張家界市旅游旺季PM2.5質(zhì)量濃度的變化特征*

管 睿，黃毅，楊藝池，王顯涵，蔣竹君

(1.吉首大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，湖南 吉首 416000；2.寧波大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，浙江 寧波 315211)

大氣污染已成為制約我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問題之一.研究表明，嚴(yán)重的空氣污染極大地阻礙了旅游業(yè)發(fā)展，直接降低游客的旅游舒適度和滿意度[1-5].張家界市是典型的生態(tài)旅游城市，深受國內(nèi)外游客青睞.但隨著旅游人次的增加，環(huán)境承載力面臨極大挑戰(zhàn)，尤其是大氣污染問題.因此，筆者將以張家界市4個(gè)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，探討生態(tài)旅游城市大氣污染物對(duì)旅游活動(dòng)強(qiáng)弱的反應(yīng)機(jī)制，并分析PM2.5質(zhì)量濃度序列，以期為當(dāng)?shù)卣贫ㄉ鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)、旅游發(fā)展等政策提供參考.

1 數(shù)據(jù)來源與處理

張家界市的旅游高峰是每年的3—11月[6]，因此筆者選取2017年3月1日至11月30日作為樣本區(qū)間，PM2.5小時(shí)平均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來源于區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái).張家界市共設(shè)4個(gè)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站：永定新區(qū)是新開發(fā)城區(qū)，屬于居民區(qū)；電業(yè)局位于老城區(qū)，屬于人車密集的居住交通混交區(qū)；未央路緊鄰景區(qū)附近，屬于近郊居民區(qū)；袁家界在景區(qū)內(nèi)，屬于背景點(diǎn).各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為6 600個(gè)，對(duì)因停電、設(shè)備故障等導(dǎo)致的部分缺失數(shù)據(jù)，采用前后取平均值的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，數(shù)據(jù)詳情如圖1所示.

由圖1可知，4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度曲線的波動(dòng)表現(xiàn)出明顯的非周期、不規(guī)則特征，且波動(dòng)劇烈.4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度的基本統(tǒng)計(jì)量見表1.

表1 張家界市4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度的基本統(tǒng)計(jì)量

由表1可知：永定新區(qū)和電業(yè)局站點(diǎn)與未央路和袁家界站點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度均值有明顯差異；從峰度和偏度上看，各站點(diǎn)均偏離標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布.不同監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度所呈現(xiàn)出的差異，在一定程度上反映了PM2.5質(zhì)量濃度在空間上的變化.

2 研究方法

1994年，Peng C K等[7]在分析DNA分子的基礎(chǔ)上提出了消除趨勢(shì)波動(dòng)分析(Detrended Fluctuation Analysis，簡(jiǎn)稱DFA)方法.該方法能有效地消除時(shí)間序列中全部的有序趨勢(shì)成分，檢測(cè)具有噪聲和多項(xiàng)式趨勢(shì)的信號(hào)的長(zhǎng)期持久性，被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的時(shí)間序列分析[8-11].DFA方法的詳細(xì)步驟如下：

(ⅱ)將{y(t)}分為NE份，NE=int(N/n)，即尺度為n的等長(zhǎng)、不重疊的連續(xù)子區(qū)間，其中n可取小于N的任何自然數(shù).反向進(jìn)行同樣操作，這樣共有2NE個(gè)等長(zhǎng)的間隔.

(ⅲ)如果每個(gè)單元內(nèi)包含的外部趨勢(shì)是線性的，換句話說，時(shí)間序列中存在一階趨勢(shì)，那么通過最小二乘法擬合，可以得到子區(qū)間的趨勢(shì)表達(dá)式z(t)=at+b.

(ⅴ)對(duì)于不同的尺度n，重復(fù)上述步驟，發(fā)現(xiàn)波動(dòng)函數(shù)與尺度n具有F(n)～nk的冪次分布.在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，F(xiàn)(n)與n滿足線性關(guān)系lg[F(n)]=lgC+∝×lgn.

通過以上步驟擬合得到直線的斜率α：α=0.5，說明時(shí)間序列的內(nèi)在聯(lián)系是隨機(jī)的；α>0.5，說明時(shí)間序列具有正向的長(zhǎng)期持續(xù)性，即過去某段時(shí)間上升(下降)的趨勢(shì)在未來某段時(shí)間仍然是上升(下降)的；0<α<0.5，說明時(shí)間序列具有反向的長(zhǎng)期持續(xù)性，且反持續(xù)行為的強(qiáng)度隨著α的減弱而增強(qiáng).

3 結(jié)果與討論

3.1 周末效應(yīng)

人類有規(guī)律的生產(chǎn)活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致大氣污染物呈現(xiàn)出一定的周期變化，周末效應(yīng)是其中一種變化.筆者對(duì)生態(tài)旅游城市張家界市的周末效應(yīng)展開了調(diào)查.對(duì)4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)按工作日和周末進(jìn)行分類整理，并對(duì)照氣象條件，剔除下雨等極端氣候條件下的數(shù)據(jù)，于是得到PM2.5質(zhì)量濃度在工作日和周末的日變化曲線(圖2).

由圖2可以看出，永定新區(qū)、電業(yè)局和未央路3個(gè)站點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度日變化曲線的波動(dòng)基本一致，表現(xiàn)出下降—上升—下降—上升的雙峰特征.從0：00開始，人們處于休息狀態(tài)，活動(dòng)持續(xù)減少，沒有明顯的污染排放，PM2.5質(zhì)量濃度不斷降低，在6：00左右降到波谷.在早高峰時(shí)間，旅游活動(dòng)有所增加，汽車尾氣、炊煙和揚(yáng)塵等污染物源源不斷向大氣排放PM2.5，而清晨的太陽輻射不強(qiáng)，大氣邊界層較穩(wěn)定，容易形成逆溫層，旅游活動(dòng)排放的污染物在大氣中逐漸累積，使得PM2.5質(zhì)量濃度快速升高，在13：00左右達(dá)到峰值.正午過后，太陽輻射增強(qiáng)，大氣溫度上升，空氣對(duì)流能力加強(qiáng)，使得PM2.5擴(kuò)散能力加強(qiáng)，大氣PM2.5質(zhì)量濃度逐步下降，在18：00左右降到波谷.隨后的晚高峰時(shí)間，太陽輻射減弱，大氣結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，PM2.5質(zhì)量濃度再次上升，在22：00左右達(dá)到峰值.

由圖2還可以看出，與永定新區(qū)、電業(yè)局和未央路3個(gè)站點(diǎn)相比，袁家界站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度的日變化有明顯的差異，其工作日的PM2.5質(zhì)量濃度日變化曲線的第2個(gè)波峰不明顯，而周末的波動(dòng)頻繁.推測(cè)其中原因，可能與袁家界站點(diǎn)的周邊環(huán)境有關(guān).袁家界站點(diǎn)地處景區(qū)內(nèi)部，植被覆蓋率高，周邊夜晚旅游活動(dòng)少，PM2.5主要源自植物排放揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化而生成.而其他3個(gè)站點(diǎn)，PM2.5主要來自汽車尾氣排放和人為排放等，與旅游活動(dòng)緊密相關(guān).

此外，對(duì)比工作日和周末的PM2.5質(zhì)量濃度發(fā)現(xiàn)，城區(qū)站點(diǎn)永定新區(qū)和電業(yè)局工作日的略高于周末，而景區(qū)站點(diǎn)袁家界和臨近景區(qū)站點(diǎn)未央路多數(shù)時(shí)段周末的高于工作日，尤其是袁家界站點(diǎn)，該現(xiàn)象特別明顯.這可能是因?yàn)橛蓝ㄐ聟^(qū)和電業(yè)局站點(diǎn)屬于城區(qū)范圍，工作日人們外出上班活動(dòng)較頻繁，PM2.5污染源較多，而周末是休息日，人類活動(dòng)相對(duì)減少，城市道路交通量不大，PM2.5污染源較少，從而導(dǎo)致工作日大氣PM2.5質(zhì)量濃度略高于周末；袁家界站點(diǎn)在景區(qū)內(nèi)，未央路站點(diǎn)毗鄰景區(qū)，2個(gè)站點(diǎn)都遠(yuǎn)離城市，周末的旅游活動(dòng)相比工作日要多，污染物排放量也更多，從而導(dǎo)致周末大氣PM2.5質(zhì)量濃度高于工作日.

3.2 PM2.5質(zhì)量濃度序列長(zhǎng)期持續(xù)的特點(diǎn)

利用DFA方法對(duì)4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度序列進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示.為了確保DFA指數(shù)能夠真實(shí)反映PM2.5質(zhì)量濃度序列的長(zhǎng)期持續(xù)性特點(diǎn)，將PM2.5質(zhì)量濃度序列隨機(jī)重排500次，并利用DFA方法對(duì)相應(yīng)的隨機(jī)重排序列進(jìn)行分析，結(jié)果也列于圖3.

由圖3可以看出，各站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度的lg[F(n)]∝lg(n)表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系.計(jì)算得到各站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度序列的DFA指數(shù)為永定新區(qū)1.11、電業(yè)局1.08、未央路1.02和袁家界1.0，均高于0.5，呈現(xiàn)很強(qiáng)的長(zhǎng)期持續(xù)性.這說明，PM2.5質(zhì)量濃度變化系統(tǒng)在一定時(shí)間尺度上存在顯著相關(guān)性，即過去一段時(shí)間內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的增加(減少)，會(huì)繼續(xù)影響到現(xiàn)在及將來一段時(shí)間內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的增加(減少).這種時(shí)間尺度上的相關(guān)性，是PM2.5污染物在眾多因素影響下表現(xiàn)出的宏觀、整體的動(dòng)力學(xué)本質(zhì).

由圖3還可以看出，隨機(jī)重排后的各站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度序列仍然表現(xiàn)出良好的冪律關(guān)系.計(jì)算得到隨機(jī)重排后的各站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度序列的DFA指數(shù)為永定新區(qū)0.50、電業(yè)局0.50、未央路0.50和袁家界0.49，均靠近0.5，呈現(xiàn)完全隨機(jī)的特征.這說明，經(jīng)過隨機(jī)重排后，PM2.5質(zhì)量濃度序列內(nèi)在的長(zhǎng)期持續(xù)性遭到破壞，而DFA方法可以有效揭示這一特征.

進(jìn)一步觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)：永定新區(qū)和電業(yè)局站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度具有相同的演化趨勢(shì)，即均存在2個(gè)冪律區(qū)間，且拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度約為30 d；未央路和袁家界站點(diǎn)只有1個(gè)冪律區(qū)間，且不存在拐點(diǎn).不同站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度演化出現(xiàn)的分段現(xiàn)象說明，PM2.5質(zhì)量濃度的演化過程在不同時(shí)間尺度上的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力不同.永定新區(qū)和電業(yè)局站點(diǎn)屬于城區(qū)范圍，在30 d的時(shí)間尺度上，PM2.5質(zhì)量濃度變化具有長(zhǎng)期持續(xù)性，超過這個(gè)時(shí)間尺度，長(zhǎng)期持續(xù)性發(fā)生變化，存在明顯的拐點(diǎn).未央路站點(diǎn)臨近景區(qū)，袁家界站點(diǎn)位于景區(qū)內(nèi)，2個(gè)站點(diǎn)受到的人類活動(dòng)干預(yù)相對(duì)較小，在各時(shí)間尺度上污染物的演化保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，所以PM2.5質(zhì)量濃度原始序列曲線沒有出現(xiàn)時(shí)空轉(zhuǎn)折.

4 結(jié)論

(1)4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5污染物的周末效應(yīng)分析結(jié)果表明：永定新區(qū)、電業(yè)局和未央路3個(gè)站點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度日變化曲線的波動(dòng)基本一致，表現(xiàn)出雙峰型，波峰分別出現(xiàn)在13：00和22：00左右；袁家界與其他3個(gè)站點(diǎn)相比，存在明顯的差異，其工作日的第2個(gè)波峰不明顯，而周末的波動(dòng)頻繁.

(2)城區(qū)站點(diǎn)永定新區(qū)和電業(yè)局工作日的PM2.5質(zhì)量濃度略高于周末，而毗鄰景區(qū)的未央路站點(diǎn)和景區(qū)內(nèi)的袁家界站點(diǎn)周末的PM2.5質(zhì)量濃度高于工作日.

(3)4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度序列的DFA方法分析結(jié)果表明：4個(gè)站點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度序列變化均具有長(zhǎng)期持續(xù)性，PM2.5質(zhì)量濃度的變化在一定的時(shí)間尺度上是相關(guān)的.

(4)城區(qū)站點(diǎn)永定新區(qū)和電業(yè)局的PM2.5質(zhì)量濃度冪律關(guān)系存在拐點(diǎn)，而毗鄰景區(qū)的未央路站點(diǎn)和景區(qū)內(nèi)的袁家界站點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度冪律關(guān)系不存在拐點(diǎn)，這可能是景區(qū)受旅游活動(dòng)干擾較多而致.