基于GIS的福州市PM2.5時(shí)空分布研究

林雅逢

摘要：為更好地了解福州市細(xì)顆粒物（PM2.5）的時(shí)空分布狀況，應(yīng)用地理信息技術(shù)軟件，基于2016年福州市21個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的大氣小時(shí)PM2.5數(shù)據(jù)，進(jìn)行了插值反演連續(xù)空間的大氣分布。結(jié)果表明：時(shí)間分布上，福州市夏秋季節(jié)PM2.5濃度較低，春冬季節(jié)濃度較高?？臻g分布上，羅源縣、永泰縣、福清市PM2.5濃度較低；福州市區(qū)、長(zhǎng)樂(lè)市及閩侯縣PM2.5污染較嚴(yán)重；五城區(qū)中，臺(tái)江、倉(cāng)山PM2.5濃度較高。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；空氣細(xì)顆料物；大氣污染

中圖分類(lèi)號(hào)：X831

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2017）10006903

1 引言

人類(lèi)的生活品質(zhì)需要持續(xù)提升，所依賴(lài)的是工業(yè)水平的迅猛發(fā)展，同時(shí)，伴隨而來(lái)的是工業(yè)發(fā)展的負(fù)面產(chǎn)物，包括大量的廢水、廢物、廢氣。尤其在高速發(fā)展的城市之中，汽車(chē)尾氣、城市開(kāi)發(fā)建筑工地?fù)P塵、企業(yè)排放廢氣等不斷增加，導(dǎo)致我國(guó)霧霾天氣的出現(xiàn)越來(lái)越頻繁[1]。

PM2.5是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于等于 2.5 μm的顆粒物細(xì)粒、細(xì)顆粒物。其特點(diǎn)是粒徑小，分布面積大，活性強(qiáng)，易附帶有毒、有害物質(zhì)，且在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大[2]。

CHE 等 [3]對(duì) 31 個(gè)省會(huì)城市 1981～2005年的霾特征變化進(jìn)行了研究，指出我國(guó)東部和東南部城市霾天氣呈顯著上升趨勢(shì)。呂守軍、沈星遲、張曉敏等通過(guò)多元回歸分析分析了多年數(shù)據(jù)，基本驗(yàn)證了PM2.5治理困局產(chǎn)生的主要原因，且提出了對(duì)策。陳巧俊利用 CALPUFF 大氣擴(kuò)散模型模擬了福州市氣象場(chǎng)和二氧化硫、二氧化氮和可吸入顆粒物濃度場(chǎng)，采用監(jiān)測(cè)值對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證表明了模型的適用性[4]。尹宏偉利用GIS實(shí)現(xiàn)了濟(jì)南市的大氣污染源的可視化和污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間化，根據(jù)相關(guān)的實(shí)測(cè)資料，分析了研究區(qū)內(nèi)不同時(shí)間、空間的大氣污染分布情況，利用GIS的插值與地統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)濟(jì)南市具有代表性的大氣污染氣體的空間分布進(jìn)行研究[5]。

2 研究區(qū)域概況

福州市位于閩江下游，氣候類(lèi)型屬中、南亞熱帶過(guò)渡的海洋性季風(fēng)氣候，全年氣候暖熱濕潤(rùn)，冬季短暫且溫和，夏季漫長(zhǎng)而無(wú)酷暑。福州市區(qū)年平均溫度為20.3℃，2月為最冷月，平均溫度10.5℃，8月為最熱月，平均溫度28.7℃。福州市區(qū)所在地屬于典型的河口盆地，盆地四周被群山峻嶺所環(huán)抱，境內(nèi)地勢(shì)自西向東傾斜，地形閉塞，閩江口沿江通道的大氣流動(dòng)是福州市的主要大氣擴(kuò)散動(dòng)力來(lái)源，空氣擴(kuò)散條件較差，大氣環(huán)境的承載力較弱[6]。

福州市大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)較多，基本上覆蓋福州各個(gè)縣市區(qū)，市區(qū)分布較為密集。近來(lái)來(lái)，福州市城市建設(shè)力度加大，顆粒物污染成為影響福州市環(huán)境質(zhì)量的重要因素，其中PM2.5是造成環(huán)境空氣質(zhì)量污染的主要污染物[7]。

3 研究方法與原理

目前，環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)的方法主要有三類(lèi)：資料收集法、地理信息技術(shù)及方法、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查法[8]。在環(huán)保工作者的環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)實(shí)際應(yīng)用中，從人力、物力以及可行性上考慮，我們不可能對(duì)研究區(qū)內(nèi)或者無(wú)法實(shí)現(xiàn)大量位置的布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、收集資料及取樣。地理信息技術(shù)及地理統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)方法在這種情況下發(fā)揮了巨大的作用，比較常用的就是通過(guò)布設(shè)一定數(shù)量、一定分布的監(jiān)測(cè)點(diǎn)或者監(jiān)測(cè)斷面，應(yīng)用點(diǎn)差值面的估計(jì)方法，研究區(qū)域目標(biāo)的分布狀態(tài)，供研究者使用[9]。

空間插值是我們假設(shè)空間分布的研究對(duì)象具有空間相關(guān)性，也就是說(shuō)，彼此接近的對(duì)象往往具有相似的特征，空間插值是通過(guò)已知的空間數(shù)據(jù)來(lái)推算未知空間數(shù)據(jù)值的數(shù)學(xué)方法[10]。本文采用反距離權(quán)重插值法進(jìn)行空間插值。

4 數(shù)據(jù)獲取

對(duì)福州市所有站點(diǎn)中的21個(gè)典型空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖1），其中包括5個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)站點(diǎn)， 16個(gè)區(qū)縣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。具體數(shù)據(jù)為2016年P(guān)M2.5濃度數(shù)據(jù)（小時(shí)），運(yùn)用相關(guān)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行時(shí)間及空間上的研究探討。

5 分析與結(jié)論

5.1 福州市PM2.5濃度時(shí)間變化分析

5.1.1 日數(shù)據(jù)分析

對(duì)分布在福州市內(nèi)的各個(gè)站點(diǎn)PM2.5值進(jìn)行加和

由圖2可以看出，PM2.5的濃度在7∶00與19∶00之后開(kāi)始升高。分析原因包括：從氣象學(xué)角度上分析，每日貼地逆溫層厚度的峰值一般出現(xiàn)在7∶00與19∶00，逆溫導(dǎo)致大氣穩(wěn)定度升高，不利于污染物擴(kuò)散。此外，PM2.5濃度最高的兩個(gè)波峰也恰好處于交通高峰期間，交通運(yùn)輸中尾氣的排放量的增高，也是一個(gè)重要的影響因素。

5.1.2 年數(shù)據(jù)分析

根據(jù)鹿世瑾等[11]對(duì)福建氣候的研究將一年中3、4、5月定為春季，6、7、8月份夏季，9、10、11月份定為秋季， 12、1、2月份定為冬季進(jìn)行季節(jié)性分析。由圖3結(jié)論表明，福州市春冬季節(jié)空氣質(zhì)量較差，夏秋季節(jié)較好。

福州市屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，干濕與盛行風(fēng)向因季節(jié)而異。春季低緯暖濕氣流活躍，受其控制大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定、風(fēng)速小、局部易形成逆溫，不利于污染物擴(kuò)散。冬季北霾南下，導(dǎo)致局地污染濃度升高，春冬季節(jié)在冷空氣來(lái)臨前受暖濕氣流控制，或受入海高壓控制，大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定，不利于污染物擴(kuò)散，若本地污染排放累積，易造成大氣污染物濃度升高。

5.2 福州市PM2.5濃度空間分布分析

取用2016年福州市21個(gè)區(qū)縣監(jiān)測(cè)點(diǎn)的日均PM2.5數(shù)據(jù)，利用反距離權(quán)重插值法進(jìn)行分析，得到PM2.5時(shí)空分布如圖4。

2.5污染嚴(yán)重的地方主要存在于福州市區(qū)、長(zhǎng)樂(lè)及閩侯，空氣較好的地方主要是羅源、永泰、福清；福州市區(qū)中，臺(tái)江、倉(cāng)山較差。分析原因具體如下。

（1）福州市目前處于快速建設(shè)發(fā)展時(shí)期，全市有大量地鐵、道路、樓宇建設(shè)等施工工地，帶來(lái)的揚(yáng)塵污染問(wèn)題突出，導(dǎo)致PM2.5濃度居高不下；另一方面，城市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量不斷增加，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放到空氣中的NOx、VOCs等前體物通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成硝酸鹽和二次氣溶膠等造成PM2.5升高；此外，市內(nèi)建筑物較多，區(qū)域性的氣流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，地面風(fēng)力較小，導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降。五城區(qū)中臺(tái)江、倉(cāng)山機(jī)動(dòng)車(chē)保有量較大，建筑密集，道路擁擠，導(dǎo)致顆粒物濃度較高。長(zhǎng)樂(lè)市鋼鐵企業(yè)較多，對(duì)PM2.5排放貢獻(xiàn)較大。

（2） 羅源、永泰山區(qū)植被分布較為廣泛，大量植被可以吸附粉塵，減低粉塵顆粒物擴(kuò)散；永泰工業(yè)經(jīng)濟(jì)及交通發(fā)展較緩慢，沒(méi)有大量的工業(yè)廢氣及交通尾氣的排放，而羅源、福清的海洋季候風(fēng)帶來(lái)的潔凈空氣對(duì)空氣污染有較強(qiáng)的稀釋作用，因此PM2.5濃度較低。

（3） 從時(shí)空對(duì)比圖分析可知，福州市夏秋季節(jié)PM2.5濃度較低，春冬季節(jié)污染濃度較高，原因可能福州市冬、春季灰霾天氣主要與鋒前暖區(qū)、高壓后部、高壓底部、地面倒槽等天氣系統(tǒng)影響有關(guān)。還與冬、春季冷空氣南下，大陸冷高壓前部出現(xiàn)偏北大風(fēng)，引導(dǎo)北方高濃度氣溶膠顆粒隨風(fēng)輸送至福州，造成福州出現(xiàn)浮塵、揚(yáng)沙或灰霾天氣。

6 建議

2017年5月綠 色 科 技第10期

通過(guò)得到的結(jié)論及分析，福州市整體PM2.5濃度保持在一個(gè)較好的水平，但依然面對(duì)著城市快速發(fā)展過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防與整治。

（1）持續(xù)加強(qiáng)對(duì)縣市區(qū)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的治理；持續(xù)加強(qiáng)淘汰“黃標(biāo)車(chē)”，促進(jìn)交通清潔能源的使用；加強(qiáng)公共交通的建立，減小私家車(chē)的出行，鼓勵(lì)市民綠色出行，如共享單車(chē)等。

（2）加大顆粒物污染防治力度。繼續(xù)深化工業(yè)煙粉塵治理，開(kāi)展燃煤鍋爐專(zhuān)項(xiàng)整治，實(shí)施火電行業(yè)脫硝除塵整治，加強(qiáng)鋼鐵行業(yè)粉塵治理力度等。

（3）做好福州市施工建筑單位的環(huán)境監(jiān)控工作，確保施工過(guò)程中大量揚(yáng)塵；人工噴灑應(yīng)該注重科學(xué)統(tǒng)籌安排，最大化的發(fā)揮其作用。

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