2019—2021年高密市PM2.5濃度時(shí)空分布特征研究

王 娟,孫澤鋒

(濰坊市高密生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心,山東 濰坊 261500)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整轉(zhuǎn)型,PM2.5仍為影響空氣質(zhì)量的首要污染物[1],研究PM2.5污染的時(shí)空分布特征及其與其他空氣污染物、氣象因子的相關(guān)關(guān)系,可為科學(xué)治污、精準(zhǔn)施策提供依據(jù)。PM2.5污染特征研究主要集中在PM2.5的污染現(xiàn)狀、時(shí)空分布、來源解析、氣象及傳輸影響等方面[2-6]?？臻g分析手段研究PM2.5時(shí)空分布特征能展現(xiàn)PM2.5分布、遷移及演化過程,目前,主要集中在對(duì)市級(jí)以上區(qū)域的PM2.5污染時(shí)空分布研究[7~9],縣級(jí)研究極少。本研究在16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)站PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,通過相關(guān)性分析和surfer空間分析方法對(duì)高密市PM2.5的時(shí)空污染特征進(jìn)行可視化研究,揭示高密市PM2.5污染影響因素及變遷規(guī)律,以期為高密市大氣污染防治工作、區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控和制定有針對(duì)性的污染削減計(jì)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

高密市位于山東省濰坊市東部,位于36°8′44″~36°41′20″N、119°26′16″~120°0′38″E之間,南部是泰沂山丘的末端,屬于緩丘區(qū),中部為緩平坡地,北屬堆積平原,地勢(shì)總體特征是南高北低。高密市屬暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,歷年平均氣溫13.3 ℃,7月最高,平均氣溫為26.3 ℃,1月最低,平均氣溫為-1.3 ℃。年平均日 照 時(shí) 間 為2 252.1 h。累 年 平 均 降 水 量656.2 mm,年均相對(duì)濕度67%,春夏季風(fēng)向以東南風(fēng)居多,冬季多為西北風(fēng),年均風(fēng)速為2.6 m/s。區(qū)域內(nèi)形成以紡織服裝、機(jī)械電子、制鞋勞保、食品加工、化工建材為首的五大產(chǎn)業(yè)集群。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本研究基于2019—2021年高密市16個(gè)空氣監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù),分析PM2.5濃度的年、月、季變化特征,分別對(duì)PM2.5濃度與四項(xiàng)污染物、六項(xiàng)氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析,應(yīng)用surfer的空間分析手段,將具有空間坐標(biāo)的16個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值分析,研究2019—2021年高密市PM2.5污染的時(shí)空分布特征。污染物數(shù)據(jù)來源于中國高密和濰坊市生態(tài)環(huán)境局網(wǎng)站,氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心和地方政府網(wǎng)站公布數(shù)據(jù)。在本研究中,以4月—10月為非采暖期,11月—次年3月為采暖期,以3月—5月為春季、6月—8月為夏季、9月—11月為秋季、12—次年2月為冬季。

2 結(jié)果與分析

2.1 年變化特征

2019—2021年P(guān)M2.5年均值變化如圖1所示,可以看出,PM2.5年均值逐年下降,分別為56 μg/m3、48 μg/m3、44 μg/m3,雖未達(dá)到空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求,但改善效果明顯,說明高密市落實(shí)大氣污染防治措施之后PM2.5污染明顯好轉(zhuǎn),同比改善率分別達(dá)到15%,7.3%,年均改善率11%。隨著污染物整體濃度的下降,污染物之間的影響及二次污染問題凸顯,PM2.5污染主要來源趨向多元化和二次化,工業(yè)污染物、汽車尾氣等一次污染物在不利氣象條件下生成二次細(xì)顆粒物,由于生成機(jī)制不明確,PM2.5污染治理涉及面更廣泛、治理難度更大。

圖1 PM2.5年均值變化趨勢(shì)

2.2 月變化特征

2019—2021年P(guān)M2.5月均值如圖2所示,可以看出,PM2.5月均值基本呈U形分布,整體呈現(xiàn)出同比下降趨勢(shì)。PM2.5月均值高值出現(xiàn)在冬季,12月、次年1月污染嚴(yán)重,其中在1月份出現(xiàn)峰值,分別達(dá)到 117 μg/m3、116 μg/m3、88 μg/m3,12月—次年3月份月均值高于當(dāng)年年均值,一般11月份開始到次年3月份為北方的采暖期,受采暖期化石燃料燃燒影響,采暖期PM2.5濃度明顯高于非采暖期。PM2.5濃度低值出現(xiàn)在夏季,2019年、2020年8月份濃度最低,分別為24 μg/m3、19 μg/m3,2021年7月份月均值最低為18 μg/m3;4月—10月份月均值低于年均值,2021年月均值低于35 μg/m3的月份已經(jīng)從2019年4個(gè)增加到6個(gè),非采暖期的空氣質(zhì)量有所改善。各年份中累月PM2.5平均濃度在9月份達(dá)到最低、10月份的月均值數(shù)據(jù)接近于年均值。

圖2 2019—2021年P(guān)M2.5月均值變化趨勢(shì)

2020年2 月、3月PM2.5月均值明顯低于2019年、2021年,這是2020年受疫情影響大量工業(yè)企業(yè)春節(jié)假期延長(zhǎng)復(fù)工復(fù)產(chǎn)延遲造成工業(yè)污染源的大幅減少。2021年3月,出現(xiàn)一個(gè)濃度小高峰,源于北方兩次強(qiáng)沙塵暴的影響。2021年12月份月均值同比大幅下降,一是受益于清潔能源取暖改造的推進(jìn),2021年市政府著力散煤整治工作,推動(dòng)煤改氣取暖改造,很大程度上控制了點(diǎn)源,降低了地面低空顆粒物排放濃度;二是有利的氣象條件,2021年冬季出現(xiàn)重污染天氣次數(shù)少,污染物濃度低,持續(xù)時(shí)間短,伴隨著降水降溫過程結(jié)束;2021年8月份出現(xiàn)了夏季濃度小高峰,這與該月風(fēng)速小、氣溫低、相對(duì)濕度大等不利條件有關(guān)。

2.3 季變化特征

2019—2021年高密市PM2.5季均值如圖3所示,按四季分,PM2.5濃度最高值均出現(xiàn)在冬季,春秋次之,夏季最低。冬季大氣層相對(duì)穩(wěn)定,易在低空形成逆溫,不利于PM2.5的稀釋擴(kuò)散[11],使局部污染物出現(xiàn)堆積,并且高密市采暖期一般為11月中旬—次年3月中旬,受冷空氣影響會(huì)提前到11月初延遲至3月底,采暖期燃煤增加導(dǎo)致PM2.5濃度升高;高密市夏季高溫多雨,對(duì)流天氣相對(duì)活躍,有利于PM2.5的擴(kuò)散與洗消[12],使得夏季PM2.5濃度明顯低于其他季節(jié)。

圖3 2019—2021年P(guān)M2.5季節(jié)濃度變化

秋冬季節(jié),尤其是采暖期PM2.5污染對(duì)年均值貢獻(xiàn)大(圖4)。自2019開始,非采暖期的PM2.5濃度均值逐漸下降,平均下降率為20.2%,且非采暖期濃度均值能達(dá)到年均值標(biāo)準(zhǔn),2020年采暖期PM2.5濃度均值下降不明顯,2021年采暖期PM2.5濃度均值同比下降顯著,這不僅與重污染天氣發(fā)生次數(shù)少、延續(xù)時(shí)間短有關(guān),也與2021年嚴(yán)格的管控和有效的污染控制治理措施有關(guān)。在考核空氣質(zhì)量時(shí),一般以年度為單位計(jì)算年均值,北京市啟用三年滑動(dòng)平均值考核排除氣候因素對(duì)污染物改善的影響,其中PM2.5、O3等污染物季節(jié)性變化明顯[13-15],有學(xué)者[16]專門研究了采暖期-非采暖期PM2.5的時(shí)空分布特征,高密市秋冬春季首要污染物為PM2.5,春夏季節(jié)主要為O3,這與毗鄰的青島地區(qū)基本一致[17]。實(shí)際上,PM2.5治理除了常規(guī)性治理措施外,季節(jié)性保障措施尤為重要,結(jié)合政策措施連續(xù)性、氣象因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)方面的影響,以通用四季劃分或是非采暖期-采暖期為一個(gè)周期統(tǒng)計(jì)年均值更能體現(xiàn)出污染治理政策措施帶來的環(huán)境效益。由于各地采暖期不同,選擇通用四季為一個(gè)周期。

圖4 2019—2021年采暖期—非采暖期PM2.5濃度變化

2.4 相關(guān)性分析

以2019—2021年P(guān)M2.5月均值與四項(xiàng)污染物、氣象因子建立相關(guān)性關(guān)系(表1),總體上,各月PM2.5與SO2、NO2、PM10月均值之間呈現(xiàn)正相關(guān),除PM10外,PM2.5與NO2相關(guān)性最強(qiáng),這說明機(jī)動(dòng)車尾氣、天然氣燃燒等排放的氮氧化物在不利天氣條件下二次轉(zhuǎn)化對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)加強(qiáng),PM2.5與O3-8h呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),這與污染物季節(jié)性的變化特征有關(guān)[10],與氣溫、降水量、相對(duì)濕度、總?cè)照諒?qiáng)度負(fù)相關(guān),與地面氣壓正相關(guān),與風(fēng)速關(guān)系不大,PM2.5與氣象因素相關(guān)性反映出污染物的季節(jié)變化特征。

表1 PM2.5月均值與主要污染物、氣象因素相關(guān)性系數(shù)

由表2看出,采暖期PM2.5與SO2月均值正相關(guān)顯著于非采暖期,非采暖期PM2.5與NO2月均值正相關(guān)顯著于采暖期,因此,采暖期化石燃料燃燒治理是重點(diǎn),非采暖期工業(yè)廢氣排放和機(jī)動(dòng)車尾氣是重點(diǎn)。采暖期PM2.5與風(fēng)速負(fù)相關(guān)明顯,風(fēng)速越大細(xì)顆粒物濃度越低;非采暖期PM2.5濃度與相對(duì)濕度負(fù)相關(guān)。

表2 按季劃分的PM2.5月均值與主要污染物、氣象因素相關(guān)性系數(shù)

按四季劃分的PM2.5月均值與各因素均值之間相關(guān)性基本相同,秋季,PM2.5與風(fēng)速正相關(guān),與其他季節(jié)相反,這說明風(fēng)速對(duì)PM2.5有雙重影響[14];夏季,PM2.5與O3-8h呈現(xiàn)正相關(guān),相關(guān)性顯著,與其他季節(jié)相反,這是由于夏季日照強(qiáng)度增強(qiáng),氮氧化物和VOCs等前體物在太陽紫外線照射下,發(fā)生復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng),生成大量的臭氧以及PM2.5等二次污染物,實(shí)際上從四月中下旬開始,高密市O3-8h日均值就開始超標(biāo),同時(shí)PM2.5出現(xiàn)高值,因此,春夏季應(yīng)注重細(xì)顆粒物與臭氧的協(xié)同治理。2021年,高密市對(duì)浸膠手套、制鞋、家具、板材行業(yè)進(jìn)行提升整治,旨在控制形成臭氧的前體物(主要是VOCs)排放,從源頭遏制二次污 染物轉(zhuǎn)化形成。

2.5 PM2.5污染空間分布特征

Kriging插值是建立在半變異函數(shù)理論分析基礎(chǔ)上,對(duì)有限區(qū)域內(nèi)變量取值進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法[18],有學(xué)者用此方法研究PM2.5和O3空間分布[15,18-19]。本研究采用surfer 中的Kriging插值法對(duì)2019—2021年16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5年均值以及采暖期和非采暖期濃度均值分別進(jìn)行插值分析,結(jié)果如圖5、圖6所示。整體來看,各鎮(zhèn)街PM2.5濃度逐年下降,PM2.5空間污染整體表現(xiàn)為南部地勢(shì)較高的緩丘區(qū)好于中部的平原地區(qū)、城市主導(dǎo)風(fēng)向上鎮(zhèn)街區(qū)優(yōu)于其他鎮(zhèn)街區(qū)、主城區(qū)好于周邊鎮(zhèn)街區(qū)的特征;全市PM2.5年均值高濃度區(qū)表現(xiàn)出從東部、中部向東-東北部、西部遷移,形成東—東北部＞西—西南部＞南部＞西北部的空間分布格局,PM2.5污染重心集中在市東部的柏城、開發(fā)區(qū)、夏莊、姜莊,西部的闞家、井溝幾個(gè)鎮(zhèn),包含主城區(qū)在內(nèi)的城市主導(dǎo)風(fēng)向上西北、東南地區(qū)PM2.5污染濃度相對(duì)較低,采暖期這種特征更加明顯。

圖5 2019—2021 年P(guān)M2.5年均濃度空間分布

按照采暖期-非采暖期劃分的PM2.5污染空間分布(圖6)與年均值空間分布(圖5)基本一致,采暖期PM2.5污染程度明顯嚴(yán)重于非采暖期;隨著時(shí)間的遷移,非采暖期西部闞家、井溝污染重心逐漸消失,PM2.5高濃度區(qū)在東-東北部逐漸形成,這與高密市排放形成二次細(xì)顆粒物的污染物工業(yè)企業(yè)分布基本一致,包括使用大量溶劑及天然氣爐窯的勞保手套、制鞋、家具噴漆、表面涂裝業(yè);采暖期西部污染重心比年均值空間分布圖更明顯,一是該區(qū)域遠(yuǎn)離城區(qū)不在城市主導(dǎo)風(fēng)向上,燃?xì)夤芫W(wǎng)不完善,居民取暖普遍使用煤炭和生物質(zhì),燃燒排放導(dǎo)致該區(qū)域一次顆粒物濃度高;二是與區(qū)位有關(guān),高密市西部的闞家鎮(zhèn)、井溝鎮(zhèn)、柴溝鎮(zhèn)西臨峽山水庫,秋冬季節(jié)西北風(fēng)攜帶水汽使該區(qū)域相對(duì)濕度較高,相對(duì)濕度偏大時(shí)(表2),更有利于顆粒物的二次生成和吸濕增長(zhǎng),導(dǎo)致顆粒物濃度偏高[20],在不利的天氣條件時(shí),采暖期高濃度一次污染物在高相對(duì)濕度、低風(fēng)速的協(xié)同放大作用下利于PM2.5的生成[21],從而加重PM2.5污染。

圖6 2019—2021非取暖期、取暖期PM2.5濃度空間分布

2019—2021年高密市PM2.5治理卓有成效,應(yīng)繼續(xù)采取強(qiáng)有力措施加快調(diào)整區(qū)域內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu),精細(xì)化管控?fù)P塵,深度治理工業(yè)源、對(duì)高污染原輔材料進(jìn)行替代,抓好移動(dòng)源管控,持續(xù)推進(jìn)農(nóng)村清潔能源取暖改造等促進(jìn)PM2.5持續(xù)改善,PM2.5治理須根據(jù)氣象條件精準(zhǔn)施策有效管控。

3 結(jié)論及建議

(1)2019—2021年高密市PM2.5年均值呈下降趨勢(shì),污染狀況逐年好轉(zhuǎn);PM2.5月均值呈現(xiàn)U型波動(dòng),12月、1月污染嚴(yán)重,4月—10月月均值數(shù)值低于年均值,6月—9月份月均值能夠低于35 μg/m3,各年份中累月PM2.5濃度在9月份達(dá)到最低、10月份的月均值數(shù)據(jù)接近于年均值。

(2)PM2.5濃度季節(jié)變化特征明顯,冬季最高,春秋次之,夏季最低,采暖期污染水平明顯高于非采暖期,非采暖期PM2.5濃度≤35 μg/m3;非采暖期工業(yè)源、機(jī)動(dòng)車尾氣排放,采暖期秋冬季節(jié)化石燃料、機(jī)動(dòng)車尾氣排放等,是高密市PM2.5污染的主要來源。因此,PM2.5治理季節(jié)性保障措施尤為重要,以氣候四季劃分或是非采暖期-采暖期為一個(gè)周期統(tǒng)計(jì)年均值更能體現(xiàn)出污染治理政策措施帶來的環(huán)境效益。

(3)全市PM2.5年均值高濃度區(qū)表現(xiàn)出從東部、中部向東—東北部、西部遷移,形成東—東北部＞西—西南部＞南部＞西北部的空間分布特征,包含主城區(qū)在內(nèi)的城市主導(dǎo)風(fēng)向上西北、東南地區(qū)PM2.5污染濃度相對(duì)較低,采暖期這種特征更加明顯。非采暖期PM2.5高濃度區(qū)在東—東北部逐漸形成,這與高密市排放生成二次細(xì)顆粒物的前體污染物工業(yè)企業(yè)分布基本一致,PM2.5治理在加強(qiáng)污染防治措施的同時(shí)須根據(jù)氣象條件精準(zhǔn)施策有效管控。