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user: 3. 结果与讨论 3.1. 年际变化特征 表1给出了2015年~2018年华中地区典型城市郑州、武汉及长沙三座城市各级空气级别所占的天数及其优良空气天数所占比例，统计结果表明，郑州年平均I级以上天数为11.5天，II级以上为165天，优良空气比例为45.20%；武汉年平均I级以上天数为52.25天，II级以上为240.75天，优良空气比例为65.96%，各项都优于郑州；长沙年平均I级天数为75.75天，II级以上天数为263.75天，优良空气比例为72.26%，长沙I级和II级所占天数在郑州和武汉之上。通过对华中地区三座典型城市空气质量分析，相对应的平均空气质量良好率最高的是长沙，为72.26%，武汉和郑州次之，分别为65.96%和45.20%。郑州的空气质量在三者的对比分析中为最差，郑州气候属于大陆性季风，常年降水量少，风力小，大气比较稳定，大气悬浮物较难扩散 [ 14 ]，而武汉和长沙都属于降水充沛的亚热带季风气候。截至2017年，郑州、武汉和长沙的汽车保有量分别为282、244和205万辆，郑州的汽车保有量最多，尾气排放较多，加之郑州的大陆性季风气候，使得尾气难以扩散；在十三五期间，郑州煤炭消费量占能源消费总量63.2%，武汉煤炭消费量占能源消费总量38.1%，长沙则为一个能源输入型城市。 Table 1 Days and good rate distribution of air quality levels in three cities from 2015 to 201 郑州 武汉 长沙 2015年(一级/d) 6 32 68 2016年(一级/d) 8 52 68 2017年(一级/d) 12 62 79 2018年(一级/d) 20 63 88 均值(一级/d) 11.5 52.25 75.75 一级所占比例 3.15% 14.32% 20.75% 2015年(二级/d) 134 201 257 2016年(二级/d) 157 238 268 2017年(二级/d) 166 250 231 2018年(二级/d) 203 274 299 均值(二级/d) 165 240.75 263.75 二级所占比例 45.21% 65.96% 72.26% 表1. 2015年~2018年3座城市各级空气质量级别所占的天数和良好率分布 图1为2015~2018年华中地区3座典型城市郑州、武汉及长沙AQI年均值变化趋势。由图1可见，郑州、武汉和长沙三座城市的AQI值总体是逐年下降，冬季时的AQI值最大，原因为：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。三者中，郑州的年均AQI值波动范围最大，长沙的AQI范围在三者中最为均匀，说明三者空气质量指数最好的为长沙，其次为武汉，郑州最差。 图1. 年际变化特征 3.2. 季节变化特征 根据数据特征，将3~5月作为春季，6~8月作为夏季，9~11作为秋季，1、2及12月作为一年的冬季，2015年冬季为2015年1月、2月及12月。郑州、武汉及长沙2015~2018年AQI的季度变化绘制于图2，PM 2.5 和O 3 季度变化趋势分别绘制于图3和图4。 从图2可以得出两个基本规律：郑州、武汉及长沙三座典型城市在前两年AQI的按照春夏秋冬四季的变化情况为：高–低–高–高，且每一年的AQI最高值都在下降，这与2013年中国发布《大气污染防治行动计划》即“大气十条”紧密相关；每一年都是冬季的AQI最高，除了郑州2017年和2018年的夏季除外，三座典型城市都是在夏季的AQI最低，这与夏季降雨多，环流加快有关。 图2. AQI季节变化特征 PM 2.5 是指大气中直径小于或等于2.5 μm的细颗粒物，与大气中粗颗粒物相比，PM 2.5 粒径小，对阳光产生的散射作用更大，使得光线穿透力减弱，从肉眼感觉天空会变得灰蒙蒙，在大气中停留时间长、输送距离远，对大气环境质量的影响更大，也是雾霾天气形成的主要原因 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]。在2015~2018三年中，郑州、武汉和长沙三座典型城市的PM 2.5 变化符合“U”字型，这与王翠连 [ 18 ] 的研究成果一致，总体也非常吻合图2中AQI的变化趋势。冬季增多燃煤及风向等不利于污染物扩散，造成冬季PM 2.5 浓度在四个季节中最高；夏季为南风和东南风，降雨较大，有利于大气中PM 2.5 的扩散和沉降，造成夏季PM 2.5 在一年中最低 [ 19 ]。 图3. PM 2.5 季节变化特征 臭氧主要分布在距离地面20~35公里的臭氧层中，它能有效阻挡紫外线，保护人类健康，目前普遍认为大气边界层内的臭氧主要由光化学反应产生，汽车尾气和工业排放产生的NO x (NO， NO 2 )及挥发性有机物(Volatile Organic Compounds， VOCs)是对流层光化学反应产生臭氧的前体物 [ 20 ]。O 3 的化学活性极高，可参与许多大气光化学反应，引起酸雨、光化学烟雾、大气能见度降低等污染现象，直接或间接对人体健康造成损伤。陈琦等 [ 21 ] 的研究表明，大气中O 3 质量浓度每增加10 µg/m 3 ，人群非意外死亡风险增加0.79%，心血管系统疾病死亡率增加1.25%；Atkinson等 [ 22 ] 的研究也显示空气中O 3 的质量浓度每升高10 µg/m 3 ，心血管疾病死亡率增加1.01%；O 3 浓度升高还会使心肌梗死、高血压以及妊娠高血压的发病风险增加 [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]，O 3 暴露致心血管系统损伤也是空气污染威胁人类健康的重要因素。通过对郑州、武汉和长沙三座城市2015~2018年O 3 季节平均值的计算，得到图4，由图4可以看出，三座城市O 3 的年均变化趋势较为一致，春季到夏季臭氧浓度上升，夏季到秋季、冬季呈下降趋势。臭氧浓度在一年中有一个高峰和一个低峰，在夏季是一年中臭氧浓度最高的时候，因为夏季降雨丰富，气温高，光照强度强，大气扩散条件好，利于氮氧化物和挥发性有机物发生大气光化学反应，从而生成地面臭氧；而冬季则是一年中臭氧浓度最低的季节，因为冬季光照强度在一年中最弱。 图4. O 3 季节变化特征 3.3. 后向轨迹分析 根据《环境空气质量标准》(GB3095-2012)制定的空气质量指数规定，将AQI值分为6级：0~50、51~100、101~150、151~200、201~300、>300，分别对应空气质量等级优、良好、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染。对中度污染、重度污染和严重污染进行后向轨迹绘图分析。三个典型城市污染物浓度在冬季普遍很高，分别选取2015年1月和2018年1月相近时间段内的污染物来源进行分析，对比其污染物的迁移轨迹。选取郑州(35.00 N， 114.00 E)、武汉(31.00 N， 114.00 E)和长沙(28.12 N， 112.59 E)在2015年1月15日~2015年1月22日和2018年1月18日~2018年1月25日这两个时间段内对污染物的轨迹图进行分析，其后相轨迹图分别如图5、图6所示。 通过对比图5和图6发现在2015年1月和2018年1月郑州污染物的轨迹来源都非常相似，都是从俄罗斯的西伯利亚地区飘来，而且还经过了京津区域，武汉的污染气团来源并没有什么规律可言；长沙两个时间段的后相轨迹图显示污染气团路径基本一致，都是来自广西和广东地区。 图5. 2015年1月15日~2015年1月22日72小时后相轨迹图 图6. 2018年1月15日~2018年1月22日72小时后相轨迹图