2018年郑州市空气主要污染物与降水量关系分析及月变化规律

赵军令， 巴红霞

（河南省源镁环保科技有限公司，郑州 450000）

空气中的污染物主要包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等［1-2］. 工业生产、燃烧化石燃料等是空气污染物的主要来源［3-5］. 空气污染物在大气中达到一定浓度后，如果不及时清除，就会对人体造成危害，同时影响交通，给人们日常生活带来不便［6-8］.

当前，空气污染问题越来越受人们的重视，近期越来越多的研究开始关注空气污染物的问题. 目前主要的研究表明，空气污染物浓度与降水量呈负相关关系［9-12］，但相关研究只建立了空气污染物与降水的总体关系，缺乏细致分析城市空气污染物的月动态变化以及空气污染物之间的相关关系，不利于有针对性地治理空气污染物［13-15］.

近年来郑州大力发展经济，但空气污染问题也逐渐暴露出来，《2018 年郑州市环境质量状况公报》（http：//zzepb.zhengzhou.gov.cn/zlbgs/1779814.jhtml）数据与2017年相比，城区PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3年均浓度及特定日均值分别下降4.5%、10.2%、28.6%、7.4%、18.2%、2.5%，空气质量呈改善趋势. 本文以2018年郑州市的降水量数据情况和主要空气污染物浓度数据为研究对象，经过统计计算和Pearson相关系数分析法，分析每种空气污染物的月变化情况，重点分析郑州市主要空气污染物与降水量间关系，同时分析各污染物间相关关系，为今后郑州市空气治理提供理论依据，同时为针对性治理提供参考意见.

1 研究区概况

郑州市为河南省会，是我国重要的交通枢纽，地理坐标东经112°42′～114°14′、北纬34°16′～34°58′. 郑州市属北温带大陆性季风气候，全年平均气温15.6 ℃，8月份温度最高，月平均气温25.9 ℃，1月份温度最低，月平均气温为2.15 ℃，整年日照时间约1 869.7 h.

2 资料与方法

2.1 数据来源

本文研究数据包含两部分，一部分为2018年郑州市每月降水量，一部分为2018年每月主要空气污染物浓度. 数据分别来自于中国气象科学数据共享服务网（http：//data.cma.cn）中的数据和中华人民共和国生态环境部网站（http：//www.mee.gov.cn）中的全国城市空气质量实时数据.

2.2 研究方法

Pearson相关系数法是用来衡量定距变量间的线性关系的有力工具，一般用r表示. 如有两组变量，则设两个变量：x1，x2，x3，…，xn；y1，y2，y3，…，yn.

相关系数计算公式为：

式中：r的变化幅度为-1～1，r 绝对值越接近于1，相关性越强；相关系数大于0，表明两变量为正相关，小于0，表明两变量为负相关.

3 结果与分析

3.1 降水量月动态变化

由图1可见，2018年郑州市降雨总量为640.9 mm. 降雨量随月份的增加呈现先增大后减小的趋势，降雨量主要集中在7、8 月份，分别为146.2 mm 和138.9 mm，两个月份降雨量之和占郑州市全年降雨总量的44.5%. 12月份降雨量最低，为9.4 mm，1月份为9.6 mm，与12月份相接近. 2018年郑州市降雨量最大值是最小值的15.6倍. 总体来看，2018年郑州市降雨量主要集中在夏季，春秋季次之，冬季最少.

3.2 空气主要污染物浓度月动态变化

PM2.5被定义为空气中空气动力学当量直径小于或等于2.5 μm的颗粒物. 由图2（a）可见，2018年郑州市PM2.5浓度随月份变化呈现先降低后升高的趋势. 冬季PM2.5浓度普遍偏高，1月份浓度最高，达117 μg/m3；夏季普遍偏低；9月份最低，为31 μg/m3，最高浓度是最低浓度的3.77 倍. 产生这一现象的原因可能是市民冬季取暖，大量燃烧煤炭等化石燃料，导致空气PM2.5浓度升高.

PM10通常是指粒径在10 μm 以下的颗粒物. 由图2（b）可见，2018年郑州市PM10浓度随月份呈现先降低后升高的趋势. PM10浓度在12 月份达到最高，为148 μg/m3，PM10浓度在7月份达到最低，为66 μg/m3，比最大值低55%. PM10的来源主要机动车尾气和化石燃料不完全燃烧，冬季由于市民出行使用机动车增加，使用较多的化石燃料，从而使空气中PM10增多［16］.

SO2是比较常见的具有刺激性的硫氧化物，可导致环境酸化［17］. 由图2（c）可见，2018 年郑州市SO2浓度除夏季外，其余时间均处在较高水平，1 月份浓度最高，为23 μg/m3，7 月份浓度最低，为5 μg/m3. 重工业排放较多的SO2，由于郑州市大力发展经济，同时吸引较多外资建厂，导致SO2浓度长时间维持在较高浓度.

图1 2018年郑州市月降雨量分布Fig.1 Distribution of monthly rainfall in Zhengzhou City in 2018

图2 2018年郑州市空气主要污染物月变化Fig.2 Monthly changes of major air pollutants in Zhengzhou City in 2018

NO2可造成酸雨，同时对人体有毒害作用，人体大量吸入会损害呼吸道. 由图2（d）可见，2018年郑州市空气中NO2浓度10 月份最高，为71 μg/m3，7月份最低，为34 μg/m3. 通常NO2主要来自化石燃料的燃烧，例如机动车尾气的排放、工业废气的排放等，这可能是冬季空气中NO2浓度较高的原因［18］.

CO是一种毒性气体浓度过高会导致人体缺氧，由图2（e）可见，CO浓度在几种空气污染物中浓度最高，为主要的空气污染物. 2018年郑州市CO浓度1月份最高，由图2（e），为2.9 mg/m3；春季和夏季CO浓度都维持在较低水平，6月份最低，为1.1 mg/m3；1月份CO浓度比6月份CO浓度高164%. 大气中的CO是煤、石油等含碳物质不完全燃烧的产物，汽车废气内含有较多的CO.

臭氧（O3）又称为超氧，长时间直接接触高浓度臭氧会出现疲乏、咳嗽等症状. O3浓度与其他不同，由图2（f）可见，O3在夏季有浓度较高，冬季浓度较低，全年变化范围为52～242 μg/m3. 人为源的O3主要是由人为排放污染物的光化学反应生成［19］.

总体来看，CO和PM2.5在1、2、3、11月和12月为空气中的主要污染物，PM10在4—5月为主要污染物，NO2在9—10月为主要污染物，O3在6、7月和8月为主要污染物. 根据统计数据可在不同时期采取有针对性的措施处理空气中的污染物.

3.3 降水量与空气主要污染物浓度关系

由表1可见，月降水量与PM2.5、PM10和SO2呈极显著负相关（P＜0.01），与NO2和CO呈显著负相关（P＜0.05），与O3呈极显著正相关. 说明除O3外，降雨量大则空气中污染物含量低，降雨对空气污染物有明显的清除作用，降雨对空气的净化有很大帮助.

表1 2018年郑州市月降水量与空气主要污染物浓度之间的相关系数Tab.1 Correlation coefficient between monthly precipitation and concentration of major air pollutants in Zhengzhou City in 2018

3.4 空气主要污染物间相关关系

由表2可见，PM2.5、PM10和CO与NO2均呈显著正相关（P＜0.05），其余污染物之间均呈极显著关系（P＜0.01）.除O3与其余种类空气污染物呈极显著负相关（P＜0.01）外，其余污染物间均为正相关.

表2 2018年郑州市不同种类空气主要污染物间的相关系数Tab.2 Correlation coefficients between different types of air pollutants in Zhengzhou in 2018

综上所述可以看出，空气中的污染物主要来源于工业废气的排放、机动车尾气的排放及人们的日常活动. 夏季空气中污染物浓度较低，冬季空气中的浓度较高，分析原因：一是夏季降雨充沛，空气污染物浓度与降雨量呈负相关，降雨对空气污染物有较好的清除作用；二是冬季人们更多使用汽车等交通工具，还有取暖燃烧化石燃料，增加了空气中的污染物浓度. 结果表明，除O3外，各污染物间存在显著正相关性，降低其中一种污染物的浓度就可降低其他污染物浓度. 故在今后的空气治理中，应加强冬季空气治理，开发新能源代替传统能源，推动新能源汽车的应用，同时做好节能减排工作.