我國城市大氣污染周末效應(yīng)研究現(xiàn)狀與方法

摘 要：本文概述了我國城市大氣污染周末效應(yīng)的發(fā)展概況、研究現(xiàn)狀，分析了城市大氣污染周末效應(yīng)的成因及其影響因素，總結(jié)了其數(shù)據(jù)收集、處理、分析的方法，闡述了與節(jié)假日效應(yīng)間的關(guān)系及其對大氣污染預(yù)測和防治的重要意義。

關(guān)鍵詞：周末效應(yīng) 環(huán)境要素 濃度變化 數(shù)學(xué)模型 節(jié)假日效應(yīng)

大氣污染已日趨成為一個(gè)全球性的環(huán)境問題。大氣污染與人類活動(dòng)及其節(jié)律性、規(guī)律性有密切關(guān)系?，F(xiàn)代人類活動(dòng)以周為單位的工作-休息模式對環(huán)境具有顯著的周期性影響，這種影響與當(dāng)?shù)刈匀灰?、人文要素共同作用，并在區(qū)域環(huán)境要素的變化規(guī)律上體現(xiàn)出來，即為周末效應(yīng)（Weekend Effect）。周末效應(yīng)最早由Frank在研究美國股市價(jià)格時(shí)提出，后來在大氣污染領(lǐng)域也發(fā)現(xiàn)工作日與周末有差異，即大氣污染的周末效應(yīng)。我國自1995年5月1日將工作日制度由周末單休日改為周末雙休日，幾十年來的周循環(huán)生產(chǎn)模式下的人類活動(dòng)已經(jīng)對地區(qū)人們的生產(chǎn)和生活（證券交易、醫(yī)療服務(wù)、交通物流、飲食娛樂等）、生態(tài)環(huán)境條件（氣象要素、大氣污染）有著重大影響。

一、我國城市大氣污染周末效應(yīng)的研究現(xiàn)狀

1.周末效應(yīng)探究的歷程：早在20世紀(jì)70年代，已有大氣污染物濃度值在工作日和周末的比較研究，21世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者在、氣溫、降水、大氣顆粒污染物和氣態(tài)污染物等方面開展了大量相關(guān)研究。這些研究表明環(huán)境要素的周末效應(yīng)廣泛存在于社會(huì)環(huán)境的方方面面，且因時(shí)因地存在著一定差異。研究表明降水頻次和氣溫存在一定的周循環(huán)規(guī)律，后來周末效應(yīng)研究也逐步拓展到了其他氣象要素（如降水量、霧的持續(xù)時(shí)長）、大氣污染氣體（如臭氧、氮氧化物、硫化物、一氧化碳等）和懸浮顆粒物質(zhì)（如PM2.5、PM10、總顆粒物等）以及基于前體物濃度得出的空氣質(zhì)量指數(shù)、空氣污染指數(shù)。

2.城市大氣污染周末效應(yīng)的成因： 周末效應(yīng)的源于現(xiàn)代人們工作和休息模式的節(jié)律性。城市大氣污染物（O3、NOX、SO2、CO、PM2.5、PM10等）的主要來源是人為汽車尾氣排放以及礦物質(zhì)的燃燒，上下班時(shí)段汽車出行數(shù)量、工廠企業(yè)的生產(chǎn)排放情況、餐飲活動(dòng)所用燃料量、城市私家車限行政策等在周末與工作日都存在明顯差異，這對區(qū)域大氣污染的周末效應(yīng)具有一定影響。此外，周末人們活動(dòng)較工作日會(huì)有相應(yīng)的延遲，如出行的延遲會(huì)使得氣體污染物的濃度的波動(dòng)趨勢（波峰），往后推移。

由于大氣污染除受人為的前體污染物排放（具有顯著周末效應(yīng)）影響外，很大程度上還受光照、植被、地形等自然環(huán)境要素和光化學(xué)反應(yīng)等二次反應(yīng)的影響（不具有明顯周末效應(yīng)），這在一定程度上會(huì)削弱周末效應(yīng)，表現(xiàn)出非嚴(yán)格的周末效應(yīng)。因此，對于大氣污染而言污染物濃度的工作日和周末與現(xiàn)實(shí)生活相比會(huì)有一定的偏移。

一般來說社會(huì)生活中，工作日定義為周一到周五，周末定義為周六、周日，稱之為自然周。相應(yīng)地，在大氣污染的節(jié)律性研究中，存在“污染周”。由于大氣污染現(xiàn)象特別是其二次反應(yīng)相對于人為源排放具有一定的時(shí)滯，有學(xué)者將大氣污染物方面的工作日——污染周定義為周二到周六，周末定義為周日和周一。人類活動(dòng)的周循環(huán)模式，會(huì)通過系統(tǒng)反饋的形式對原有的大氣污染過程起到加強(qiáng)或減弱的作用，即城市大氣污染周末效應(yīng)的正負(fù)性，人類活動(dòng)對城市大氣環(huán)境在工作日與周末的影響程度差異越顯著，周末效應(yīng)的強(qiáng)度越大。

二、城市大氣污染周末效應(yīng)的研究方法

對于城市大氣污染周末效應(yīng)的研究主要在于檢驗(yàn)其存在與否，分析其顯著性，揭示其與環(huán)境的相互作用三個(gè)方面。其表現(xiàn)主要在于環(huán)境要素的變化規(guī)律在周末和工作日的差別，如污染物濃度在24小時(shí)變化規(guī)律上體現(xiàn)出周末比工作日低，或有明顯的位移現(xiàn)象，或周末段與分析時(shí)間段的平均值差值的大小或正負(fù)性差異等。若周末環(huán)境要素的指標(biāo)比工作日低，即為正周末效應(yīng)，反之則為負(fù)周末效應(yīng)。

1.探究區(qū)域和指標(biāo)的選取與確定：由于周末效應(yīng)最根本原因是人類活動(dòng)，故對研究區(qū)域活動(dòng)人口的數(shù)量、規(guī)模以及活動(dòng)能力等有一定的要求，所以研究對象（區(qū)域）應(yīng)為是人口相對集中、對自然環(huán)境改造明顯和活動(dòng)規(guī)模較大的城市地區(qū)。我國當(dāng)下的主要研究對象有沿海城市（北京、天津、上海）、長江流域及其三角洲地區(qū)和蘭州等地區(qū)。環(huán)境指標(biāo)的選取上，應(yīng)考慮到不同污染物間、污染物與太陽輻射間相互作用，污染物由產(chǎn)生到可監(jiān)測狀態(tài)所需的時(shí)間，同時(shí)也需考慮相關(guān)背景因素的影響，如季節(jié)性的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、居民生活所需燃料的消耗、區(qū)域的異常天氣等。當(dāng)前常用的指標(biāo)主要有：氣象要素指標(biāo)（降水量、降水頻次、氣溫、霧的持續(xù)時(shí)長）、大氣成分指標(biāo)（氣溶膠的濃度、臭氧、硫化物、氮氧化物、PM2.5、PM10及總懸浮顆粒物）以及基于對前體物濃度分析出的環(huán)境指標(biāo)（空氣質(zhì)量指數(shù)、空氣污染指數(shù)）。

2.監(jiān)測方案的制定與實(shí)施： 在環(huán)境分析指標(biāo)的監(jiān)測過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)主要來自國家氣象局，各省市的氣象觀測平臺(tái)、氣象觀測站、環(huán)境監(jiān)測站和研究性監(jiān)測等，在時(shí)間尺度上一般有小時(shí)數(shù)據(jù)和日數(shù)據(jù)。

3.數(shù)據(jù)處理的模型與方法：研究方法多采周末效應(yīng)指數(shù)分析，偏差分析，對比分析，距平分析等方法和數(shù)據(jù)模型。（1）周末效應(yīng)指數(shù)分析：將周末（周日和下周一）的濃度平均值減去工作日（周二到周六）的平均值的差定義為分析指標(biāo)的周末效應(yīng)指數(shù)。當(dāng)指數(shù)為正值時(shí)，表示周末分析指標(biāo)的平均值高于工作日的平均值，若為負(fù)值時(shí)則恰恰相反。（2）對比分析：據(jù)污染物濃度的小時(shí)觀測值求出工作日和周末的小時(shí)平均濃度，然后進(jìn)行濃度變化趨勢的對比，和相關(guān)性分析（C工作日 = A×C周末， A為相關(guān)性系數(shù)）以揭示周末效應(yīng)的顯著性。（3）偏差分析：各污染物周末與工作日小時(shí)濃度的偏差，偏差計(jì)算公式為 Dev =[ （C周末- C工作日） C工作日] ×100 %， 式中， C周末和C工作日分別表示污染物的周末濃度和工作日濃度。（4）逐日數(shù)據(jù)的距平分析：將分析指標(biāo)的逐日數(shù)據(jù)在分析時(shí)段內(nèi)平均，可對數(shù)據(jù)按季節(jié)特征、天氣特征等分時(shí)段進(jìn)行距平分析。根據(jù)距平判斷城市大氣污染的周末效應(yīng)的存在與否及其污染周與自然周的差異。

三、結(jié)語和討論

1.現(xiàn)狀總結(jié)：在規(guī)模上，我國城市地區(qū)周末效應(yīng)的研究在地域上逐步擴(kuò)大，由沿海到內(nèi)陸均有分布，分析的城市地域和環(huán)境指標(biāo)都在不斷拓展，反映了城市大氣污染周末效應(yīng)的普遍存在；在成因機(jī)制和研究方法上，周末效應(yīng)起因簡單，數(shù)學(xué)模型較為簡單，但影響因素和應(yīng)用領(lǐng)域多樣，牽涉到較多的大氣、氣象科學(xué)理論以及污染氣象學(xué)的內(nèi)容，周末效應(yīng)研究方法多樣，需要結(jié)合城市具體情況進(jìn)一步探索。

2.針對研究步驟和數(shù)據(jù)處理上存在的問題的改進(jìn)意見：在探究流程上，首先應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況合理布點(diǎn)、嚴(yán)格檢測，控制誤差，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；在污染物周末效應(yīng)的檢測上，應(yīng)注重對比其與自然周的差異；在數(shù)據(jù)處理和分析上，應(yīng)考慮尺度效應(yīng)和數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率，保證能夠充分體現(xiàn)的周末效應(yīng)的核心特征，如年均值分析對周末效應(yīng)的體現(xiàn)存在一定局限性，可結(jié)合季節(jié)、月份、日、乃至小時(shí)等尺度進(jìn)行綜合分析；在數(shù)學(xué)方法的選取運(yùn)用上，可進(jìn)行多數(shù)學(xué)模型和方法的對比分析，提高結(jié)論的準(zhǔn)確性。

3.對未來周末效應(yīng)研究的展望：周末效應(yīng)及其類似的 “春節(jié)”、“五一”和“國慶節(jié)”等節(jié)假日效應(yīng)的起因相同，都是由于人類活動(dòng)在在人為規(guī)定的不同時(shí)間段內(nèi)對環(huán)境要素產(chǎn)生的不同影響，但節(jié)假日效應(yīng)受特征時(shí)段影響較大，在大型節(jié)假日背景下才能體現(xiàn)，二者的協(xié)同研究特別是疊加效應(yīng)及其分離比對是今后城市大氣污染領(lǐng)域值得探討的重要方向。

周末效應(yīng)是伴隨工作模式普遍存在的環(huán)境效應(yīng)，起因于人類的社會(huì)生活的節(jié)律性，是人類活動(dòng)影響大氣環(huán)境的集中體現(xiàn)。相關(guān)研究可定量反映人類活動(dòng)對大氣環(huán)境的影響，對城市大氣污染預(yù)報(bào)和防治具有重要意義。

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作者簡介：稅攀恒（1996—）男。四川榮縣人。西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院本科生。李衛(wèi)朋（1983—）男。陜西藍(lán)田人。西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院講師。博士。碩士研究生導(dǎo)師。研究方向：環(huán)境演變與生態(tài)水文學(xué)。通訊作者：陳健軍（1996—）女。四川巴中人。西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院本科生。李科（1993—）男。四川綿陽人。西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院本科生。游泳（1994-）男。四川瀘州人。西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院本科生。

※基金項(xiàng)目：本文為2016年西華師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（cxcy2016039）成果.