第36卷第1期2021年2月
成都信息工程大学学报
JOURNAL OF CHENGDU UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY
Vol. 36 N o. 1
Feb. 2021
文章编号：2096-1618(2021)014)110七8
危诗敏、冯鑫嫒U2，张铮子1
(1.成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室，四川成都610225;2.上海市气象 与健康重点实验室，上海200030)
摘要：利用2015-2018年四川盆地18个城市空气质量指数（AQI)以及6种大气污染物质量浓度的逐时监测资 料，对四川盆地城市空气质量状况以及A Q I和污染物质量浓度的时空分布特征进行分析。结果表明: 2015-2018
年四川盆地环境空气质量总体趋于好转，A Q I呈逐年减小的趋势，但冬季仍不容乐观。空气质量季节变化明显，冬
季A Q I最高，污染天数出现频率高，秋季A Q I最低，出现污染天数相对较少。A Q I高值区集中在盆地西部和南部地 区，以自贡和成都为高值中心，低值区主要在盆地东北部地区。四川盆地首要污染物以PM25、03、PM,。为主，以
PM25、PM,。为首要污染物出现的频率逐年减少，而以03为首要污染物出现的频率逐年增加，光化学污染正在成为
盆地重要的污染形式。主要污染物质量浓度具有明显的季节变化，不同污染物其质量浓度的季节变化和空间分布
存在差异。
关键词：环境空气质量;AQI；首要污染物；时空分布；四川盆地城市
中图分类号:X513 文献标志码：A
doi ：10.16836/jki.jcuit.2021.01.017
0引言
受特殊地形和气候条件等因素的影响，四川盆地 已成为中国空气污染问题最严重的四大地区之一[1]。随着社会经济的快速发展以及人们生活水平的日益提 高，城市环境空气质量问题及其给人们生活、交通和健 康带来的影响已引起科学界、政府部门和社会公众广 泛的关注[2]。空气质量时空分布特征的研究是解决 大气污染问题的基础，对城市环境空气质量的分析与 预报有宏观的指导意义[3]。从2000年6月开始，中国 政府定期发布主要城市的空气污染指数（a i r pollution index,A P I)，但由于缺少粒径小于2. 5 |x m的颗粒物 (P M25)的数据，政府建议使用空气质量指数（a i r qual-i t y indeX，A Q I)代替API[4]，并于2012年发布了最新的 《环境空气质量标准》（G B3095-2012)[5]，该标准将 A Q I从抽象的空气质量转化为具象的无量纲指数，更 广泛地被公众理解和认可，是反映大气环境质量水平 的重要指标。
目前，国内外不少学者就空气污染问题展开了研 究[6_9]。有研究指出，空气污染在中国呈现出空间聚 集的特征[UM1]，单个城市的空气污染除了受自身的影
收稿日期:2019-12-26
基金项目：国家自然科学基金资助项目（41775147)；国家自然科学 基金重大研究计划资助项目（91644226)；四川省科技计划资助项目 (2019YJ0362)响外，还受到邻近城市的间接影响[12]。近年来不少城 市空气质量得到明显改善[13_M]，多数城市空气质量分 布特征表现为冬春季较差，夏秋季较好[15#]；首要污 染物主要以颗粒物和臭氧污染为主[17_18]，其中〇3污 染已成为继P M25之后，夏季的主要污染物之一[19]；但 P M25污染仍然较为严重，尤其在冬季，是大气颗粒物 污染的高发期[M]，当空气污染级别越重，P M25的二次 转化更加突出[21]。影响空气质量时空分布特征的因 素众多，如气象条件、地理条件以及人类活动等[2]。有研究表明，空气质量与降水量、风速、逆温等气象条 件高度相关P-241。而盆地内降水少、风速小、逆温强、大气层结稳定等是造成该地区大气污染的不利气象条 件[25_26]。同时，还有一些研究关注城市化[27-28]，经济 结构[29]和人口分布对环境空气质量的影响。
城市空气污染是关系到城市发展的突出问题，尤 其是在人口密集的城市中。由于2012年发布的最 新《环境空气质量标准》（G B3095 -2012) [5]的历史很 短，城市空气质量研究中涵盖P M25和其他重要污染物 的时间尺度通常持续时间较短，并且研究集中在单一 年份或较短时期上。同时，不同城市空气质量的时空 分布特征差异很大，研究区域空气质量时空分布特征 及其主导因素对区域环境管理有重要意义。此外，四川盆地特殊的地理特征，盆地内各城市环境空气质量 的特征存在怎样的空间差异仍不清楚。因此，本文基
第1期危诗敏，等：四川盆地城市环境空气质量时空分布特征
111
2015
2016
2017
2018
图2 2015-2018年四川盆地AQ1、空气优良率以及污染率
空气质量具有明显的季节变化，夏、秋季空气质量 较冬、春季好（图3)。空气质量较好的是6、9-10月， 优良率（A Q I U 00)均超过90%，尤其是9月，优良率 高达96.3% ；而污染率（A Q I >100)较高的是丨2-2月， 1月最高，污染率为52. 8%，其次是12月，污染率为 44.4%。其中，空气质量为优时，出现频率最高的是9 月，为52.5% ；空气质量为良时，出现频率最高的是3
月，为68.2% ；轻度污染出现频率最高的是12月，
频率 为29. 5% ；中度和重度污染出现频率最高的是1月，频 率分别为14. 1 %和11.7% ；严重污染只发生在1、2、5、 12月，1月出现天数最多，出现10天，占总天数0.5%, 5月仅出现1天。整体上，冬季出现污染天数最多，其 次是春季、夏季，秋季出现污染天数相对较少。
2环境空气质量概况
2.1空气质量等级
2015-2018年四川盆地空气质量总体趋于良好
(图2)，年均A Q I 由81降至73。近4年平均A Q I 为
79，空气质量优良率为78.7% ，污染率为21.3%。2016 年是一个转折点，年均空气质量达到优良的概率由 2016年（75.5% )开始逐年上升至2018年（82.7% )， 年均污染天气发生的概率由2016年（24.5% )逐年下 降至2018年（17.3%)。由此可见，政府对近年来四 川盆地大气环境的治理取得了一定的成效。
图3 2015-2018年四川盆地空气质量等级占比的逐月分布
于2015-2018年环境空气质量监测站实时发布的空 气质量指数数据，对四川盆地城市环境空气质量状 况、A Q I 、首要污染物及主要污染物质量浓度的时空分 布特征进行研究，以期为大气污染的预防和治理提供 理论依据。
1研究方法
采用四川盆地18个城市环境空气质量监测国控 站的空气质量指数以及大气污染物质量浓度的逐时监 测资料，其中包括6种大气污染物^1\12 5』\1,。、502、
N 02、03和C O 。四川盆地18个城市的地理位置分布
如图1所示。相关数据来自中国环境监测总站的全国 城市空气质量实时发布平台。数据统计起始时间为 2015年1月2日-2018年12月31日，其中2018年12 月22-26日数据缺失，有效天数为1455天，有效数据 比例为99.6%，达到统计标准。
33° N 一 32°N 31°N 30°N 29°N 28°N
102°E
104°E
106°E
108°E
110°E
图1四川盆地18个城市地理位置分布
首要污染物和空气质量的确定依据《环境空气质 量指数（人(^1)技术规定（试行）》（111633-2012)、《环 境空气质量标准》（G B 3095-2012)以及《环境空气质
量评价技术规范（试行）》（H J 663 -2013) H
31 ]。AQI
由空气质量分指数（IAQI )确定，并将其分为优、良、轻 度污染、中度污染、重度污染和严重污染6个级别[3°]。 当城市空气质量级别为优时（AQI 矣50)，无首要污染 物；空气质量级别为良及以上级别时（A Q I >50)，空气 质量分指数（IAQI)最大的污染物为首要污染物，若
IAQI 最大的污染物为两项及两项以上时，并列为首要二期课改
污染物[32]。首要污染物出现频率定义为某污染物作 为首要污染物出现的天数与总有效天数的百分比。其 中，四川盆地首要污染物的确定方法如下：首先，计算 盆地6种污染物的平均质量日浓度；然后，计算6种污 染物的IAQI；最后，确定的IAQI 最大的污染物即为四 川盆地的首要污染物。
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成都信息工程大学学报第36卷
年份
图5 2015-2018年四川盆地不同首要污染物的出现频率
四川盆地不同城市首要污染物出现频率存在差异 (图6)。其中广元、资阳、广安和雅安与盆地整体情况 不同，广元和资阳以〇3为首要污染物出现频率最高， 其次是P M ,。；广安以03为首要污染物出现频率最高， 其次是p
m
2 5；雅安以P M 2 5为首要污染物出现频率最
高，其次是P M ,。。其中自贡和宜宾以？肘2 5作为首要 污染物出现频率超过50%，分别为60. 4%和50. 7% ; 〇3作为首要污染物出现的频率仅次于P M 25，以03为 首要污染物出现频率较高的是资阳和眉山，分别为 35.7%和34. 2% ；以P M ,。为首要污染物出现频率最高 的是资阳，为29.0%。部分城市有出现以、02和S 02
为首要污染物的情况，其中以N 02为首要污染物出现 频率最高的是重庆，为11.3% ；以302作为首要污染物 的城市较少，仅雅安和资阳各出现1天以S 02作为首 要污染物的天气。四川盆地18个城市除广元、广安和 资阳以〇3作为首要污染物出现频率最高外，其他城市 均以P M 2.5作为首要污染物出现频率最高。
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图6四川盆地18个城市不同首要污染物的出现频率
四川盆地18个城市以P M 2 5、P M ,。以及03作为首 要污染物出现的频率较高，因此针对各月四川盆地以
P M 2.5、P M ,。以及03作为首要污染物出现频率进行统计
分析，结果如图7所示。2015-2018年四川盆地10-3 月主要以P M 2 5作为首要污染物，4-9月主要以03作 为首要污染物。以P M 25、03作为首要污染物出现频
四川盆地不同城市空气质量等级占比不同（图 4)。空气质量较好的城市是广元和巴中，优良率均大 于90% ，分别为94. 9%和92.2% ；空气质量较差的城 市是自贡和成都，污染率均大于30% ，分别为37.5% 和33. 8%。其中，空气质量为优时，出现频率最高的是 巴中，为45. 8%；空气质量为良时，出现频率最高的是 资阳，为62.5% ；轻度污染出现频率最高的是成都，频 率为25.6% ；中度和重度污染出现频率最高的是自贡, 频率分别为8.4%和5.9% ；严重污染只发生在成都、绵 阳、宜宾、'庐州、自贡、广元、内江、乐山、眉山、达州10 个城市中，其中泸州、自贡、达州出现天数最多，出现3 天，占总天数〇. 2% ；乐山出现2天严重污染；其余6个 城市仅出现1天。
图4 2015-2018年四川盆地18个城市空气质量等级占比
2.2首要污染物
2015-2018 年 P M 2.5、P M 1()、S 02、N 02、03 和 C 0 作 为首要污染物的出现频率分别为39.0%、15.5%、0%、 0%、24. 2%和0%。引起四川盆地大气污染的首要污 染物主要是P M 2 5、03、P M ,。（图5)。以P M 2 5为首要污 染物出现频率最高，其次是〇3。但2015-2018年以 P M 2 5、P M I ()为首要污染物出现的频率整体上呈逐年减 少。其中，以P M 2 5为首要污染物出现的频率在长丰cs7
2015- 2016年略有增加，之后从2016年44. 8%减少至2018 年33. 1% ；以P M ,。为首要污染物出现的频率从2015 年20. 9%减少至2018年10. 6%。以03为首要污染物 出现的频率整体上呈逐年增加趋势，从2015年的 15.4%增加至2017年的30.4% ,2018年较2017年略 有下降，频率为29.7%。整体上看，2015-2018年以 P M 2 5S 首要污染物出现的频率最多，而2017-2018年 以03为首要污染物出现的频率仅次于以P M 2 5为首要 污染物出现的频率。四川盆地在近4年来以P M 2.5、 P M ,。为首的大气污染物得到了有效的控制，但〇，对盆 地内大气污染呈增强的趋势，表明以03为主要污染物 的光化学污染正在成为盆地越来越重要的污染形式。 近年来，不少地区以03为主要污染物的情况在逐年增 加[15.32-33]
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第1期危诗敏，等：四川盆地城市环境空气质量时空分布特征113
率的月变化均呈单峰型分布，但曲线形态相反。以
p m
2.5作为首要污染物出现频率的月变化呈U 型分布，
二郎山隧道
1月频率最局，频率局达80. 1%,7月最低，频率为 4.2% ；以03作为首要污染物出现频率的月变化呈倒
U 型分布,7月频率最高，频率为64. 9%，12月和1月
最低。以P M W 作为首要污染物出现频率的月变化呈 双峰型分布，1月开始以P M W 作为首要污染物出现的 频率缓慢上升，在3月出现频率最大值（22.6%)，随 后频率减小至8月出现频率最小值(4.
0% )，8月后频 率缓慢上升，至11月出现次峰值（19. 5%)，之后频率 减小至次年1月。
图7 2015-2018年四川盆地首要污染物出现频率的逐月分布
3 A Q I 时空分布特征
哥本哈根协议3.1 A Q I 月变化
四川盆地A Q I 月变化曲线大致呈U 型，冬春季 高，夏秋季低（图8)。12月和1月A Q I 较高，尤其是1 月，A Q I 为119，其中，2015年1月达州和自贡A Q I 均 大于190，分别为192和191。1月之后A Q I 逐月下 降，9月A Q I 最低，为45，其中，2015年9月雅安和 2017年9月巴中A Q I 最低，均为35。9月后A Q I 迅速 上升。A Q I 存在明显的季节性规律，整体上秋季AQI 较小，冬季A Q I 较大，春夏季变化不大。春、夏、秋、冬 季A Q I 平均值分别为77、70、62、107，冬季A Q I 显著高 于其他季节，其中，2015年达州冬季A Q I 高达136, 2017年巴中秋季A Q I 最低，为38。夏季A Q I 高于秋 季可能与夏季〇3污染较为严重有关。原因是夏季高 温有利于光化学反应，使得〇3浓度增加，且夏季的首 要污染物以03为主，促进S 02、NC ^、V O C s 等气态污染 物向P M 25转化，引起A Q I 升高[34\
图8 2015-2018年四川盆地AQI 逐月分布
3.2 A Q I 的空间分布
由于四川盆地18个城市社会经济发展状况、城市 化程度不同以及地形地理条件的差异，A Q I 的分布存
在着一定的空间差异（图9)。年平均A Q I 高值区主要 集中在盆地西部和南部地区，这些地区城镇化发展较 快，人口密度大，工业发达。其中年平均A Q I 最大值 出现在自贡，为98，其次是成都，年平均A Q I 为92，眉 山和德阳年平均A Q I 为86。年平均A Q I 低值区主要 集中在盆地东北部地区以及雅
安，最小值出现在巴中 (年平均A Q I 为59)，其次是广元(年平均A Q I 为63)。
其中，位于盆地边沿的巴中、广元和雅安三市A Q I 小 于70，大气污染程度相对较轻（图4)，可能原因是其 海拔高度相对较高（>500m )，植被的覆盖率相对较 高，对大气污染的自然净化能力较强，人口密度也相对 较小。
3.3空间分布的季节差异
从A Q I 的季节分布来看（图1〇) , A Q I 存在明显的 季节性规律，整体上秋季A Q I 较小，冬季A Q I 较大。 四季A Q I 空间分布特征与全年基本一致，即呈现出西 南中部地区A Q I 高于东北部地区，但不同季节略有差 异。春季A Q I 高值区集中在自贡、成都、眉山，低值区
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114成都信息工程大学学报第36卷
32° N 31°N
30° N 29° N 28°N
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106°E 108°E
110°E张勃兴
(c )秋季
图 10 2015-2018 年四
4主要污染物质量浓度时空分布
2015-2018年四川盆地以P M 25、03、P M 1Q 为首要
污染物出现的频率较高，将3类大气污染物作为主要 污染物统计分析其质量浓度的时空分布特征。4.1主要污染物浓度的空间分布
不同污染物的质量浓度空间分布存在显著差异。 如图ll (a ~b )所示，四川盆地P M 25W P M ,。为主要超 标污染物，18个城市中只有广元和巴中P M 25和 P M ,。 年平均质量浓度均未超过国家二级标准（分别为
32。N
30° N 29° N 28° N
102°E
104°E
106°E 108°E
110°E
(d )冬季
也各季节A Q I 空间分布
35 pg /m 3和70 |xg /m 3)m ，其余城市均超过国家二级
标准，且2种污染物年均质量浓度的空间分布较为一 致。P M 25f t P M ,。年均质量浓度最大值均出现在自贡 (分别为67.6|〇^1113和95.5(1^1113)，其次是成都（分 别为55.2 pg /m 3和91.9 |〇_§/1113);?1\425和？]\1,。年均质 量浓度最小值分别出现在广元和巴中（分别为 23.8 |xg /m 3和54.9 (J L g /m 3)。如图 11 (c )所示，03质 量浓度高值区较为集中，主要分布在盆地西部资阳、眉 山和成都，这与李波兰等[35]对四川省臭氧时空分布特 征的分析结果一致。〇3年均质量浓度最大值出现在 资阳（100.8 j j i g /m 3)，最小值在巴中（69.4|xg /m 3)。
31°N 30° N 29。N 28。N
102° E
104°E
106°E 108°E
110°E
(a )春季
33°N 31°N 30° N 29° N 28。N
102°E
104°E
106°E 108°E
110°E
(b )夏季
33°N ；3；rN
33。N
位于巴中、雅安、广元，最大值出现在自贡，为93，最小 值在巴中，为57。夏季A Q I 高值区发生变
化，主要集 中在成都、眉山、德阳，A Q I 最大值出现在成都，为88; 低值区与年平均A Q I 分布一致，最小值在巴中，为51。 从春季到夏季除重庆和广安外，其余16个城市A Q 1 均有不同程度的减少，其中自贡和宜宾A Q I 减少最为 明显（自贡由春季93减少至夏季75；宜宾由春季80 减少至夏季66)。秋季A Q 丨高值区和低值区与年平均
A Q I 分布较为一致，西南中部地区A Q I 高于盆地东北
部地区，A Q 1最大值和最小值仍然在自贡和巴中，分别
为83和44。值得注意的是，自贡、雅安和宜宾3个城 市从夏季到秋季A Q I 是增加的，表明这3个城市AQI 最小值出现在夏季。冬季A Q I 骤然增大，有11个城 市A Q 1大于100(成都、绵阳、宜宾、泸州、自贡、德阳、 南充、内江、乐山、眉山和达州），并且A Q I 高值区与年 平均A Q I 有差异，主要集中在自贡、达州、宜宾，但最 大值仍然为自贡,A Q 1高达141，达州A Q I 也高达122; 低值区主要集中在广元、巴中和遂宁，最小值出现在广 元，为76。
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