2018—2021年安徽省.空分布特征及其健康风险分析.pdf

第 40 卷第 2 期2024 年 4 月中国环境监测Environmental Monitoring in ChinaVol.40No.2Apr.202420182021 年安徽省 PM2.5和 O3时空分布特征及其健康风险分析逄妮妮1,赵旭辉2,王含月2,王倩21.安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南 2320012.安徽省生态环境监测中心,安徽 合肥 230071摘要:利用 20182021 年安徽省空气质量监测数据分析了 PM2.5和 O3时空分布特征及其引发的健康风险。结果表明:从时间分布来看,20182021 年安徽省 PM2.5年均值下降 25.5%,而 O3-8 h 年均值则保持持平;PM2.5和 O3-8 h 月均值具有明显的季节变化特征,PM2.5月均质量浓度和超标天数均在冬季达到最大值,O3-8 h 月均值和超标天数则在夏季达到最大值。从空间分布来看,PM2.5、O3-8 h 年均值和超标天数均为皖北最高,其次为皖中,最后为皖南。夏季 O3是主要的健康风险因子,冬季 PM2.5是主要的健康风险因子。当 PM2.5 超标时,除 2021 年皖北地区外(PM10是主要的健康风险因子),PM2.5均是主要的健康风险因子;当 O3-8 h 超标时,O3是主要的健康风险因子。关键词:安徽省;PM2.5;O3;时空分布;健康风险中图分类号:X513;X823文献标志码:A文章编号:1002-6002(2024)02-0132-09DOI:10.19316/j.issn.1002-6002.2024.02.15Temporal and Spatial Distribution Characteristics and Health Risk Analysis of PM2.5 and O3 in Anhui Province from 2018 to 2021PANG Nini1,ZHAO Xuhui2,WANG Hanyue2,WANG Qian21.School of Earth and Environment,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China2.Anhui Ecological Environment Monitoring Center,Hefei 230071,ChinaAbstract:According to the air quality monitoring data in Anhui Province from 2018 to 2021,this paper analyzed the temporal and spatial characteristics of PM2.5 and O3 and their health risks.The study suggested that from the perspective of time distribution,the annual average values of PM2.5 in Anhui Province decreased by 25.5%from 2018 to 2021,while the annual average values of O3-8 h remained unchanged;the monthly average mass concentrations of PM2.5 and O3-8 h had obvious seasonal variation characteristics;the monthly average mass concentration and exceeding days of PM2.5 reached the maximum value in winter,while the monthly average mass concentration and exceeding days of O3-8 h reached the maximum value in summer.From the perspective of spatial distribution,the annual average concentrations and exceeding days of PM2.5 and O3-8 h were the highest in northern Anhui,followed by central Anhui,and finally southern Anhui.O3 was the main health risk factor in summer and PM2.5 was the main health risk factor in winter.When PM2.5 exceeded the standard,except for northern Anhui in 2021(PM10 was the main health risk factor),PM2.5 was the main health risk factor;When O3-8 h exceeded the standard,O3 was the main health risk factor.Keywords:Anhui Province;PM2.5;O3;temporal and spatial distribution;health risk收稿日期:2022-10-20;修订日期:2023-12-22基金项目:安徽省高等学校科学研究项目(2022AH050819);安徽理工大学高层次引进人才科研启动基金资助项目(2021yjrc46)第一作者简介:逄妮妮(1989-),女,山东青岛人,博士,讲师。通讯作者:逄妮妮近年来,我国针对大气污染问题施行了严格的管控措施,PM2.5浓度及超标天数逐渐降低,与此同时,O3污染问题在最近几年逐渐凸显。我国目前的大气污染类型已从原先以 PM2.5污染为主转变为 PM2.5和 O3协同污染1。PM2.5和 O3之间存在着复杂的耦合作用,其中一个表现为 O3浓度的升高会导致大气氧化性增强,从而促进大气颗粒物中二次成分的生成2。为进一步提高我逄妮妮等:20182021 年安徽省 PM2.5和 O3时空分布特征及其健康风险分析133 国环境空气质量,需高度重视 PM2.5和 O3污染问题。PM2.5和 O3污染会对人体呼吸系统和心血管系统等会产生一定的健康危害3-4。为提升群众幸福感,需关注 PM2.5和 O3引发的健康风险。许多学者对我国 PM2.5和 O3浓度时空分布问题进行了相关的研究。如全澍等5研究显示,河南省 2019 年和 2020 年 PM2.5污染程度严重的地区主要集中在中部和东北部地区,PM2.5月均浓度大小排序为冬季秋季=春季夏季。郭欣瞳等6对 20152017 年中国 O3浓度时空变化特征研究表明,全国范围内 O3污染呈逐年加重趋势,污染严重地区主要集中在我国中东部。作为长江三角洲城市群之一的安徽省,O3污染问题也十分突出。20162018 年安徽省 16 个市 O3平均超标率总体呈逐年上升趋势,且在 O3超标天数中,全省以 O3为首要污染物的超标天数的占比在 3年内均超过 96.0%7。由于 PM2.5和 O3 对人体健康均具有严重的危害,许多研究对 PM2.5和 O3污染引发的健康风险也进行了评估,如陈菁等8得出,与 2014 年相比,2019 年北京市与 PM2.5相关的心血管和呼吸道疾病超额死亡人数降低了一半,而与 O3相关的超额死亡人数却与 2014 年相持平。众多学者对 2017 年前安徽省 PM2.5和 O3污染特征进行了大量研究,但是缺乏 2017 年后对安徽省 PM2.5和 O3浓度长期时空变化特征及其引发的健康风险的评估。本文基于 20182021 年安徽省大气污染物监测数据,在系统分析 PM2.5和 O3污染的时空分布基础上,进一步探究 PM2.5和 O3污染引发的健康风险。1研究方法1.1数据来源与处理安徽省 16 个城市国控点 PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和 CO 数据来源于中国环境监测总站的全国城市空气质量实时发布平台。O3-8 h 指 O3质量浓度日最大 8 h 滑动平均值。皖北城市包括阜阳市、亳州市、淮北市、宿州市、蚌埠市和淮南市,皖中城市包括合肥市、六安市、滁州市和安庆市,皖南城市包括铜陵市、芜湖市、马鞍山市、池州市、宣城市和黄山市。本研究中所用数据均依据环境空气质量标准(GB 30952012)和环境空气质量评价技术 规 范(试 行)(HJ 6632013)进 行 有 效 性统计。1.2总超额风险计算根据文献9,总超额风险 ERtotal的计算公式见式(1)式(3)。RRi=expi(Ci-Ci,0),Ci Ci,0(1)ERi=RRi-1(2)ERtotal=ni=1ERi=ni=1(RRi-1)(3)式中:ERi指某种污染物 i 的超额风险;ERtotal是总超额风险;RRi指某种污染物 i 的相对风险;i是指每单位污染物 i 造成的额外健康风险的暴露响应 系 数,每 g/m3 PM2.5、PM10、NO2、SO2和O3-8 h 的 i分 别 为 0.038%、0.032%、0.13%、0.081%和 0.048%,每 mg/m3 CO 的 i为 3.7%9;Ci指某种空气污染物 i 的观测浓度;Ci,0是某种空气污染物 i 的阈值,该阈值为某种空气污染物 i 的环境空气质量标准(GB 30952012)级标准限值。当测得的某污染物 i 浓度高于环境空气质量标准(GB 30952012)级标准限值时,假定污染物会对人体健康产生影响;当测得的某污染物 i 浓度低于或等于环境空气质量标准(GB 30952012)级标准限值时,RRi将被指定为 1,假定该污染物不会对健康产生影响。2结果与讨论2.1 20182021 年 PM2.5和 O3-8 h 时间变化特征2.1.1 20182021 年 PM2.5和 O3-8 h 年际变化特征根据安徽省 20182021 年 PM2.5和 O3-8 h 年均值统计结果可知,安徽省 2021 年 PM2.5年均质量浓度(35 g/m3)较 2018 年(47 g/m3)下降25.5%,2021 年 O3-8 h 年均值(96 g/m3)与 2018年(96 g/m3)同比持平,2021 年 PM10、SO2、NO2和 CO 年 均 质 量 浓 度 较 2018 年 分 别 下 降 了16.4%、33.3%、18.8%和 14.3%。由图 1 可知,20182021 年皖北、皖中和皖南地区 PM2.5年均质量 浓 度 呈 逐 年 下 降 趋 势,下 降 率 分 别 为25.9%、28.0%和 24.6%;20182021 年皖北和皖中 地 区 O3-8 h 年 均 值 下 降 率 较 低,分 别 为2.1%和 4.3%,而皖南 O3-8 h 年均值却呈上升趋势,增长率为 6.3%。这表明 O3污染问题应 134 中国环境监测第 40 卷第 2 期2024 年 4 月值得重视。图 120182021 年皖北、皖中和皖南地区 PM2.5和 O3-8 h 年均值Fig.1Average annual mass concentrations ofPM2.5 and O3-8 h in northern,centraland southern Anhui from 2018 to 20212.1.220182021 年 PM2.5和 O3-8 h 季节变化特征 20182021 年安徽省 PM2.5和 O3-8 h 季节性变化趋势如图 2 所示。从图 2 可知,20182021年 PM2.5月均浓度冬季最高,其次为春季和秋季,最后为夏季,而 O3-8 h 月均值则夏季最高,冬季最低。这一 结 果 与 先 前 在 其 他 城 市 观 测 到 的PM2.5和 O3-8 h 季节变化特征相似10-11。夏季高的温度和强烈的太阳辐射有助于 O3光化学反应的发生12,冬季不利的气象条件、近年逐渐增强的大气氧化能力、居民取暖及来自北方大气污染严重地区的区域传输可能有助于加重安徽省冬季PM2.5污染8,13。高浓度的 PM2.5污染会通过散射、吸收太阳辐射及增加云光学厚度使最终到达地表的太阳辐射减小,从而抑制大气中 O3的生成14。这可能是冬季 O3-8 h 低的一个原因。与2018、2019 和 2021 年 O3-8 h 季节变化特征相比,2020 年 O3-8 h 春季最高,夏季次之。研究表明,O3的生成与 PM2.5浓度、前体物排放、气象条件和光化学反应强度有关15-16。这可能与不同年份之间不同因子的贡献程度大小有关。图 3(a)图 3(h)显示了 20182021 年皖北、皖中和皖南地区 PM2.5和 O3-8 h 的季节变化趋势。由图 3 可知,20182021 年春、夏、秋和冬各季节 PM2.5月均浓度均为皖北最高,其次为皖中,最后为皖南;对于 20182021 年各季节皖北地区 O3-8 h 月均值,除 2018 年冬季和 2020 年秋季外,均是最高的,因此,对于 PM2.5和 O3-8 h 污染的控制应着重于皖北地区。2021 年皖南地区各个季节 O3-8 h 月 均 值 与 皖 中 地 区 的 差 异 较2020 年有所缩小,这说明未来在治理 O3污染方面也应关注皖南地区。图 220182021 年安徽省 PM2.5和O3-8 h 浓度季节变化Fig.2Seasonal variation of PM2.5 and O3-8 hconcentrations in Anhui Provincefrom 2018 to 20212.1.3 20182021 年 PM2.5和 O3日变化特征表 1 汇总了 20182021 年安徽省 PM2.5超标天数、O3-8 h 超标天数及 PM2.5和 O3-8 h 共同超标天数。由表 1 可知,20182021 年安徽省 16个市 PM2.5平均超标时间分别为 50、55、37、26 d,O3-8 h 平均超标时间分别为 30、44、23、24 d。每一年度 PM2.5平均超标天数均大于 O3-8 h 平均超标天数。由此可知,安徽省 PM2.5和 O3污染以PM2.5污染为主。从空间分布来看,20182021 年安徽省 16个城市 PM2.5和 O3-8 h 超标天数呈北高南低的趋势。2018 年皖北、皖中和皖南地区 PM2.5超标天数最多的城市分别为亳州、滁州和芜湖,而 2021年皖北、皖中和皖南地区 PM2.5超标天数最多的城市分别为阜阳、滁州和芜湖;2018 年皖北、皖中和皖南地区 O3-8 h 超标天数最多的城市分别为淮北、滁州和马鞍山,而 2021 年皖北、皖中和皖南逄妮妮等:20182021 年安徽省 PM2.5和 O3时空分布特征及其健康风险分析135 地区 O3-8 h 超标天数最多的城市分别为淮南、滁州和马鞍山,表明这些城市 PM2.5和 O3污染十分严重,同时也暗示了不同地区大气污染治理成果不一样。2021 年皖北(蚌埠、淮北、宿州和亳州)、皖中(合肥)和皖南(芜湖)多个城市 PM2.5超标时间较 2018 年下降超过 30 d,对于 O3-8 h,2021年仅有淮北 O3-8 h 超标时间较 2018 年下降 27 d,O3污 染 问 题 应 格 外 关 注。从 季 节 分 布 来 看,20182021 年 PM2.5超标天数主要分布在冬季,O3-8 h 超标天数主要分布在夏季。图 320182021 年皖北、皖中和皖南地区 PM2.5和 O3-8 h 季节变化Fig.3Seasonal variation of PM2.5 and O3-8 h concentrations in northern,central and southern Anhui from 2018 to 2021鉴于 PM2.5超标天数主要分布在冬季,O3-8 h超标天数主要分布在夏季,我们选择夏季和冬季PM2.5和 O3小时浓度数据来分析其日变化特征。图 4 展 示了 20182021 年安徽 省夏季 和 冬 季PM2.5和 O3浓度日变化图。从图 4 可以看出,O3浓度日变化呈单峰型分布,PM2.5呈双峰型分布。从时间分布来看,由图 4(a)图 4(d)可知,2021年夏季 O3小时平均浓度高于 2020 年,2021 年冬季白天 O3小时平均浓度最高,这表明 O3污染问题逐渐凸显。2021 年夏季 PM2.5小时平均浓度较 2020 年夏季并没有出现下降的趋势,夏季高的 O3会促进 PM2.5中二次污染物的生成17,这可能是导致 2021 年夏季 PM2.5浓度居高不下的一个原因。从空间分布来看,由图 4(e)图 4(h)可知,20182021 年 PM2.5和 O3小时平均浓度均呈 现皖北 皖 中 皖 南 的 趋 势。20182021 年夏季皖北地区 O3小时平均质量浓度峰值较皖南地区高 22 g/m3,20182021 年冬季皖北地区 PM2.5小时平均质量浓度峰值较皖南地区高 26 g/m3。这表明皖北地区应进一步加大大气污染控制力度,进一步缩小同皖南地区的差距。O3是由其前体物 NOx和挥发性有机物(VOCs)在太阳光照射下经过一系列复杂的光化学反应生成的,其与前体物排放量的比值密切相关18。研究表明,城市地 区 O3生成 多受VOCs 控制,郊区多受 NOx控制19,未来在治理PM2.5污染方面应实现 VOCs 和 NOx的协 同减排,加大城市地区 VOCs 减排。136 中国环境监测第 40 卷第 2 期2024 年 4 月表 120182021 年安徽省 PM2.5和 O3-8 h 超标时间及 PM2.5和 O3-8 h 共同超标时间Table 1The number of days that PM2.5 exceeding the standard,the number of days that O3-8 h exceeding thestandard and the number of days that PM2.5 and O3-8 h both exceeding thestandard in Anhui province from 2018 to 2021地区城市超标时间/d2018 年PM2.52019 年PM2.52020 年PM2.52021 年PM2.52018 年O3-8 h2019 年O3-8 h2020 年O3-8 h2021 年O3-8 h2018 年共同2019 年共同2020 年共同2021 年共同皖北阜阳709174 51 226122233200亳州769369 39 466147275300淮北748556 44 526645252300宿州75735845 456236263100蚌埠617044 26 382820302100淮南657961 45 425735401301皖中滁州505830 23 355130352300六安364628 20 302126170000合肥484432 14 275316200000安庆404126 20 264619171000皖南马鞍山394125 19 506420340000铜陵44482316 6185130000芜湖504227 20 475620291000池州353224 19 165220290000宣城363119 12 247120000黄山640 1 011100000图 4安徽省 20182021 年夏季和冬季 PM2.5和 O3日变化Fig.4The daily variation of PM2.5 and O3 in summer and winter in Anhui from 2018 to 2021逄妮妮等:20182021 年安徽省 PM2.5和 O3时空分布特征及其健康风险分析137 从 O3峰值来看图 4(e)图 4(f),20182021 年安徽省 16 个城市夏季 O3小时平均浓度高于冬季,大约是冬季的 1.8 倍。夏季 O3浓度从07:00 开始抬升,冬季 O3浓度从 08:00 开始抬升。这与不同季节光照时长有关。2 个季节 O3谷值是由于早上机动车排放的 NO 和 O3发生滴定反应生成 NO2,导致 O3被大量消耗20。2 个季节 O3峰值均出现在 15:00 左右,其中夏季谷值-峰值增长速率更快,这是由于日出后太阳辐射增强,机动车尾气及工厂等排放产生大量 NOx和VOCs 发生光化学反应导致 O3浓度增加,且夏季光化学反应更加强烈所致21。与 O3日变化不同的是 PM2.5浓 度 日 变 化 呈 双 峰 型 分 布。从图 4(g)图 4(h)可以看出,夏季 PM2.5小时平均浓度最大峰值出现在白天,约在 06:0009:00,然而冬季 PM2.5小时平均浓度最大峰值出现在21:00 至次日 00:00 左右,冬季 PM2.5小时平均浓度最大峰值是夏季的 2.4 3.3 倍。夏季由于日出时间较早,人类活动较早加之上班早高峰,最终导致早上 PM2.5峰值的出现,而冬季夜间气象条 件 不 利,污 染 物 在 夜 间 逐 渐 积 累 导 致PM2.5晚高峰值的出现 22。夏季 PM2.5晚高峰值低于早高峰值,可能与夏季有利的扩散条件有关。2.2 20182021 年 PM2.5和 O3-8 h 空间分布特征图 5 描述了 20182021 年安徽省 PM2.5和O3-8 h 年均 值的空间分 布特征。由图 5 可知,20182021 年 PM2.5和 O3-8 h 年均值皖北最高,其次为皖中,最后为皖南。20182021 年 PM2.5年均值最高的城市分别在淮北(57 g/m3)、淮北(54 g/m3)、亳 州(50 g/m3)和 阜 阳(44 g/m3)。20182021 年 PM2.5年均值最低的城市均为黄山市,分别为 23、24、20、20 g/m3,黄山市旅游业发达,工业规模较小,污染物排放较低,因而城市空气质量较其他城市较好。20182021年 O3-8 h 年均值最高的城市分 别为宿州(106 g/m3)、亳州(112 g/m3)、亳州(108 g/m3)和淮南(103 g/m3)。为实现安徽省环境质量的持续改善,未来应格外关注这些城市。2.3 20182021 年 PM2.5和 O3-8 h 引发的健康风险图 6 描述了 20182021 年安徽省 6 种污染物引发的健康风险。图 6(a)是 20182021 年 6种污 染 物 引 发 的 总 的 超 额 风 险,图 6(b)是20182021 年不同季节 6 种污染物引发的总的超额风险,图 6(c)是 20182021 年皖北、皖中及皖南地区当 PM2.5超标时引发的总的超额风险,图 6(d)是 20182021 年皖北、皖中及皖南地区当 O3-8 h 超标时引发的总的超额风险。图 520182021 年安徽省 PM2.5和 O3-8 h年均值时空分布Fig.5Spatial distribution of annual average massconcentrations of PM2.5 and O3-8 h inAnhui Province from 2018 to 2021由图 6(a)可知,随着时间的推移,ERtotal先降低后升高。与 2020 年相比,2021 年来自 PM10的ERi明显增加,由 0.04%增至 0.1%。2021 年春季来自 PM10的 ERi达到 0.26%图 6(b),占ERtotal的 89.7%,表明 PM10是 2021 年春季主要的健康风险因子。这可能与春季期间的沙尘暴有关23。图 6(b)为 20182021 年安徽省不同季节 6 种污染物引发的总的超额风险,可知夏季来自 O3-8 h 的 ERi分别为 0.47%、0.29%、0.07%和0.21%,分别占 ERtotal的 100%、100%、77.8%和100%,表明夏季 O3是主要的健康风险因子,而冬季 PM2.5是主要的健康风险因子。由图 6(b)可知,来 自 PM2.5的 ERi分 别 为 0.7%、0.61%、0.43%和 0.22%,分 别 占ERtotal的 69.3%、79.2%、78.2%和 66.7%。为进一步说明 PM2.5和 O3-8 h 引发的健康风险,我们把 PM2.5和 O3-8 h 超出环境空气质量标准(GB 30952012)II 级标准时引发的总的超 138 中国环境监测第 40 卷第 2 期2024 年 4 月额风险进行对比说明。由图 6(c)和 6(d)可知,20182021 年安徽省 16 个城市 PM2.5超标时引发的总的超额风险是 O3-8 h 超标时引发总的超额风险的 1.4 1.8 倍。当 PM2.5和 O3-8 h 超标时,皖北、皖中和皖南地区 ERtotal大小均呈皖北皖中皖南变化。当 PM2.5 超标时,除 2021 年皖北地区外,PM2.5均是 ERtotal的主要贡献因子,贡献了 ERtotal的 61.9%79.9%。当 O3-8 h 超标时,O3-8 h 是皖北、皖中和皖南地区 ERtotal的主要贡献因子,贡献了 ERtotal的 88.5%100%。图 620182021 年安徽省 6 种污染物引发的健康风险Fig.6Health risks caused by six pollutants in Anhui Province from 2018 to 20213结论1)20182021 年安徽省 PM2.5年均值下降25.5%,O3-8 h 年均值则持平。从区域分布看,20182021 年安徽省高的 PM2.5和 O3-8 h 年均值主要位于皖北地区。2)通过对 20182021 年安徽省 PM2.5超标天数、O3-8 h 超标天数和 PM2.5和 O3-8 h 同时超标天数统计得出安徽省 PM2.5和 O3污染中以PM2.5污染为主。PM2.5超标天数主要分布在冬季,O3-8 h 超标天数主要分布在夏季,PM2.5和 O3-8 h 同时超标天数很少。3)20182021 年安徽省夏季期间 O3-8 h 是主要的健康风险因子,冬季 PM2.5是主要的健康风险因子。当 PM2.5和 O3-8 h 超标时,皖北、皖中和皖南地区 ERtotal大小均呈皖北皖中皖南变化。当 PM2.5 超 标 时,除 2021 年 皖 北 地 区 外,PM2.5均是 ERtotal的主要贡献因子。当 O3-8 h 超标时,O3-8 h 是皖北、皖中和皖南地区 ERtotal的主要贡献因子。参考文献(References):1 李红,彭良,毕方,等.我国 PM2.5与臭氧污染协同控制策略研究J.环境科学研究,2019,32(10):1 763-1 778.LI Hong,PENG Liang,BI Fang,et al.Strategy of Coordinated Control of PM2.5 and Ozone in China J.Environmental Science Research,2019,32(10):1 763-1 778.2 卞锦婷,黄凌,李红丽,等.上海市 PM2.5和臭氧复逄妮妮等:20182021 年安徽省 PM2.5和 O3时空分布特征及其健康风险分析139 合污染期多路径减排效果评估J.环境科学研究,2023,36(2):314-324.BIAN Jinting,HUANG Ling,LI Hongli,et al.Evaluation of the Effectiveness of Multiple Emission Reduction Pathways During a Concurrent PM2.5 and Ozone Pollution in Shanghai.Research of Environmental Sciences,2023,36(2):314-324.3 林在生,林少凯,王恺,等.低浓度 PM2.5对老年人群死亡的影响:基于 20152018 年福州市数据的时间序列研究J.环境与职业医学,2020,37(2):157-161.LIN Zaisheng,LIN Shaokai,WANG 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