重慶市渝北區(qū)PM2.5時(shí)空變化特征及影響因子分析

黃 旺，何 勇

(重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

1 引言

細(xì)顆粒物(PM2.5)是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤2.5 μm的顆粒物。PM2.5是大氣污染中危害最為嚴(yán)重的顆粒物，人們吸入后，會(huì)誘發(fā)各種病癥。同時(shí)，PM2.5濃度較大的時(shí)候，會(huì)能降低能見(jiàn)度，形成霧霾天氣[1]。近年來(lái)，城市的高速發(fā)展，能源使用增加，致使生活、交通及工業(yè)排放污染物增加。大氣中PM2.5濃度也隨著變化，所以研究PM2.5濃度變化規(guī)律以及分析影響PM2.5濃度變化的因素，對(duì)于PM2.5防治和制定相關(guān)治理政策、改善居民生活質(zhì)量具有重要意義。

渝北區(qū)處于重慶市主城區(qū)北部方向，地處巴渝平行嶺谷地帶，由于渝北區(qū)氣候特征明顯、四季變化分明、夏季雨水多、風(fēng)力較小、冬季云霧多，風(fēng)力小的特點(diǎn)，PM2.5濃度變化差異明顯。為分析渝北區(qū)PM2.5時(shí)間變化特征和空間分布特征及影響因子。本研究根據(jù)PM2.5的空間關(guān)聯(lián)性特點(diǎn)，利用重慶市2016年P(guān)M2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為大氣污染治理提供科學(xué)的依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2.1.1 PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由于PM2.5污染的區(qū)域性特性更強(qiáng)，存在遠(yuǎn)距離輸送的問(wèn)題，隨著大氣運(yùn)動(dòng)與物質(zhì)擴(kuò)散，霧霾天氣往往會(huì)影響多個(gè)臨近區(qū)域[2]，由于渝北區(qū)為山地地形，受到季風(fēng)影響較為明顯，同時(shí)城區(qū)人口、建筑較為集中在主城區(qū)，渝北區(qū)PM2.5濃度變化受到主城區(qū)其他區(qū)域影響也相對(duì)較大。根據(jù)PM2.5所具有的特性，利用主城區(qū) 17 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析具有更加精確的結(jié)果，重慶市主城區(qū)17個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)與渝北區(qū)3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及的位置示意如圖1, PM2.5濃度數(shù)據(jù)為 2016 年1月3 日到 2016 年 12月31日每隔 1 h 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)源于(細(xì)顆粒物)及空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)實(shí)時(shí)查詢http://www.pm25.in/。

圖1 PM2.5監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布示意

2.1.2 土地利用類型

土地利用數(shù)據(jù)為重慶市主城區(qū)2015年數(shù)據(jù)，考慮了PM2.5監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位置和土地利用類型數(shù)量。分為耕地、林地、草地、水域、建筑用地等5類，對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)做緩沖區(qū)處理，緩沖區(qū)半徑分別為5000 m、3000 m、1000 m。然后提取各種土地利用類型占地面積數(shù)據(jù)(圖2)。

圖2 重慶市主城區(qū)土地利用分類

2.1.3 人口數(shù)據(jù)

渝北區(qū)城區(qū)人口多，密度大，PM2.5濃度變化受到人口集聚效應(yīng)的影響，人口分布能夠側(cè)面反應(yīng)社會(huì)資源流向。體現(xiàn)城市資源消費(fèi)區(qū)域分布情況，人口數(shù)據(jù)為2016 年重慶市人口分布數(shù)據(jù)。 處理方法同樣為根據(jù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建立5000 m、3000 m、1000 m緩沖區(qū)，并統(tǒng)計(jì)各緩沖區(qū)內(nèi)人口數(shù)量。

2.1.4 地形地貌

DEM可以反應(yīng)研究區(qū)地形地貌條件，PM2.5的濃度變化位置與海拔存在關(guān)系。地形地貌對(duì)PM2.5濃度空間分布的影響具有明顯地域特征。由于重慶是平行嶺谷地貌，海拔差異明顯，同時(shí)渝北區(qū)工業(yè)園區(qū)，建筑分布也受到地形地貌的影響。研究PM2.5濃度變化加入高程數(shù)據(jù)非常重要。利用重慶市DEM數(shù)據(jù)獲取每個(gè)站點(diǎn)的高程。

2.1.5 道路密度

交通路網(wǎng)表征了機(jī)動(dòng)車的污染排放。結(jié)合2016年modis影像并結(jié)合谷歌地球進(jìn)行矢量化得到，對(duì)每個(gè)站點(diǎn)分別建立5000 m、3000 m、1000 m緩沖區(qū)，并統(tǒng)計(jì)各緩沖區(qū)內(nèi)各道路類型總長(zhǎng)度。

2.1.6 產(chǎn)業(yè)點(diǎn)密度

產(chǎn)業(yè)點(diǎn)密度數(shù)據(jù)反應(yīng)的是單位面積中產(chǎn)業(yè)點(diǎn)的數(shù)量，它能夠準(zhǔn)確地反映出一個(gè)地區(qū)單位土地總面積上的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出水平,是反應(yīng)地區(qū)生產(chǎn)及發(fā)展水平的重要指標(biāo)。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程會(huì)直接或間接地向環(huán)境大氣排放污染物,影響PM2.5濃度。產(chǎn)業(yè)點(diǎn)的分布可以反映影響PM2.5濃度變化，對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分別建立5000 m、3000 m、1000 m范圍緩沖區(qū)，并統(tǒng)計(jì)各緩沖區(qū)內(nèi)各產(chǎn)業(yè)點(diǎn)數(shù)量，從而獲取緩沖區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)點(diǎn)密度變量。

2.2 LUR模型構(gòu)建

LUR(Land Use Regression)由Briggs等[3]于1997年提出，給予GIS平臺(tái)。建立大氣污染物與土地利用和其他相關(guān)數(shù)據(jù)的多元回歸模型?？梢阅M大氣污染物濃度。LUR模型能夠在一定程度上從機(jī)制方面解釋大氣污染物濃度的時(shí)空特征[4]。

采用LUR模型模擬大氣污染物濃度空間分布的精確性取決于所選取的地理變量和緩沖區(qū)數(shù)量以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量與分布。構(gòu)建LUR模型常見(jiàn)的地理變量包括土地利用、 道路交通、人口密度、氣象因素和自然地理因素等。LUR 模型已經(jīng)在模擬歐洲、北美和日本一些城市的NOX、PM2.5年平均濃度方面取得了不錯(cuò)成績(jī)[5,6]。由于PM2.5數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和監(jiān)測(cè)范圍有限，為實(shí)現(xiàn)濃度空間分布高分辨率覆蓋[7]，本研究基于ARCGIS10.1，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)和產(chǎn)業(yè)密度等數(shù)據(jù)，利用LUR模型計(jì)算PM2.5多元線性回歸公式。

假設(shè)大氣污染物濃度y受到n個(gè)自變量x1,x2,……xn的影響，其組觀測(cè)值為ya，a=1,2……，n。那么，大氣污染物濃度濃度多元回歸模型結(jié)構(gòu)形式為：

ya=β0+β1x1a+β2x2a+βnxna+εa

(1)

式(1)中，y為大氣物檢物濃度 ，x為自變量，β0，β1，……，βn為待定系數(shù)，εa為隨機(jī)變量。

3 結(jié)果與分析

3.1 渝北區(qū)PM2.5時(shí)間分布特征

3.1.1 PM2.5濃度2014～2016年變化情況

根據(jù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，取監(jiān)測(cè)站點(diǎn)均值作為渝北區(qū)2014、2016年P(guān)M2.5年均值，分析PM2.5變化情況，結(jié)果如表1所示。

表1 PM2.5變化情況

從表1可以看出，禮嘉PM2.5平均質(zhì)量濃度由2014年64.91 μg/m3降至2016年54.15 μg/m3，降幅為16.58%，空港PM2.5平均質(zhì)量濃度由2014年59.9 μg/m3降至2016年的52.86 μg/m3，降幅為11.75%，兩路PM2.5平均質(zhì)量濃度由2014年的56.24 μg/m3降至2016年53.01 μg/m3，降幅為5.73%，表明2014～2016年P(guān)M2.5污染程度有所下降，其中禮嘉地區(qū)降幅最大。

2014年渝北區(qū)禮嘉、空港、兩路年均值分別為64.91 μg/m3、59.9 μg/m3和56.24 μg/m3，三個(gè)地區(qū)的年均值均超過(guò)了國(guó)家新規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的年均值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(35 μg/m3)，禮嘉、空港、兩路年均值分別是標(biāo)準(zhǔn)值的1.85倍、1.71倍和1.61倍。

2016年渝北區(qū)禮嘉、空港、兩路年均值分別為54.15 μg/m3、52.86 μg/m3和53.01 μg/m3，三個(gè)地區(qū)的年均值均超過(guò)了國(guó)家新規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的年均值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(35 μg/m3)，年均值分別是標(biāo)準(zhǔn)值的1.55倍、1.51倍和1.51倍。渝北區(qū)2014和2016年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度一級(jí)超標(biāo)倍數(shù)雖有下降，但變化范圍相差不大。

3.1.2 PM2.5日變化分析

PM2.5統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均為小時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)每天24 h數(shù)據(jù)求得算數(shù)均值即為PM2.5的日均值，同時(shí)依據(jù)日均值數(shù)據(jù)，計(jì)算月數(shù)據(jù)和季節(jié)數(shù)據(jù)及年均值， 其中6、7、8月份為夏季，9、10、11月份為秋季，12、1、2月份為冬季，3、4、5月份為春季。選擇渝北區(qū)2016年兩路、空港、禮嘉三個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，做日變化分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 2016年渝北區(qū)PM2.5濃度日變化

從圖3中可以看出，2016年P(guān)M2.5日均濃度處于國(guó)家一級(jí)、二級(jí)濃度標(biāo)準(zhǔn)之間。 在一天中 PM2.5濃度日平均中分別在10:00～12:00和22:00至次日1:00出現(xiàn)2個(gè)峰值，由于10:00～12:00是人口活動(dòng)、交通運(yùn)輸、建筑施工、餐飲業(yè)油煙排放的高峰期，PM2.5濃度變化在這個(gè)階段達(dá)到了一個(gè)高峰。隨后由于氣溫逐漸變化，溫度逐漸升高，較大的溫差有利于污染源的擴(kuò)散，PM2.5濃度逐漸降低。而在16:00時(shí)渝北區(qū)PM2.5濃度達(dá)到全天低谷值，隨后PM2.5濃度在夜間逐漸升高，這是由于隨著下午到晚上這段時(shí)間，地面溫度降低，造成空氣垂直對(duì)流能力弱，污染物濃度消散能力變?nèi)?。PM2.5逐漸升高并于0時(shí)左右達(dá)到 PM2.5濃度全天最高值，說(shuō)明渝北區(qū)PM2.5濃度峰值出現(xiàn)時(shí)間與人們的早上出行高峰和當(dāng)天氣象條件變化相關(guān)。

3.1.3 PM2.5逐月變化情況

渝北區(qū)2016各地區(qū)月PM2.5月均濃度以9月最高，7月最低。PM2.5濃度大小依次為：9月>12月>2月>1月>3月>11月>5月>8月>4月>10月>6月>7月。

從逐月變化圖4來(lái)看：12月，1月，2月和3月濃度值顯著高于4月，5月和6月，10月份PM2.5濃度降低明顯，這可能與10月份頻繁降雨有關(guān)。在12，1，2,3月份渝北區(qū)氣溫較低，降雨少，大，在大氣中污染物的擴(kuò)散和清除程度較小，同時(shí)人們的燃煤取暖等活動(dòng)也會(huì)增加污染物的排放。在4，5，6月份，渝北區(qū)氣溫逐漸回升，大氣活動(dòng)增強(qiáng)，降雨量也增加，增強(qiáng)了大氣中顆粒物的擴(kuò)散和清除。

圖4 PM2.5濃度逐月變化

3.1.4 PM2.5季節(jié)變化情況

選取渝北個(gè)及其周邊的兩路、空港、禮嘉、蔡家、高家花園、解放碑、唐家沱7個(gè)站點(diǎn)比較，分析PM2.5濃度季變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 2016年渝北及周邊7個(gè)站點(diǎn)PM2.5四季變化

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：2016年渝北區(qū)及周邊7個(gè)地區(qū)PM2.5濃度季節(jié)變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明但PM2.5濃度變化趨勢(shì)基本相同說(shuō)明PM2.5的污染呈現(xiàn)區(qū)域性特征，渝北區(qū)PM2.5濃度受到周圍區(qū)域影響。PM2.5濃度以夏季最低，冬季最高，其中最高為72.86 μg/m3，季節(jié)平均濃度大小依次為：冬季>春季>秋季>夏季。這是因?yàn)橛灞眳^(qū)是山地地形，多高樓大廈，地面粗糙度大，氣象因素在較大程度上影響渝北區(qū)的PM2.5濃度，渝北區(qū)春冬季靜風(fēng)頻率大，由于重慶夏季降雨較多，風(fēng)速也相對(duì)其他季節(jié)較大，大氣污染物消散能力增強(qiáng)。而冬季以陰天為主，降水量較少，大氣穩(wěn)定度較高，風(fēng)速較小，無(wú)持續(xù)風(fēng)向，加之受城市熱島效應(yīng)影響，不利于空氣中污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致PM2.5濃度明顯升高，因此渝北及周邊7個(gè)地區(qū)PM2.5濃度冬高夏低 。

3.2 PM2.5空間變化特征

在對(duì)污染物濃度分布進(jìn)行研究時(shí)常利用插值法: 克里格法是基于包含自相關(guān)( 即測(cè)量點(diǎn)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系) 統(tǒng)計(jì)模型的插值方法,利用主城區(qū)17個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5平均值，進(jìn)行ARCGIS克里格插值分析，得到重慶市四季 PM2．5空間濃度分布圖，然后提取渝北區(qū)四季PM2.5濃度空間分布，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 2016年四季PM2.5質(zhì)量濃度空間分布

從圖6中可看出，渝北區(qū)2016年P(guān)M2.5濃度空間分布特征具有以下特征：第一，渝北區(qū)冬季PM2.5濃度最高，且高濃度覆蓋區(qū)域面積較大；第二，PM2.5濃度空間分布特征季節(jié)變化明顯，春季禮嘉PM2.5濃度最高，第三，渝北區(qū)PM2.5濃度四季存在明顯空間分布差異明顯，城市內(nèi)部PM2.5濃度高于遠(yuǎn)郊地區(qū)。原因分析：由于夏季是重慶的雨季，降水對(duì)大氣具有清潔作用，不利于污染物滯留。同時(shí)渝北區(qū)城市內(nèi)部冬季 PM2.5污染空間異質(zhì)性弱于夏季，盡管冬季污染程度明顯比夏季嚴(yán)重；這是因?yàn)槎練庀髼l件穩(wěn)定，不利于城市內(nèi)部污染物擴(kuò)散，而夏季局部空氣擴(kuò)散條件差異明顯[8]。

3.3 PM2.5影響因子分析

3.3.1 相關(guān)性分析

本研究利用SPSS軟件的雙變量相關(guān)性分析功能，分別分析了19個(gè)變量和PM2.5平均濃度的相關(guān)性(表2)。從相關(guān)性分析結(jié)果可以看出，與因變量PM2.5相關(guān)性程度最高的是1000 m半徑緩沖區(qū)林地面積，其次是2000 m半徑緩沖區(qū)林地面積、然后是2000 m，1000 m半徑緩沖區(qū)路網(wǎng)長(zhǎng)度。

由于本實(shí)驗(yàn)中自變量個(gè)數(shù)較多且它們之間可能存在共線性問(wèn)題，所以采用逐步回歸分析法，剔除不顯著的變量。 從判定系數(shù)來(lái)看，最終模型R2逐步增加，且最終R2為0.949，所以模型擬合情況很好，解釋能力較強(qiáng)。最終進(jìn)入模型的自變量有5個(gè)，得到PM2.5濃度變化多元線性回歸方程如下：

y=61.457-3.726X6+0.2X19-0.004X16+0.402X8+0.000301X15

(2)

通過(guò)表3可看出，多元線性回歸方程的回歸系數(shù)值與各個(gè)自變量與因變量的相關(guān)性基本一致，PM2.5濃度值隨人口數(shù)量、產(chǎn)業(yè)密度而增大，隨林地面積、增大而減小。其中，式中X16，系數(shù)為負(fù)值，原因是樣本數(shù)據(jù)量較小，擬合結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況存在一定誤差。

表2 自變量與因變量相關(guān)性

根據(jù)(表3)回歸方程決定系數(shù)R2=0.925，調(diào)整后R2=0.888，回歸方程的R2值的大小代表了回歸方程擬合度的大小，R2值越大表示擬合的效果越好，標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差為1.816 μg/m3模型擬合程度較高，模型的F檢驗(yàn)值sig值遠(yuǎn)小于0.01，故這些變量對(duì)最終模型的貢獻(xiàn)是十分顯著的。在所有相關(guān)因素中，PM2.5與林地面積、人口數(shù)量、產(chǎn)業(yè)密度均有聯(lián)系，是影響PM2.5濃度變化的重要因素。

表3 回歸模型系數(shù)

3.3.2 模型檢驗(yàn)

利用多元回歸方程，利用渝北區(qū)禮嘉站點(diǎn)來(lái)對(duì)方程進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)多元回歸方程，檢驗(yàn)點(diǎn)禮嘉模擬濃度為54.495 μg/m3,再根據(jù)PM2.5監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算，禮嘉年平均濃度為54.15 μg/m3

誤差率=︱模擬值-監(jiān)測(cè)值︱/監(jiān)測(cè)值×100%

(2)

根據(jù)公式(2)得出，檢驗(yàn)點(diǎn)禮嘉誤差率為0.64%,誤差可接受。

4 結(jié)論

(1)渝北區(qū) PM2．5日變化趨勢(shì)為雙峰單谷型。10:00～12:00和22:00至次日1：00達(dá)到峰值，在16：00達(dá)到低谷，說(shuō)明渝北區(qū)PM2.5濃度峰值出現(xiàn)時(shí)間與人們的早上出行高峰以及當(dāng)天氣象條件變化相關(guān)；渝北區(qū)月變化及季節(jié)變化呈現(xiàn)為冬季>春季>秋季>夏季。同時(shí)渝北區(qū)PM2.5濃度受到周邊城區(qū)影響，PM2.5在一年中濃度變化趨勢(shì)相同。

(2)與圖2 的重慶市土地利用類型分布對(duì)比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū) PM2.5四季平均濃度分布，以高值分布于渝北區(qū)中心城鄉(xiāng)居住地以及工業(yè)建設(shè)所在地，耕地與綠地的PM2.5濃度值較低。一方面，因?yàn)橛灞眱陕饭I(yè)園、空港工業(yè)園、出口加工區(qū)等工業(yè)園區(qū)較多，同時(shí)城區(qū)的城鄉(xiāng)居住地和道路交通的密度很大；另一方面，因?yàn)楦嘏c綠地的植物對(duì)PM2.5具有衰減的作用。所以渝北區(qū)PM2.5濃度由城區(qū)到郊區(qū)逐漸降低。

(3)本文結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析、GIS 空間分析方法等方法構(gòu)建LUR 模型，R2達(dá)到了0.925，說(shuō)明擬合效果較好。 回歸方程中，影響PM2.5濃度的因素主要包含監(jiān)測(cè)站點(diǎn)1000 m范圍內(nèi)林地面積、1000 m范圍內(nèi)產(chǎn)業(yè)點(diǎn)密度、3000 m范圍內(nèi)居民點(diǎn)面積以及1000～3000 m范圍內(nèi)人口數(shù)量。同時(shí)考慮模型結(jié)果與檢驗(yàn)點(diǎn)禮嘉誤差為0.64%。