2016-2017）再增长（2017-2020），而NO2污染物的年均浓度则为先下降（2016-2018）再增长（2018-2019）再下降(2019-2010)的趋势。污染物CO的年均浓度呈现出逐年降低的趋势，污染物O3的年均浓度先增长（2016-2019）再下降（2019-2020）。

图1 大气污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3浓度的年际变化

进一步分析知SO2浓度在2016-2017年降幅最大，2016年浓度为20μg/m3，2017年浓度为12.8 μg/m3，下降率达36%，且这五年的年均浓度值均低于60μg/m3的国家二级标准限值[5]，其中SO2年均浓度在2019年最低，为5.83μg/m3是国家二级标准的9.7%。NO2在2019年短暂升高后，在2020年下降，年均浓度均满足国家二级标准限值（40μg/m3），2016年最高为37.58μg/m3，最低在2020年，浓度值为26.25μg/m3。PM2.5、PM10两种污染物浓度均未满足标准的限值（35μg/m3、70μg/m3），且在同年，年均浓度值分别为77.83μg/m3（PM10）、49.83μg/m3（PM2.5），是国家二级标准浓度限值的1.11倍、1.42倍，可见颗粒物污染依然是阜阳市空气质量改善面临的挑战。CO浓度五年一直下降2016年为1.35mg/m3，2020年为0.86mg/m3。O3在2016年浓度最低，最低为111.83μg/m3，在2017-2019年连续3年上升后，2019年 达 到 最 高 值145.75μg/m3，2020年 开 始 下降，浓度为134.58μg/m3。

3.1.2 污染物浓度季节变化特征

根据季节划分，统计阜阳市2016年3月至2020年2月数据得出污染物季节变化图，由图2可知，四个季节的二氧化硫、二氧化氮平均浓度排列顺序依次夏＜春＜冬＜秋。PM10、PM2.5、CO季平均浓度为夏季＜春季＜秋季＜冬季。臭氧的季平均浓度为冬天＜春天＜秋天＜夏天。其中SO2、NO2在春天浓度8.66μg/m3、22.83μg/m3。在秋天浓度分别为11.66μg/m3和37.91μg/m3；PM10夏季和冬季浓度分别为52.66 μg/m3、129.16μg/m3，PM2.5夏季和冬季浓度分27.66 μg/m3、95.58μg/m3，一氧化碳夏季和冬季浓度为0.83mg/m3、1.52mg/m3。在夏天SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10这五个污染物浓度明显低于其他三个季节，这是由于阜阳市夏季太阳日照长、辐射强烈、温度高、多雨，大气层结构不稳定，导致垂直对流运动旺盛，污染物扩散速度加快，污染物浓度低[6]。且在六月下旬到七月上旬为阜阳市梅雨季，雨水对污染物扩散也有一定帮助作用，而O3在夏天浓度高是因为O3是二次污染的产物，来自于其他污染物的光解反应，夏季温度高、日照时间长、辐射强，光化学反应易于发生[7]。冬天SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10、浓度较高则是由于冬天夜长日短，冬天白天辐射弱而且白日时间短，晚上夜间冷却时间又长，容易形成逆温层，形成的逆温层阻碍了污染物的扩散[8]。且在冬天阜阳市气温较低，基本都在五摄氏度左右，又不像北方城市那样，有普遍的供暖系统，阜阳市人们的取暖活动急剧的增多，导致不规范燃煤情况的发生及空调的多次使用等取暖行为，直接间接导致燃煤量的增多，使得污染物浓度升高。O3在冬季平均浓度较低，是由于冬天太阳辐射比夏季低，光化学反应不容易发生，阻碍了O3的生成。总体上阜阳市空气质量夏天好冬天劣。这和肖悦、王鹏飞等研究结果一致[9,10]。

图2 六种大气污染物浓度的季变化

3.1.3 污染物浓度月变化特征

统计处理2016-2020年五年来，阜阳市空气质量数据得出，SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O36种大气污染物的五年内月平均变化如图2-3所示。通过图3可以发现SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO这五种污染物的月变化形式和O3的变化趋势不一致，前者的变化形势基本一致，总体呈“V”型分布。这一结论和李梅、晏彩霞、陆雅静等的研究结果一致[11-13]。SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO五种污染物的月浓度，又以一月、二月、十一月、十二月这四个月份的浓度值最高，其中SO2、CO、PM2.5三种污染物浓度同时在一月份达到最高值，分 别达到16±0.8μg/m3、1.8±0.09mg/m3、104±5.2μg/m3。NO2、PM10两种污染物在十二月份浓度最高，分别为47±2.35μg/m3、138±6.9μg/m3。五种污染物同时在七月份出现月均浓度最小值。分别为7±0.35μg/m3（SO2）、21±1.05μg/m3（NO2）、41±2.05μg/m3（PM10）、23±1.15μg/m3（PM2.5）、0.7±0.03mg/m3（CO），这和上面得出的季均值变化特征结论一致。而O3月均浓度趋势则与上面相反，在一月、二月、十二月这三个月份的浓度值低于其他月份的浓度值，一月份浓度值为77±3.85μg/m3、十二月份浓度值为75±3.75μg/m3，六月份浓度值最高为181±9.05μg/m3。

图3 大气污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3浓度月变化

3.1.4 污染物浓度逐时变化特征

利用2018-2020年二分二至（春分、夏至、秋分、冬至）的逐小时AQI及六种空气污染数据分析了阜阳市空气质量日变化特征。如图4和图5所示。总的来说，各污染物随时间段变化比较大，2020年日空气质量较前两年有好转。阜阳市SO2浓度最高峰出现在7：00-12：00，浓度低峰出现在0：00-3：00和14：00-16：00，空气中的SO2主要来自周围发电厂和工业企业煤燃烧。AQI、CO、NO2的日变化均是先上升再下降再上升的类似“W”形，NO2浓度高峰值在9：00-10：00和19：00-22：00，浓度低峰值在0：00-6：00和14：00-16：00，这可能是阜阳市上下班高峰期车辆行驶带来的交通尾气和人群活动增多导致的。PM2.5和PM10两种污染物的小时变化相似，高峰均集中在8：00-10：00和21：00-0：00，低峰值集中在1：00-3：00和15：00-18：00。大体上，PM2.5和PM10最高值徘徊出现在上午和零点左右。这和罗岳平的研究一致，这是由于该时间的气温是一天中最低的，严重出现大气层逆温现象，导致垂直扩散效果差，PM2.5和PM10的浓度扩散不及时开始累积，因此出现最大值[14]。O3浓度较高值集中出现在13：00-16：00，浓度较低值集中出现在3：00-7：00，O3浓度在8：00左右开始上升，在14：00-16：00浓度最高，之后O3浓度开始下降，这和温度以及白日光照强度的变化是相似的[15]。

图4 AQI日变化

图5 污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3浓度日变化

3.2 阜阳市空气质量空间分布

为了进一步分析阜阳市污染物浓度分布情况，对阜阳市2020年10个监测站点的数据进行整理得出表1，SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10五种污染物的单位为μg/m3，一氧化碳（CO）的单位为mg/m3。

表1 2020年阜阳市各监测点位污染物及AQI数值

根据表1数据，运用ARCGIS软件中空间插值方法里的反距离权重法对2020年阜阳市十个监测点位的六种大气污染物和AQI进行插值分析，得出阜阳市年均浓度值的空间分布结果，如图6~图12。由图6可看出，NO2在市监测站，市开发区、枣园社区浓度较高，阜南县环保局浓度较低；造成这种现象可能是市监测站、市开发区、枣园社区属于阜阳市的中心，人流量大、交通发达、导致NO2浓度较高。

图6 污染物NO2空间分布图

图12 AQI空间分布图

由图7可看出，和其他区域相比，临泉县环保局SO2浓度较高，在市监测站、市开发区、阜阳职业技术学院较低；SO2和人类的活动密切相关，临泉县环保局所在地离临泉县化肥厂仅有不到3公里，临泉县化肥厂在生产过程中，煤燃料的燃烧会产生较多的SO2；由图8可看出，对于CO来说，实验二小、枣园社区、阜南县环保局较高，临泉县环保局较低；且临泉县环保局CO浓度显著低于其他地区，由图9可看出，对于O3来说，阜阳职业技术学院、市监测站、市开发区三个监测点位较高，其他监测站点较低；即市区污染重，其他区域低，这可能是因为，阜阳市中心的机动车数量较多，机动车行驶过程中产生大量的氮氧化物，这些氮氧化物发生二次反应生成O3，可以通过控制机动车的行驶时间、使用清洁的燃料，降低排放标准等措施减少O3的产生。

图7 污染物SO2空间分布图

图8 污染物CO空间分布图

图9 污染物O3空间分布图

由图10和图11可看出对于PM2.5来说，界首市人民政府、实验二小、市监测站、市开发区较高，枣园社区、临泉县环保局较低；对于PM10来说，市开发区、界首市人民政府较高，阜阳市职业技术学院、颍上县第一中学较低；其中最高的均为市开发区，PM2.5（3-10）浓度值为51.78μg/m3，是国家标准的1.47倍，PM10（3-11）浓度值为88.21μg/m3，是国家标准的1.26倍，结合周围环境，这可能是因为开发区有较多的工业园，工业化程度较高，导致的颗粒物浓度较高。由图还可以看出枣园社区PM2.5浓度明显低于其他监测点位，其值为40.83μg/m3，比市开发区低10.95μg/m3。

图10 污染物PM2.5空间分布图

图11 污染物PM10空间分布图

由图12可看出，对于AQI来说最高的是阜阳市监测站，值为89，最低的是枣园社区值为68.15，阜阳市全部监测站点AQI值范围在50-100，说明整个阜阳市空气中质量等级为良。其中阜南县、太和县、颍上县空气质量好于临泉县、界首市空气质量。临泉县和界首市可加强行政部门的监督和执法，对于运送沙土的大型货车进行监控，同时减少私家车的使用。

3.3 阜阳市空气质量评价

3.3.1 环境空气质量等级分布

图13利用阜阳市2016-2020年的空气质量AQI指数数值，对阜阳市五年的数据进行了空气等级的划分，发现优良天气出现的天数占五年总有效天数的50%以上，优良天气出现天数最高的是2020年，优良天数出现的频率达到71.8%，其次是2018年优良频率达到69.2%，最低的2019年优良频率也达到58.3%。出现轻度污染频率最高和最低的的年份分别在2019年和2020年，分别是32.9%，20.5%。出现中度污染天数频率这五年相近，最高的是2019年7.12%，最低的是2018年的5.75%。重度污染天气前三由高到低依次是2017年、2016年、2018年，频率分别是5.75%、4.37%、3.28%。2019年和2020年的严重污染天气近乎一致。只有2017年出现了严重污染天气，其频率为0.54%。综上可知，空气质量最优的是2020年，最差的是2017年。

图13 2016-2020年AQI等级分布图

3.3.2 首要污染物分布

2016-2020年阜阳市各年首要污染物占比如图14所示，由图可知，阜阳市主要以PM10、PM2.5、O3三种污染物为首要污染物，2016年-2018年占比最大的是PM2.5，分别高达57.9%、45.7%和41.1%。2019年占比最大的是O3为46.2%，2020年PM2.5、O3占比相当，PM2.5为43.9%、O3为41.4%。在2017-2020年均出现了以PM10、O3为主要污染物的天气，而以PM10、PM2.5为主要污染物的天气出现在了2016、2018、2019、2020四年，且在2019年首次出现了以PM2.5、O3为主要污染物的天气。在2016年-2019年四年中以O3为首要污染物的天气频率逐年递增，分别以1.21、1.28、1.26倍的速度在前一年的基础上增长。而PM2.5占比则与之相反从2016-2019逐年递减。可见在治理颗粒物污染的同时，O3污染也不能忽视。

图14 2016-2020年首要污染物占比图

由图15进一步分析阜阳市2019年各月首要污染物占比情况可以看出：在六月、七月、八月这三个月中首要污染物全为O3。二月则全为PM2.5，四月、五月、九月O3占比最大，占比最大的九月高达8.43%，一月、十二月、十一月PM2.5占比最大，其中一月和十二月以PM2.5为主要污染物的天气出现的频率是一样的，占比均也为8.43%。说明在九月、一月、十二月这三月中以PM2.5为主要污染物天数和以O3为主要污染物天数是一模一样的。在三月、十月中污染物主要以颗粒物PM2.5、PM10为主且两种污染物占比相差不大，其中三月份PM2.5、PM10频率分别为4.36%、3.77%。十月份PM2.5、PM10出现频率为2.03%、3.48%。

图15 2019年首要污染物占比图

综上所述，阜阳市冬季未出现以O3为主要污染物天数，这是因为阜阳市冬天天气寒冷，气温低，不利于光化学反应的进行，所以O3浓度低，而在5-9月，太阳辐射强，光化学反应强烈，O3浓度高。阜阳市可对5-9月O3浓度进行抑制，防止浓度上升。而在其他月份主要是以PM10、PM2.5污染防治为主。

4 结论

（1）总体来看，阜阳市空气质量往好的方向发展，五年来空气质量优良占比均超过50%，且在2020年占比达到71.8%，说明阜阳市整体环境质量还不错。全市以PM10、PM2.5、O3为主污染物，季节性污染变化较大，O3为夏季首要污染物，PM2.5为冬季首要污染物，PM10、PM2.5为春秋两季的首要污染物。

（2）从空间分布来看空气污染较严重的区域主要集中在阜阳市市区。颍上县、阜南县空气质量相对较好。市区SO2浓度较低；临泉县SO2浓度较高，CO浓度较少；界首市颗粒物污染较为严重；阜南县CO浓度较高，NO2浓度较低；太和县CO、PM2.5浓度较高；颍上县总体污染物浓度较低。