別 同,韓立建,何 亮,3,田淑芳,周偉奇,李偉峰,錢(qián)雨果
1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083 3 中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)武警黃金第八支隊(duì),烏魯木齊 830026
近年來(lái),由于快速城市化引起的城市擴(kuò)張、人口增加、以及能源消耗的不斷上升等,導(dǎo)致了我國(guó)空氣污染問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重[1- 5],波及范圍越來(lái)越廣[6],持續(xù)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。而這種污染通常呈現(xiàn)一種綜合性污染,主要包括本地源污染和外來(lái)污染,本地源污染會(huì)歸結(jié)為城市內(nèi)部劇烈的污染排放,例如機(jī)動(dòng)車(chē)、燃煤和工業(yè)揚(yáng)塵等,而外來(lái)污染受氣象因素影響,具有區(qū)域擴(kuò)散性[7-9]。目前對(duì)空氣污染的空間溢出效應(yīng)的研究也越來(lái)越得到學(xué)者的重視,大多集中于對(duì)SO2,PM10以及PM2.5等在不同省市之間的空間溢出效應(yīng)的探究[10-14],有研究表明一個(gè)地區(qū)的PM2.5污染受周?chē)渌?省、市)的影響,并且在重點(diǎn)城市之間空間溢出效應(yīng)也較強(qiáng)[15-16]??諝馕廴疽绯鲂?yīng)研究主要以監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為主,考慮省市之間較大范圍,缺乏考慮城市空氣污染對(duì)周邊區(qū)域較近距離的影響,并且以往研究發(fā)現(xiàn)城市是PM2.5污染的主要源頭[17],同時(shí)因PM2.5粒徑小,大氣留存時(shí)間較長(zhǎng),會(huì)在氣象條件和污染濃度差異的作用下,由上風(fēng)向向下風(fēng)向,由高濃度向低濃度區(qū)域擴(kuò)散,進(jìn)而對(duì)城市周邊區(qū)域產(chǎn)生影響,所以會(huì)隨著污染物濃度的升高以城市為單核心的空氣污染也會(huì)造成區(qū)域性即城市周邊區(qū)域的嚴(yán)重污染。
在基于大區(qū)域尺度空間上城市對(duì)周邊區(qū)域影響研究通常會(huì)比較城市與周邊PM2.5的濃度差異,而在城市群尺度上運(yùn)用此方法就缺乏空間細(xì)致性特征,較難定量地分析城市PM2.5對(duì)周邊區(qū)域的方向性和距離性差異。為此,本研究建立了適用于城市群尺度上城市空氣污染對(duì)周邊區(qū)域影響的模型,并且以京津冀地區(qū)為例進(jìn)行實(shí)證研究。
為探究小區(qū)域尺度上城市空氣污染對(duì)周邊區(qū)域的影響,可建立以下模型,即以城市重心到城市邊界的平均距離為基本距離參考,利用ArcGIS對(duì)每個(gè)城市區(qū)域進(jìn)行一級(jí)(一倍距離)、二級(jí)(二倍距離)…i級(jí)(i倍距離)緩沖區(qū)分析,然后對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行j個(gè)象限分割,定量分析城市PM2.5污染對(duì)周邊區(qū)域影響的方向性和距離差異。
圖1 評(píng)估模型Fig.1 Evaluation model 圖中,0—i表示不同緩沖區(qū)的等級(jí),其中0代表城區(qū),即中心陰影區(qū)域;1—j表示不同方向
式中,Δpij:城區(qū)對(duì)周邊區(qū)域的影響比率,poj:城區(qū)在j方向上的濃度,pij:第i級(jí)緩沖區(qū)j方向上的濃度
本研究(圖1)選取i=2,j=8;即對(duì)每個(gè)城市進(jìn)行一、二級(jí)緩沖區(qū)分析,然后對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行8個(gè)象限分割,利用以上公式計(jì)算每個(gè)方向上城市對(duì)周邊區(qū)域的影響比率,從而定量探究小區(qū)域上城市空氣污染對(duì)周邊區(qū)域的影響,也力求驗(yàn)證此模型的可行性。
京津冀城市群(圖2)是目前以PM2.5為首要污染物的全球空氣污染最為嚴(yán)重的區(qū)域之一,作為中國(guó)的“首都圈”,又是中國(guó)北方經(jīng)濟(jì)的重要核心區(qū),包括北京市、天津市以及河北省的保定、唐山、廊坊、石家莊、秦皇島、張家口、承德、滄州、邯鄲、邢臺(tái)、衡水共13個(gè)地級(jí)市。在2016中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)中顯示,京津冀城市群2016年P(guān)M2.5的平均濃度為71 μg/m3,相比2015年有所降低,但距離世界衛(wèi)生組織的第一階段空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)35 μg/m3仍有較大的差距。
圖2 京津冀地區(qū)圖Fig.2 The reigon of Beijing-Tianjin-Hebei
PM2.5數(shù)據(jù)來(lái)源于達(dá)爾豪斯大學(xué)大氣成分分析組(Atmospheric Composition Analysis Group at Dalhousie University)(數(shù)據(jù)編號(hào)V4.GL.02)。該數(shù)據(jù)是基于CEOS-Chem化學(xué)傳輸模型的模擬,利用中等分辨率成像光譜儀(MODIS)和多角度成像光譜儀(MISR)反演的氣溶膠光學(xué)深度數(shù)據(jù)(AOD)與氣溶膠垂直剖面和散射特性的結(jié)合估算而得到的數(shù)據(jù)集,結(jié)合地理加權(quán)回歸模型在全球范圍內(nèi)與地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)交互驗(yàn)證,具有較好的精度(r2=0.81; slope=0.68),可在全球、國(guó)家和區(qū)域等多尺度開(kāi)展應(yīng)用研究[18]。本研究所選用的是2000、2005、2010、2015年京津冀城市群PM2.5數(shù)據(jù),其空間分辨率為0.01°×0.01°,在京津冀地區(qū)約為1 km×1 km。
本研究選取由中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所提供的2000、2005、2010、2015年Landsat5、Landsat7、Landsat8遙感影像數(shù)據(jù),利用eCognition軟件對(duì)京津冀城市群地區(qū)進(jìn)行遙感分類(lèi)得到土地覆蓋分類(lèi)數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m×30 m,分類(lèi)總體精度達(dá)到80%以上。
京津冀城市群各地級(jí)市城市區(qū)域與周邊區(qū)域空氣質(zhì)量時(shí)空分布(圖3)所示,可直觀反映區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的變化。北京和天津作為京津冀城市群的核心功能區(qū),城市化發(fā)展程度較高,所以它們區(qū)域大氣質(zhì)量變化較明顯。
圖3 城市與周邊PM2.5分布圖Fig.3 The PM2.5 distribution map of city and the surrounding area
2000年,北京、石家莊、保定等城市區(qū)域PM2.5濃度高于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度且差異較大;衡水、滄州和廊坊城市區(qū)域PM2.5也高于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度,但差異很小,近似相等;而天津城區(qū)PM2.5濃度低于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度,差異也很小。從一二級(jí)緩沖區(qū)濃度看,除天津、秦皇島和承德外,其余城市及其周邊區(qū)域距離城區(qū)越遠(yuǎn),PM2.5濃度越低。
2005年,北京、石家莊、保定等城市區(qū)域PM2.5濃度高于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度且差異較大;天津、滄州和廊坊城市區(qū)域PM2.5也高于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度,但差異很小;而衡水城區(qū)PM2.5濃度低于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度,差異也很小。從一二級(jí)緩沖區(qū)濃度看,除北京外,其余城市及其周邊區(qū)域距離城區(qū)越遠(yuǎn),PM2.5濃度越低。
2010年,北京、石家莊、保定等城市區(qū)域PM2.5濃度高于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度且差異較大;天津、衡水和廊坊城市區(qū)域PM2.5也高于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度,但差異很小;而滄州城區(qū)PM2.5濃度低于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度,差異也很小。從一二級(jí)緩沖區(qū)濃度看,除秦皇島外,其余城市及其周邊區(qū)域距離城區(qū)越遠(yuǎn),PM2.5濃度越低。
2015年,北京、石家莊、保定等城市區(qū)域PM2.5濃度高于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度且差異較大;天津和廊坊城市區(qū)域PM2.5也高于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度,但差異很小;而衡水和滄州城區(qū)PM2.5濃度低于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度,差異也很小。從一二級(jí)緩沖區(qū)濃度看,除衡水外,其余城市及其周邊區(qū)域距離城區(qū)越遠(yuǎn),PM2.5濃度越低。
2000—2015年,總的變化來(lái)看,京津冀城市群各地級(jí)市城市與周邊區(qū)域空氣質(zhì)量時(shí)空分布分為以下兩種模式:
第一種模式是城區(qū)PM2.5濃度高,周邊區(qū)域低,具體表現(xiàn)在北京、石家莊、保定等這類(lèi)重污染型城市和承德、張家口等這類(lèi)輕污染型城市。北京、石家莊等城區(qū)人口密度高,居住用地密集,機(jī)動(dòng)車(chē)流量大等,城市化程度相較于城區(qū)周邊高,這種模式較符合PM2.5是城市的主要來(lái)源。
第二種模式是城區(qū)PM2.5濃度低,周邊區(qū)域濃度高,且濃度相比差異很小,具體表現(xiàn)在天津、廊坊、衡水和滄州。天津和廊坊形成這種模式,主要是與地理位置和氣象因素(風(fēng)向、風(fēng)速等)有關(guān),廊坊地處北京天津兩大城市之間,廊坊城區(qū)極其周邊PM2.5濃度會(huì)受北京及天津區(qū)域傳輸?shù)挠绊?而天津城區(qū)周邊的西北部地區(qū)與北京周邊的東南部地區(qū)也是相互影響;衡水和滄州形成這種模式主要與本地的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局有關(guān),城區(qū)周邊一般都分布較多重工業(yè),而工業(yè)排放也被認(rèn)為是PM2.5污染源之一,所以周邊區(qū)域PM2.5濃度也較高。
大部分城市與其周邊區(qū)域濃度距離城區(qū)越遠(yuǎn),濃度表現(xiàn)越低,并且在每個(gè)方向上濃度差異較顯著。在不同時(shí)間段,具有不同的特征,具體表現(xiàn)如下:
(1)2000—2005年,北京、石家莊、保定等城市區(qū)域PM2.5濃度高于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度,并且城區(qū)濃度呈增長(zhǎng)趨勢(shì),周邊區(qū)域一級(jí)緩沖區(qū)普遍比二級(jí)緩沖區(qū)濃度高,且濃度在每個(gè)方向上差異較大,而天津和衡水城市區(qū)域PM2.5濃度低于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度。
(2)2005—2010年和2010—2015年,同樣表現(xiàn)為北京、石家莊、保定等城區(qū)PM2.5濃度高于一二級(jí)緩沖區(qū)濃度,且濃度在周邊區(qū)域每個(gè)方向上存在差異,而衡水和滄州表現(xiàn)為城區(qū)PM2.5濃度低于周邊區(qū)域濃度。
總體上大部分城市對(duì)周邊區(qū)域產(chǎn)生影響,少數(shù)城市表現(xiàn)為周邊區(qū)域?qū)Τ鞘挟a(chǎn)生影響,但是京津冀城市群各地級(jí)市城市區(qū)域?qū)χ苓厖^(qū)域的影響在每個(gè)方向上差異顯著,且不同年份方向性特征不同(圖4)。具體表現(xiàn)為:
(1)2000年,北京和邢臺(tái)在方向3、4、5上城市對(duì)周邊區(qū)域影響較大,且北京城區(qū)對(duì)周邊區(qū)域影響比率在方向4上達(dá)到最高,為63%,其他城市在方向上都不具有相似特征;石家莊表現(xiàn)在方向4、5、6上影響比率較高,保定表現(xiàn)在方向3、5上影響比率較高,唐山在方向2上影響比率較高,邯鄲在方向4、5上影響比率較高,秦皇島在方向2、5上影響比率較高,承德、張家口分別在方向4、方向2上影響比率較高,而天津、廊坊、衡水和滄州每個(gè)方向上城市對(duì)周邊區(qū)域影響比率很低,接近于0或者小于0,可以認(rèn)為是周邊區(qū)域?qū)Τ鞘斜旧頃?huì)產(chǎn)生較大影響;
(2)2005年,北京和邢臺(tái)在方向3、4、5上城市對(duì)周邊區(qū)域影響比率較高,其他城市在方向上不具有相似性特征:石家莊表現(xiàn)在方向4、5、6上影響比率較高,保定在方向3、5上影響比率較高,唐山方向2上影響比率較高,邯鄲在方向4、5上影響比率較高,秦皇島在方向2、5上影響比率較高,承德在方向4、5上影響比率較高,張家口在方向3、4上影響比率較高,而天津、廊坊、衡水和滄州這四個(gè)城市影響比率都較小,在每個(gè)方向上接近于0或者小于0,說(shuō)明周邊區(qū)域?qū)Τ鞘斜旧碛绊戄^大;
(3)2010年,北京在方向3、4、5上城市對(duì)周邊區(qū)域影響比率較高,石家莊在方向5上影響比率較高,邢臺(tái)在方向4、5上影響比率較高,保定在方向3、4、5上影響比率較高,唐山在方向2上影響比率較高,邯鄲在方向4、5上影響比率較高,秦皇島在方向2、4上影響比率較高,承德和張家口分別在方向4、方向1上影響比率較高,而天津、廊坊、衡水和滄州這四個(gè)城市影響比率都較小,說(shuō)明周邊區(qū)域?qū)Τ鞘斜旧碛绊戄^大;
(4)2015年,北京和邢臺(tái)在方向3、4、5上城市對(duì)周邊區(qū)域影響比率較高,石家莊在方向5、6上影響比率較高,保定在方向3、4上影響比率較高,唐山在方向2上影響比率較高,邯鄲在方向4、5上影響比率較高,秦皇島和張家口分別在方向4、方向1上影響比率較高,承德在方向4、5、6上影響比率較高,而天津、廊坊、衡水和滄州這4個(gè)城市影響比率都較小,在每個(gè)方向上接近于0或者小于0,說(shuō)明周邊區(qū)域?qū)Τ鞘斜旧碛绊戄^大。
京津冀城市群各地級(jí)市城市區(qū)域?qū)χ苓厖^(qū)域影響不僅在不同年份具有不同的方向性特征,而且在不同時(shí)間段方向性特征也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,具體表現(xiàn)為:
(1)2000—2015年,北京城區(qū)對(duì)周邊區(qū)域的影響一直保持在方向3、4、5影響較大,即在北京的西北部地區(qū)城市對(duì)周邊潛在影響較大;唐山和邯鄲對(duì)周邊區(qū)域影響的方向性特征也始終不變;天津、廊坊、衡水和滄州這四個(gè)城市在每個(gè)方向城區(qū)對(duì)周邊影響存在一種相對(duì)平衡穩(wěn)定分布的一個(gè)狀態(tài),所以方向性特征不明顯,而且每個(gè)方向上影響都很小,甚至為負(fù),可以認(rèn)為是周邊區(qū)域?qū)Τ菂^(qū)本身有很大的潛在影響;其余各地級(jí)市都存在方向上變化,分析原因首先是跟風(fēng)向因素相關(guān),然后是與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)地理位置、重工業(yè)分布相關(guān)。
(2)2000—2005年,除天津、廊坊、衡水和滄州外,大部分城市對(duì)周邊區(qū)域影響的方向性特征都沒(méi)變化,北京和邢臺(tái)對(duì)周邊區(qū)域一直在方向3、4、5上影響較大,石家莊也保持在方向4、5、6上影響較大,保定、唐山、邯鄲和秦皇島的方向性特征也同樣沒(méi)變化,而承德由在方向4上增加為在方向4、5上影響較大,張家口由方向2變?yōu)樵诜较?、4上影響較大;
(3)2005—2010年,除天津、廊坊、衡水和滄州外,北京、唐山和邯鄲的方向性特征都沒(méi)變化,其他城市對(duì)周邊區(qū)域影響都存在方向上變化,石家莊由在方向4、5、6上減少為在方向5上影響較大,張家口在方向3、4上變?yōu)樵诜较?上影響較大等;
(4)2010—2015年,除天津、廊坊、衡水和滄州外,北京、唐山、邯鄲和張家口城市對(duì)周邊區(qū)域影響方向性特征沒(méi)有變化,其他城市都發(fā)生相應(yīng)變化,石家莊在方向5上變?yōu)樵诜较?、6上影響較大,承德在方向4上變?yōu)樵诜较?、5、6上影響較大等。
京津冀城市群中北京、石家莊、邢臺(tái)、邯鄲、承德和張家口這些城市對(duì)周邊區(qū)域影響比率都較高,大部分處于30%—45%,而天津、唐山等城市影響比率都較小,大部分都接近于0,但這種潛在影響并不能反映實(shí)際影響大小。北京的方向性特征表現(xiàn)在方向3、4、5上,即在西北部地區(qū)城市對(duì)周邊區(qū)域影響較大,則西北部周邊區(qū)域PM2.5濃度應(yīng)該較高,而在實(shí)際中西北部地區(qū)受到氣象、地形因素影響,西北部PM2.5濃度一直較低,空氣質(zhì)量最好;天津和唐山城市PM2.5對(duì)周邊區(qū)域影響較小,則周邊區(qū)域濃度應(yīng)該較低,但是天津和唐山分布較多重工業(yè),而且天津周邊受北京和廊坊影響,PM2.5濃度在城區(qū)和郊區(qū)都很高。所以本研究中城市對(duì)周邊區(qū)域的潛在影響大小,與實(shí)際產(chǎn)生的影響是有差異的,潛在影響大可能意味著真實(shí)影響小,潛在影響小也可能意味著真實(shí)影響大。本研究主要關(guān)注的是在年際尺度的變化,缺少了氣象因素(風(fēng)向、風(fēng)速等)的考慮,京津冀城市群屬于季風(fēng)控制區(qū),冬春和夏秋季風(fēng)方向相反,氣象因素對(duì)本研究的影響結(jié)果是有貢獻(xiàn)的,所以需要進(jìn)一步開(kāi)展年內(nèi)的精細(xì)尺度與風(fēng)向因素的研究。在以往的研究中,城市與周邊區(qū)域的空氣污染是存在相互影響,有很多是采用污染擴(kuò)散追蹤[19- 20]等方法探究周邊的污染源對(duì)城市的影響范圍及影響途徑,較少地分析城市對(duì)周邊造成影響,本研究通過(guò)建立城市空氣污染對(duì)周邊區(qū)域空氣質(zhì)量影響的定量方法,以京津冀地區(qū)為例探究這種影響的方向性和距離性差異,表明京津冀地區(qū)各地級(jí)市距離周邊越遠(yuǎn),這種影響越大,并且這種影響具有方向性和距離性等方面的特征,有力地論證了方法的有效性,但是這種定量方法對(duì)于深入研究城市對(duì)周邊影響依舊有待改進(jìn)。空氣污染來(lái)源復(fù)雜,影響因素多[21],從污染的來(lái)源上分析,城市的復(fù)合景觀格局特征及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)對(duì)污染的影響具有舉足輕重的作用,有研究表明建筑用地和林地作為城市下墊面的兩種重要表現(xiàn)形式,建筑用地對(duì)PM2.5是有貢獻(xiàn)作用,而林地對(duì)PM2.5是有消除作用,同時(shí)不同城市功能區(qū)的建筑用地對(duì)PM2.5污染的貢獻(xiàn)差異顯著,這恰恰體現(xiàn)了城市復(fù)合景觀格局對(duì)空氣污染物的“源匯”貢獻(xiàn)關(guān)系[22],因此,建議進(jìn)一步加強(qiáng)探討城市與區(qū)域復(fù)合景觀格局對(duì)空氣污染的源匯效應(yīng)解析,以進(jìn)一步評(píng)估城市與區(qū)域空氣質(zhì)量的相互影響效應(yīng)。另外,本文中選用的PM2.5數(shù)據(jù),受分辨率影響,會(huì)存在極高和極低值被區(qū)域忽略的問(wèn)題,在今后的相關(guān)研究中,應(yīng)該加強(qiáng)更高時(shí)空分辨率PM2.5濃度數(shù)據(jù)的獲取,以更準(zhǔn)確解析梯度差異和城市PM2.5對(duì)周邊區(qū)域的定量影響。
圖4 城市PM2.5對(duì)周邊影響分布圖Fig.4 The distribution map of impact of urban air pollution on its surrounding areas
為有效評(píng)估城市空氣污染對(duì)周邊區(qū)域影響,建立了城市空氣污染對(duì)周邊影響的定量方法,并以京津冀區(qū)域開(kāi)展實(shí)證研究,利用2000、2005、2010、2015年的PM2.5數(shù)據(jù)、土地覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的可行性,進(jìn)而得到以下結(jié)論:
(1)2000—2015年,京津冀城市群各地級(jí)市與周邊區(qū)域空氣質(zhì)量時(shí)空分布分為以下兩種模式:第一種模式是城區(qū)濃度高,周邊區(qū)域低;第二種模式是城區(qū)濃度低,周邊區(qū)域高且濃度差異很小。
(2)各地級(jí)市對(duì)周邊區(qū)域影響程度和范圍呈上升趨勢(shì),并且這種影響具體表現(xiàn)在距離性和方向性?xún)煞矫?①大部分城市距離城區(qū)越遠(yuǎn),城市PM2.5對(duì)周邊區(qū)域的影響越大。②2000—2015年,除天津、廊坊、衡水和滄州,其余城市空氣污染對(duì)周邊影響的方向性特征差異明顯。例如:北京城市區(qū)域?qū)χ苓厖^(qū)域影響大一直保持在西北部地區(qū);而天津、滄州、衡水、廊坊對(duì)周邊區(qū)域影響很小,方向性特征不明顯。
在科學(xué)研究方面,本文建立了小區(qū)域尺度上城市空氣污染對(duì)周邊區(qū)域影響的評(píng)估模型可以有效地定量解析城市對(duì)周邊區(qū)域潛在影響的方向性和距離性差異,為定量地開(kāi)展城市化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究提供了方法和實(shí)證拓展。
在污染治理措施方面,需要更為嚴(yán)格的城市空氣污染防控策略,建立城市與周邊區(qū)域污染水平差異指標(biāo),以動(dòng)態(tài)評(píng)估城市空氣污染對(duì)周邊區(qū)域的影響程度,其中天津、衡水、滄州和廊坊由于方向性特征不明顯,并且PM2..5濃度都較高,要限制周邊整個(gè)區(qū)域的污染,而北京、石家莊、邢臺(tái)、邯鄲和保定等城市則要加強(qiáng)城市內(nèi)部污染的管控;同時(shí)要增加建設(shè)城市周邊區(qū)域距離城市不同距離、不同方向位置的空氣污染監(jiān)測(cè)點(diǎn),為監(jiān)測(cè)評(píng)估提供實(shí)證案例。