石家莊市區(qū)PM2.5時空分布特征

李秋芳，任振科

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，河北石家莊 050022)

石家莊市區(qū)PM2.5時空分布特征

李秋芳，任振科

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，河北石家莊 050022)

石家莊市大氣污染嚴(yán)重，尤其是PM2.5濃度經(jīng)常居高不下。為了更全面地掌握石家莊市PM2.5濃度的變化規(guī)律，需要對其時間和空間變化規(guī)律進行長時間序列的分析。根據(jù)2013—2015年石家莊市區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用GIS空間分析方法，研究了PM2.5的時空分布特征。結(jié)果表明，2013年P(guān)M2.5平均質(zhì)量濃度為154 μg/m3，2014年為124 μg/m3，2015年為89 μg/m3；季節(jié)性分布規(guī)律明顯，月均濃度均呈波浪形分布，日變化呈雙峰形分布；還呈現(xiàn)出周末濃度高于工作日濃度的“周末效應(yīng)”端倪；空間分布上呈現(xiàn)市區(qū)東南部污染較輕、北部污染較重的空間格局,并且污染較重的空間范圍在逐漸縮小，污染較輕的空間范圍逐漸擴大。研究結(jié)果有利于準(zhǔn)確掌握石家莊市區(qū)PM2.5污染的時空分布，從而有針對性地開展環(huán)境污染防控。

環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價；石家莊市；PM2.5；時間分布特征；空間分布特征；GIS

隨著城市工業(yè)化進程的加快，經(jīng)濟的快速增長以及能源消耗的不斷攀升，環(huán)境空氣質(zhì)量尤其是城市空氣質(zhì)量受到不同程度的影響。環(huán)境空氣污染物主要包括顆粒物 (PM)、二氧化硫 (SO2)、氮氧化物 (NOx)、臭氧 (O3)以及有機物等，其中顆粒物已經(jīng)成為影響中國城市空氣質(zhì)量的首要污染物[1-2]。顆粒物中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于或等于10 μm的部分統(tǒng)稱為PM10，其主要來源于揚塵和海鹽粒子等。PM2.5為顆粒物中的細粒部分，空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于或等于2.5 μm，主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、火力發(fā)電、汽車尾氣排放以及生物質(zhì)的燃燒[3]，另外，光化學(xué)反應(yīng)生成的二次有機和無機顆粒物也是PM2.5的重要來源[4]。長時間滯留在大氣中的PM2.5會直接導(dǎo)致大氣能見度的下降[5-6]，同時，富集的大量有毒、有害物質(zhì)可通過呼吸道進入人體肺泡，增加呼吸道系統(tǒng)疾病的發(fā)病率和死亡率[7]。因此，PM2.5污染引起學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為近年來環(huán)境保護研究領(lǐng)域的熱點問題之一。

截至目前，在PM2.5的污染特征及其變化規(guī)律方面已有大量的研究成果，研究人員主要從濃度分布特征、污染過程與傳輸、污染來源及其影響因子等方面[8-16]分析了PM2.5的污染狀況。在PM2.5濃度變化規(guī)律方面，李珊珊等[8]采用模式(CAMx)模擬的方法與污染物、氣象觀測資料相結(jié)合，分析了2014年京津冀地區(qū)PM2.5的分布特征，結(jié)果表明PM2.5呈現(xiàn)秋冬濃度高、春夏濃度低的規(guī)律和雙峰形分布的日變化特征；在區(qū)域傳輸方面，薛文博等[10]利用顆粒物來源追蹤技術(shù)定量模擬了全國PM2.5及其化學(xué)組分的跨區(qū)域輸送規(guī)律，并建立了全國31個省市(源)向333個地級城市(受體)的PM2.5及其化學(xué)組分傳輸矩陣；源解析方面，黃蕊珠等[12]針對2013年1月中國中東部的重霾污染過程，定量模擬分析了京津冀各城市PM2.5濃度的來源和相互貢獻；在污染成因方面，趙晨曦等[16]在分析2012—2013年北京地區(qū)冬春季節(jié)PM2.5與PM10污染空間差異特征以及時間性變化特征的基礎(chǔ)上，利用普通克里格插值法和Spearman秩相關(guān)分析研究了顆粒物的空間和時間分布規(guī)律，以及各個氣象因子對大氣PM2.5和PM10濃度的影響，結(jié)果表明PM2.5和PM10的濃度分別與氣溫、相對濕度正相關(guān)，與風(fēng)速負相關(guān)，風(fēng)速和相對濕度是影響污染物質(zhì)量濃度分布的主要因素。

近年來，地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)的發(fā)展為大氣污染物變化規(guī)律及其污染特征研究提供了新的思路和方法，關(guān)于PM2.5變化規(guī)律的研究也由傳統(tǒng)的時間特征研究轉(zhuǎn)變?yōu)闀r空分布特征研究。結(jié)合GIS技術(shù)，可以直觀反映PM2.5污染隨時間的變化情況以及污染的空間分布。宏觀尺度上，李名升等[17]對2014年中國161個地級及以上城市的PM2.5污染進行了多角度分析和規(guī)律性總結(jié)；李珊珊等[8]分析了2014年京津冀地區(qū)PM2.5濃度的時空分布特征；徐建輝等[18]對2013年長江三角洲地區(qū)的PM2.5濃度時空分布特征進行了研究。城市尺度上，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者對北京地區(qū)的PM2.5濃度時空分布特征進行了大量研究[16,19-20]，對上海、天津、重慶等城市也有所研究[21-23]。然而，目前對石家莊市PM2.5的研究相對缺乏，已有的研究也多側(cè)重于PM2.5源解析[24-25]、成分分析[26-27]、濃度變化的影響因素[28]或單方面關(guān)注PM2.5濃度的時間變化規(guī)律[29-30]，而對長時間序列的時空分布特征方面的研究較為缺乏。鑒于此，筆者利用石家莊市區(qū)空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析2013—2015年石家莊市區(qū)PM2.5濃度的變化特征，以期為石家莊市大氣環(huán)境污染狀況及防控措施的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

石家莊市是國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)城市之一，市區(qū)內(nèi)正常運行的國控環(huán)境空氣自動監(jiān)測站(以下簡稱監(jiān)測站)有7個，分別為裕華區(qū)的世紀(jì)公園點位，長安區(qū)的22中南校區(qū)點位和人民會堂點位，新華區(qū)的西北水源點位，橋西區(qū)的西南高教點位和職工醫(yī)院點位，高新區(qū)的高新區(qū)點位。7個監(jiān)測站均采用自動連續(xù)的監(jiān)測方式，監(jiān)測PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO和臭氧等污染物的濃度，并實時對外發(fā)布。

本研究以石家莊市區(qū)7個監(jiān)測站24 h連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對PM2.5小時濃度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。石家莊市區(qū)PM2.5小時濃度值為7個監(jiān)測站小時濃度值的均值，根據(jù)每天24 h數(shù)據(jù)(00:00～23:00)求得算術(shù)平均值即為PM2.5的日均值，根據(jù)PM2.5的日均值求得月均值，再根據(jù)月均值求得年均值。采集數(shù)據(jù)的時間范圍為2013-01-01至2015-12-31。

2 結(jié)果與討論

2.1 時間分布

2.1.1 年際變化

2013—2015年石家莊市區(qū)PM2.5濃度呈明顯下降趨勢。2013年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度為154 μg/m3，2014年為124 μg/m3，2015年為89 μg/m3，累計下降42.2%。但是，2015年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度仍高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級標(biāo)準(zhǔn)(35 μg/m3)，超標(biāo)1.54倍。

2013年，石家莊市環(huán)境空氣中PM2.5日均質(zhì)量濃度為17～750 μg/m3，2014年為10～522 μg/m3，2015年為6～420 μg/m3，最低濃度值和最高濃度值均逐年降低。2013—2015年，PM2.5達標(biāo)天數(shù)比例逐年增加，2013年為26.0%，2015年達標(biāo)天數(shù)比例上升至53.3%，上升了27.3個百分點。輕度污染天數(shù)也呈逐年上升趨勢，相對2013年，2015年上升了4.1個百分點。中度及以上污染天數(shù)比例逐年降低，相對2013年，2015年的中度污染天數(shù)降低了7.9個百分點，重度污染天數(shù)降低了10.9個百分點，嚴(yán)重污染天數(shù)比例降低幅度最大，降低了12.6個百分點。石家莊市PM2.5各污染級別天數(shù)所占比例詳見圖1。

圖1 石家莊市2013—2015年P(guān)M2.5各污染級天數(shù)比例Fig.1 Proportion of days at all levels of PM2.5 in Shijiazhuang City in 2013-2015

2.1.2 月變化

根據(jù)環(huán)境保護部《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(HJ 633—2012)[31]中的分級方法，0

圖2為石家莊市區(qū)PM2.5的年度月均質(zhì)量濃度及重污染日月均質(zhì)量濃度的變化曲線。與已有研究結(jié)果一致[17,32]，石家莊市PM2.5濃度也有明顯的季節(jié)分布規(guī)律，整體上，夏季及春末、秋初污染相對較輕。其中，2013年，1月PM2.5的質(zhì)量濃度最高，達到333 μg/m3，而7—8月PM2.5的質(zhì)量濃度最低，分別為77 μg/m3和79 μg/m3；2014年，1月PM2.5的質(zhì)量濃度最高，為231 μg/m3，2月次之，為220 μg/m3，10月出現(xiàn)一個峰值，為162 μg/m3，在氣象條件相對不利的狀況下，11月PM2.5的濃度環(huán)比大幅下降(與10月相比)，這是由于APEC會議期間石家莊市采取了嚴(yán)格的限排措施，大大降低了大氣污染物的排放總量，對改善空氣質(zhì)量發(fā)揮了積極作用；2015年，12月PM2.5的質(zhì)量濃度最高，為164 μg/m3，其次為1月，為152 μg/m3，月均質(zhì)量濃度最低值出現(xiàn)在9月，為42 μg/m3。

圖2 石家莊市PM2.5月變化曲線Fig.2 Monthly average concentration of PM2.5 in Shijiazhuang City

對于重污染日PM2.5月均質(zhì)量濃度的分布，2013年為62～370 μg/m3，2014年為164～312 μg/m3，2015年為184～260 μg/m3。由圖2可知，PM2.5重污染日月均質(zhì)量濃度的最大值均出現(xiàn)在采暖季，并且由2013年的370 μg/m3下降至2015年的260 μg/m3，減少了110 μg/m3；未出現(xiàn)重污染日的月份也逐年增多，2013年僅8月份未出現(xiàn)重污染日，而2014年的8月和9月均未出現(xiàn)重污染日，2015年的4—10月連續(xù)7個月未出現(xiàn)重污染日。

2.1.3 日變化

2013—2015年石家莊市區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度的日變化情況如圖3所示。

圖3 2013—2015年石家莊市PM2.5日變化曲線Fig.3 Diurnal variation of PM2.5 in Shijiazhuang City in 2013-2015

由圖3可見，這3年的PM2.5濃度在一天中均呈現(xiàn)“雙峰分布”的特征。2013年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度日變化的峰值與谷值之差為28 μg/m3，2014年為33 μg/m3，2015年為19 μg/m3。在居民集中出行時段，特別是上下班高峰期間，近地面較易出現(xiàn)大氣逆溫層，而大氣混合層的高度又較低，整體不利于污染物的擴散，而此時段人為顆粒物排放相對增多，由于污染物的累積作用，9:00前后形成PM2.5質(zhì)量濃度的第1個峰值；午后，隨著大氣層對流運動的逐漸增強以及交通污染物排放的逐漸減少，在17:00前后出現(xiàn)PM2.5質(zhì)量濃度的谷值；傍晚之后，晚交通高峰導(dǎo)致的污染物排放及其累積，以及餐飲業(yè)帶來的油煙污染使得PM2.5質(zhì)量濃度又逐漸回升，而工業(yè)電價在午夜前后進入收費低谷階段，由此而來的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)活動排放的污染物再次加劇PM2.5污染，使得午夜至凌晨出現(xiàn)PM2.5質(zhì)量濃度的第2個污染高峰。

2.1.4 工作日與周末規(guī)律

氣象要素的7天周循環(huán)特征，以及人們在工作日和周末的活動差異，導(dǎo)致污染物的濃度會因此有所變化而出現(xiàn)明顯的差異，這種現(xiàn)象稱為污染的“周末效應(yīng)”[33]。CLEVELAND等[34]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)臭氧濃度值在周末要高于工作日，提出了臭氧“周末效應(yīng)”的概念。顆粒物的“周末效應(yīng)”，一般指工作日人們的生產(chǎn)、生活強度高于周末，排放進入大氣的污染物可能會更多，致使工作日的顆粒物濃度要高于周末[35]。

與已有的部分研究結(jié)果[33,36]不同，本研究中2013—2014年石家莊市區(qū)PM2.5濃度并沒有表現(xiàn)出“周末效應(yīng)”，甚至周末濃度平均值要高于工作日，“周末效應(yīng)”僅在2015年才略有顯現(xiàn)。經(jīng)計算，2013年石家莊市區(qū)周末的PM2.5質(zhì)量濃度均值比工作日高16.0%，2014年高7.5%，2015年基本持平，如圖4所示。原因可能是，石家莊市屬于中等發(fā)達城市，人們的工作半徑較小，周末工業(yè)企業(yè)的運行率較高，污染物的排放在周末沒有明顯降低；而已有研究多側(cè)重于大城市或特大城市，周末的工業(yè)生產(chǎn)等活動運行率大幅降低，污染物排放量也隨著大幅減少，由此會出現(xiàn)明顯的“周末效應(yīng)”。

圖4 石家莊市PM2.5周變化趨勢Fig.4 Weekly variation of PM2.5 in Shijiazhuang City

對比圖3和圖4可知，2013—2015年，石家莊市周末與工作日的PM2.5質(zhì)量濃度具有相同的日變化趨勢，且出現(xiàn)峰值和谷值的時刻相同，并沒有呈現(xiàn)出明顯的“周末效應(yīng)”，說明人們生產(chǎn)、生活方式在周末的改變對PM2.5濃度的影響有限。然而，必須注意到2013—2015年P(guān)M2.5濃度的周末平均值高出工作日平均值的程度在逐漸減弱，且“周末效應(yīng)”在2015年已略顯端倪，一定程度上可以說明石家莊市人們的生產(chǎn)、生活方式正逐步向大城市轉(zhuǎn)變。2.2 空間分布

以石家莊市區(qū)7個國控點位的PM2.5年均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)在ArcGIS中進行空間插值，得到2013—2015年石家莊市區(qū)PM2.5年均質(zhì)量濃度的空間分布圖，如圖5所示。由圖5可知，2013—2015年，石家莊市區(qū)PM2.5年均質(zhì)量濃度在逐年降低的情況下，污染空間分布也逐年發(fā)生著變化。2013年，年均質(zhì)量濃度最高值產(chǎn)生在長安區(qū)的中南部，其次為橋西區(qū)和新華區(qū)，污染較輕的為市中心及市區(qū)東南部區(qū)域；2014年，市區(qū)西北區(qū)域的年均質(zhì)量濃度最高，市區(qū)西南部、世紀(jì)公園及其北部區(qū)域次之，市區(qū)東部及西部則污染較輕；2015年，除市區(qū)西北部污染較重外，其余區(qū)域污染均較輕，市區(qū)西部及西南部、市區(qū)東北部的PM2.5污染最輕。

根據(jù)圖5的插值結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雖然2013—2015年市區(qū)各區(qū)域的年均PM2.5濃度呈逐年下降態(tài)勢，但在空間分布上市區(qū)西北部區(qū)域連續(xù)3年均屬于污染較重的區(qū)域，市區(qū)東南部區(qū)域污染程度均較輕，市區(qū)西南部區(qū)域也由2013年的污染較重轉(zhuǎn)變?yōu)?015年的污染較輕。由此從整體上看，2013—2015年市區(qū)范圍內(nèi)PM2.5污染的空間分布變化趨勢為污染較重的空間范圍在逐漸縮小，而污染較輕的空間范圍在逐漸擴大。

圖5 2013-2015年石家莊市PM2.5年均質(zhì)量濃度空間分布Fig.5 Spatial distribution of PM2.5 in Shijiazhuang City in 2013-2015

石家莊市區(qū)PM2.5污染空間分布的變化原因主要可以從宏觀和微觀2個角度來分析。

1)宏觀方面 針對顆粒物源解析結(jié)果，石家莊市提出了“壓煤、抑塵、控車、減排、遷企、增綠”六大措施。2013—2015年，石家莊市累計壓減燃煤937萬t，集中全力對鋼鐵、電力、水泥、玻璃“四大行業(yè)”進行了集中整治，謀劃實施了主城區(qū)19家污染企業(yè)的搬遷升級改造工作。六大措施的實施，使石家莊市能源結(jié)構(gòu)和工業(yè)布局等方面都發(fā)生了改變，很大程度上促進了大氣環(huán)境質(zhì)量的全面改善，實現(xiàn)了PM2.5年均濃度逐年降低的目標(biāo)。

2)微觀方面 西南高教點位靠近南二環(huán)、紅旗大街，其周邊不但有熱電廠，還存在城中村，采暖季會存在大量原煤散燒的現(xiàn)象，面源污染嚴(yán)重；該點位2013—2015年P(guān)M2.5的污染狀況改善明顯，其質(zhì)量濃度由2013年的161 μg/m3降至2015年的84 μg/m3，這一變化與“壓煤”措施的實施有很大關(guān)系。職工醫(yī)院點位和22中南校區(qū)點位靠近主干道中山路，除地鐵施工帶來揚塵污染外，交通擁堵也加劇了顆粒物的污染。與2013年相比，2015年這2個點位的PM2.5質(zhì)量濃度分別降低了71 μg/m3和84 μg/m3，說明“抑塵”、“控車”措施成效顯著。

3 結(jié) 語

1)2013—2015年石家莊市PM2.5濃度逐年降低，污染狀況逐年好轉(zhuǎn)，并隨著城市的大型化而呈現(xiàn)出“周末效應(yīng)”的端倪。月變化表現(xiàn)出1—3月、10—12月污染較重，4—9月污染較輕的特征；日變化特征呈雙峰形分布。

2)石家莊市“壓煤、抑塵、控車、減排、遷企、增綠”等6項大氣污染防治措施取得了實質(zhì)性的成果，PM2.5濃度在逐年降低的基礎(chǔ)上，污染空間分布也在逐漸向好的方向發(fā)展，建議進一步加強污染防治措施，使控污舉措真正落到實處，發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

3)本研究結(jié)果有利于認(rèn)知石家莊市PM2.5的污染現(xiàn)狀，為石家莊市大氣污染治理提供依據(jù)，提高PM2.5“污染削峰”工作的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

4)PM2.5污染的影響因素和驅(qū)動機制，及其對人體健康和生態(tài)環(huán)境的影響可以作為今后的研究內(nèi)容。

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Temporal and spatial distribution characteristics of PM2.5in Shijiazhuang urban areas

LI Qiufang, REN Zhenke

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang, Hebei 050022, China)

The air pollution is serious in Shijiazhuang, especially the PM2.5concentration is often high. Analysis of long time series about the temporal and spatial distribution characteristics of PM2.5in Shijiazhuang is needed in order to understand more comprehensively the change regulation. The spatial and temporal distribution characteristics of PM2.5during 2013—2015 are analyzed based on the PM2.5monitoring data released by Shijiazhuang Environmental Monitoring Center with the spatial analysis method GIS. The analytical results show that the annual average concentration of PM2.5in Shijiazhuang is 154 μg/m3in 2013, 124 μg/m3in 2014, and 89 μg/m3in 2015. The monthly average concentration of PM2.5changes in a wave-shape curve, and the diurnal variation of PM2.5shows bimodal distribution. Weekend effects are significant for PM2.5, with higher concentration over the weekend. The annual average concentration of PM2.5is lower in the southern and eastern regions while higher in the northern area, however the heavily polluted area is shrinking, while the less polluted area is gradually expanding. The results could benefit further understanding on the spatiotemporal patterns of PM2.5pollution in Shijiazhuang accurately, and promote environmental pollution prevention and control measures accordingly.

environmental quality monitoring and evaluation; Shijiazhuang City; PM2.5; temporal distribution characteristics; spatial distribution characteristics; GIS

1008-1534(2017)01-0064-07

2016-10-10;

2016-12-06；責(zé)任編輯：王海云

河北省科技支撐計劃項目(16273714D)

李秋芳 (1986—)，女，河北石家莊人，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測方面的研究。

E-mail: 18730105386@163.com

X823

A

10.7535/hbgykj.2017yx01012

李秋芳，任振科.石家莊市區(qū)PM2.5時空分布特征[J].河北工業(yè)科技,2017,34(1):64-70. LI Qiufang, REN Zhenke.Temporal and spatial distribution characteristics of PM2.5in Shijiazhuang urban areas[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(1):64-70.