郑州市空气质量时间变化动态及影响因子研究
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摘要 以国家环保总站的监测数据为基础，分析了2014年1―12月郑州市空气质量指数的日变化和月变化规律，采用单因素评价法，研究了郑州市PM10、PM2.5、SO2、NO2、和CO与空气质量的相关性。结果表明，郑州市每月均有不同次数的污染过程出现，1月、11月空气质量指数大于100的天数最多，分别为25、24 d，其次为10月、12月的21 d，7月轻度污染出现的天数最少，仅为5 d。郑州市1―12月空气质量指数的日均值与其PM10、PM2.5、SO2、NO2和CO的相关性研究结果表明，PM10和PM2.5与空气质量指数呈极显著线性相关，CO和NO2与空气质量指数相关性不显著，SO2与空气质量指数呈显著指数函数相关。
中图分类号 X823 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）14-0213-03
Study on Temporary Changes and Its Impacting Factors of Atmospheric Quality in Zhengzhou City
ZHENG Jing-gang
（School of Urban Planning Landscaping，Xuchang University，Xuchang Henan 461000）
Abstract Based on the detected data of national environmental station，the daily changes，and monthly changes of atmospheric quality index from January to December in 2014 were analyzed，and the correlation of PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO and atmospheric quality index were discussed.The results showed that there was different frequency pollutant process in each month.The days of atmospheric quality index more than 100 were 25 and 24 days that is recorded in November and January，next to 21 days in October and December.In contrast，only 5 days were recorded in July.There was a significant linear correlation of PM10 and PM2.5 atmospheric quality index.However，there were not significant correlation of SO2，NO2 and atmospheric quality index.Moreover，there was significant exponential function correlation of CO and atmospheric quality index.
Key words atmosphic quality index；temporal changes；impact factors；Zhengzhou Henan
空气质量指数是定量描述空气质量状况的无量纲指数[1]，参与空气质量评价的主要污染物有PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3和CO。空气质量按照空气质量指数大小分为6级，即0～50、51～100、101～151、151～200、201～300和大于300 6档，与空气质量的优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染6个类别相对应，指数越大，级别越高，表明空气污染越严重，对人体的健康危害越大[2]。
围绕城市空气质量与影响因子研究，国内外学者做了大量研究。Jamie等[3]通过对英国5个城市的研究，确定了城市密度与其生态环境指标之间的关系。Gretchent 等[4]通过对亚特兰大12种空气污染物的长期监测，分析了各类空气污染物所承担的健康风险率之比的各种误差，以及与其真值之间的关系。茆长荣等[5]研究了合肥市2001―2003年PM10的时空分布特征，分析了的PM10形成原因及影响因素。王伟武等[6]认为，杭州市空气中的SO2、NO2、O3浓度受人为的生产、生活和交通的不同程度的影响，其中，地表温度、城镇建设用地比例、人口密度、道路比例是影响SO2、NO2、O3浓度分布的重要因子。王 岩等[7]分析了聊城市超标污染物与交通流量之间的关系，研究结果表明，PM10浓度与交通量有较高的相关性，而CO浓度与交通量无显著相关性。
近年来，随着经济的快速发展，郑州市的人口和城市规模迅速增加，其大气环境污染也日益加剧。李 钢等[8]运用灰色预测建立了GM模型，预测了郑州市未来3年PM10、SO2、NO2浓度的变化趋势，他们认为，郑州市未来空气主要污染物为PM10，城市空区污染属典型煤烟型污染。薛帅征等[9]研究了2009―2012年郑州市空气质量的季节变化规律，结果表明，郑州市空气质量夏季最好，秋、春季次之，冬季最差。
本文以国家环保总站的监测数据为基础，分析了2014年1―12月郑州市空气质量指数的日变化、旬变化和月变化规律；同时，采用单因素评价法，研究了郑州市PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO与空气质量的相关性，并构建了其数学模型，以期改善郑州市大气环境质量提供科学依据。
1 资料与方法
1.1 研究区概况
郑州市位于河南省中部偏北，地理位置为东经112°42′～114°14′，北纬34°16′～34°58′，北临黄河，西依嵩山。郑州市属暖温带大陆性气候，其特点是春季多风，冷暖多变；夏季炎热多雨，水热同期；秋季清爽，日照充足；冬季干燥，风多雨少。全年主导风向SSE，冬季主导风向WNW。年平均气温14.4 ℃，7月最热，平均气温27.3 ℃，1月最冷，平均气温0.2 ℃，年平均降雨量为640.9 mm，无霜期220 d，全年日照时间约2 400 h，全市总面积7 446.2 km2，市区面积1 010.3 km2，全市总人口697.7万人，中心城区人口322万人。
1.2 研究方法
郑州市2014年1―12月每日大气的PM10、SO2、NO2、CO浓度数据来源于国家环保总站，每日空气质量指数和PM2.5浓度数据由当日环保总站提供的小时浓度计算其平均值获得。
2 结果与分析
2.1 郑州市空气质量日变化
以天数为横轴，以郑州市1―12月每日空气质量指数为纵轴，绘制了郑州市1―12月空气质量指数逐日变化曲线（图1）。
1月空气质量指数大于100的天数达到了24 d，1月共出现了4次污染过程，分别是4―11日、13―19日、22―24日和26―31日。2月空气质量指数大于100的天数为20 d，2月出现了4次污染过程，分别是1―3日、7―8日、12―17日和19―27日，1―3日的污染过程虽然较短，但空气质量指数却高达200，明显高于7―8日的135。3月空气质量指数大于100的天数为16 d，先后发生了6次污染过程，即1―4日、9―10日、13日、16―19日、25―26日和29―31日。虽然9―10日和25―26日的污染时间都持续了2 d，但前后2次的污染程度差异显著，9―10日的空气质量指数日均值为124，而25―26日的空气质量指数日均值高达195，二者相差了71。4月空气质量指数大于100的天数为20 d，先后出现了6次污染过程，即1―5日、7―10日、12―13日、15―18日、20―22日和29―30日。其中，12―13日的污染最严重，空气质量指数日均值高达157。5月空气质量指数大于100的天数为13 d，先后出现了3次污染过程，即1日、18―22日、25―31日。6月空气质量指数大于100的天数为15 d，先后出现了3次污染过程，1日、6―11日、13―19日和30日。7月空气质量指数大于100的天数为5 d，共出现了2次污染过程，6―7日的污染过程持续2 d，空气质量指数日均值为114，13―15日污染过程持续3 d，其空气质量指数日均值为122。8月空气质量指数大于100的天数为8 d，先后经历了4次污染过程，即1―2日、9―11日、14日和18―19日。9月空气质量指数大于100的天数为9 d，先后经历了3次污染过程，即1日、7―10日和24―27日。10月空气质量大于100的天数为21 d，先后经历了3次污染过程，即3―11日、17―26日和29―30日，其中，3―11日的污染过程持续了9 d，其空气质量指数日均值高达188， 17―26日的污染过程持续了10 d，其空气质量指数日均值为165，29―30日的污染过程虽然只持续了短短2 d，但空气质量指数也高达185。11月空气质量大于100的天数为25 d，先后经历了4次污染过程，即1日、4―6日、9―11日和14―30日，其中14―30日的污染过程持续了17 d，空气质量指数日均值高达214，在此过程中，21日、22日2 d的空气质量指数分别达到400和412，空气污染程度达到严重污染等级。12月空气质量大于100的天数为21 d，先后经历了5次污染过程，即2―3日、6―10日、14―15日、18―20日和23―31日，其中23―31日的污染过程持续了9 d，其空气质量指数日均值高达183。
2.2 郑州市空气质量月变化
为了研究郑州市空气质量的月变化规律，计算了郑州市2014年1―12月各月空气质量指数的日平均值，绘制了郑州市1―12月空气质量月变化曲线，如图2所示。可以看出，郑州市1―12月空气质量月变化可以划分为3个阶段，即缓慢下降、相对稳定和急剧上升。其中，1―7月为缓慢下降阶段，空气质量指数由1月165下降为7月的86，月均下降幅度约为11；7―9月3个月空气质量指数无显著变化，其月均值为85；9―11月为急剧上升阶段，空气质量指数由9月的84上升到11月的170，上升幅度高达86；与11月相比，12月的空气质量指数又有所下降。同时，1月、2月、11月3个月的误差棒明显高于其他月份，变异系数分别高达45%、47%和50%，显著高于7月的22%。
2.3 郑州市空气质量影响因子分析
为了进一步阐明影响郑州市空气质量的主要大气污染成分，我们采用单因素评价法，研究了郑州市2014年1―12月空气质量指数的日均值与其PM10、PM2.5、CO、NO2和SO2的相关性（图3）。研究结果表明，PM2.5、PM10与空气质量指数呈极显著线性相关，其相关方程分别为：
Y=0.875 5X-21.027 R2=0.966 6
Y=1.053X+19.816 R2=0.850 8
式中，Y分别为PM2.5和PM10浓度，X为空气质量指数。
CO和NO2与空气质量指数呈显著性相关，其相关方程分别为：
Y=1.017 3e0.004 3X R2=0.530 7
Y=23.461Ln（X）-61.828 R2=0.417 2
式中，Y分别为空气中的CO和NO2浓度，X为空气质量指数。
SO2与空气质量指数相关性不明显，其相关方程为：
Y=0.777 5X0.796 3 R2=0.267 4
式中，Y为空气质量指数，X为空气中的SO2浓度。
3 结论与讨论
研究结果表明：2014年1―12月，郑州市每月均有不同次数的污染过程出现，其中，1月、11月空气质量指数大于100即轻度污染出现的天数最多，分别为25、24 d，其次为10月、12月的21 d，再次为2月、4月的20 d，7月轻度污染出现的天数最少，仅为5 d。由此认为，造成这种结果的原因可能主要与气候有关。1月正值郑州市的冬季，燃煤集中供暖增加了空气中的颗粒物及SO2、NO2等污染气体浓度，导致空气污染严重。10月是河南的秋收季节，郑州市及其周边地区农作物的秸秆焚烧必然会加剧郑州市的空气污染。而7月正值盛夏，由于郑州市气候为典型的雨热同季，7月的频繁降雨在很大程度上改善了郑州市的大气环境质量。该结论与薛帅征等[9]的研究结果相一致。
郑州市1―12月空气质量的月变化可划分为缓慢下降、相对稳定和急剧上升3个阶段。其中，1―7月为缓慢下降阶段，7―9月为相对稳定阶段，9―11月为急剧上升阶段。
郑州市1―12月空气质量指数的日均值与其PM10、PM2.5、SO2、NO2、和CO的相关性研究结果表明，PM10、PM2.5与空气质量指数呈极显著线性相关，CO和NO2与空气质量指数呈显著相关，而SO2与空气质量指数相关性不显著。由此可见，影响郑州市空气质量的主要污染物是PM2.5和PM10，该结论与李 钢等[8]提出的郑州市城市污染属典型的煤烟型污染相一致。因此，如果想从根本上改善郑州市的空气质量，必须首先调整能源产业结构，降低燃煤取暖的比重，减少大气颗粒物排放；其次，采取有力措施，将作物秸秆回收处理，进行生物质能深度开发利用，逐步改善郑州市周边地区的大气环境质量。
4 参考文献
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