2018年京津冀地區(qū)PM2.5濃度的時空分布特征

劉婕，呂祎然，郝舒欣，劉悅，徐東群

隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市化進(jìn)程加速，近年來我國空氣污染問題日益嚴(yán)重。2013年全國平均霧霾日數(shù)為1961年以來歷史同期最多，影響人口數(shù)量約為6 億，其中僅一季度我國就出現(xiàn)11 次大范圍霧霾天氣，20 個省份出現(xiàn)持續(xù)性霧霾［1］。大量研究表明，暴露環(huán)境空氣污染物會引發(fā)嚴(yán)重的心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病等［2-4］。因此，動態(tài)掌握區(qū)域性PM2.5濃度時空分布特征、區(qū)域差異及其變化趨勢可為PM2.5治理提供信息支持并有針對性地采取干預(yù)措施，以便更好地保護(hù)居民健康。

京津冀地區(qū)是我國的“首都經(jīng)濟(jì)圈”，包括北京市、天津市及河北省11 個地級市，人口總數(shù)約為9 000 萬，面積約為21.8 萬平方公里。近幾年京津冀地區(qū)空氣污染物排放呈現(xiàn)高度集中態(tài)勢?！?018年全國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量簡況》中的數(shù)據(jù)顯示，全國范圍內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)的監(jiān)測城市占總監(jiān)測城市的64.2%，其中京津冀地區(qū)有5 個城市居全國169 個空氣質(zhì)量相對較差的重點(diǎn)城市的前10 位［5］。由此可見，無論從污染發(fā)生頻率還是嚴(yán)重程度而言，京津冀地區(qū)霧霾天氣均較為突出，是我國大氣污染的“重災(zāi)區(qū)”，因此研究京津冀地區(qū)PM2.5污染現(xiàn)況對科學(xué)有效治理大氣污染意義重大。本研究基于2018年京津冀地區(qū)PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)，并以2016年為時間對照，旨在分析2018年京津冀地區(qū)PM2.5濃度的時空分布特征，以期為京津冀地區(qū)大氣污染治理工作提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源 PM2.5濃度數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站（http：//www.cnemc.cn/）發(fā)布的空氣質(zhì)量實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，下載并記錄北京市、天津市及河北省11 個地級市的國家級自動監(jiān)測站點(diǎn)的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)單位為PM2.5濃度的小時值。2013—2016年京津冀大部分地區(qū)PM2.5濃度較高，其中2016年地面監(jiān)測站點(diǎn)運(yùn)行較為完善，數(shù)據(jù)缺失率較低，因此選取2016年京津冀地區(qū)PM2.5濃度作為時間對照。2016、2018年京津冀地區(qū)各城市監(jiān)測點(diǎn)個數(shù)見表1。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 月均值、季均值、年均值 應(yīng)用數(shù)據(jù)庫軟件編程，計算每個空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)2016、2018年P(guān)M2.5濃度的月均值、季均值、年均值。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）將京津冀地區(qū)13 個城市歸為二類環(huán)境功能區(qū)，規(guī)定其PM2.5濃度年、日均限值分別為35 μg/m3、75 μg/m3［6］。

表1 2016、2018年京津冀地區(qū)監(jiān)測點(diǎn)個數(shù)（個）Table 1 Number of monitoring sites in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2016 and 2018

1.2.2 空間插值 普通克里金插值法使用成本較低、適用范圍較廣、無明顯時空局限性，且預(yù)測精度較高［7-9］，因此本研究在ArcGIS 軟件支持下采用普通克里金插值法從年、季、月尺度上對2018年京津冀地區(qū)PM2.5濃度進(jìn)行空間插值。

2 結(jié)果

2.1 2018年京津冀地區(qū)PM2.5濃度時間分布特征

2.1.1 PM2.5年均濃度時間分布 2018年京津冀地區(qū)PM2.5年均濃度達(dá)標(biāo)的城市僅承德市和張家口市，其中承德市PM2.5年均濃度為31.95 μg/m3，張家口市PM2.5年均濃度為31.63 μg/m3。PM2.5年均濃度較高的5 個城市依次為石家莊市、邯鄲市、邢臺市、保定市與衡水市，分別超過PM2.5年均限值的99.5%、98.8%、98.2%、91.1%、75.6%（見圖1），這些城市主要受工業(yè)及企業(yè)生產(chǎn)排放、機(jī)動車保有量高及冬季供暖原料燃燒排放影響較大。

2.1.2 PM2.5季均濃度時間分布 京津冀地區(qū)2018年春季（3、4、5月）PM2.5濃度波動范圍為35.25～85.82 μg/m3，季均濃度為59.58μg/m3；夏季（6、7、8月）PM2.5濃度波動范圍為17.02～50.08 μg/m3，季均濃度為37.21 μg/m3；秋季（9、10、11月）PM2.5濃度波動范圍為23.46～78.24 μg/m3，季均濃度為53.62 μg/m3；冬季（12、1、2月）PM2.5濃度波動范圍為26.71～112.74 μg/m3，季均濃度為68.91μg/m3。京津冀地區(qū)PM2.5季均濃度由低到高依次為夏季、秋季、春季、冬季，見圖2。

圖1 2018年京津冀地區(qū)PM2.5年均濃度Figure 1 Average PM2.5-year concentration in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2018

圖2 2018年京津冀地區(qū)PM2.5 季均濃度Figure 2 Average PM2.5-quarterly concentration in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2018

2.1.3 PM2.5月均濃度時間分布 2018年京津冀地區(qū)PM2.5月均濃度曲線趨向于“M”形，其中3月和11月PM2.5月均濃度偏高，見圖3。

圖3 2018年京津冀地區(qū)PM2.5月均濃度Figure 3 Average PM2.5-monthly concentration in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2018

2.2 2018年京津冀地區(qū)PM2.5濃度空間分布特征

2.2.1 PM2.5年均濃度空間分布 2018年京津冀地區(qū)PM2.5年均濃度整體呈北低南高趨勢，就城市PM2.5年均濃度而言，京津冀地區(qū)可劃分為以下4 個部分：處于西北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的張家口市、承德市、秦皇島市PM2.5年均濃度較低，空氣質(zhì)量較好；其次是處于中心地帶的北京市、廊坊市、天津市PM2.5年均濃度為50 μg/m3左右；再者為環(huán)繞在中心城市外的滄州市、唐山市、衡水市PM2.5年均濃度為60 μg/m3左右，空氣污染較為嚴(yán)重；最后是保定市、邢臺市、邯鄲市和石家莊市，處于PM2.5年均濃度最高區(qū)域，除保定市外其余3 個城市PM2.5年均濃度接近70 μg/m3，空氣污染嚴(yán)重，見圖4。

2.2.2 PM2.5季均濃度空間分布 2018年京津冀地區(qū)各城市PM2.5季均濃度最高的季節(jié)均為冬季，最低的季節(jié)是夏季；冬季除北部污染較輕的張家口市、承德市、秦皇島市外，其余城市PM2.5季均濃度分布較為均勻；春季、秋季PM2.5季均濃度空間分布與PM2.5年均濃度空間分布相似，見圖5。

圖4 2018年京津冀地區(qū)PM2.5年均濃度空間分布Figure 4 Spatial distribution of PM2.5-year concentration in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2018

2.2.3 PM2.5月均濃度空間分布 2018年京津冀地區(qū)11～12月及1～2月PM2.5月均濃度差值較大，南部PM2.5濃度較高地區(qū)PM2.5月均濃度是北部PM2.5濃度較低地區(qū)的4 倍以上；3～10月PM2.5月均濃度差值較小。3～7月北京市、天津市及石家莊市PM2.5月均濃度與其他城市相比較高，12月及1～2月北京市、天津市、廊坊市PM2.5月均濃度與其他城市相比較低，見圖6。

2.3 2018年京津冀地區(qū)PM2.5濃度與2016年對比

2.3.1 PM2.5年均濃度 與2016年相比，京津冀地區(qū)各城市2018年P(guān)M2.5年均濃度均有不同程度降低，其中降幅較大的城市有北京市、衡水市、保定市、石家莊市、天津市，降幅分別為30.7%、29.0%、27.4%、25.6%、24.3%；年達(dá)標(biāo)天數(shù)增加較多的城市為衡水市、邢臺市、保定市、北京市、石家莊市，年達(dá)標(biāo)天數(shù)增幅分別為50.5%、30.3%、28.9%、24.2%、20.2%。

2.3.2 PM2.5季均濃度 與2016年相比，京津冀地區(qū)2018年春季PM2.5季均濃度無明顯改變，夏季、秋季、冬季PM2.5季均濃度分別降低23.3%、27.2%、29.0%；秋季降幅較大的城市有石家莊市（43.2%）、北京市（41.1%），冬季降幅較大的城市有北京市（48.8%）、廊坊市（42.9%）；季達(dá)標(biāo)天數(shù)增加較多的城市有衡水市（夏季達(dá)標(biāo)天數(shù)增多58.6%，冬季達(dá)標(biāo)天數(shù)增多113.0%）、保定市（秋季達(dá)標(biāo)天數(shù)增多62.2%）、邢臺市（秋季達(dá)標(biāo)天數(shù)增多60.0%，冬季達(dá)標(biāo)天數(shù)增多62.5%）、石家莊市（秋季達(dá)標(biāo)天數(shù)增多93.9%）。

2.3.3 PM2.5月均濃度 2016年京津冀地區(qū)PM2.5月均濃度曲線趨向于“U”形，其中1～3月PM2.5月均濃度逐漸降低、4～9月PM2.5月均濃度保持低值穩(wěn)定、9～12月PM2.5月均濃度逐漸升高。2018年京津冀地區(qū)PM2.5月均濃度曲線趨向于“M”形，僅3月和11月PM2.5月均濃度偏高。

3 討論

目前，國內(nèi)外學(xué)者對PM2.5濃度的時空分布特征研究成果豐富，但針對京津冀地區(qū)的研究時間主要集中于2014—2016年，如周磊等［10］借助空間數(shù)據(jù)挖掘法分析了京津冀及其周邊區(qū)域2013年典型污染事件中PM2.5的時空分布特征，結(jié)果顯示在PM2.5污染事件統(tǒng)計上存在一定污染順序，空間上京津冀及其周邊地區(qū)成河南?。ㄉ綎|?。?河北省-北京市（天津市）一線的帶狀分布特征。

本研究基于國家空氣質(zhì)量自動監(jiān)測位點(diǎn)2016、2018年全年實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)對京津冀地區(qū)13 個城市PM2.5時空分布特征進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，2018年京津冀地區(qū)除承德市和張家口市外，其余11 個城市PM2.5年均濃度均超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》年均限值，其中石家莊市、邯鄲市污染最為嚴(yán)重，分別超過平均限值的99.5%、98.8%。不同季節(jié)PM2.5季均濃度空間分布雖有很大差異，但總體上京津冀地區(qū)南部城市高于北部城市，與既往研究結(jié)果結(jié)果一致［11］，PM2.5季均濃度由低到高依次為夏季、秋季、春季、冬季，與徐敬等［12］研究結(jié)果相一致，分析其原因主要如下：京津冀地區(qū)冬季由于氣溫低、植被覆蓋降低，近地面大氣層處于穩(wěn)定狀態(tài)，逆溫強(qiáng)度大，不利于污染物擴(kuò)散且進(jìn)入燃煤采暖期，排放較多等導(dǎo)致PM2.5濃度升高；春季多風(fēng)少雨、氣候干燥，具備揚(yáng)塵條件，因此PM2.5濃度較高主要受降水量小、沙塵天氣頻發(fā)影響較大；夏季氣溫高，降水豐富，日照時數(shù)長并易于空氣污染物擴(kuò)散，因此PM2.5濃度降低；秋季空氣濕度大、風(fēng)速低且氣溫偏高、大霧天氣發(fā)生頻率高，不利于PM2.5擴(kuò)散，且秋季末進(jìn)入供暖季，燃煤排放等導(dǎo)致PM2.5濃度升高［13］。2018年P(guān)M2.5月均濃度曲線趨向于“M”形，濃度較高的兩個峰值月份分別是3月和11月，分析其原因主要受氣象影響，2018年3月京津冀地區(qū)較常年同期氣溫偏高，地表土壤基本解凍，降水量極低，氣象條件總體有利于沙塵天氣的形成；11月京津冀地區(qū)大氣擴(kuò)散條件不利，同時采暖季開始，導(dǎo)致污染物逐步累積。3～7月，12月及1～2月部分城市PM2.5濃度空間分布與該地區(qū)車輛保有量及主要區(qū)域禁煤有較強(qiáng)關(guān)系。

圖5 2018年京津冀地區(qū)PM2.5 季均濃度空間分布Figure 5 Spatial distribution of PM2.5-quarterly concentration in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2018

圖6 2018年京津冀地區(qū)PM2.5月均濃度空間分布Figure 6 Spatial distribution of PM2.5-monthly concentration in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2018

此外，本研究還將2016年作為時間對照，結(jié)果顯示，2018年京津冀地區(qū)13 個城市PM2.5年均濃度均有不同程度降低，且污染較嚴(yán)重地區(qū)PM2.5年均濃度改善成果更為突出；京津冀地區(qū)2016年春季與2018年春季PM2.5季均濃度基本相同，由此可見春季PM2.5濃度受季節(jié)因素影響較大；而2018年夏季、秋季、冬季PM2.5月均濃度較2016年分別降低23.3%、27.2%、29.0%，提示秋、冬季PM2.5空氣污染治理效果更為明顯；京津冀地區(qū)2016年P(guān)M2.5月均濃度曲線趨向于“U”形，冬季PM2.5月均濃度持續(xù)上升，而2018年京津冀地區(qū)PM2.5月均濃度曲線趨向于“M”形，僅3月和11月PM2.5月均濃度偏高。

分析導(dǎo)致京津冀地區(qū)2018年P(guān)M2.5濃度時空分布特征變化的主要原因可能如下：（1）氣象。（2）污染源：在城市建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，京津冀地區(qū)污染排放量超過環(huán)境容量是大氣重污染形成的主因；而在大氣污染治理過程中，隨著能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整優(yōu)化，PM2.5的來源也在發(fā)生變化。2018年發(fā)布的北京市PM2.5來源解析結(jié)果顯示，北京市2017年P(guān)M2.5來源排名如下：移動源（占45%），揚(yáng)塵源（占16%），工業(yè)源（占12%），生活源（占12%），燃煤源（占3%），農(nóng)業(yè)及自然源等（占12%），這與北京市2014年P(guān)M2.5來源排名差別較大，提示隨著污染源不斷被治理、改變，實(shí)際治理的重點(diǎn)應(yīng)不斷調(diào)整。（3）治理辦法：近年來隨著《大氣污染防治行動計劃》《關(guān)于京津冀大氣污染傳輸通道城市執(zhí)行大氣污染物特別排放限制公告》《京津冀及周邊地區(qū)2017—2018年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》等一系列文件的頒布，大氣污染物網(wǎng)格化進(jìn)一步普及、細(xì)化，針對污染源頭進(jìn)行靶向治理，以達(dá)到源頭防控的治污目標(biāo)，而經(jīng)過近年來大規(guī)模高強(qiáng)度治理，環(huán)境效益持續(xù)釋放，疊加區(qū)域?qū)用鎱f(xié)同減排，京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量總體改善、趨勢向好［14］。

綜上所述，與2016年相比，2018年京津冀地區(qū)PM2.5濃度不同程度降低，環(huán)境污染減輕，且PM2.5濃度的時空分布特征發(fā)生改變，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際污染情況不斷調(diào)整治理重點(diǎn)。