北京市近三年重污染天氣細(xì)顆粒物時(shí)空分布特征及氣象要素分析

胡劍，賈建平，岳天佐，武高峰，吳輝廷，秦建偉，徐科，趙露露，李雪君，王明陽(yáng)

（北京奧達(dá)清環(huán)境檢測(cè)有限公司，北京 100176）

1 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)城市化和工業(yè)化不斷推進(jìn)，北方城市空氣污染問(wèn)題日益引起重視，特別是北京市，為有效解決環(huán)境空氣污染問(wèn)題，北京市采取嚴(yán)格的空氣污染物排放控制措施，北京市空氣細(xì)顆粒物環(huán)境狀況得到了普遍的改善，但是在冬季仍伴隨有重污染天氣的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展，危害人類(lèi)身體健康。新冠疫情的出現(xiàn)，居民生產(chǎn)生活方式產(chǎn)生明顯改變，該特殊時(shí)期下空氣重污染過(guò)程的發(fā)生及污染特征研究，對(duì)理解氣象條件及社會(huì)減排對(duì)污染的影響具有重要的啟示意義。

研究以2020年冬季新冠疫情發(fā)生后一次嚴(yán)重污染過(guò)程（2020年 2月8日20∶00～2月 14日06∶00）細(xì)顆粒物濃度變化為重點(diǎn)研究對(duì)象，另選取2019年、2021年同時(shí)期一次重污染天氣（2019年 2月 27日 10∶00～3月 5日10∶ 00、2021年3月8日～3月15日20∶00）做對(duì)比研究，利用地理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究分析新冠疫情發(fā)生前后北京市細(xì)顆粒污染時(shí)空分布的變化，對(duì)三年間重污染天氣細(xì)顆粒物的影響因素做出解釋。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究期間大氣污染物濃度數(shù)據(jù)為北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心（http：//www.china-jcw.cn/）實(shí)時(shí)發(fā)布的35個(gè)環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)逐時(shí)數(shù)據(jù)。氣壓、相對(duì)濕度、氣溫等氣象逐時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)源為中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）?？諝獗O(jiān)測(cè)點(diǎn)和氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 觀測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)圖

2.2 反距離加權(quán)插值法

反距離加權(quán)（Inverse Distance Weighted，IDW）插值假設(shè)彼此距離較近的事物要比彼此距離較遠(yuǎn)的事物更相似，以插值點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離為衡量權(quán)重的依據(jù)，插值點(diǎn)越近的觀測(cè)點(diǎn)賦予的權(quán)重越大，權(quán)重貢獻(xiàn)與距離成反比。其表達(dá)式為：

3 結(jié)果與討論

3.1 PM2.5的時(shí)空污染特征

（1）空間分布特征。三次重污染天氣下城區(qū)細(xì)顆粒物濃度含量均值表現(xiàn)均明顯高于郊區(qū)含量，城區(qū)和郊區(qū)的質(zhì)量濃度含量分別為134.5、124.9 μg-3、173.37、154.29 μg-3和 150.19、141.73 μg-3。 以ARCGIS軟件反距離權(quán)重插值法對(duì)北京地區(qū)三次重污染期間細(xì)顆粒物污染空間分布狀況進(jìn)行插值分析，插值結(jié)果如圖2，2019年高濃度集中在南部和東南部，2020年高濃度集中在東南部，污染中心位置位于河北省內(nèi)保定、廊坊等市，質(zhì)量濃度整體上呈現(xiàn)南高北低的態(tài)勢(shì)，這與楊興川等人得到的2016年的分布規(guī)律保持一致，污染程度最高地區(qū)為大興區(qū)、房山區(qū)，城區(qū)PM2.5也處于較高的含量。而2021年與前兩年不同，重污染期間濃度落差主要表現(xiàn)在東西方向上，西部地區(qū)細(xì)顆粒物濃度明顯高于東部，且高濃度主要集中在西南部、門(mén)頭溝等區(qū)，典型污染期間濃度高值區(qū)域發(fā)生明顯向西偏移。

圖2 插值結(jié)果

（2）時(shí)間分布特征。對(duì)比三年來(lái)三次冬季重污染過(guò)程，2019年、2020年和2021年重污染期間 PM2.5均 值 分 別 為 132.44 μg-3、165.69 μg-3和143.92 μg-3，分別超過(guò)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）中二級(jí)日標(biāo)準(zhǔn)限值（75μg-3）的0.77、1.21和0.92倍，污染程度表現(xiàn)為2020年＞2021年＞2019年。其中重污染期間細(xì)顆粒物峰值分別出現(xiàn)在2019年3月2日、2020年2月13日和2021年3月15日，其值分別為 224.91 μg-3、236.13 μg-3和 416.34 μg-3。

為更好地對(duì)比COVID-19發(fā)生以來(lái)北京市重污染過(guò)程期間大氣細(xì)顆粒物的變化特征及分析居家隔離對(duì)大氣污染的影響特征，研究從細(xì)顆粒物濃度日變化的角度進(jìn)行分析（如圖3）。在2019年疫情發(fā)生前典型污染期間PM2.5日濃度變化與2020年、2021年明顯不同，PM2.5濃度變化呈現(xiàn)“晝低夜高”的現(xiàn)象，尤其在白天15∶00達(dá)到谷值99.79 μg-3，這和以往的研究保持一致，且對(duì)其成因前人研究較多。

圖3 細(xì)顆粒物濃度日變化

新冠疫情發(fā)生后，北京市2020年、2021年典型污染期間城區(qū)和郊區(qū)PM2.5濃度在日變化趨勢(shì)上保持一致，城郊兩個(gè)區(qū)域皆在白天8∶00～16∶00細(xì)顆粒物濃度出現(xiàn)最高值，兩次重污染期間PM2.5時(shí)均值濃度分別在白天14∶00、9∶00分別達(dá)到峰值176.62 μg-3、192.21 μg-3，日變化呈現(xiàn)出“晝高夜低”的分布特征。2020年1月24日，北京宣布啟動(dòng)突發(fā)公共衛(wèi)生事件Ⅰ級(jí)響應(yīng)機(jī)制，實(shí)行居家隔離、交通限制、嚴(yán)控進(jìn)京等防控措施的實(shí)施對(duì)重污染期間PM2.5日變化規(guī)律的產(chǎn)生重要影響。

3.2 氣象因素影響

氣象因素的變化對(duì)顆粒污染物的擴(kuò)散、稀釋、沉降和積累等作用目前已得到普遍公認(rèn)，尤其是其相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速等氣象條件對(duì)于PM2.5的污染程度及時(shí)空分布有著很重要的影響。2020年2月8日～2月13日重污染天氣期間，距居家隔離政策已過(guò)半個(gè)月左右，交通量和復(fù)工率處于較低水平，交通源和工業(yè)排放源的影響降到最低，此時(shí)以北京市城區(qū)一次重污染過(guò)程中細(xì)顆粒物濃度與其風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、氣壓的關(guān)系為研究對(duì)象，重點(diǎn)討論氣象要素對(duì)于重污染天氣的影響。

結(jié)果（圖4）表明，2020年重污染天氣過(guò)程中，經(jīng)歷了極端不利的氣象條件：大氣溫度的相對(duì)升高，形成逆溫層，大氣污染物垂直擴(kuò)散受阻；地表氣壓降低，相對(duì)濕度增加，有利于二次粒子轉(zhuǎn)化，容易造成顆粒物的吸濕性增長(zhǎng)和積累；期間風(fēng)速維持在較低的水平，不利于顆粒污染物的傳輸擴(kuò)散等。在如此高溫、低壓、低風(fēng)速的氣象條件下，導(dǎo)致局地污染物的累積，皮爾森相關(guān)性結(jié)果顯示，重污染期間細(xì)顆粒物濃度與風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、氣壓的相關(guān)系數(shù)分別為-0.185（在0.05水平上顯著相關(guān)）、0.046、0.306（在0.01水平上顯著相關(guān)）、-0.692（在0.01水平上顯著相關(guān)），此時(shí)氣象要素成為細(xì)顆粒物濃度增長(zhǎng)的主要原因。

圖4 氣象要素對(duì)于重污染天氣的影響

4 結(jié)論

（1）北京市近三年重污染天氣期間，細(xì)顆粒物濃度在空間分布上表現(xiàn)為城區(qū)＞郊區(qū)，2019年、2020年細(xì)顆粒質(zhì)量濃度整體上呈現(xiàn)“南高北低”的態(tài)勢(shì)，重污染主要集中在北京南部與河北接壤區(qū)域；而在2021年，高值區(qū)域發(fā)生明顯向西偏移的現(xiàn)象，呈現(xiàn)“西高東低”的態(tài)勢(shì)。（2）近三年北京市重污染污染程度表現(xiàn)為2020年＞2021年＞2019年，居家隔離、限制交通、嚴(yán)控進(jìn)京等防控措施的實(shí)施對(duì)污染期間PM2.5的日變化規(guī)律產(chǎn)生重要影響，新冠疫情發(fā)生前，PM2.5濃度日變化呈現(xiàn)“晝低夜高”的現(xiàn)象；而在疫情發(fā)生后，日變化呈現(xiàn)出“晝高夜低”的分布特征。（3）氣象要素成為疫情發(fā)生后導(dǎo)致重污染天氣的主要原因。如2020年2月期間高溫、低壓、低風(fēng)速的氣象條件，導(dǎo)致細(xì)顆粒污染物的增長(zhǎng)和累積、重污染天氣的發(fā)生。