2015—2016年安徽省PM2.5和PM10-2.5時(shí)空分布特征

裘 閱, 汪家權(quán), 胡淑恒

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

不同粒徑的大氣顆粒污染物經(jīng)累積導(dǎo)致的健康損害直接關(guān)系到城市人群健康,尋找治理空氣顆粒物污染的切入口,是創(chuàng)造綠色健康生活的起點(diǎn)?？諝庵辛皆?0 μm以上的顆粒物(particulate matter,PM)無法進(jìn)入人體內(nèi)部,粒徑小于或等于10 μm的顆粒物能夠進(jìn)入人體并產(chǎn)生不利影響,并將其表示為PM10[1]。粒徑小于或等于2.5 μm的顆粒物表示為PM2.5,稱其細(xì)顆粒[2]。細(xì)顆粒物的直徑還不到人頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20,進(jìn)入人體后會(huì)引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病[3],對(duì)人體健康的傷害很大。粒徑在2.5～10 μm之間的顆粒物表示為PM10-2.5[4],稱其粗顆粒物,能夠進(jìn)入上呼吸道,但部分可通過痰液等排出體外,對(duì)人體健康危害相對(duì)較小。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國大氣污染呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性特征,區(qū)域復(fù)合型大氣污染成為我國今后一段時(shí)期所面臨的主要大氣污染問題[5]。近年來長三角區(qū)域霧霾頻頻發(fā)生,安徽省地處長三角區(qū)塊,與長三角空氣質(zhì)量息息相關(guān),因此研究安徽省的大氣顆粒污染物的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)長三角乃至其他各個(gè)省市顆粒物污染治理都有指導(dǎo)和參考意義。文獻(xiàn)[6]對(duì)安徽省1968—2007年霾的時(shí)空分布特征、變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析,并探討了霾變化的成因；文獻(xiàn)[7]利用空氣污染綜合指數(shù)和spearman秩相關(guān)系數(shù)法得出安徽省1999年空氣質(zhì)量的優(yōu)劣及變化趨勢(shì)。

安徽省空氣質(zhì)量存在一定程度的南北空間差異,各地級(jí)市的空氣質(zhì)量整體呈現(xiàn)出隨時(shí)間而提高的趨勢(shì)[8]。目前關(guān)于安徽省空氣質(zhì)量的研究評(píng)價(jià)較多,但對(duì)于安徽省大氣顆粒污染物較為系統(tǒng)的研究較少,本文對(duì)安徽省各地級(jí)市的顆粒物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析,以期獲得安徽省各地級(jí)市顆粒物的時(shí)空分布情況。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文PM2.5和PM10監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過安徽省環(huán)境監(jiān)測(cè)站內(nèi)部獲取,包括2015年1月1日—2016年12月31日安徽省16個(gè)城市(合肥、淮北、亳州、宿州、蚌埠、阜陽、淮南、滁州、六安、馬鞍山、宣城、蕪湖、銅陵、池州、安慶、黃山)環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)中的PM2.5和PM10日平均質(zhì)量濃度,城市位置如圖1所示。

圖1 安徽省各市地理位置圖

PM10-2.5日平均質(zhì)量濃度是通過PM10日平均質(zhì)量濃度減去PM2.5日平均質(zhì)量濃度得來的,計(jì)算公式為：

ρ(PM10-2.5)=ρ(PM10)-ρ(PM2.5)

(1)

其中,ρ為平均質(zhì)量濃度。

從理論上來說,監(jiān)測(cè)的PM10應(yīng)該包含PM2.5,因此PM10的平均質(zhì)量濃度應(yīng)該大于PM2.5的平均質(zhì)量濃度,得到的PM10-2.5平均質(zhì)量濃度應(yīng)該為正值。但從實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看,會(huì)出現(xiàn)PM2.5的平均質(zhì)量濃度高于PM10的情況,從而出現(xiàn)計(jì)算PM10日均值會(huì)小于PM2.5的日均值,即“PM2.5和PM10倒掛”。此現(xiàn)象在美國等其他國家的監(jiān)測(cè)結(jié)果中時(shí)常發(fā)生,主要由監(jiān)測(cè)原理監(jiān)測(cè)儀器的不同和監(jiān)測(cè)環(huán)境的影響引起[9],因此在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)會(huì)把PM10-2.5中的倒掛數(shù)據(jù)剔除。

1.2 研究方法

利用Excel數(shù)據(jù)透視表對(duì)PM10-2.5、PM2.5日均值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),換算成周、月、季和年均值進(jìn)行分析比較,并用SPSS19.0軟件分別對(duì)16個(gè)地級(jí)市PM2.5值進(jìn)行聚類分析以及對(duì)各空氣質(zhì)量指標(biāo)之間進(jìn)行相關(guān)性分析,采用ArcGIS 的Kriging 插值法繪制安徽省年度PM10-2.5、PM2.5分布圖,并進(jìn)行空間分析。從而對(duì)2015—2016年安徽省各地市PM10-2.5、PM2.5周、月、季、年均值進(jìn)行了全面的統(tǒng)計(jì)分析及橫向、縱向?qū)Ρ?得出安徽省顆粒物污染的時(shí)空分布規(guī)律,并從多方面分析造成其規(guī)律性變化的成因。

2 結(jié)果分析

2.1 PM10-2.5、PM2.5的時(shí)間分布特點(diǎn)

2.1.1 PM10-2.5、PM2.5的星期效應(yīng)

安徽省各市顆粒物污染表現(xiàn)出星期效應(yīng),如圖2所示。統(tǒng)計(jì)并計(jì)算安徽省2015—2016年P(guān)M2.5日均值數(shù)據(jù)中星期一至星期日的平均值,該平均值從大到小依次為:星期一/星期五、星期六、星期日、星期四、星期二、星期三,16個(gè)地級(jí)市基本符合這一規(guī)律,其中,黃山市PM2.5值最優(yōu),池州次之,宿州最差,如圖2a所示，圖2a中數(shù)據(jù)為PM2.5的質(zhì)量濃度，單位為μg/m3。安徽省2015—2016年P(guān)M10-2.5日均值數(shù)據(jù)從大到小依次為:星期四/星期五/星期六、星期日/星期一、星期二/星期三,數(shù)值基本接近,16個(gè)地級(jí)市也基本與此規(guī)律相符,其中黃山最優(yōu),六安次之,淮南最差,如圖2b所示。圖2b中數(shù)據(jù)為PM10-2.5的質(zhì)量濃度，單位為μg/m3。比較圖2a和圖2b發(fā)現(xiàn)PM2.5和PM10-2.5的星期效應(yīng)并不相同。

圖2 安徽省各市顆粒物污染的星期效應(yīng)

PM2.5的人為源包括固定源和流動(dòng)源。固定源主要包括各種燃料燃燒源,如發(fā)電、冶金、石油、化學(xué)、紡織印染等各種工業(yè)過程和供熱、烹調(diào)過程中燃煤與燃?xì)饣蛉加团欧诺臒焿m;流動(dòng)源主要是各類交通工具在運(yùn)行過程中使用燃料時(shí)向大氣中排放的尾氣。安徽省工業(yè)生產(chǎn)和生活排污[10]相對(duì)比較固定,對(duì)大氣排放的PM2.5較為穩(wěn)定,空氣中PM2.5質(zhì)量濃度變化主要受流動(dòng)源的影響。據(jù)安徽省統(tǒng)計(jì)局發(fā)布《2016年安徽省國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》,全省民用汽車擁有量598.1×104輛,比上年增長16.7%,每11.7人擁有1輛車,可見汽車是較為主要的交通出行工具。由圖2a可知,星期一和星期五的PM2.5值較高,這主要受交通流動(dòng)源影響,星期一、星期五比星期二至星期四交通擁堵,長期生活經(jīng)驗(yàn)表明由于星期一、星期二是住校學(xué)生往返學(xué)校和長途上班族往返單位的高峰日[11],市民通過小汽車出行接送學(xué)生和上班比較普遍;其次,周末景區(qū)爆滿的社會(huì)現(xiàn)象表明周末放假有較大一部分市民選擇出游,大規(guī)模的出行引起交通量增加,導(dǎo)致周末的PM2.5值相對(duì)較高,而星期二、三、四的交通出行量相對(duì)星期一、二小,產(chǎn)生的尾氣自然少一些,對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)相對(duì)較低?？傮w上,PM10-2.5的星期效應(yīng)較不明顯,7 d的數(shù)值較為接近,表明粗顆粒物體的來源比較穩(wěn)定,受流動(dòng)源的影響較小。

2.1.2 PM10-2.5、PM2.5的月度規(guī)律

安徽省的PM2.5月度變化呈現(xiàn)顯著的“U”型變化規(guī)律,但黃山市“U”型特征不是很顯著,整體質(zhì)量濃度偏低,月度差異較小,這主要與當(dāng)?shù)貎?yōu)良的空氣質(zhì)量密不可分，如圖3所示。安徽省整體在7月份PM2.5質(zhì)量濃度最低,12月份質(zhì)量濃度最高。一年之中,1—7月份PM2.5值總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),從7—12月份總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),具有較強(qiáng)的規(guī)律性。

圖3 安徽省各市PM2.5污染的月度變化

安徽省的PM10-2.5污染的月度變化如圖4所示，從圖4可以看出，月度變化并沒有呈現(xiàn)出顯著的“U”型變化規(guī)律,但前5個(gè)月有小幅度的上升,從5—7月份有一個(gè)較大的下降幅度,7月份達(dá)到最低值,從7—12月份出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì),12月份達(dá)到最高值。最高值與最低值的月份與PM2.5完全一樣,這說明不管粗顆粒物還是細(xì)顆粒物都有月度變化規(guī)律,表現(xiàn)出最優(yōu)月份和最差月份。在污染物較為嚴(yán)重的月份要做好相應(yīng)的防范措施,從而有效控制和降低霧霾發(fā)生的概率。

圖4 安徽省各市PM10-2.5污染的月度變化

2.1.3 PM10-2.5、PM2.5的季節(jié)差異

在氣象部門,通常以3—5月份為春季,6—8月份為夏季,9—11月份為秋季,12月—翌年2月份為冬季,并且常將1、4、7、10月份作為冬、春、夏、秋季的代表月份。安徽省各市顆粒物污染的季節(jié)變化如圖5所示，從圖5a可看出，PM2.5隨著季節(jié)的變化具有明顯的波峰和波谷,PM2.5質(zhì)量濃度從大到小依次為冬季、春季、秋季、夏季。由此可見PM2.5受季節(jié)的影響較大,圖中2015年和2016年淺色區(qū)夏季出現(xiàn)明顯的2個(gè)波谷,在深色區(qū)冬季出現(xiàn)了明顯的波峰,夏季降雨充沛,空氣中的PM2.5將受到降雨的影響使其質(zhì)量濃度明顯降低,而秋冬季節(jié),大量的秸稈焚燒和煙花爆竹的燃放以及冬季供暖需求產(chǎn)生的廢氣較多,加上受下沉氣流控制,經(jīng)常受到逆溫層的影響,且冬季少雨干燥,致使空氣流動(dòng)較少污染物無法快速擴(kuò)散,導(dǎo)致冬季的PM2.5值居高不下,霧霾天氣頻發(fā)。從圖5b可以看出，各城市的PM10-2.5值基本沿著安徽省質(zhì)量濃度上下均勻穩(wěn)定波動(dòng),波動(dòng)幅度較小,但存在個(gè)別城市春冬波動(dòng)較大,總體上也受到季節(jié)的影響,夏季質(zhì)量濃度較低,總體變化趨勢(shì)穩(wěn)定。比較圖5a和5b可以得出,PM2.5受季節(jié)影響較大,而PM10-2.5受季節(jié)影響稍小。

圖5 安徽省各市顆粒物污染的季節(jié)變化

2.1.4 PM10-2.5、PM2.5的年度變化

安徽省各地級(jí)市微粒顆粒物污染年度變化如圖6所示。

圖6 安徽省各地級(jí)市顆粒物污染的年度變化

安徽省顆粒物從2015—2016年整體呈現(xiàn)下降的優(yōu)良態(tài)勢(shì),2016年全省PM2.5年均質(zhì)量濃度為53 μg/m3,高于全國338個(gè)地級(jí)及以上城市平均值(47 μg/m3)。PM2.5從2015年的55 μg/m3下降到2016年的53 μg/m3,降幅3.6%,PM10-2.5從25 μg/m3下降到24 μg/m3,降幅4%,雖然下降不顯著,但至少顆粒物污染沒有持續(xù)惡化。其中,安慶、池州、阜陽、淮南、宿州5個(gè)城市PM2.5質(zhì)量濃度有所上升,其余11個(gè)城市的PM2.5均有一定程度的下降。蚌埠、池州、阜陽、黃山這4個(gè)城市的PM10-2.5值有所上升,其余12個(gè)城市PM10-2.5持平或下降。

2.2 PM10-2.5、PM2.5的空間分布特點(diǎn)

地形地貌是影響安徽省顆粒物的另外一個(gè)重要原因[12],安徽省地處全國的中部地區(qū),從南向北可劃分為皖南山區(qū)、江淮丘陵和皖北平原3個(gè)地形單元。各市顆粒物污染的地理分布如圖7所示。

圖7 安徽省各市顆粒物污染的地理分布規(guī)律

從圖7可以看出，黃山、安慶、池州等市的顆粒物質(zhì)量濃度較低,另外六安位于大別山腹地,素有“七山一水、兩分田”的美稱,植被覆蓋率也較好,因此PM2.5較低；而皖北地區(qū)以平原為主,對(duì)于近地面大氣環(huán)流的阻礙較弱,使得受到北部空氣影響較大,經(jīng)常受到重污染天氣輸送影響；江淮地區(qū)主要以低山丘陵為主,大氣環(huán)流季節(jié)變化明顯,尤其在春秋季節(jié)容易形成逆溫,在一定程度上降低了大氣環(huán)流對(duì)污染物擴(kuò)散作用。因此皖北地區(qū)和江淮地區(qū)的顆粒物質(zhì)量濃度要高于皖南山區(qū),呈現(xiàn)出“北高南低”的地理質(zhì)量濃度特征。

為了進(jìn)一步比較安徽省顆粒物的空間差異,對(duì)16個(gè)地級(jí)市的PM2.5月均值借助SPSS19.0軟件基于ward法進(jìn)行城市之間的聚類分析,結(jié)果如圖8所示。基于PM2.5月均質(zhì)量濃度聚類樹形圖,結(jié)合各城市地理位置,大致可以將全省劃分成4個(gè)顆粒物污染城市群,分別是以合肥為中心1+3城市群,包括蚌埠、合肥、滁州和馬鞍山;以淮北為中心1+2城市群,包括亳州、淮北和宿州;以六安和安慶串聯(lián)的2+5城市群,包括六安、安慶、淮南、阜陽、銅陵、蕪湖和宣城;以及池州和黃山2個(gè)城市組成的城市群。

圖8 城市PM2.5聚類樹形圖

2.3 PM10-2.5、PM2.5與其他空氣質(zhì)量指數(shù)的關(guān)系

為探討安徽省顆粒物與其他空氣質(zhì)量指數(shù)的關(guān)系,本文利用SPSS19.0中的spearman相關(guān)系數(shù),基于16個(gè)地級(jí)市的PM10-2.5、PM2.5月均值與其他空氣質(zhì)量指數(shù)(包括取整SO2平均質(zhì)量濃度,取整NO2平均質(zhì)量濃度,取整PM10平均質(zhì)量濃度,取整CO 95百分位,取整O3-8H90百分位)進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析,結(jié)果見表1所列。由表1可知，PM10-2.5與SO2、NO2、PM10、CO成正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),其中與PM10呈現(xiàn)較強(qiáng)相關(guān)關(guān)系,PM10-2.5與O3-8H弱相關(guān)(P<0.05);PM2.5與SO2、NO2、PM10、CO成正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),且與PM10呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)關(guān)系,與NO2、CO呈現(xiàn)較強(qiáng)相關(guān)性關(guān)系,與O3-8H呈現(xiàn)較強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。由此可見, PM2.5和各空氣質(zhì)量指數(shù)相互影響較大。

表1 PM10-2.5、PM2.5與其他空氣質(zhì)量指數(shù)相關(guān)系數(shù)分析

注:相關(guān)性用spearman相關(guān)系數(shù)表示;**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3 結(jié) 論

本文基于安徽省2015—2016年的16個(gè)地級(jí)市的空氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討了顆粒物PM2.5和PM10-2.5的時(shí)空分布特征及其與其他空氣質(zhì)量指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,得出以下結(jié)論:

(1) PM2.5和PM10-2.5在時(shí)間序列上有明顯的規(guī)律特征[13],PM2.5和PM10-2.5年平均值有小幅度的下降,在季節(jié)分布和月度分布上,PM2.5呈現(xiàn)出季節(jié)性規(guī)律，從大到小依次為冬季、春季、秋季、夏季,PM10-2.5季節(jié)變化不大,但夏季最優(yōu);PM2.5月度變化呈現(xiàn)“U”型變化特征,而PM10-2.5在7月份達(dá)到最低值。2a年內(nèi)PM2.5呈現(xiàn)出了一定的星期效應(yīng)，從大到小依次為星期一/星期五、星期六、星期日、星期四、星期二、星期三,受流動(dòng)源影響較顯著,而PM10-2.5星期效應(yīng)較不明顯。

(2) PM2.5和PM10-2.5在空間上的差異主要受到安徽省地形地貌特征的影響,皖北地區(qū)和江淮地區(qū)的顆粒物質(zhì)量濃度要高于皖南山區(qū),呈現(xiàn)出“北高南低”的地理質(zhì)量濃度特征。全省大氣污染呈現(xiàn)典型的區(qū)域分布特征,可劃分成4個(gè)大氣污染城市群,分別是以合肥為中心1+3城市群,包括蚌埠、合肥、滁州和馬鞍山;以淮北為中心1+2城市群,包括亳州、淮北和宿州;由六安和安慶串聯(lián)的2+5城市群,包括六安、安慶、淮南、阜陽、銅陵、蕪湖和宣城;以及池州和黃山2個(gè)城市組成的城市群。

(3) 安徽省顆粒物的污染受到其他空氣質(zhì)量指數(shù)的影響,PM2.5與PM10呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)關(guān)系,與NO2、CO呈現(xiàn)較強(qiáng)相關(guān)性關(guān)系(P<0.01),與O3-8H呈現(xiàn)較強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。PM10-2.5與PM10呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)關(guān)系,與其他指標(biāo)相關(guān)性較低。

傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)不斷在改型升級(jí),致使安徽省空氣污染類型由煤煙型逐漸向顆粒物區(qū)域復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變,顆粒物對(duì)人體健康影響不容小覷,因此做好顆粒物的防范治理是當(dāng)下熱門研究問題之一。