周末效應(yīng)在大氣污染中的應(yīng)用與研究

李柏志

(葫蘆島市核與輻射安全監(jiān)督監(jiān)測中心，遼寧 葫蘆島 125000)

我國城市化進程不斷加快，以資源消耗為主的粗放型經(jīng)濟增長方式帶來的高強度污染排放，使我國各地區(qū)各種環(huán)境問題集中爆發(fā)，大氣污染呈現(xiàn)出煤煙型與機動車污染共存的新型大氣復(fù)合污染，顆粒物為主要污染物，霾和光化學(xué)煙霧頻繁、二氧化氮濃度居高不下，酸沉降轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩嵝秃拖跛嵝偷膹?fù)合污染，區(qū)域性的二次性大氣污染愈加明顯[1]。大氣污染已經(jīng)成為我國生態(tài)文明建設(shè)中急需解決的主要問題之一。

周末效應(yīng)[2](Weekend Effect)最早由Frank在研究美國股市價格時提出，后在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，大量專家學(xué)者發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染物濃度變化同樣存在“周末效應(yīng)”[3][4]。具體表現(xiàn)在現(xiàn)代人類活動以周為單位的工作-休息模式對環(huán)境具有顯著的周期性影響，這種影響與當?shù)刈匀灰亍⑷宋囊毓餐饔?，并在區(qū)域環(huán)境要素的變化規(guī)律上體現(xiàn)出來[5]。在周循環(huán)生產(chǎn)模式下的人類活動已經(jīng)對地區(qū)生態(tài)環(huán)境條件產(chǎn)生了重大影響，研究“周末效應(yīng)”對掌握大氣污染物的遷移規(guī)律、進而實施大氣污染預(yù)警具有重要意義。

1 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70年代，已有將大氣污染物濃度值在工作日和周末的比較研究，21世紀以來，國內(nèi)學(xué)者在降水[6]、氣溫[7]、大氣顆粒污染物和氣態(tài)污染物[8]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)廣泛存在于社會環(huán)境的方方面面，且因時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)[9][10]。

(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，周末人們活動較工作日會有相應(yīng)的延遲，如出行的延遲會使得氣體污染物的濃度的波動趨勢(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))，這在一定程度上會削弱周末效應(yīng)，表現(xiàn)出非嚴格的周末效應(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)實生活相比會有一定的偏移。一般來說社會生活中，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。人類活動的周循環(huán)模式，會通過系統(tǒng)反饋的形式對原有的大氣污染過程起到加強或減弱的作用，即城市大氣污染周末效應(yīng)的正負性，人類活動對城市大氣環(huán)境在工作日與周末的影響程度差異越顯著，周末效應(yīng)的強度越大

2 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，或周末段與分析時間段的平均值差值的大小或正負性差異等。若周末環(huán)境要素的指標比工作日低，即為正周末效應(yīng)，反之則為負周末效應(yīng)。

(1)探究區(qū)域和指標的選取與確定

由于周末效應(yīng)最根本原因是人類活動，故對研究區(qū)域活動人口的數(shù)量、規(guī)模以及活動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)境改造明顯和活動規(guī)模較大的城市地區(qū)。我國當下的主要研究對象有沿海城市(北京[11]、上海[12])、長三角[13]、珠三角[14][15]地區(qū)，近年內(nèi)陸城市[7][16]也相繼開始研究。環(huán)境指標的選取上，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)所需的時間，同時也需考慮相關(guān)背景因素的影響，如季節(jié)性的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動、居民生活所需燃料的消耗、區(qū)域的異常天氣等。當前常用的指標主要有：氣象要素指標(降水量、降水頻次、氣溫、霧的持續(xù)時長)、大氣成分指標(氣溶膠、臭氧、硫化物、氮氧化物、CO、VOCS、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(空氣質(zhì)量指數(shù)、空氣污染指數(shù))。

(2)監(jiān)測方案的制定與實施

在環(huán)境分析指標的監(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、氣象觀測站、環(huán)境監(jiān)測站和研究性監(jiān)測等，在時間尺度上有分鐘數(shù)據(jù)、小時數(shù)據(jù)和日數(shù)據(jù)等。

(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

將周末的濃度平均值減去工作日的平均值的差定義為分析指標的周末效應(yīng)指數(shù)。當指數(shù)為正值時，表示周末分析指標的平均值高于工作日的平均值，若為負值時則恰恰相反。

②對比分析

據(jù)污染物濃度的小時觀測值求出工作日和周末的小時平均濃度，然后進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濃度的偏差，偏差計算公式為：

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

將分析指標的逐日數(shù)據(jù)在分析時段內(nèi)平均，可對數(shù)據(jù)按季節(jié)特征、天氣特征等分時段進行距平分析。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。

3 結(jié)語和討論

(1)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)合城市具體情況進一步探索。

(2)研究步驟和數(shù)據(jù)處理在探究流程上，應(yīng)結(jié)合當?shù)貙嶋H情況合理布點、嚴格檢測，控制誤差，保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性；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、乃至小時等尺度進行綜合分析；在數(shù)學(xué)方法的選取運用上，可進行多數(shù)學(xué)模型和方法的對比分析，提高結(jié)論的準確性。

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

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