河南省PM2.5時(shí)空變化及其影響因素

韓 艷，董慧敏

（河南城建學(xué)院測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，河南 平頂山 467036）

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程快速推進(jìn)，環(huán)境問題接踵而來(lái)，大氣污染成為全球重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。PM2.5（顆粒物直徑≤2.5μm）易吸附有毒、有害物質(zhì)，顆粒小、質(zhì)量輕，能夠長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中，易被人體吸入。研究表明呼吸系統(tǒng)疾病和心腦血管系統(tǒng)疾病與PM2.5濃度密切相關(guān)［1］，故PM2.5濃度變化引起很多學(xué)者關(guān)注。

PM2.5來(lái)源可分為自然源和人為源，其中自然源涵蓋了風(fēng)揚(yáng)塵土、森林火災(zāi)等多種形式，人為源由一次顆粒物與二次顆粒物組成。一次顆粒物主要來(lái)源于燃煤煙塵、工業(yè)粉塵、建筑和道路揚(yáng)塵等污染源向大氣中釋放的一系列顆粒污染物；二次顆粒物主要來(lái)源于汽車空調(diào)系統(tǒng)的冷凝液、汽車尾氣、燃油燃燒及生物質(zhì)氣化過程產(chǎn)生的氣態(tài)污染物。二次顆粒物經(jīng)過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，最終被釋放到大氣中，成為PM2.5的主要貢獻(xiàn)者。目前，對(duì)PM2.5的研究多以城市群、經(jīng)濟(jì)帶和省域?yàn)檠芯繉?duì)象［2－4］，主要關(guān)注其化學(xué)成分［5］、大氣環(huán)流背景［6］、時(shí)間和空間變化特征［7－8］、影響因素［9］、跨界輸送、環(huán)境污染和環(huán)境健康效應(yīng)［10］等方面。

華北平原是我國(guó)四大大氣高污染地區(qū)之一，河南省處于華北平原的高濃度污染聚集區(qū)。已有學(xué)者對(duì)河南省特定站點(diǎn)、個(gè)別城市和城市帶的PM2.5濃度、重金屬污染來(lái)源及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究［11－13］，但對(duì)整個(gè)河南省PM2.5濃度變化的研究還比較缺乏。本文以2017年1月1日至2022年12月31日河南省的18個(gè)觀測(cè)站逐小時(shí)PM2.5濃度數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、反距離權(quán)重和地理探測(cè)器等方法，探討河南省PM2.5濃度時(shí)間和空間變化特征及其影響因素。研究結(jié)果可為河南省治理大氣污染提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于黃河中下游，是華北平原重要組成部分，面積為16.7萬(wàn)km2，占全國(guó)總面積的1.73%。平原和盆地面積約占河南省總面積的55.7%；河南省西北部、西部及南部分別是太行山、伏牛山、桐柏山和大別山，山地面積約占總面積的44.3%。河南省季風(fēng)氣候特征顯著（南部是亞熱帶季風(fēng)氣候，中北部是溫帶季風(fēng)氣候），夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年均溫為13.2～15.5℃，年均降水量為480.2～1 115.9 mm，降水量主要集中于夏季［14］（占全年降水量的52.4%）。此外，河南省是我國(guó)的人口大省、農(nóng)業(yè)大省、經(jīng)濟(jì)大省，人口總數(shù)位居全國(guó)第三，耕地面積位居全國(guó)第二，GDP位居全國(guó)第五。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

（1）PM2.5濃度數(shù)據(jù)：2017年1月1日至2022年12月31日河南省18個(gè)站點(diǎn)（南陽(yáng)、商丘、鄭州、開封、駐馬店、周口、信陽(yáng)、三門峽、漯河、洛陽(yáng)、平頂山、安陽(yáng)、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作、濮陽(yáng)、許昌、濟(jì)源）逐小時(shí)的PM2.5濃度數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)環(huán)境檢測(cè)總站（http：／／www.cnemc.cn／）。（2）氣象數(shù)據(jù)：2017年1月1日至2022年12月31日河南省17個(gè)氣象站點(diǎn)（西華、新鄉(xiāng)、三門峽、信陽(yáng)、鄭州、駐馬店、固始、西峽、南陽(yáng)、寶豐、安陽(yáng)、桐柏、許昌、孟津、商丘、永城、開封）逐日氣溫和降水量數(shù)據(jù)，來(lái)源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局；同期的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：／／data.cma.cn／）。（3）社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)：包括18個(gè)地級(jí)市的常住人口、建成區(qū)綠化覆蓋率、車輛擁有量、第二產(chǎn)業(yè)等指標(biāo)，來(lái)源于河南省統(tǒng)計(jì)年鑒（2017—2022年）和18個(gè)地級(jí)市的統(tǒng)計(jì)資料（2017—2022年）。（4）基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)：行政邊界數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心（http：／／www.ngcc.cn／ngcc／）。

2 研究方法

2.1 反距離權(quán)重法

反距離權(quán)重法是一種常用的空間插值方法，是基于距離加權(quán)插值法的改進(jìn)和優(yōu)化［15］。根據(jù)反距離權(quán)重法的假設(shè)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)均會(huì)受到一種局部效應(yīng)的影響，隨著距離的增加，這種影響逐漸減弱。當(dāng)一個(gè)測(cè)試點(diǎn)被分成幾個(gè)部分后，如果該區(qū)域中所有測(cè)點(diǎn)已知，則在每一部分里，用另一些相鄰的點(diǎn)求解未知點(diǎn)。該方法對(duì)接近預(yù)測(cè)位置的點(diǎn)賦予了較高的權(quán)重，但隨著距離的增加，權(quán)重逐漸降低，因此被稱為反距離權(quán)重法。其計(jì)算公式為

式中：n為特定區(qū)域內(nèi)對(duì)未知點(diǎn)產(chǎn)生影響的已知數(shù)；zi為第i個(gè)已知點(diǎn)的值；di為第i個(gè)已知點(diǎn)到未知點(diǎn)的距離；指定的冪為k，默認(rèn)為2。借助ArcGIS10.8軟件平臺(tái)，采用反距離權(quán)重法，繪制2017—2022年河南省PM2.5濃度空間變化圖。

2.2 地理探測(cè)器

空間異質(zhì)性是地理現(xiàn)象的基本特征之一。地理探測(cè)器主要被應(yīng)用于空間分異性影響因素的識(shí)別與作用機(jī)制研究。該探測(cè)器包括4個(gè)探測(cè)器，分別為生態(tài)探測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)探測(cè)、分異及因子探測(cè)和交互作用探測(cè)。本文所采用的方法主要是分異及因子探測(cè)［16］，探測(cè)Y的空間分異性，以及探測(cè)某因子X多大程度上解釋了屬性Y的空間分析，用q值度量，其計(jì)算公式為

式中：h＝1，…，L；L為變量Y或因子X的分層，即分類或分區(qū)；Nh和N分別為層h和全區(qū)的單元數(shù)；和σ2分別是層h和全區(qū)的Y值的方差。q值處于0和1之間，值越大說明Y的空間分異性越明顯；如果分層是由自變量X生成，則q值越大表示自變量X對(duì)屬性Y的解釋力越強(qiáng)，反之則越弱。

此外，在ArcGIS10.8軟件平臺(tái)上，加載基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)（行政邊界和數(shù)字高程模型），繪制研究區(qū)位置示意圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 時(shí)間上的變化特征

3.1.1 年際變化特征

2017—2022年河南省18個(gè)地級(jí)市年均PM2.5濃度呈下降趨勢(shì)（見圖1），尤其是2019年以后，下降趨勢(shì)明顯（59.2±4.6μg／m3→43.8±3.8μg／m3（均值＋標(biāo)準(zhǔn)差，下文同））。其主要原因是：（1）2019年河南省有針對(duì)性地集中開展重點(diǎn)領(lǐng)域、重點(diǎn)行業(yè)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的治理，有效降低了污染物排放。（2）通過實(shí)施“三散”管理、引入“雙替代”措施，禁止銷售散煤、查扣燃煤散燒設(shè)施、整治和取締“散亂污”企業(yè)，新建和改造了集中供熱管網(wǎng)，有效地降低了PM2.5的濃度。（3）2020—2022年河南省部分地區(qū)實(shí)施了交通管制等措施，在一定程度上降低了PM2.5的濃度。

圖1 2017—2022年河南省PM2.5濃度年際變化

圖2 2017—2022年河南省PM2.5濃度季節(jié)變化

從分布地區(qū)來(lái)看，相較于其他城市，安陽(yáng)市PM2.5濃度偏高。其主要原因是：（1）安陽(yáng)擁有大量傳統(tǒng)工業(yè)，主要以煤炭為能源，排污企業(yè)數(shù)量多且規(guī)模大，即自身產(chǎn)生大量污染物。（2）冬季燃煤取暖，產(chǎn)生更多的大氣顆粒物，加重了污染程度。（3）在冬季，安陽(yáng)大氣靜態(tài)穩(wěn)定性持續(xù)，不利于污染物擴(kuò)散，導(dǎo)致污染物集聚。（4）受太行山脈和京津冀大氣污染傳輸通道的影響，外來(lái)污染物導(dǎo)致污染加重。

在河南省的18個(gè)城市中，信陽(yáng)市PM2.5濃度在觀測(cè)年份內(nèi)均相對(duì)較低。其主要原因是：（1）信陽(yáng)市位于河南省南部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水量最高，降水過程對(duì)大氣污染物具有一定淋洗作用［17－18］。（2）信陽(yáng)市污染性企業(yè)相對(duì)較少，排放至大氣中的污染物較少。（3）信陽(yáng)市森林覆蓋率達(dá)42.3%，對(duì)大氣具有一定程度的凈化作用。（4）信陽(yáng)市距離我國(guó)北方污染核心區(qū)相對(duì)較遠(yuǎn)，受其影響相對(duì)較小。

3.1.2 季節(jié)變化特征

河南省四季PM2.5平均濃度由高到低依次為89.5±16.2μg／m3（冬季）、48.5±5.5μg／m3（秋季）、41.4±6.1μg／m3（春季）、28.8±7.3μg／m3（夏季）。冬季PM2.5平均濃度遠(yuǎn)高于其他三季（見圖3）。在四季中冬季污染較重、夏季空氣質(zhì)量最好。主要原因是：（1）冬季屬于采暖季節(jié)，煤炭消耗量增加，輸入至大氣中的顆粒污染物增多。同時(shí)，冬季大氣穩(wěn)定性較好，不利于污染物擴(kuò)散［19］，從而加重了污染程度。（2）河南省屬于季風(fēng)氣候，降水量主要集中于夏季，降水過程對(duì)大氣污染物具有一定淋洗作用［17－18］，從而減少大氣中的顆粒物。

圖3 2017—2022年河南省PM2.5濃度月份變化

3.1.3 月份變化特征

由圖3可知，（1）2017—2022年河南省18個(gè)地級(jí)市PM2.5月均濃度呈“U”型變化特征，1～7月呈降低趨勢(shì)，其中1～3月降低速度較快，4～7月降低速度較慢；8～12月呈增加趨勢(shì)，其中8～9月增加速度較慢，10～12月增加速度較快。（2）10月至次年3月PM2.5濃度較高，即污染較嚴(yán)重；4～9月PM2.5濃度較低，空氣質(zhì)量相對(duì)較好。（3）1月PM2.5濃度最高（107.9±12.2μg／m3），7月PM2.5濃度最低（27.0±10.6μg／m3），其原因詳見3.1.2季節(jié)變化特征分析。

由以上分析可知，月份分析結(jié)果與季節(jié)分析結(jié)果存在相似的地方：冬季（12月至次年2月）PM2.5濃度最高，污染最嚴(yán)重。也存在不一致的地方：（1）從季節(jié)尺度來(lái)看，夏季（6～8月）空氣質(zhì)量最好；從月份尺度來(lái)看，7～9月PM2.5濃度最低。（2）從季節(jié)尺度來(lái)看，夏季和春季（3～8月）PM2.5平均濃度較低；從月份尺度來(lái)看，4～9月PM2.5平均濃度較低。不一致的主要原因是：季節(jié)劃分是按照傳統(tǒng)四季劃分，考慮的主要因素是氣溫和降水量；而月份尺度是以月為單位的PM2.5濃度平均變化。由此可知，PM2.5濃度變化不僅受氣候要素的影響，還具有自身特征。

3.2 空間上的變化特征

總體上，各個(gè)年份河南省PM2.5年均濃度呈“北高南低”的變化特征，高值或者低值中心在不同年份的位置不同（見圖4）。具體來(lái)講，北部的安陽(yáng)、濮陽(yáng)、焦作、濟(jì)源、洛陽(yáng)、開封等地PM2.5年均濃度較高（55～70μg／m3），南部的信陽(yáng)、駐馬店等地PM2.5年均濃度偏低（35～55μg／m3）。北部城市濃度較高的主要原因是：工業(yè)較發(fā)達(dá)，輸入至大氣中的固態(tài)顆粒物較多；冬季采暖燃料主要是煤炭，輸入至大氣中的粉塵顆粒物較多；冬季大氣層較穩(wěn)定，易發(fā)生逆溫，不利于污染物擴(kuò)散；距離京津冀污染區(qū)較近，受其影響較大。南部城市濃度較低的主要原因是：降水量較大，降水過程對(duì)空氣具有一定的凈化作用；與北部城市相比，南部城市工業(yè)不發(fā)達(dá)，輸入至大氣中的粉塵顆粒物較少；距離京津冀污染區(qū)較遠(yuǎn)，受其影響較小。

圖4 2017—2022年河南省PM2.5濃度空間變化

從時(shí)空上來(lái)看，約以2019年為界，2017—2019年間PM2.5平均濃度值較高（濃度≥55μg／m3，區(qū)域面積較大），2020—2022年間濃度值較低，尤其是2021—2022年，絕大部分區(qū)域濃度＜50μg／m3。在觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，2019年P(guān)M2.5平均濃度值最高，絕大部分區(qū)域（駐馬店和信陽(yáng)除外）濃度≥55μg／m3，北部大部分地區(qū)（安陽(yáng)、濮陽(yáng)、鶴壁、新鄉(xiāng)、濟(jì)源、洛陽(yáng)等）濃度≥60μg／m3；2021年P(guān)M2.5平均濃度值最低，絕大部分區(qū)域濃度＜45μg／m3，信陽(yáng)和三門峽等地濃度＜40μg／m3。2020—2022年濃度值較低的原因詳見3.1.1年際變化特征分析。

3.3 影響因素分析

參考已有研究［20－22］，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)精度和可獲得性，選取7個(gè)影響因子（常住人口、建成區(qū)綠化覆蓋率、車輛擁有量、第二產(chǎn)業(yè)、氣溫、風(fēng)速和年降水量）來(lái)探討河南省PM2.5濃度變化的影響因素。

利用地理探測(cè)器確定各影響因子對(duì)PM2.5濃度變化的影響，結(jié)果如表1所示?？傮w上，各因子對(duì)PM2.5濃度變化的解釋力為0.186～0.572。其中，解釋力最大的因子為年均降水量（0.572），其次為第二產(chǎn)業(yè)（0.502），第三為平均風(fēng)速（0.383），第四為常住人口（0.367），解釋力度較小的因子是車輛擁有量、建成區(qū)綠化覆蓋率和年均溫，其中解釋力度最小的因子是車輛擁有量（0.186）。由此可知，年均降水量、第二產(chǎn)業(yè)、平均風(fēng)速和常駐人口對(duì)河南省PM2.5濃度變化影響較大，車輛擁有量、建成區(qū)綠化覆蓋率和年均溫對(duì)河南省PM2.5濃度變化的影響較小。

表1 單因子探測(cè)結(jié)果

河南省屬于季風(fēng)氣候，降水量主要集中于夏季［14］（占全年降水量52.4%）。PM2.5屬于大氣中的固態(tài)顆粒物，而降水能夠?qū)⒋髿庵蓄w粒物帶落至地面，起到淋洗作用［17－18］，PM2.5濃度季節(jié)和月份尺度變化特征給予證實(shí)（見圖2、圖3）：從季節(jié)來(lái)看，夏季PM2.5濃度最低；從月份尺度來(lái)看，7～9月PM2.5濃度最低。平均風(fēng)速增加，促使大氣流動(dòng)加速，導(dǎo)致污染物擴(kuò)散，即稀釋了大氣PM2.5濃度。所以，年均降水量和年均風(fēng)速均顯著影響PM2.5濃度，且年均降水量和年均風(fēng)速與PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)，即年均降水量和年均風(fēng)速增加，大氣PM2.5濃度降低。

第二產(chǎn)業(yè)指的是工業(yè)，河南省西北部的安陽(yáng)、濮陽(yáng)、鶴壁、新鄉(xiāng)、濟(jì)源、洛陽(yáng)等地以機(jī)械制造、鋼鐵、煤電化材等為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，而這些工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生大量的固態(tài)顆粒物［23］，在所觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，這些地區(qū)PM2.5濃度較高。而河南省南部地區(qū)（信陽(yáng)、駐馬店等地）第二產(chǎn)業(yè)相對(duì)不發(fā)達(dá)，在所觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，這些地區(qū)PM2.5濃度較低。第二產(chǎn)業(yè)顯著影響大氣中PM2.5濃度，且二者之間呈正相關(guān)關(guān)系，即第二產(chǎn)業(yè)愈發(fā)達(dá)，大氣中PM2.5濃度愈高。建議河南省北部地區(qū)進(jìn)行合理工業(yè)布局，淘汰落后高耗能產(chǎn)業(yè)，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)，發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

各影響因子對(duì)PM2.5濃度變化的解釋力中，常駐人口排第四位。隨著人口的聚集，生產(chǎn)和生活所消耗的能源逐漸增加，產(chǎn)生的細(xì)小固態(tài)顆粒物隨之增多。首先，居民生活方式和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的改變將消耗大量資源能源，尤其是原煤，產(chǎn)生大量的粉塵顆粒。其次，住房和城市公共基礎(chǔ)設(shè)施需求會(huì)促進(jìn)城市建設(shè)面積擴(kuò)大，產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，導(dǎo)致大氣PM2.5濃度增加。再次，交通需求導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車數(shù)量增長(zhǎng)，交通擁堵現(xiàn)象頻發(fā)，排放大量尾氣。同時(shí)，城市建筑密度與高度不斷上升，使得城市內(nèi)部大氣循環(huán)不暢，為污染物集聚以及相互間的化學(xué)反應(yīng)提供了有利條件。

4 結(jié)論

通過對(duì)河南省的18個(gè)觀測(cè)站逐小時(shí)PM2.5濃度數(shù)據(jù)研究，得出以下結(jié)論：（1）時(shí)間方面，2017—2022年河南省年均PM2.5濃度呈下降趨勢(shì)；冬季PM2.5濃度遠(yuǎn)高于其他三季；PM2.5濃度月份變化呈“U”型，1月濃度最高，7月濃度最低。（2）空間方面，河南省北部PM2.5濃度較高，南部濃度較低。（3）年降水量、第二產(chǎn)業(yè)、年均風(fēng)速和常駐人口等因素主導(dǎo)了河南省PM2.5濃度時(shí)間和空間變化，故建議河南省北部地區(qū)進(jìn)行合理工業(yè)布局，淘汰落后高耗能產(chǎn)業(yè)，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)，發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。