成都市顆粒物空間分布特征研究

羅歡 王斌

摘要：為研究成都市穎杜物污染的空間分布特征，基于2017年4月至2018年3月成都市37個空氣質(zhì)量監(jiān)測點位顆粒物小時濃度數(shù)據(jù)，利用地統(tǒng)計學(xué)方法對PM_2.5、PM10進行了空間分布特征研究。結(jié)果表明：在重污染月份12月PM_2.5空間變異特征受結(jié)構(gòu)性因素與隨機性因素作用效果幾乎相同，表現(xiàn)出較強的空間相關(guān)性;而PM10污染空間變異特征受結(jié)構(gòu)因素的影響大于隨機性因素，各項異性比值均大于1.5，二者的空間分布均具有明顯的方向性。成都市穎粗物污染冬季呈現(xiàn)出西部沿山區(qū)和東部丘陵區(qū)低，中部平壩區(qū)高的趨勢，即東北至西南一線，平壩區(qū)和沿山區(qū)交界是成都市顆粒物污染最為嚴(yán)重的區(qū)城。

關(guān)鍵詞：新杜物;空間分布;地統(tǒng)計學(xué);克里金擂值;成都

中圖分類號：X513 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2020）04-0048-03

1 引言

近年來，有研究表明，成都市大氣顆粒物污染已逐漸表現(xiàn)為從粗顆粒向細顆粒轉(zhuǎn)變的污染特征PM_2.5已成為成都市大氣污染的首要污染物[1～3]。目前針對成都市顆粒物的研究涉及的采樣點數(shù)量較少[4]，研究內(nèi)容主要包括顆粒物的化學(xué)組分[5]，源解析[6]及與氣象因素的相關(guān)性上[7，8]，研究范圍也大多集中在中心城區(qū)[9，10]，或某一特殊污染事件[11，12]。地統(tǒng)計學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以半變異函數(shù)為主要工具，研究在空間分布上既有隨機性又有結(jié)構(gòu)性，或具有空間相關(guān)和依賴性的自然現(xiàn)象的科學(xué)[13～15]。地統(tǒng)計學(xué)可以利用點源監(jiān)測數(shù)據(jù)模擬空間分布特征，根據(jù)已經(jīng)獲取的研究區(qū)域的空間特性來對未知的空間特性進行分析。利用地統(tǒng)計學(xué)方法對空氣污染物時空分布進行研究在國外得到了較廣泛的應(yīng)用[16～18]。隨著成都市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不斷完善，監(jiān)測站點基本覆蓋成都市各區(qū)市縣，為利用地統(tǒng)計空間插值法直觀地呈現(xiàn)污染物的空間分布，從而對成都市全域范圍顆粒物污染特征進行分析和研究提供了可能。本研究結(jié)合地統(tǒng)計學(xué)方法對成都市顆粒物空間分布規(guī)律以及氣象因素進行研究，以期進一步了解成都市顆粒物空間分布情況，在更廣闊的范圍內(nèi)探尋成都市顆粒物的污染特征，以此劃分成都市顆粒物污染的輕微污染和嚴(yán)重污染區(qū)域，這對于采取更有針對性、更有效的污染應(yīng)對措施，改善成都市大氣環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

2 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

成都位于四川省中部，四川盆地西部，介于東經(jīng)102°54′～104°53′和北緯30°05′～31°26′之間，總面積14605km²，地勢從西北向東南逐漸降低，具有顯著的地勢差異。成都屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，夏季炎熱，冬季溫暖，全年相對濕度較高、年平均風(fēng)速小，因此污染物不易擴散。本文研究范圍為成都市全域，研究區(qū)域及監(jiān)測站點分布如圖1所示。本文污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于成都市環(huán)境監(jiān)測中心站，獲取了2017年4月至2018年3月的成都市37個監(jiān)測站點顆粒物的小時質(zhì)量濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 顆粒物濃度數(shù)據(jù)半變異擬合模型選擇

半變異函數(shù)可以用于分析區(qū)域化變量的空間變異特征，對變量進行半變異擬合最為常用的是有基臺值的擬合模型，其中常用的模型有球狀模型、高斯模型和指數(shù)模型。在選擇最優(yōu)擬合模型時可通過比較指標(biāo)預(yù)測誤差（Prediction Error）中的幾個指標(biāo)參數(shù)，最優(yōu)模型選擇標(biāo)準(zhǔn)可以綜合以下幾個指標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)平均值（MS）趨近0，均方根（RMS）最小，標(biāo)準(zhǔn)均方根（RMSS）趨近1，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差（AME）最接近均方根（RMS）。選取各季節(jié)代表月份為研究對象，采用ARMS 10.5軟件中的Ueostatistical Analyst分析模塊對PM_2.5、PM₁₀進行空間變異分析，半變異函數(shù)最佳擬合模型交叉檢驗結(jié)果及變異參數(shù)如表1所示。

3.2 污染物空間特征參數(shù)分析

塊金效應(yīng)表示隨機因素引起的空間異質(zhì)性，可以用來描述區(qū)域化變量的隨機特征。PM_2.5月均濃度的塊金效應(yīng)值在17%～63%之間，表現(xiàn)出較強的空間相關(guān)性，表明成都市顆粒物空間變異特征受結(jié)構(gòu)性因素與隨機性因素作用效果幾乎相同。10月和3月份PM，月均濃度的塊金效應(yīng)值分別為34%，32%，表現(xiàn)出較強的空間相關(guān)性。7月和12月PM₁₀月均濃度的塊金效應(yīng)值為0，表明PM₁₀污染空間變異特征受結(jié)構(gòu)因素（自然因素）的影響大于隨機性因素（人為因素），即主導(dǎo)風(fēng)向、地形地貌、用地布局分布等對PM₁₀空間分布的影響較大。隨機因素主要包括風(fēng)場的隨機波動、流動污染源排放的變化等[20]。

各項異性比為長軸與短軸之比，可以表征變量是否具有明顯方向性。一般認為比值大于1.5，則變量的空間結(jié)構(gòu)為各向異性[15]。半變異擬合結(jié)果表明，PMZ。在7月和3月各項異性比值分別為1.37，1.45，認為方向性不明顯，10月和12月各項異性比值均大于1.5，認為空間分布具有明顯的方向性。PM₁₀擬合參數(shù)長軸方向均落在第一象限，各月份的各項異性比值均大于1.5，認為PM₁₀濃度的空間分布具有明顯的方向性。

變程體現(xiàn)了在既有采樣間距范圍內(nèi)區(qū)域的空間相關(guān)性范圍，在變程范圍內(nèi)采樣間距越小，樣本間空間相關(guān)性越大。如果采樣間距超過變程的大小，可以認為樣本變量間不再存在空間相關(guān)性。根據(jù)半變異函數(shù)擬合結(jié)果，PM_2.5月均質(zhì)量濃度的長軸方向上的變程在13-82km之間，變程均值約34km;短軸方向上的變程在10～43km之間，變程均值約19km。PM₁₀月均質(zhì)量濃度的長軸方向上的變程在17～68km之間，變程均值約45km;短軸方向上的變程在9～35km之間，變程均值約19km。不同的變程說明污染物有不同的空間相關(guān)距離，且呈現(xiàn)出各向異性。

3.3 克里金空間插值結(jié)果分析

克里金插值法是地統(tǒng)計學(xué)中最常用的插值方法，其利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點，對未采樣點的區(qū)域化變量進行局部線性無偏最優(yōu)估計[22]。為直觀反映成都市顆粒物污染空間分布狀況，本文采用普通克里格插值方法對PM_2.5、PM₁₀進行空間插值模擬，生成相應(yīng)的空間分布預(yù)測圖，得到的結(jié)果如圖2～3所示。

從圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)PM₁₀的空間分布與PM_2.5具有很強的相似性，其高值區(qū)域分布在各時期均有較高的相似度。成都市顆粒物污染冬季呈現(xiàn)出西部沿山區(qū)和東部丘陵區(qū)低，中部平壩區(qū)高的趨勢，即東北至西南一線，平壩區(qū)和沿山區(qū)交界是成都市顆粒物污染最為嚴(yán)重的區(qū)域。冬季顆粒物污染最為嚴(yán)重，局部污染較為突出，污染帶呈明顯的東北一西南走向，污染高濃度區(qū)域涉及一二三圈層?？傮w而言，成都市市區(qū)通常不屬于可吸入顆粒物污染最嚴(yán)重的區(qū)域，而污染最嚴(yán)重的區(qū)域通常為成都市市郊，如雙流、溫江、郫縣、新都等，這些地區(qū)有著較多數(shù)量的工業(yè)區(qū)，因此推測，工業(yè)排放可能是成都市可吸入顆粒物的主要來源之一。

4 結(jié)論

（1）從塊金效應(yīng)來看，夏冬季成都市顆粒物空間變異特征受結(jié)構(gòu)因素的影響大于隨機性因素，春秋季成都市顆粒物空間變異特征受結(jié)構(gòu)性因素與隨機性因素作用效果幾乎相同。

（2）從變程來看PM_2.5、PM₁₀在長軸方向上的變程均值分別為79km、88km，在短軸方向上的變程均值分別為37km、34km，PM_2.5和PM₁₀具有明顯的方向性特征[23]。變程可以為監(jiān)測布點距離的選取提供參考，建議成都市顆粒物空氣質(zhì)量監(jiān)測布點在長軸方向上的間隔設(shè)置宜取20～40km，短軸方向上布點間隔宜取10～20km。

（3）成都市顆粒物污染春冬季具有明顯的空間異質(zhì)性PM_2.5和PM₁₀呈現(xiàn)出東西低，中部高的趨勢，冬季二圈層顆粒物污染較為嚴(yán)重，開展相關(guān)的污染溯源和影響因素分析具有重要意義。

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收稿日期：2020-02-12

作者簡介：羅歡（1995-），女，碩士研究生，研究方向為環(huán)境監(jiān)測。

通信作者：王斌（1964-），男，副教授，研究方向為環(huán)境監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析。