长株潭城市群空气质量时间特征研究.pdf

52环境科学导刊2023，42（4）CN 53-1205/XISSN 1673-9655长株潭城市群空气质量时间特征研究郝丽婷，黄一民（1.衡阳师范学院地理与旅游学院，湖南 衡阳 421002；2.湖南省环境教育研究中心，湖南 衡阳 421002）摘 要：基于2015年5月至2021年7月空气质量指数（AQI）、常规污染物逐时监测数据，运用空气质量指数评价法，从不同时间尺度、空气质量等级与污染物浓度变化等视角对长株潭城市群空气质量时间演替特征进行研究。结果表明：长沙、株洲、湘潭三市AQI日内变化均呈现出“双峰型”特征；春季AQI的值在周一至周三区间呈现增长趋势，并于工作日达到一周最大值；长株潭城市群AQI年内变化呈先减后增趋势，三市空气质量都具有整体向好的趋势，优良级别空气质量所占比例逐年递增；空气质量指数的变化与PM2.5浓度变化具有一致性。关键词：空气质量指数；PM2.5；污染防治；时间特征；长株潭城市群中图分类号：X51 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2023）04-0052-07收稿日期：2022-05-24基金项目：湖南省教育厅优秀青年项目（18B370）；湖南省环境教育研究中心开放基金项目（HJ19K03）。作者简介：郝丽婷（1996-），女，穿青人，贵州毕节人，自然地理学硕士研究生。通信作者：黄一民（1980-），男，湖南汨罗人，副教授，博士，主要从事自然地理教学与研究。0 引言改革开放以来，我国经济一直呈现快速增长态势，但工业化与城镇化进程的快速推进导致了一系列环境污染问题，主要反映在大气污染、水污染、土壤污染、噪声污染等诸多方面，其中大气污染成为人们最为关注的环境问题1。目前，国内外学者对空气质量问题进行了广泛研究，从空气质量的表征指标来看主要包括三类：浓度类指标，如PM10、PM2.5和O3浓度等，但由于大气污染是多种污染物复合作用结果，部分学者认为任何单一污染物都难以全面反映大气污染综合状态2；排放类指标,如工业SO2、工业粉尘、工业废气等3；综合类指标,如以空气质量指数AQI、空气质量二级及以上天数等综合类指标来反映空气污染程度4。从研究视角来看则包含：揭示各污染物本身污染程度的高低特性及多种污染物相互比值关系特征下空气质量污染情况5；根据不同时期、不同区域尺度空气质量状况表现出的差异性，从整体上揭示空气质量的时空特征6。其研究方法与手段主要包含核密度分析、空间自相关分析、灰色关联度法及社会网络分析方法等7-10。研究区域覆盖范围可划分为：全国范围的大尺度空气质量特征分析研究11-12；重点污染省份与城市等中小尺度的空气质量动态演化过程及特征分析研究13-15。城市群作为我国城镇化和工业化发展的空间单元，是国家新型城镇化的主体区与国家高质量发展的战略核心区，在增强区域经济活力与提升区域经济效率方面发挥着重要作用。因此，多时间尺度分析城市群空气质量演化特征，对城市群大气污染治理、环境规划及城市化发展具有重要参考价值。但迄今为止，关于城市群空气质量分析研究主要集中在京津冀、长三角、珠三角等区域16-17，对于长株潭城市群空气质量在不同时间尺度上的动态演化过程与特征分析研究则甚少涉及。鉴于此，本研究基于长株潭城市群2015年5月至2021年7月空气质量指数、常规污染物逐时监测数据，对长株潭城市群空气质量不同时间尺度的变化特征进行分析，以期为开展大气联防联控相关工作的实施与空气质量的改善措施提供科学依据。1 区域概况长株潭城市群位于湖南省中东部，地理位置东经1115511558，北纬26032830。东邻江西省，西靠益阳市和娄底市，北接岳阳市，南依衡阳市和郴州市，包括长沙、株洲、湘潭三个省辖市。区域面积约为2.8万km2，属于湘江下游，湘江自南向北流经三市中心，是湖南省经济发展的核心增长极18。2007年，国务院批准设立长株潭城市群为资源节约和环境友好型社会建设综长株潭城市群空气质量时间特征研究郝丽婷53合配套改革试验区，要求加快形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式、生活方式。长株潭城市群作为我国中部六省城市中全国城市群建设的先行者、中部崛起的中坚力量，其空气质量研究在全国大气污染联防联控机制研究及“两型”社会建设中的重要作用不言而喻。2 资料与方法2.1 数据来源本研究从中国环境监测总站全国城市空气质量实时发布平台（http:106.37.208.233:20035/）收集了长沙、株洲、湘潭三市自2015年5月至2021年7月逐时空气质量指数、常规污染物（PM2.5、PM10、O3、CO、SO2、NO2）浓度数据。研究区内分布24个地面监测点，具体如下：长沙市有经开区环保局、高开区环保局、马坡岭、湖南师范大学、雨花区环保局、伍家岭、火车新站、天心区环保局、湖南中医药大学、沙坪；株洲市有天台山庄、株冶医院、市四中、火车站、市监测站、大京风景区、云田中学；湘潭市有板塘、市监测站、江麓、岳塘、科大、昭山与韶山。根据HJ 6632013环境空气质量评价技术规范要求，各监测点空气质量指数及常规污染物小时浓度监测数据为整点时刻前1 h时段内监测点污染物浓度的算术平均值。2.2 空气质量指数评价空气质量指数用于定量描述空气质量状况，将专业性较强的空气质量监测结果转换成一个无量纲的指数，能够较好地反映出某一地区各污染物的浓度，根据AQI大小将空气质量状况划分为“优、良、中、差”等通俗易懂的等级19。AQI首先计算各参评因子（CO、NO2、SO2、O3、PM2.5、PM10）的空气质量分指数（Individual Air Quality Index，IAQI），然后以各IAQI的最大值作为AQI的值。计算公式：()HiLopPLoLoHiLoIAQIIAQIIAQICBPIAQIBPBP=+（1）123AQImax IAQI,IAQI,IAQI,IAQIn=（2）式中：IAQIp污染物P的空气质量分指数；CP污染物P的质量浓度值；BPHi与CP相近的污染物浓度限值的高位值；BPLO与CP相近的污染物浓度限值的低位值；IAQIHi与BPHi对应的空气质量分指数；IAQILO与BPLO对应的空气质量分指数；n污染物项目。当 AQI50 时，IAQI的最大值即为首要污染物，若存在两项或两项以上IAQI最大时，则为并列首要污染物；当IAQI100 时，为超标污染物20-21。3 结果分析3.1 长株潭城市群AQI日变化一年中不同季节的气温、降水、光照等自然因素以及人类活动强度存在着差异，对不同类别污染物的排放、分解及扩散会生产影响，进而影响区域空气质量。为了揭示研究区域空气质量日内的变化特征，分析了不同季节中AQI一天内逐时变化，具体见图1。从图中可以发现：在同一季节中，研究区域内的长沙、株洲、湘潭的AQI日内变化具有很好的一致性。这显然与同一季节的自然因素（如大气环流场、气温日内变化等）相近有关。AQI日内变化均呈现出“双峰型”特征，最高值均出现在夜间9时附近，次高值出现上午11时附近。在亚热带季风气候区的南京22、衡阳23等地AQI日内变化均存在双峰型的特征，这主要是一天内气温变化引起大气运动及人类活动综合作用的结果。AQI日内变化幅度秋冬较春夏显著，进一步计算显示，春季、夏季时AQI日内变化范围分别在5379、3554，日较差最小；秋季、冬季AQI日内变化范围分别在5289、68119，日较差最大时约为51。3.2 长株潭城市群AQI周内变化通常，双休日制度（周末：周六和周日；工作日：周一至周五）下，工作日因排放的大气污染物增加，空气质量会下降，而周末由于排放大气污染物减少，空气质量会改善，即表现出“周末效应”现象24。考虑到同一季节中自然条件对空气质量的影响相近，分析了不同季节研究区域AQI一周内的变化特征（见图2图4）。春季时，AQI的值在5673，且在周一至周三区间呈现增长趋势，并均在工作日达到一周最大值，这可能是因为星期一为工作日的开始，人类活动逐渐增强，因此，导致空气质量指数值升高；夏季时，AQI周内变化较小，AQI的值在3857，其中8月份时周际变化波动性最弱，一周内AQI的值处于4557。这可能源于研究区内夏季太阳的辐射较强，气温升高，大气的稳定性被破坏，空气对流增强产生的空气垂直湍流有利于近地层空气中的悬浮颗粒物向上扩散而被带到高空稀释，使得颗粒物质量浓度降低25；就秋季来看，周内变化曲线与8月相似，10月时AQI值便有所回升，并且工环境科学导刊第 42 卷第 4 期2023 年 8 月54作日高于双休日，到11月后，AQI指数变化明显，最大值超过80。1月在周五附近出现最小值，最大值出现在周三，周一至周日变化整体呈倒“Z形”。冬季气候变冷，温度降低，空气中的对流作用就会相对减弱，影响近地面的大气颗粒物浓度，从而影响空气质量指数。将三个城市AQI周内变化曲线对比可以看出，长沙与湘潭周内变化情况极为相似，其中两个城市春冬季节AQI最大值都出现在周三，夏季最大值出现在周一，秋日AQI最大值则出现在周日；株洲大部分月份的AQI周内变化曲线都呈现出双休日工作日的趋势。3.3 长株潭城市群AQI逐月变化图5给出了研究时段内长株潭AQI逐月变化情况。可以发现，一年中研究区域内三市的AQI均呈现出“U”型变化特征，每年11月至次年1月AQI偏高，1月出现峰值，2月后开始逐渐降低，58月大部分情况下，空气质量指数低于85，该时段，气温升高，大气层结变得不稳定，利于污染物扩散，另外夏季风形成大量降水，雨水的冲刷对空气污染起到很好的净化作用26，即秋冬高、春夏低，这与其它研究结论是一致的27-28。另3月6月0000000000002222222222224444444444446666666666668888888888881010101010101010101010101212121212121212121212121414141414141414141414141616161616161616161616161818181818181818181818182020202020202020202020202222222222222222222222229月8070605080706050807060506050403060504030605040309070503090705030907050301301301301001009090707070505050春季夏季秋季冬季4月7月10月12月1月2月5月8月11月AQIAQIAQIAQIAQIAQIAQIAQIAQIAQIAQIAQI图1 长株潭城市群不同季节AQI日内变化90100外，三市AQI年内、年际具有同步变化趋势显然与研究区地形相对平坦、城镇密集、污染物排放相互影响、层层迭加的特点密不可分29。研究时段内，株洲AQI最大值达到144，出现在2017年1月；长沙与湘潭AQI最大值分别约为135、129，前者出现在2017年1月，后者出现在2019年1月。3.4 长株潭城市群空气质量等级变化为了进一步揭示研究时段内区域空气质量的具体情况（见图6图8），对应的空气质量等级进行了计算。研究时段内，长沙、株洲、湘潭三地空气质量状况多为优良级别，占比均在80%以上，其中株洲空气质量最佳，在2020年空气质量等级为优时长占比超过90%；湘潭与长沙不同空气质量等级占比接近；长沙空气质量相对较差，重度污染级别空气质量占比最大时超过3%，出现于2017年，轻度污染及以上等级占比最大年份为2016年，占比高 达22%。从长株潭城市群整体来看，从2016年起，三地优良级别空气质量所占比例逐年递增，2020年空气质量则具有明显的改善，可能源于疫情期间工业停产等措施导致人为排放减少，使得部分大气污染物减少，人为排放污染物的减少。长株潭城市群空气质量时间特征研究郝丽婷554月10月1月7月3月8010014060709012050608070100405060805060309月12月6月5月11月2月8月AQIAQIAQIAQISumSumSumSumMonMonMonMonTueTueTueTueWedWedWedWedThuThuThuThuFriFriFriFriSatSatSatSatSumSumSumSumMonMonMonMonTueTueTueTueWedWedWedWedThuThuThuThuFriFriFriFriSatSatSatSat4月7月3月80607050604050306月5月8月AQIAQI10月1月100140901208070100608050609月12月11月2月AQIAQI图2 长沙AQI周内变化图3 株洲AQI周内变化3.5 污染物演变趋势分析研究时段内，长沙、株洲、湘潭三市各项污染物变化趋势见图9。PM2.5和PM10的平均浓度为46.2 g/m和66.5 g/m，分别超过国家空气质量二级标准（35 g/m和70 g/m）1.32倍和1.9倍。PM2.5浓度和PM10浓度的波动范围分别在2.67427.3 g/m和1.3677.7 g/m，峰值均出现于2017年1月28日，与三市AQI峰值出现的时间几乎一致。SO2和NO2的平均浓度分别达到12.99 g/m 和31.44 g/m，SO2、NO2浓度的最高值为245.3 g/m、135.3 g/m，均出现在2016年2月8日。CO浓度和O3浓度在此过程中的平均值为0.84 mg/m和54.64 g/m。CO浓度最高值为2.87 mg/m，出现在2015年12月12日21时，而O3浓度峰值可达244.3 g/m3，出现在2019年9月29日14时。长株潭城市群工业发展及工业布局是影响各类污染物浓度的变化的内环境科学导刊第 42 卷第 4 期2023 年 8 月56SumSumSumSumMonMonMonMonTueTueTueTueWedWedWedWedThuThuThuThuFriFriFriFriSatSatSatSat4月7月3月80607050604050306月5月8月AQIAQI10月1月100140901208070100608050609月12月11月2月AQIAQI图4 湘潭AQI周内变化在因素。长株潭区域工业开发长期保持高水平集聚，加上夏季相对湿度、风速等气象条件年际变化剧烈，秋季降水量较少，部分污染物的扩散与沉降过程相对滞后，于是各类污染物浓度时空变化存在显著差异30。随着长株潭两型社会示范区建设进入新阶段，政策驱动促进区域污染治理力度提高，产业结构调整、工厂搬迁、工业能耗降低、重点污染源整治等一系列措施促使长株潭空气质量好转，但复杂的大气复合污染和二次细颗粒物依旧是大气污染形成的主要原因。优良轻度污染中度污染重度污染100806040200不同空气质量等级占比/%2015年 2016年 2017年 2018年 2019年 2020年 2021年 图8 湘潭市长沙市空气质量等级占比不同空气质量等级占比/%优良轻度污染中度污染重度污染2015年 2016年 2017年 2018年 2019年 2020年 2021年 100806040200图6 长沙市空气质量等级占比长沙株洲湘潭15013011090705030AQI2015年2016年2017年2018年2019年2020年2021年图5 长株潭城市群AQI逐月变化优良轻度污染中度污染重度污染57 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 111 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 72015年 2016年 2017年 2018年 2019年 2020年 2021年 不同空气质量等级占比/%100806040200图7 株洲市空气质量等级占比长株潭城市群空气质量时间特征研究郝丽婷57为揭示长沙、株洲、湘潭三市AQI与各项污染物的关系，对各污染物与AQI的相关系数进行计算，结果见表1。表1 污染物描述性统计均值标准差最小值最大值Pearsons r调整后R2PM2.546.2034.122.67427.330.9710.942PM1066.5243.851.33677.670.8900.793SO212.998.612.00245.330.3660.134NO231.4417.362.33135.330.5490.302O354.6439.612.67244.330.5850.342CO0.840.260.122.87-0.0940.009由表可见，PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2、CO与AQI的相关系数逐渐减小，除CO外均通过了0.05显著性水平的双尾检验。通过AQI与PM2.5、PM10等污染物之间进行线性分析可知，空气质量指数的变化与PM2.5质量浓度变化具有强相关性，当AQI值增大时，PM2.5浓度也呈现增大趋势，空气质量差的区域PM2.5则呈现高值，这与我国大部分空气污染重点区域目前仍以大气颗粒物中的细颗粒物为主的结论一致31，而SO2、NO2等污染物的浓度与AQI值的变化相关性相对较弱。PM2.5为机动车尾气、道路扬尘、工业粉尘等一次污染物和经化学反应和光化学反应生成的硝酸盐、硫酸盐等二次污染物的混合物，而NOx和挥发性有机物（VOCs）为汽车、工厂等污染源排入大气的一次污染物，其需要在阳光作用下发生光化学反应才会生成二次污染物，因此，它们对AQI值的影响程度具有一定的差异。4 结论（1）长株潭三个城市AQI日内变化情况整体来看基本趋于一致，25月日内波动较小，69月日内变化均呈现先将后升趋势，12月翌年1月为一年中空气质量最差的时段。（2）春季时，AQI在周一至周三区间呈现增长趋势，并均在工作日达到一周最大值，秋日AQI最大值则出现在工作日；株洲大部分月份的AQI周内变化曲线都呈现出双休日工作日的趋势。（3）三个城市空气污染水平依次为长沙湘潭株洲；三市AQI整体呈“U”型趋势，空气质量都具有整体向好的趋势，但持续五年内AQI最大值均高于100，均在1月出现峰值。（4）2016年起，三地优良级别空气质量所占比例逐年递增。长沙、株洲、湘潭三地空气质量状况多为优良级别，占比均在80%以上，其中株洲市空气质量最佳，湘潭市次之，长沙市相对较差，重度污染级别空气质量占比最大时超过3%，轻度污染及以上等级占比最大年份占比高达22%。（5）长沙、株洲、湘潭三市PM2.5和PM10的平均浓度为46.2 g/m和66.5 g/m，AQI与PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3的浓度存在正相关性、与CO呈极弱负相关，空气质量指数的变化与PM2.5浓度变化具有一致性。参考文献：1 李惠娟,张玉,张晓怡.空气质量的影响因素分析以江苏省13个城市为例J.生态经济,2019,35(3):201-205.2 赵秀玲,李伟,王伟民,等.我国典型城市空气质量演变及其调控以深圳市20002017年为例J.生态学报,2020,40(17):5894-5903.3 郭施宏,吴文强.中国大气污染治理效率与效果分析基于超效率DEA与联立方程模型J.环境经济研究,2017,2(2):108-120.4 王耀庭,殷振平,郑祚芳,等.基于长时序“地-星”数据的京津冀大气污染时空分布及演变特征J/OL.环境科学:1-192022-03-03.5 贾佳,丛怡,高清敏,等.中原城市冬季两次重污染形成机制及来源J.环境科学,2020,41(12):5256-5266.6 郑小华,李明星,刘慧,等.汾渭平原空气质量的时空特征及其与气象因子的关系J.环境科学学报,2020,40(11):4113-4121.7 Wang Shijin and Hua Guihong and Li Cunfang.Urbanization,Air Quality,and the Panel Threshold Effect in China Based on Kernel Density EstimationJ.Emerging Markets Finance and Trade,2019,55(15):3575-3590.8 柏玲,姜磊,周海峰,等.长江经济带空气质量指数的时空特征及驱动因素分析基于贝叶斯空间计量模型的实证J.地理科学,2018,38(12):2100-2108.9 贺祥,林振山,刘会玉,等.基于灰色关联模型对江苏省PM2.5浓度影响因素的分析J.地理学报,2016,71(7):1119-1129.10 刘华军,孙亚男,陈明华.雾霾污染的城市间动态关联及其成因研究J.中国人口资源与环境,2017,27(3):74-81.11 Tan Jianhua and Tan Zhidong and Chan Kam C.The impact of 160120804008040020100浓度/（g/m3）2015201620172018年份201920202021PM2.5PM10NO2O3COSO21.20.90.6CO浓度/（mg/m3）图9 污染物浓度演变趋势环境科学导刊第 42 卷第 4 期2023 年 8 月58a tournament approach on environmental performance:the case of air quality disclosure in ChinaJ.Applied Economics,2021,53(18):2125-2140.12 黄晓虎,韩秀秀,李帅东,等.城市主要大气污染物时空分布特征及其相关性J.环境科学研究,2017,30(7):1001-1011.13 康恒元,刘玉莲,李涛.黑龙江省重点城市AQI指数特征及其与气象要素之关系J.自然资源学报,2017,32(4):692-703.14 符建华,周方召.中国省域空气质量测度及影响因素分析J.城市问题,2020(5):20-27.15 陈文婧,王丹丹,陆瑜心,等.第24届冬奥会举办地空气质量特征及环境因子响应机制J.西北林学院学报,2021,36(2):1-10.16 徐丹妮,王瑾婷,袁自冰,等.汾渭平原复杂地形影响下冬季PM2.5污染分布特征、来源及成因分析J.环境科学学报,2021,41(4):1184-1198.17 魏琪政,奚钲峰,崔哲.京津冀、长三角、珠三角三大城市群空气质量评价与效率研究J.化学工程与装备,2020(12):311-312.18 朱政.基于有机生长理论的长株潭城市群空间结构研究D.长沙:中南大学,2012.19 中华人民共和国环境保护部.环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行):HJ 633-2012S.北京:中国环境科学出版社,2012.20 何振芳,郭庆春,刘加珍,等.河北省大气污染时空变化特征及其影响因素J.自然资源学报,2021,36(2):411-419.21 郭雯雯,陈永金,刘阁,等.20162019年长江中游城市群空气质量时空变化特征及影响因素分析J.生态环境学报,2020,29(10):2034-2044.22 张玮,郭胜利,申付振,等.南京地区PM2.5和PM10浓度分布特征及与相关气象条件的关系J.科学技术与工程,2016,16(4):124-129.23 黄一民,钟顺清,邹君.我国南方典型工业城市空气质量时间特征研究以湖南省衡阳市为例J.衡阳师范学院学报,2020,41(6):116-122.24 章志芹,唐健,汤剑平.无锡空气污染指数、气象要素的周末效应J.南京大学学报（自然科学）,2007,43(6):643-654.25 李巧云,廖菊阳,刘艳,等.长沙市PM2.5质量浓度及其变化特征J.江西农业学报,2017,29(4):89-93.26 杨云芸,王晓雷,刘云华,等.2013年长株潭空气污染气象成因及其天气学分型研究J.环境科学与管理,2016,41(12):37-41.27 舒卓智,赵天良,郑小波,等.清洁大气背景下贵阳空气质量变化及气象作用J.中国环境科学,2017,37(12):4460-4468.28 付桂琴,张杏敏,尤凤春,等.气象条件对石家庄PM2.5浓度的影响分析J.干旱气象,2016,34(2):349-355.29 何甜,帅红,朱翔.长株潭城市群污染空间识别与污染分布研究J.地理科学,2016,36(7):1081-1090.30 丁莹,冯徽徽,邹滨,等.长株潭城市群气溶胶时空分布与传输规律J.中国环境科学,2020,40(5):1906-1914.31 王跃思,李文杰,高文康,等.20132017年中国重点区域颗粒物质量浓度和化学成分变化趋势J.中国科学:地球科学,2020,50(4):453-468.Study on the Temporal Characteristics of Air Quality in Chang-Zhu-Tan Urban AgglomerationHAO Li-ting,HUANG Yi-min(1.City and Tourism Management Department,Hengyang Normal University,Hengyang Hunan 421002,China)Abstract:Based on the air quality index(AQI)and hourly monitoring data of conventional pollutants from May 2015 to July 2021,the air quality index evaluation method was used to study the temporal succession characteristics of air quality in Changsha,Zhuzhou and Xiangtan urban agglomeration from the perspectives of different time scales,air quality grades and pollutant concentration changes.The results showed that the daily variation of AQI in Changsha,Zhuzhou and Xiangtan presented the characteristics of double peak;The value of AQI in spring showed an increasing trend from Monday to Wednesday,and reached the maximum value of one week on weekdays;The change of AQI in Changsha,Zhuzhou and Xiangtan urban agglomeration showed a trend of decreasing first and then increasing.The air quality of the three cities had an overall good trend,and the proportion of excellent air quality was increasing year by year.The change of air quality index and PM2.5 was consistent with the change of concentration.Key words:air quality index;PM2.5;pollution prevention;time characteristics;Chang-Zhu-Tan urban agglomeration