2014－2016年北京市PM2.5污染時(shí)空分布特征

齊夢(mèng)溪，趙文慧，孫 爽，劉軼軒，郭逍宇，趙文吉*

1. 首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；2. 北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048

近年來(lái)，隨著中國(guó)工業(yè)化、城市化與現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，城市大氣污染已成為亟待解決的主要環(huán)境問(wèn)題之一，其中霧霾作為一種典型災(zāi)害性空氣污染現(xiàn)象，具有爆發(fā)頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣等特點(diǎn)（錢(qián)峻屏等，2006）。PM2.5（粒徑≤2.5 μm）作為霧霾的主要組分，具有粒徑小、相對(duì)表面積大、易吸附有毒有害物質(zhì)等特征，對(duì)人體健康與大氣環(huán)境具有顯著影響（吳兌等，2012；楊勇杰等，2008；楊新興等，2012）。此外，PM2.5及其組分通過(guò)消光作用和對(duì)可見(jiàn)光的強(qiáng)吸收作用，使大氣能見(jiàn)度顯著降低（Mues et al.，2012；王京麗等，2006；Pakkanen et al.，2001）。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣PM2.5及時(shí)有效的管控與防治，改善地區(qū)環(huán)境質(zhì)量、提高人居生活水平、促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，現(xiàn)已成為眾多學(xué)者關(guān)注與研究的焦點(diǎn)（楊復(fù)沫等，2000；徐敬，2003；任陣海等，2004）。

近年來(lái)，對(duì)PM2.5的研究主要集中在污染水平、時(shí)空分布、化學(xué)組成及污染來(lái)源等方面（吳健生等，2015；楊復(fù)沫等，2002；王振波等，2015；于娜等，2009）。在對(duì)北京市PM2.5污染的季節(jié)分布特征進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，冬秋污染水平較高、春夏次之（Wang et al.，2015；王浩等，2016；王嫣然等，2016）。全市大氣 PM2.5污染高濃度區(qū)域主要集中在南部及西南部，東部及城區(qū)次之，北部和東北部為低值區(qū)，整體呈現(xiàn)由北向南逐步加重的空間分布特征，且其質(zhì)量濃度變化與自然因素相關(guān)性較強(qiáng)，溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水和氣壓等是影響 PM2.5污染程度的重要因素（趙越等，2004；楊文濤等，2018；陳媛等，2010；王偉武等，2008；梅波等，2018）。在成因分析上，崔蓉等（2008）通過(guò)對(duì) 2006年北京采暖期PM2.5和PM10中元素的分析，得出主要污染源為供熱燃煤和機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放；毛小平等（2017）對(duì)北京市冬季大氣污染特征進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)本地源（無(wú)除塵設(shè)備的散戶燃煤排放及市內(nèi)生活排放）是北京市大氣顆粒物污染的主要來(lái)源，異地搬運(yùn)污染源對(duì)全市大氣污染的影響程度不具有決定性作用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，北京市 PM2.5污染時(shí)空分布特征的長(zhǎng)時(shí)間序列研究多集中在 2014年以前，對(duì) 2014年之后的研究相對(duì)較少，因此，本文對(duì)北京市 2014－2016年大氣細(xì)顆粒污染物時(shí)空分布特征進(jìn)行探究，通過(guò)對(duì)比與分析近3年P(guān)M2.5的污染時(shí)空變化規(guī)律，進(jìn)一步完善北京市大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)體系，從而為大氣污染治理政策的規(guī)劃與制定提供參考依據(jù)。

圖1 研究區(qū)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of monitoring point in research area

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原北部，三面環(huán)山，地勢(shì)西北高，東南低，總面積約為1.64萬(wàn)平方千米，其中約三分之二為山區(qū)，平均海拔山區(qū)為平原區(qū)的 25倍左右。全市共分為 16個(gè)市轄區(qū)，密云區(qū)面積最大，最小的為東城區(qū)，其氣候?yàn)榈湫偷谋睖貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，春秋兩季時(shí)間較短。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

本文選取2014－2016年北京市35個(gè)環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，數(shù)據(jù)來(lái)源于北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心（http://www.china-jcw.cn/），北京市行政區(qū)劃矢量圖、交通環(huán)路數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心（http://ngcc.sbsm.gov.cn）。通常，北京市供暖開(kāi)始于11月中旬，至次年3月中旬停止。本研究中，3月16日－11月14日為非采暖期，自11月15日至次年3月15日為采暖期。對(duì)24 h監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)求日均值，基于日均值求采暖期與非采暖期均值及年均值，并應(yīng)用ArcgGIS 10.3的空間分析手段，將具有空間坐標(biāo)的35個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值及統(tǒng)計(jì)分析。監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 采暖與非采暖期PM2.5時(shí)間維度變化特征

從時(shí)間維度對(duì) 2014－2016年北京市采暖期（CN）與非采暖期（FCN）PM2.5污染特征規(guī)律進(jìn)行分析，由圖2可知，采暖期（CN）PM2.5小時(shí)均值濃度顯著高于非采暖期（FCN）。且非采暖期污染水平整體波動(dòng)較小，2014年污染較重，2015年污染程度略低于2016年；采暖期，PM2.5濃度小時(shí)均值變化幅度較大，白天污染顯著低于夜晚。

非采暖期，2014年與2015年整體呈“波浪”型波動(dòng)，2016年變化趨勢(shì)最為平緩。從2:00開(kāi)始小幅度下降，至7:00出現(xiàn)第一個(gè)小低谷，后污染逐漸加重，到11:00左右濃度達(dá)到峰值，持續(xù)到約13:00下降，至18:00濃度值降到另一個(gè)低谷，后污染濃度再次略有升高，全市 PM2.5污染小時(shí)均值污染變化規(guī)律表現(xiàn)出明顯的累積與滯后效應(yīng)，其原因與人為源的排放和大氣層次結(jié)構(gòu)變化相關(guān)，且人們外出活動(dòng)和太陽(yáng)輻射強(qiáng)弱也是造成該變化特征的主要因素之一（杜榮光等，2011；趙晨曦等，2014）。本研究中，非采暖期 PM2.5污染小時(shí)均值與人為源的關(guān)系存在明顯滯后效應(yīng)。7:00之前市內(nèi)車(chē)輛相對(duì)較少，經(jīng)夜間沉降作用PM2.5濃度值逐漸下降，7:00－9:00與17:00－19:00為兩個(gè)出行高峰期，上路車(chē)輛較多，汽車(chē)尾氣排放量增加，大氣中顆粒物含量經(jīng)累積效應(yīng)逐漸升高，由于滯后效應(yīng)分別在 11:00左右與22:00左右達(dá)到全天的兩個(gè)峰值，且隨出行高峰期的結(jié)束，大氣中細(xì)顆粒物呈逐漸降低趨勢(shì)顯著，在3:00－6:00期間PM2.5濃度相對(duì)較穩(wěn)定，此時(shí)人為活動(dòng)在一天中相對(duì)較少。因此，非采暖期人為活動(dòng)（主要為機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放）對(duì) PM2.5濃度有相對(duì)重要的影響（陶雙成等，2016）。

采暖期大氣 PM2.5小時(shí)均值變化趨勢(shì)兩年大體相同且整體波動(dòng)較大，且在12:00之前2016年污染程度相對(duì)較低；12:00－18:00的 PM2.5濃度，2014年明顯低于其他年份，全市污染水平從16:00開(kāi)始持續(xù)增長(zhǎng)；在23:00至次日2:00到達(dá)峰值并保持相對(duì)穩(wěn)定，后持續(xù)緩慢下降，10:00－12:00出現(xiàn)短暫抬升后，繼續(xù)緩慢降低，15:00降至全天最低值，波動(dòng)趨勢(shì)大體呈“W”形。由于夜晚取暖需求，導(dǎo)致大氣細(xì)顆粒物濃度從18:00開(kāi)始快速抬升，出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的峰值，因此在采暖期，燃煤仍是北京市大氣 PM2.5污染的主要貢獻(xiàn)源（韓力慧等，2016）。白天污染濃度波動(dòng)相對(duì)較小，在11:00左右出現(xiàn)的峰值比其前后兩個(gè)波谷略高，整體變化相對(duì)穩(wěn)定，該時(shí)間段太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，人為活動(dòng)相對(duì)頻繁，處于上下班高峰期，車(chē)流量較大，導(dǎo)致大氣中汽車(chē)尾氣含量增加，但該污染源對(duì)大氣 PM2.5濃度的影響效應(yīng)整體不顯著。

圖2 2014－2016年P(guān)M2.5逐小時(shí)質(zhì)量濃度均值Fig.2 Average hourly concentration of PM2.5 in 2014-2016

圖3 2014－2016年P(guān)M2.5逐月質(zhì)量濃度均值Fig.3 Average Monthly concentration of PM2.5 in 2014-2016

在 PM2.5月均濃度趨勢(shì)圖中（圖 3），以 15號(hào)為節(jié)點(diǎn)將每年3月與11月拆分為兩部分，分別歸屬于一年的采暖期與非采暖期，并將每年3月與11月全月均值濃度以散點(diǎn)圖的形式呈現(xiàn)。3年非采暖期 PM2.5濃度的月均值整體上均呈現(xiàn)明顯的“W”形波動(dòng)，2015年變化趨勢(shì)近似于2016年，其最低值均出現(xiàn)在 8 月，2015 年（46.143 μg·m-3）略低于2016 年（46.624 μg·m-3），2014 年污染程度相對(duì)嚴(yán)重，月均污染濃度最低值出現(xiàn)在 11月上半旬，為50.985 μg·m-3。其中，每年月均濃度值自3月下旬開(kāi)始下降，2014年在5月降至波谷，2015年和2016年波谷拐點(diǎn)出現(xiàn)在6月，后PM2.5月均值逐漸升高，并均于7月達(dá)到次波峰后開(kāi)始下降。8－11月，2015年與2016年月均值呈持續(xù)增長(zhǎng)，2014年P(guān)M2.5月均濃度增至 10月后明顯下降，經(jīng)研究，由于該年10月出現(xiàn)多次重污染事件，頻發(fā)的沙塵天氣與秸稈焚燒是造成該月 PM2.5污染濃度顯著增高的主要原因（Yang et al.，2015）。采暖期的月均濃度值波動(dòng)較大，規(guī)律性不明顯。其中，2015年與2016年污染波峰均出現(xiàn)在 12月，分別為 161.096、132.079 μg·m-3，而1月、2月污染濃度明顯降低，2015年的3月略有升高，受冬季采暖與正值春節(jié)易燃鞭炮的人為因素影響，2015年12月出現(xiàn)兩次空氣重污染紅色預(yù)警，因此該月污染濃度值明顯高于其他月份。2014年11月上半旬PM2.5污染質(zhì)量濃度達(dá)到最高值，為148.309 μg·m-3，12月污染相對(duì)較低，但2014年11月前半月與后半月的濃度值差異性較大，這與11月3－11日舉行的APEC會(huì)議具有顯著相關(guān)關(guān)系，為保證APEC會(huì)議期間的空氣質(zhì)量，北京及周邊5省遵循嚴(yán)格的減排措施，通過(guò)聯(lián)防聯(lián)控，使該時(shí)間段內(nèi)北京市空氣質(zhì)量得到極大地控制與改善。會(huì)議結(jié)束后，相關(guān)措施執(zhí)行松懈也使細(xì)顆粒物污染的月均值驟然升高，這給我們進(jìn)行區(qū)域大氣環(huán)境的聯(lián)合治理提供了較好的借鑒意義。

2014－2016年北京市大氣PM2.5年均質(zhì)量濃度值變化顯著（圖 4），由 2014 年的 90.279 μg·m-3，降至2015年的82.261 μg·m-3，2016年再次下降至78.672 μg·m-3，城市大氣細(xì)顆粒物污染逐年好轉(zhuǎn)。非采暖期，2016年污染程度相較于2015年的65.051 μg·m-3略有抬升，整體污染水平顯著低于采暖期。2015年采暖期PM2.5平均濃度相較2014年下降幅度較小，2016年污染濃度較低，為 90.720 μg·m-3，冬季燃煤取暖仍是北京市大氣污染的主要貢獻(xiàn)源。因此，近年來(lái)政府出臺(tái)相應(yīng)的管控措施，如節(jié)能減排政策的實(shí)施，對(duì)燃煤廠進(jìn)行超低排放改造，加快淘汰不符合強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)燃煤鍋爐等，對(duì)采暖期大氣污染的改善已經(jīng)初見(jiàn)成效，大氣污染控制向著越來(lái)越積極的方向發(fā)展（陳健鵬等，2013）。

圖4 2014－2016年P(guān)M2.5采暖期與非采暖期年均質(zhì)量濃度Fig.4 Average annual concentration of PM2.5 during heating and non-heating periods in 2014-2016

2.2 采暖與非采暖期PM2.5空間分布特征

對(duì)北京市35個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)大氣PM2.5數(shù)據(jù)的空間分布特征進(jìn)行分析，采用普通克里金插值法設(shè)置插值范圍及其半變異函數(shù)，分別對(duì)北京全市域、主城區(qū)和六環(huán)分區(qū)進(jìn)行插值，得到 2014－2016年北京市采暖期與非采暖期大氣 PM2.5平均質(zhì)量濃度空間分布圖（圖5－圖7）。

全市 PM2.5年均質(zhì)量濃度空間插值結(jié)果如圖 5所示，在非采暖期，2014年 PM2.5濃度的最低值（63.914 μg·m-3）與最高值（92.302 μg·m-3）均明顯高于 2015 年（46.845－76.716 μg·m-3）和 2016 年（50.094－80.086 μg·m-3），3 年間 PM2.5年平均質(zhì)量濃度范圍在 47－92 μg·m-3之間，高污染主要集中在研究區(qū)東南部，而以密云區(qū)為代表的北部區(qū)域大氣細(xì)顆粒物濃度污染相對(duì)較低。顯然，2014年P(guān)M2.5污染范圍較為集中，主要分布在市直轄區(qū)、大興和通州，呈現(xiàn)出“南高北低”的空間分布特征，2015年 PM2.5年均質(zhì)量濃度值的最高值下降至 76.716 μg·m-3，全市PM2.5重污染范圍向北部偏移，昌平、順義與平谷相較于 2014年的污染狀況具有明顯升高，且全市各區(qū)域之間的污染差值以視覺(jué)可見(jiàn)程度減小。全市2016年大氣污染較2015年略有加重，除密云區(qū)污染濃度仍保持全市最低值以外，其余各區(qū)之間的污染差值進(jìn)一步縮小，重污染區(qū)域仍集中在南部區(qū)域。對(duì)比全市采暖期 PM2.5均值濃度污染的空間分布，3年大氣污染質(zhì)量濃度范圍分別為58.673－189.121 μg·m-3（2014年）、48.489－180.233 μg·m-3（2015 年）、48.818－143.705 μg·m-3（2016年），相較于非采暖期大氣污染程度較嚴(yán)重，在區(qū)域分布上呈現(xiàn)“南高北低”的空間污染分布特征，重污染范圍下移，主要集中在房山、大興與通州，與非采暖期相比主城區(qū)污染程度明顯降低。2015年采暖期，全市PM2.5污染呈現(xiàn)南部較重，其余區(qū)域污染水平差異較小、分布較均勻的空間特征，整體表現(xiàn)為西南部＞東南部＞中部＞東北部＞西北部。2016年重污染范圍在南部擴(kuò)大，除大興外，通州污染程度相對(duì)較重。其中，采暖期與非采暖期的主城區(qū)污染差異性較大，非采暖期為全市重污染區(qū)域的組成部分，采暖期的主城區(qū)污染程度較周邊區(qū)域均衡，為進(jìn)一步探究導(dǎo)致該污染特征的深層次原因，對(duì)主城區(qū) PM2.5污染的空間分布特征進(jìn)行分析（圖6）。

圖5 北京市大氣PM2.5年均質(zhì)量濃度插值Fig.5 Interpolation of atmospheric PM2.5 average annual concentration in Beijing

圖6 北京市主城區(qū)大氣PM2.5年均質(zhì)量濃度插值Fig.6 Interpolation of atmospheric PM2.5 average annual concentration in the urban center of Beijing

圖7 北京市六環(huán)路以內(nèi)區(qū)域大氣PM2.5年均質(zhì)量濃度插值圖Fig.7 Interpolation of atmospheric PM2.5 annual average concentration within the area of the sixth ring road in Beijing

對(duì)比主城區(qū)2014－2016年非采暖期PM2.5平均質(zhì)量濃度空間演變特征（B1－B3），發(fā)現(xiàn)城區(qū)道路交通主線涵蓋區(qū)域的 PM2.5污染水平整體高于未分布交通主線的區(qū)域，即東南部污染程度顯著高于西北部，顯然非采暖期城市道路交通機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放對(duì)主城區(qū)大氣細(xì)顆粒物污染具有較大影響。就3年具體污染空間分布而言，南三環(huán)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以南污染濃度始終較為嚴(yán)重，門(mén)頭溝監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染濃度保持城區(qū)最低，變化較明顯的區(qū)域?yàn)楸辈啃聟^(qū)與植物園兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，北部新區(qū)相對(duì)其他站點(diǎn)污染程度逐年加重，植物園監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2016年有明顯下降。采暖期，PM2.5污染濃度的空間分布呈南部與北部較高中部低的區(qū)域分布特征，以植物園與門(mén)頭溝兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)為中心屬于低值區(qū)，其余部分污染濃度較高，3年城區(qū)PM2.5污染空間分布差異性明顯；2014年的污染質(zhì)量濃度范圍為 87.284－111.216 μg·m-3，最高值略低于2015年的115.496 μg·m-3，高濃度區(qū)域在空間上較為集中，沿著東南部呈條帶分布；至2015年與 2016年，城區(qū)大氣污染的高值區(qū)與低值區(qū)間的界限逐漸模糊，豐臺(tái)花園與南三環(huán)周邊大氣污染嚴(yán)重，低值區(qū)收縮至植物園周邊，3年污染差異縮小，呈現(xiàn) 2014年（85.091 μg·m-3）＞2015年（72.065 μg·m-3）＞2016 年（71.525 μg·m-3）的污染狀態(tài)，由此可以看出道路交通中機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放與道路揚(yáng)塵在采暖期對(duì)大氣污染的影響作用相對(duì)較小。

分析六環(huán)區(qū)域內(nèi) PM2.5污染濃度的空間分布特征發(fā)現(xiàn)，非采暖期 PM2.5污染濃度空間分布整體呈東南高西北低的特點(diǎn)，2014年全市以南三環(huán)監(jiān)測(cè)點(diǎn)起始向東南擴(kuò)展至大興、亦莊與通州，在該研究區(qū)域內(nèi)形成高污染集聚區(qū)，2015年西北部的低值集聚區(qū)范圍相對(duì)減小，東南部高污染區(qū)域范圍擴(kuò)大，但各區(qū)域均值濃度趨于均衡，整體污染狀況好轉(zhuǎn)，2016年形成了以植物園為中心的小范圍低值區(qū)和以南三環(huán)為中心的小區(qū)域高值區(qū)，且房山監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊大氣污染狀況有了明顯的改善。其中，大氣污染程度的空間分布狀況與城市道路交通線的分布具有明顯的相關(guān)關(guān)系。采暖期，PM2.5年均濃度空間分布形似四分之一西瓜橫切面，呈“皮紅（高值區(qū)）瓤藍(lán)（低值區(qū)）”的空間分布形態(tài)，其中，2014年的房山、大興、亦莊與通州4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)大氣污染較為嚴(yán)重，以云崗、豐臺(tái)花園、南三環(huán)、東四環(huán)為邊界線的西北部區(qū)域整體濃度值均較低。2015年與2016年重污染區(qū)域向南部收縮，通州、亦莊監(jiān)測(cè)點(diǎn)的 PM2.5污染濃度值降低，在空間上整體呈現(xiàn)北部低南部高的分布特征。

通過(guò)對(duì) 2014－2016年北京市全域、城區(qū)與六環(huán)路內(nèi)3個(gè)區(qū)域大氣細(xì)顆粒物污染的空間分布特征進(jìn)行分析，深入探討了采暖期與非采暖期北京市PM2.5污染的空間演變特征，同時(shí)，對(duì)全市 3年來(lái)PM2.5污染空間分布的同質(zhì)性與異質(zhì)性進(jìn)行了總結(jié)（李小飛等，2012）。結(jié)合城區(qū)交通主線，對(duì)道路交通產(chǎn)生的污染物如機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣與道路揚(yáng)塵等對(duì)PM2.5濃度的影響作用進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，得出在非采暖期，道路交通污染物對(duì) PM2.5空間分布的影響較明顯，采暖期影響作用相對(duì)較弱的結(jié)論。

3 結(jié)論

（1）北京市 PM2.5年均質(zhì)量濃度污染 2014年＞2015年＞2016年，污染狀況逐年好轉(zhuǎn)，采暖期顯著高于非采暖期。非采暖期 PM2.5小時(shí)均值污染具有明顯的累積與滯后效應(yīng)，月均值呈“W”形波動(dòng)，每年5－6月、8－9月污染較輕。采暖期白天小時(shí)均值濃度顯著低于夜晚，每年 1－2月污染嚴(yán)重，且2014年11月為配合APEC會(huì)議順利召開(kāi)，北京及周邊5省通過(guò)聯(lián)防聯(lián)控嚴(yán)格控制該時(shí)間段內(nèi)區(qū)域大氣質(zhì)量，效果顯著。

（2）2014－2016年北京市PM2.5污染呈南高北低的空間分布。非采暖期，全市東南部為高濃度集聚區(qū)，主城區(qū) PM2.5污染的空間分布與交通線路契合度較高，受機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放影響明顯。采暖期，西南部為全市高污染區(qū)域，主城區(qū)內(nèi)部呈南、北高中間低的空間分布特點(diǎn)；六環(huán)以內(nèi)，采暖期與非采暖期均呈東南高西北低分布，非采暖期萬(wàn)柳、云崗以東為污染重災(zāi)區(qū)，采暖期的重污染范圍逐漸趨于邊緣化，向東、南方向集聚。

（3）影響北京市 PM2.5污染時(shí)空分布規(guī)律的主要因素，非采暖期主要為機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放，采暖期是冬季燃煤或燃?xì)馊∨c機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放等人為因素的綜合作用。近年來(lái)，隨著空氣污染防治措施的施行、環(huán)保理念的大力推廣與公眾環(huán)保意識(shí)的提高，北京市大氣污染狀況改善明顯。