我国南北方城市空气环境质量对比分析

我国南北方城市空气环境质量对比分析
孙炳彦 1,2,刘连友 *1,2,郭兰兰 1,2,朱孟郡 3,吕艳丽 2
1. 地表过程与资源生态国家重点实验室(北京师范大学 ,北京 (100875
2. 北京师范大学减灾与应急管理研究院,北京 (100875
3. 山东省环境保护科学研究设计院,济南 (250013
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摘要:依据国家环境监测部门公布的空气环境质量日报,对 27个省会城市、 4个直辖市城市的 2004-2006年空气质量数据进行分析。

结果显示:我国城市空气污染指数(API 时空差异明显,冬、春季节 API 值高于夏季和秋季,北方城市的 API 均值高于南方城市; PM 10是大气环境的主要污染物,作为首要污染物出现所占比例南、北方城市分别是 66.64%和 83.97%; SO 2为首要污染物所占比例南、北方城市分别是 7.28%和 6.19%;北方城市平均Ⅰ级和Ⅱ级天数所占百分比之和为 77.00%,重污染级天数所占比例达到 1.02%;南方城市平均Ⅰ级和Ⅱ级天数所占百分比之和为87.24%,重污染天数所占百分比是 0.04%;城市空气质量优、良天数呈增加趋势。

关键词:空气环境质量, API ,可吸入颗粒物,时空差异
随着经济建设的不断发展,人民生活水平的提高,空气质量状况日益为大众瞩目;城市人口密集、工业集中,大量消耗化石燃料,高密度的建筑群又不利于污染物的扩散,大气污染问题十分严重; 同时城市空气环境质量关系着整个地区甚至国家的居民生活质量和经济发展,所以在全球受到普遍关注 [1,2]。

我国正处于城市化发展的高峰期,城市环境污染问题日益突出:20世纪 70年代期间煤烟型污染排放成为中国工业城市的特点; 80年代, 许多南方城市遭受严重的酸雨危害; 近年来, 汽车尾气排放的 NOx 、 CO 及随后形成的光化学烟雾, 使得许多大城市的空气质量恶化 [3]。

近几年一些学者就沙尘天气对城市空气质量的影响作了精深的研究 [4,5]; 对某一城市大气环境污染状况的分析探讨也有很多报导 [6,7], 但对我国城市大气环境整体分
析和区域差异未见研究。

本文在对 2004-2006年我国 27个省会城市和 4个直辖市城市的空气质量日报进行详细分析的基础上, 探讨了我国城市空气环境质量的时空差异。

这些城市在等级级别上处于相同地位,在地理位置、气候、生态环境及产业结构等有一定的代表性,以他们代表全国城市具有普遍意义。

1 数据与方法
1.1数据来源
本文数据源于中国环境监测网站 [8]的空气质量日报,日报发布形式为空气污染指数 (API 、首要空气污染物、空气质量级别和空气质量状况。

API 对应的污染物浓度限值及 API 范围与空气质量状况和污染级别的对应关系分别如表 1、表 2所示。

表 1[9]空气污染指数对应的污染物浓度限值
Table 1 Air pollution index and its corresponding air pollutants concentration
污染物浓度日均值(mg/m3
污染指数
(API SO 2 NO2 PM10
50 0.05 0.08 0.05
基金项目:教育部博士点基金(20040027020和教育部重点项目(104013
第一作者:孙炳彦(1981-,女,山东临沂人,硕士研究生, 主要从事环境生态与土地资源方面的研究。

*通讯作者
100 0.15 0.12 0.15 200 0.8 0.28 0.35 300 1.6 0.565 0.42 400 2.1 0.75 0.5 500 2.62 0.94 0.6
表 2 [9]API 与空气质量状况和污染级别的关系
Table 2 Relationship among range of API, air quality andpollution level
API 空气质量状况污染级别
0~50 优Ⅰ
51~100 良Ⅱ
101~150 轻微污染Ⅲ 1
151~200 轻度污染Ⅲ 2
201~250 中度污染Ⅳ 1
251~300 中度重污染Ⅳ 2
>300 重污染Ⅴ
1.2数据处理方法
以秦岭——淮河一线为界,以北省会城市、直辖市(哈尔滨、长春、沈阳、北京、天津、济南、石家庄、郑州、太原、呼和浩特、乌鲁木齐、西宁、西安、银川、兰州代表北方城市,以南省会城市、直辖市(上海、杭州、南京、合肥、南昌、武汉、长沙、重庆、成都、拉萨、贵阳、昆明、南宁、海口、广州、福州代表南方城市,应用统计学方法对我国城市空气质量的时空特征进行分析。

2 结果与分析
2.1 API的时空变化
对 2004-2006三年 (部分月份数据缺失 31个城市的空气质量日报数据统计分析显示, 北方城市 API 平均值为 90.9,南方城市 API 平均值为 72.0,表明我国北方城市大气环境污染程度相对较高。

各季节 API 均值趋势线如图 1-a 所示,南、北方城市
API 季均值变化趋势完全一致,冬季最高,北方城市的 API 均值是 115.3,南方城市的是 79.3;春季也是一个污染高峰季节,夏季和秋季相对较低, API 均值小于 80,空气质量优良。

图 1-b 显示的是 API 月均值趋势,南、北方城市最大月均值都出现在 12月,最小值出现在 7月, 1月至 4月的 API 平均值也相对较大, 5月至 10月的 API 平均值较小,污染水平低。

北方城市各月均值都比南方城市要高 , 但月份之间变化趋势基本上一致。

12090 60 30 0
150A P I 值
图 1 API季均值、月均值
Fig.1 Diagram of trend of average seasonal and month’s API
2.2首要污染物的空间差异
我国城市首要污染物主要是 PM 10、 SO 2和 NO 2。

数据统计显示 PM 10作为首要污染物出现所占的比例南、北方城市分别是 66.64%和 83.97%; SO 2为首要污染物所占的比例南、北方城市分别是 7.28%和 6.19%; NO 2为首要污染物在南、北方城市出现的比例分别为 0.35%和 0.07%(图 2。

图 2 首要污染物污染数百分比
Fig. 2 Frequency of predominant pollutants pollution days
PM 10作为空气首要污染物出现的几率最高,全国城市的平均值为 75.03%。

在31个城市中空气质量Ⅲ 2以上级别,首要污染物均为 PM 10,由此可见 PM 10是城市空气严重污染的主要污染物。

SO 2为首要污染物的比率全国城市平均值为
6.76%,并且为首要污染物时空气质量大部分是Ⅲ 1以下级别。

NO 2为首要污染物的比率很低, 2004年至 2006年期间 31个城市中只有广州、上海、福州、哈尔滨、呼和浩特、银川和乌鲁木齐 7个城市出现过。

统计分析结果显示(表 3, PM 10作为首要污染物出现比率在 90%以上的城市中,除杭州外均为北方城市; SO 2作为首要污染物出现比率较高的城市除天津和乌鲁木齐外都位于二氧化硫和酸雨控制省份;广州是我国 NO 2为首要污染物出现天数最多的城市,主要原因可能在于广州市能源消耗以燃气为主,且汽车保有量位居全国城市前列。

表 3 PM10、 SO2和 NO2为首要污染物统计情况
Table 3 The situations of PM10、 SO 2、 NO 2 as predominant pollutants
首要污染物 1 2 3 4 5 6 7 PM10 (% 郑州 94.5西安 94.3 西宁 93.8沈阳 92.3 济南 92.3哈尔滨 91.4 杭州 91.2 SO 2 (% 贵阳 33.8乌鲁木齐 29.1 南宁 26.4天津 21.7 广州 18.2长沙 15.5 昆明 12.8广州 70 哈尔滨 7 上海 4 福州 3 呼和浩特 2乌鲁木齐 1 银川 1
2.3空气污染级别的时空特点
2.3.1 空间差异
我国以 API 值为分级标准将空气环境质量划分为 7个级别:Ⅰ (优、Ⅱ (良、Ⅲ 1(轻微污染、Ⅲ 2(轻度污染、Ⅳ 1(中度污染、Ⅳ 2(中度重污染和Ⅴ (重污染 (表 2 。

日报数据统计表明北方城市平均Ⅰ级和Ⅱ级天数所占百分比之和为77.00%, Ⅲ 1以上天数所占百分比为 23.00%, Ⅳ 2以上级别天数占 2.13%,重污染所占比例达到 1.02%(图 3-a 。

南方城市平均Ⅰ级和Ⅱ级天数所占百分比之和为87.60%, Ⅲ 1以上天数所占百分比为 12.40%, Ⅳ 2以上天数占 0.09%,重污染天数所占比例为 0.04%(图 3-b 。

北方城市优、良天气比南方城市少 10.6个百分点,出现严重污染的天数是南方城市的 25倍。

图 3 南、北城市空气污染级别百分比
(3-a 北方城市空气污染级别百分比, 3-b :南方城市空气污染级别百分比
Fig.3 Frequency of air pollution level in the northern and southern cities
(3-a the northern cities, 3-b:the southern cities
2.3.2时间变化
统计 2004、 2005和 2006年 27个省会城市和 4个直辖市的空气质量状况得到:2004年 31个城市的空气质量Ⅰ和Ⅱ级天数所占百分比为 79.54%, 2005年和2006年分别为 83.51%、 84.07%,优良天气呈增加趋势; Ⅲ (Ⅲ 1和Ⅲ 2天数之和由2004年的 19.33%下降到 2005年的 15.63%, 2006年为 14.67%; Ⅵ 1级以上天数所占
百分比 2004至 2006年依次为 1.13%、 0.86%、 1.26%,空气质量状况整体上是改善的。

3 讨论和结论
3.1 讨论
经济发展与环境质量存在一个倒“U” 型的关系——环境库茨涅茨曲线规律[10], 经济发展达到转折点后, 经济增长才有助于改善环境质量。

产业结构、能源结构等都是城市经济发展水平的重要标志, 对城市空气质量起到非常重要的作用。

我国城市产业结构、能源结构等人
文因素的空间差异是造成南北方城市空气质量差异的重要原因。

对我国城市空气质量时空差异的产生具有主导作用的是自然因素,西北干旱区气候干燥,降雨量少,植被覆盖率低,风蚀强烈, 沙尘暴频发, 强劲的西北风可将沙尘粒子长距离输送影响我国东部和南部一些城市, 加剧大气可吸入颗粒物污染 [4,5,11,12]。

北方城市受沙尘天气的影响严重, 南方城市距离风沙源地远,受沙尘天气影响较轻,并且雨水充沛,空气污染较北方轻。

3.2结论
(1 我国城市大气环境时间差异明显,夏、秋两季空气环境质量优于冬、春两季。

(2 以秦岭-淮河为界,我国城市大气环境南北差异明显,北方城市空气质量状况较南方城市差。

产业结构、能源结构等人文因素是造成目前我国城市大气污染现状的重要原因, 自然因素是造成城市空气质量时空差异的主导因素。

(3 PM10是我国城市大气污染的主要污染物,郑州、西安等城市 PM 10为首要污染物的比率达到 90% 以上; SO 2为首要污染物主要出现在酸雨和二氧化硫控制区;广州是以 NO 2为首要污染物出现天数最多的城市。

(4 2004至 2006年我国城市空气质量整体上优良状况呈增加趋势,污染状况呈现降低态势。

参考文献
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The Comparative Analysis of Cities’ Ambient Air Quality in South and North China Sun Bingyan1,2，Liu Lianyou1,2，Guo Lanlan1,2，Zhu Mengjun3，Lv Yanli1,2 1 State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology，Beijing Normal University，Beijing (100875 2 Academy of Disaster Reduction and Emergency Management，Beijing Normal University， Beijing (100875 3 College of Environmental Science and Engineering，Shandong University，Ji’ nan (250013 Abstracts Based on daily air quality monitoring data issued by the Environmental Monitoring Division of China, the ambient air quality of 31 provincial capital cities from 2004 to 2006 was analyzed in this paper. The results indicated that air pollution index (API indicated obvious spatial and temporal variability. The API value in winter and spring was higher than that in summer and autumn, and the mean API value in the northern cities of China was higher than that of the southern cities. PM10 was the principal pollutant in most cities. In the past 3 years, the days with PM10 as predominant pollutant accounted for 66.64% of the whole year in the southern cities and 83.97% in the northern cities; the days with SO2 as predominant pollutant accounted for 7.28% of the whole year in the southern cities and 6.19% in the northern cities. In the northern cities, the percentage of excellent (levelⅠ: API <50 and good (levelⅡ: API 50-100 air quality days was 77.00% of the whole year, and serious pollution (levelⅤ: API >300 rate was 1.02%. In the southern cities, the percentage of excellent (levelⅠ: API <50 and good (levelⅡ: API 50-100 air quality days was 87.24% of the whole year, and serious pollution (levelⅤ: API >300 rate was 0.04%. In general, the percentage of excellent and
good air quality days with an increasing trend. Keywords：ambient air quality，air pollution index，PM10，spatial and temporal variability -6-。