2000—2015年中國PM2.5濃度時空分布特征及其城鄉(xiāng)差異

韓 婧,李元征,李 鋒

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 河南財經(jīng)政法大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 鄭州 450046 4 清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084

PM2.5指大氣中空氣動力學(xué)直徑小于或等于2.5 μm的細(xì)顆粒物,由于PM2.5的比表面積比PM10大,可以吸附更多的細(xì)菌、病毒和多環(huán)芳烴、過渡金屬等有毒有害物質(zhì),且PM2.5可以通過呼吸道,沉積于人體的肺泡,對人體健康的危害更為嚴(yán)重,因此引起了廣泛關(guān)注[1]。近年來,PM2.5污染尤為嚴(yán)重,掌握中國PM2.5分布特征及變化情況,是對其開展防治工作的重要前提。

關(guān)于PM2.5時空分布特征方面的研究,研究尺度包括城市尺度[2- 3]、區(qū)域尺度[4]及全國尺度[5- 7]。從數(shù)據(jù)源來看,研究分為兩大類。一類是利用監(jiān)測站點的數(shù)據(jù),研究全國城市PM2.5濃度的時間變化規(guī)律及PM2.5年均值、年均值超標(biāo)率和日均值超標(biāo)率的空間分異規(guī)律[5- 6]；南京市三年平均PM2.5濃度值空間分布及每年的季節(jié)變化、月變化、周變化和日變化規(guī)律[2]等。另一類是利用遙感反演數(shù)據(jù),如利用van Donkelaar等基于MODIS、MISR和SeaWIFS AOD(Aerosol Optical depth)產(chǎn)品用GEOS-Chem全球化學(xué)傳輸模型反演出的0.1°分辨率全球1998—2012年三年移動平均的PM2.5濃度柵格數(shù)據(jù)集,分析中國大陸PM2.5濃度年均值的空間分布變化及不同等級面積比例的年際變化[8]；利用從哥倫比亞大學(xué)獲取的0.5°分辨率全球2001—2010年每年平均PM2.5柵格數(shù)據(jù),研究中國PM2.5濃度年均值空間格局變化及各PM2.5濃度水平所占面積的時間分布[9]；基于2000—2015年MODIS AOD產(chǎn)品反演得到的10 km分辨率日均地表PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù),分析中國東部每年平均PM2.5濃度值空間分布年際變化、季節(jié)平均PM2.5分布對比及區(qū)域PM2.5年變化速率空間分布[4]等。如今對PM2.5城鄉(xiāng)梯度分布差異的研究日趨重要,城區(qū)具有明顯的混濁島效應(yīng)[10],PM2.5濃度在城鄉(xiāng)梯度上分布具有明顯的差異性[11-12],研究多基于建成區(qū)及鄉(xiāng)村的監(jiān)測站數(shù)據(jù)。

然而PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)源于的臺站數(shù)量有限,分布不均,且觀測時間短,在大尺度全國范圍內(nèi)長時間序列估算PM2.5濃度時空分布特征及變化趨勢存在一定的局限性,此外,以往研究采用的遙感反演數(shù)據(jù)分辨率較粗,城鄉(xiāng)差異研究以地級市為基本單元,沒有具體到更細(xì)的研究單位。因此,本文1)基于目前大尺度精度最高的遙感反演數(shù)據(jù)分析2000—2015年中國PM2.5濃度的時空分布特征及變化。2)分析中國1376個城鎮(zhèn)2000—2015年P(guān)M2.5濃度變化的趨勢及變化速率。3)研究中國城鎮(zhèn)城區(qū)和周圍鄉(xiāng)村地區(qū)PM2.5濃度的差異,以期揭示城市化導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境效應(yīng),為政府相應(yīng)的霧霾治理對策提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1PM2.5數(shù)據(jù)

全球年均0.01°×0.01°分辨率(赤道處約為1 km×1 km)PM2.5數(shù)據(jù)來源于戴爾豪斯大學(xué)大氣成分分析組網(wǎng)站(http://fizz.phys.dal.ca/～atmos/martin/?page_id=140)[13]。地面細(xì)顆粒物(PM2.5)通過NASA MODIS、MISR、和SeaWIFS傳感器的氣溶膠光學(xué)厚度AOD(Aerosol Optical Depth)反演值與GEOS-Chem化學(xué)輸送模式模擬值結(jié)合估計得到。為了匹配常用的標(biāo)準(zhǔn)化測量程序,在35%相對濕度的情況下估計,隨后用地理加權(quán)回歸模型(GWR)校正到全球PM2.5的地面觀察值。精度驗證結(jié)果顯示交叉驗證點地理加權(quán)回歸模型校正的估計值與地面監(jiān)測值高度一致(R2=0.81),具有很好的精度。

1.1.2土地利用數(shù)據(jù)

2000年1 km分辨率的中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),是以Landsat TM/ETM遙感影像作為主要的數(shù)據(jù)源,通過人工目視解譯生成,土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型[14]。2015年中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)同樣來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,是在2010年數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,基于landsat8遙感影像,通過目視解譯生成,土地利用類型與2000年相一致。

1.1.3DEM數(shù)據(jù)

中國1 km分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)集來源于“黑河計劃數(shù)據(jù)管理中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)[15]。

1.2 研究方法

1.2.1中國PM2.5濃度的時空分布特征

世界衛(wèi)生組織的空氣質(zhì)量指南制定的PM2.5空氣質(zhì)量準(zhǔn)則值年平均濃度為10 μg/m3,過渡時期目標(biāo)值- 1(IT- 1)年平均濃度為35 μg/m3,過渡時期目標(biāo)值- 2(IT- 2)為25 μg/m3,過渡時期目標(biāo)值- 3(IT- 3)為15 μg/m3[16]。國內(nèi)的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)最新版本(GB 3095—2012)規(guī)定,顆粒物(粒徑小于等于2.5 μm)年平均一級濃度限值為15 μg/m3,二級濃度限值為35 μg/m3[17]。此外,一些研究中用到70 μg/m3和100 μg/m3作為分類值[8,10]。因此,基于上述依據(jù)并結(jié)合本文全國PM2.5柵格數(shù)據(jù)集的最大值最小值,將年均PM2.5濃度分為七個等級,等級一：1—10 μg/m3,等級二：10—15 μg/m3,等級三：15—25 μg/m3,等級四：25—35 μg/m3,等級五：35—70 μg/m3,等級六：70—100 μg/m3,等級七：100—130 μg/m3,對全國PM2.5柵格數(shù)據(jù)集重分類,每一類別對應(yīng)每一等級,分別統(tǒng)計各等級占全國面積的比例,繪制百分比堆積柱形圖,進而宏觀層次上分析全國各處的空氣污染物的年際變化規(guī)律。

1.2.2中國PM2.5濃度的城鄉(xiāng)差異

1)城鄉(xiāng)范圍的界定

城區(qū)范圍是利用ArcGIS 10.2軟件采用1 km的搜索半徑對2015年土地利用圖分類體系中的城鎮(zhèn)用地(指大、中、小城市及縣鎮(zhèn)以上建成區(qū)用地)進行聚合操作得出的[18]。這樣既使得與主城區(qū)相近的離散城鎮(zhèn)用地與主城區(qū)合并為同一城鎮(zhèn)的城區(qū),又使得較大的城市與其衛(wèi)星城分離為不同的城鎮(zhèn)[18]。然后,僅保留面積大于6 km2的斑塊,它們可以包含中國東部人口密集且經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的絕大部分縣城[18]。最后,將2015年提取出的城鎮(zhèn)用地與2000年進行疊合分析得到兩個時期均為建成區(qū)的不變像元作為研究2000—2015年年際變化的城鎮(zhèn)城區(qū)范圍。

與這些城鎮(zhèn)城區(qū)對應(yīng)的鄉(xiāng)村被定義為距離2015年提取出的城鎮(zhèn)城區(qū)5—10 km的環(huán)形緩沖區(qū)中排除掉城鎮(zhèn)用地、水體及數(shù)字高程高于城區(qū)高程最大值或低于其最小值50 m的部分[18- 19]?？紤]到水體和高程的限制主要是因為它們對PM2.5濃度均有負(fù)向的影響[8,20]。同樣提取出2000年的鄉(xiāng)村區(qū)域,并選定兩個年份中同為鄉(xiāng)村的不變像元作為用于分析2000—2015年年際變化的鄉(xiāng)村區(qū)域。由上述城鄉(xiāng)定義,提取得到1376個城鎮(zhèn)城區(qū)及其對應(yīng)的鄉(xiāng)村,如圖1所示。

2)城鄉(xiāng)PM2.5濃度的年際變化的對比

首先計算各個年份各個城鄉(xiāng)處PM2.5濃度的面積加權(quán)后的均值,及其城鄉(xiāng)差值。然后,采用線性趨勢分析法計算1376個城鎮(zhèn)城區(qū)及對應(yīng)鄉(xiāng)村處PM2.5濃度在2000—2015年期間的變化速率及其顯著性。

圖1 1376個城鎮(zhèn)的區(qū)位圖Fig.1 The location of 1376 towns

2 結(jié)果與分析

2.1 不同PM2.5濃度等級的面積比例及空間分布年際變化

圖2顯示所有PM2.5濃度等級所占面積比例的年際變化。結(jié)果表明,2000—2015年期間,PM2.5低濃度區(qū)域面積比例顯著減少,等級一從2000年的26.97%減少到2015年的16.50%,等級二從2000年的16.95%降低到8.62%。與此相反,PM2.5高濃度區(qū)域的面積比例顯著增加,如等級五的面積比例從2000年的15.13%增加到2015年的24.39%,等級六的面積比例從2000年的3.45%上升到2015年的6.93%,等級七的面積比例從2000年的0變?yōu)?015年的0.71%,比例最高值為2010年的1.35%。總體來說,等級六和等級七面積比例變化較小,增加幅度較小,是因為這兩個等級代表極其嚴(yán)重的空氣污染區(qū),主要為塔克拉瑪干沙漠及中東部華北平原部分地區(qū),占整個國土面積的比例小,因此變化幅度相對其他等級來說也較小。此外,中等濃度的面積比例也發(fā)生了顯著的變化,等級三面積比例減小,從2000年的24.97%到2015年的18.87%,等級四面積比例增加,從2000年的12.53%到2015年的23.98%。PM2.5濃度超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)(35 μg/m3)的面積范圍從18.58%增加到32.03%,約等于國土面積的三分之一,濃度介于國家一級標(biāo)準(zhǔn)與二級標(biāo)準(zhǔn)之間的面積范圍在40%左右波動,而濃度值小于國家一級標(biāo)準(zhǔn)(15 μg/m3)的面積范圍從43.92%減少到25.12%。上述所有等級年際變化均為波動式,其中有的年份值較高或較低,但總體的趨勢為等級一、二、三面積比例減少,等級四、五、六、七面積比例增加,表明全國2000—2015年P(guān)M2.5污染加劇,中高濃度范圍擴大。

圖2 2000—2015年中國不同PM2.5濃度等級的面積比例Fig.2 Area proportion of different PM2.5concentration grades in China from 2000 to 2015

圖3顯示研究期內(nèi)中國不同PM2.5濃度等級的空間分布。全國PM2.5濃度的平均值顯著上升,從22.31 μg/m3增加到31.78 μg/m3。高濃度區(qū)域主要分布在華北平原上的河北南部、河南北部和山東西部,以及西部的塔里木盆地。等級六(70—100 μg/m3)常年分布在塔里木盆地、華北平原河北東南部、山東西北部、河南省北部,除此之外,部分年份會分布在四川省成都市、湖北省武漢市和孝感市、江蘇省長江兩岸及甘肅省蘭州市附近地區(qū),2015年在東北平原地區(qū)和江蘇省有大范圍成片分布。此等級在華北平原的分布范圍變化過程為：從2000年僅在一些城市零星點狀分布,到2001、2002年在河北東南部小范圍面狀分布,然后分布范圍逐年增加,到2007年分布范圍達到最大,幾乎涵蓋了整個華北平原,繼而范圍縮小、波動,在2010年又相對增加,后又減少,2013年又增加,然后又繼續(xù)縮小。等級七超高濃度(100—130 μg/m3)僅在部分年份有分布,2006年在河北省東南部分布較廣,2010、2011、2013、2015年在塔里木盆地分布較廣。在研究期內(nèi),等級五的分布范圍整體呈現(xiàn)擴大的趨勢,2000年主要分布在三個區(qū)域,即(I)塔里木盆地外圍和柴達木盆地(II)甘肅寧夏內(nèi)蒙陜西交界處(巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、毛烏素沙地和黃土高原)(III)中國中東部華北平原長江中下游平原部分區(qū)域(河北南部、山東西部、河南省、湖北省、江蘇省及安徽省北部)。隨后,除了II區(qū)域在多數(shù)年份范圍縮小外,其余各區(qū)域的范圍都不斷擴大,中東部囊括了河北省南部、山東河南江蘇安徽湖南全境以及湖北東部、江西浙江北部、貴州廣西東部、廣東西部地區(qū),再納入山西和陜西的汾渭平原、四川省東部和重慶及東北平原地區(qū),整體幾乎連成一片呈Y字形分布。低濃度區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古高原北部大興安嶺山脈周圍、青藏高原南部、新疆北部阿爾泰山脈附近區(qū)域及臺灣地區(qū),同時這幾個區(qū)域在研究期內(nèi)變化很小,中等濃度如等級三和四主要分布在高濃度區(qū)域外圍,值得一提的是內(nèi)蒙古自治區(qū)陰山山脈以北、福建省、云南省和海南省濃度相對較低,空氣質(zhì)量較好。

2.2 PM2.5濃度在城區(qū)及鄉(xiāng)村的變化趨勢

圖4顯示,總體來看,城區(qū)和鄉(xiāng)村PM2.5濃度的變化趨勢非常類似。經(jīng)統(tǒng)計,城區(qū)2000—2015年P(guān)M2.5濃度有顯著性變化趨勢(P<0.05)的城鎮(zhèn)有873個,占總數(shù)的63.44%,變化速率的最小值為-1.32 μg m-3a-1,最大值為2.27 μg m-3a-1,平均為(1.12±0.49) μg m-3a-1。與之相對應(yīng)的,PM2.5濃度有顯著性變化的鄉(xiāng)村有873個,顯著變化速率的最小值為-1.33 μg m-3a-1,最大值為2.26 μg m-3a-1,平均為(1.12±0.48) μg m-3a-1。結(jié)果表明,僅有少數(shù)幾個城鎮(zhèn)表現(xiàn)為顯著的負(fù)向趨勢,分布較為零散,主要位于寧夏、陜西、內(nèi)蒙的交界處和臺灣。相反,顯著正向趨勢廣泛分布在全國各地城鎮(zhèn)的城區(qū)及鄉(xiāng)村,變化速率最快的地區(qū)為東北平原哈爾濱—長春-沈陽連線沿線,并以此為核心向四周擴散,速率逐漸降低。變化次快的為華北平原上太行山以東的河北省西南部、燕山以南的北京天津及河北唐山、魯中南山地丘陵及周圍平原地區(qū)、華北平原江蘇省北部、長江中下游平原巢湖周邊,再其次為華北平原河南省東部、安徽省北部、長江中下游平原位于湖北湖南安徽江蘇上海的地區(qū)及廣西盆地,然后是河南省西部、江西鄱陽湖平原、杭州灣周邊地區(qū)、廣東省中西部、山西內(nèi)蒙與河北三省交界處及新疆北部吐魯番盆地、準(zhǔn)噶爾盆地的綠洲等地區(qū)。

圖4 2000—2015年中國1376個城鎮(zhèn)的城區(qū)及鄉(xiāng)村的PM2.5濃度變化趨勢Fig.4 Variation trend of PM2.5concentration of 1376 towns’ urban areas and rural areas in China from 2000 to 2015

2.3 PM2.5濃度的城鄉(xiāng)差異

圖5顯示,2000—2015年中國1376個城鎮(zhèn)PM2.5濃度城鄉(xiāng)差值的年際變化很小,每年全國城鄉(xiāng)差值的平均值在4.5 μg/m3上下波動,最小值為4.41 μg/m3,最大值為4.64 μg/m3。絕大部分城鎮(zhèn)的PM2.5濃度城鄉(xiāng)差值分布在-5—0 μg/m3、0—5 μg/m3、5—10 μg/m3區(qū)間,占城鎮(zhèn)總數(shù)約83%—85%,在全國各地都有分布,沒有特定的明顯的分布規(guī)律。僅少數(shù)一兩個城鎮(zhèn)在部分年份差值小于-5,具體原因尚待進一步研究分析。差值超過10 μg/m3的城鎮(zhèn)占15%—17%,等級越高,分布范圍越小,主要分布在(I)華北平原沿燕山、太行山延伸的從河北遵化到河南鄭州的東北-西南向S形條帶(II)從河北張家口沿大同盆地、忻州盆地、太原盆地、臨汾盆地、運城盆地到關(guān)中平原的東北-西南向S形條帶(III)天山北部準(zhǔn)噶爾盆地南部的綠洲(IV)浙江省-福建省條帶,以及海峽對岸的臺灣環(huán)島城鎮(zhèn)。

圖5 2000—2015年中國1376個城鎮(zhèn)PM2.5濃度城鄉(xiāng)差值的空間分布Fig.5 Spatial pattern of PM2.5concentration difference between urban areas and rural areas of 1376 towns in China from 2000 to 2015

3 結(jié)論

本文基于長時間序列PM2.5濃度遙感反演數(shù)據(jù)分析了中國2000—2015年P(guān)M2.5濃度的時空分布特征,且比較了1376個城鎮(zhèn)的城區(qū)和周圍鄉(xiāng)村地區(qū)PM2.5濃度的差異,得出了以下幾條結(jié)論：

1)PM2.5污染較嚴(yán)重的地區(qū)為華北平原的河北南部、河南北部和山東西部,以及中國西部的塔里木盆地,而低濃度區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古高原北部大興安嶺山脈周圍、青藏高原南部、新疆北部阿爾泰山脈附近區(qū)域及臺灣。

2)2000—2015年等級一、二、三面積比例減少,等級四、五、六、七面積比例增加,中高濃度范圍擴大,全國PM2.5污染狀況惡化。

3)PM2.5濃度顯著的強正向變化趨勢主要位于東北平原、太行山以東的河北省西南部、燕山以南的北京天津及河北唐山、魯中南山地丘陵及周圍平原地區(qū)、華北平原江蘇省北部、長江中下游平原巢湖周邊。

4)PM2.5濃度城鄉(xiāng)差值較大區(qū)域主要包括河北省、山西省兩條東北-西南向S形條帶、浙江省-福建省條帶及天山北部綠洲區(qū)域。

4 討論

前人研究大多表明PM2.5高濃度區(qū)域分布在中國東部平原、四川省及塔克拉瑪干沙漠[21- 23],本研究結(jié)果顯示PM2.5污染較嚴(yán)重的地區(qū)為華北平原的河北南部、河南北部和山東西部,以及中國西部的塔里木盆地,其中華北平原和塔里木盆地與前人結(jié)果一致,原因分別是人類活動排放及沙塵天氣頻發(fā)。而四川省存在分歧,本文顯示四川東部的污染水平由2000年絕大部分區(qū)域為25—35 μg/m3演變?yōu)?5—70 μg/m3,僅在2005、2006、2010年部分年份在成都市附近有70—100 μg/m3等級的分布,整體污染程度與中國中東部長江中游平原的污染水平類似,并沒有華北平原高。此外,PM2.5濃度超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)(35 μg/m3)的面積范圍從2000年的18.58%增加到2015年的32.03%,約等于國土面積的三分之一,佐證了前人研究[24]。

PM2.5濃度變化趨勢分析中,變化速率范圍為-1.5—2.5 μg m-3a-1,與前人研究中快速增長類的增長速率2.21 μg m-3a-1,慢增長類的濃度變化速率1.10 μg m-3a-1基本吻合[22]。顯著的負(fù)向趨勢出現(xiàn)在寧夏回族自治區(qū)和陜西省的交界處,顯著的強正向趨勢分布在中國東部平原、河北省南部和山東省[22]也相一致。但本研究發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)也是顯著的強正向趨勢分布區(qū),甚至哈爾濱—長春—沈陽連線沿線是PM2.5濃度變化速率最大的地區(qū)。盡管在研究期內(nèi)東北地區(qū)PM2.5濃度基本都低于華北平原地區(qū),但2015年東北平原附近地區(qū)PM2.5濃度已達到70—100 μg/m3,與華北平原持平,相關(guān)研究也指出2014年哈長城市群是PM2.5高污染城市聚集地之一[5]。原因可能是農(nóng)作物秸稈的焚燒[25],中國2002—2016年露天農(nóng)作物秸稈和生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的空氣污染物排放的時空分布特征研究結(jié)果顯示,2002—2016年期間來源于露天農(nóng)作物秸稈燃燒的PM2.5年平均排放量最大的地區(qū)為華東,隨后便是中國東北,且中國東北PM2.5年平均排放量從2012年到2016年顯著增加了245.7%。因此國家和地方政府應(yīng)該對此給予高度重視來控制此地區(qū)逐漸加重的霧霾污染。

華北平原的河北、山東不僅PM2.5濃度高,而且具有強的增長趨勢,變化速率快,如果這些地區(qū)的空氣污染得不到控制將會繼續(xù)不斷惡化,因此國家和地方政府應(yīng)該迫切關(guān)注這些地區(qū)PM2.5污染的治理。此外,整個華北平原污染均很嚴(yán)重,許多研究也表明,PM2.5污染具有顯著的空間溢出效應(yīng)[26],因此每個省或市不能僅依靠將重污染工業(yè)轉(zhuǎn)移到鄰近省來控制PM2.5污染,區(qū)域性的聯(lián)防聯(lián)控、協(xié)同監(jiān)管來治理污染極為重要。

本研究識別出的城鄉(xiāng)差值較大地區(qū)與前人研究識別出的北京-四川條帶和上海-廣西條帶[21]部分一致,反映了城市化導(dǎo)致的城區(qū)PM2.5污染較周圍鄉(xiāng)村地區(qū)更為嚴(yán)重,部分結(jié)果不同的原因可能在于研究方法不同。