2013年北京市PM2.5重污染日時(shí)空分布特征研究

程念亮，李云婷，邱啟鴻，董 欣，孫瑞雯

北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048

近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快和工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，大氣污染形勢(shì)較為嚴(yán)重，特別是環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)地區(qū)和城市，環(huán)境問(wèn)題已成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的重要因素［1－2］。近年來(lái)以細(xì)顆粒物PM2.5為主導(dǎo)因素的灰霾現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，對(duì)公眾健康和城市景觀構(gòu)成較大威脅［3］。PM2.5是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)粒徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱(chēng)為細(xì)顆粒物。它的直徑還不到人的頭發(fā)絲直徑的二十分之一［4］，PM2.5由一次微粒和二次微粒組成。新《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)［5］將PM2.5納入常規(guī)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)，這也是中國(guó)首次制定PM2.5標(biāo)準(zhǔn)。

北京是中國(guó)的首都，地處華北平原西北端，三面環(huán)山，地形呈典型的“簸箕狀”特征，大氣污染物擴(kuò)散條件偏差;全市2 000多萬(wàn)人口、500多萬(wàn)輛機(jī)動(dòng)車(chē)以及大量的生產(chǎn)、服務(wù)活動(dòng)又造成污染物排放總量較大。隨著城市的發(fā)展，使得大氣污染呈較重的態(tài)勢(shì)［6-8］。特別是2013年1月，中東部、西南10省、自治區(qū)、直轄市，100多萬(wàn)平方公里區(qū)域出現(xiàn)持續(xù)嚴(yán)重PM2.5污染天氣;北京也不例外，1月北京共發(fā)生4次連續(xù)重污染過(guò)程。為應(yīng)對(duì)重污染局面，2013年10月市政府重點(diǎn)推出了《北京市空氣重污染應(yīng)急預(yù)案(試行)》［9］，完善了應(yīng)急管理機(jī)制，將空氣重污染應(yīng)急納入全市應(yīng)急體系統(tǒng)一管理。

本文利用2013年北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)的 PM2.5濃度數(shù)據(jù)，針對(duì)北京市重污染日PM2.5的污染問(wèn)題，從基本污染水平、時(shí)間分布、空間分布等多個(gè)側(cè)面展開(kāi)分析研究，較為全面系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)北京市重污染日PM2.5的濃度水平、逐月變化，空間分布特征。為更好開(kāi)展城市PM2.5濃度預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，為管理部門(mén)提供準(zhǔn)確、及時(shí)、全面的信息，同時(shí)配合目前正在進(jìn)行全國(guó)范圍的PM2.5監(jiān)測(cè)工作，對(duì)改善區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)和監(jiān)測(cè)方法

1.1 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

北京市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由35個(gè)站點(diǎn)(圖1)組成，包括1個(gè)城市清潔對(duì)照點(diǎn)，23個(gè)城市環(huán)境評(píng)價(jià)點(diǎn)，6個(gè)區(qū)域背景傳輸點(diǎn)，5個(gè)交通污染監(jiān)控點(diǎn);覆蓋所有區(qū)縣，包括區(qū)域背景、郊區(qū)、城鎮(zhèn)、交通干道、居住區(qū)等不同的環(huán)境類(lèi)型，所有站點(diǎn)全部經(jīng)過(guò)GPS定位［10-11］;細(xì)顆粒物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為35個(gè)站點(diǎn) 2013年1—12月的逐日平均濃度資料。

1.2 監(jiān)測(cè)方法

35個(gè)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站PM2.5質(zhì)量濃度的監(jiān)測(cè)均采用微量振蕩天平(TEOM)方法的Thermo 1405F系列儀器，操作流程嚴(yán)格按照文獻(xiàn)［12］中有關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行，每天24 h連續(xù)采樣，設(shè)備定期檢查并及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)，在1 a的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)有效數(shù)據(jù)捕獲率超過(guò)95%，數(shù)據(jù)樣本量充足。

圖1 觀測(cè)站點(diǎn)分布和分類(lèi)

2 重污染日PM2.5逐月分布

《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(HJ 633—2012)分級(jí)方法中規(guī)定，200＜AQI≤300 即150 μg/m3＜ PM2.5日均值≤250 μg/m3為重度污染，300 ＜AQI≤500 即 250 μg/m3＜PM2.5日均值≤600 μg/m3為嚴(yán)重污染。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合2013年北京市逐日AQI變化情況，計(jì)算了北京市重污染日天數(shù)的逐月分布，見(jiàn)圖2。

圖2 2013年北京PM2.5濃度和重污染天數(shù)逐月分布

由圖2可見(jiàn)，2013年重度污染日累計(jì)58 d，占到全年天數(shù)的15.9%。重污染日細(xì)顆粒物24小時(shí)平均濃度為218 μg/m3。1月份重污染日最多，其次是2、3月份，8月份沒(méi)有重污染日。整體來(lái)說(shuō)，重污染日冬季最多，其次是春、秋季，夏季最少;夏季比冬季次數(shù)明顯較少是因?yàn)橄募敬髿獯怪边\(yùn)動(dòng)活躍，氣旋活動(dòng)頻繁，降水較多，污染物擴(kuò)散條件較好;而冬季大氣垂直擴(kuò)散條件較差加之采暖季燃燒更多燃料，重污染日較多［13-15］。

1—2、12月重污染日PM2.5平均濃度與該月月均濃度相比差別最大，比年均值高出110 μg/m3以上，7月重污染日PM2.5平均濃度高出該月月均濃度幅度最小，為 93.7 μg/m3。

3 重污染日PM2.5空間分布

由圖3可見(jiàn)，空間分布上，PM2.5年均濃度呈現(xiàn)明顯的南北梯度分布特征，西北和東北地區(qū)污染程度最輕，東南地區(qū)污染程度最重，城六區(qū)濃度水平總體好于西南地區(qū)，年均濃度水平空間分布按升序排列:西北＜東北＜城六區(qū)＜西南＜東南;重污染期間各地區(qū)平均濃度分布情況與年均濃度一致，平均濃度水平空間分布按升序排列:西北＜東北＜城六區(qū)＜西南＜東南?？諝赓|(zhì)量較好的北部地區(qū)，重污染期間細(xì)顆粒物平均濃度與該地區(qū)全年平均濃度差異較小，為100 μg/m3左右，空氣質(zhì)量較差的南部地區(qū)差異較大，特別是東南部地區(qū)，達(dá)到 140 μg/m3。

圖3 不同方位PM2.5濃度變化

全市35個(gè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，全市PM2.5年均濃度的空間分布差異顯著。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5年均濃度范圍為59～123 μg/m3，最低濃度出現(xiàn)在區(qū)域背景傳輸點(diǎn)密云水庫(kù)，最高濃度出現(xiàn)在區(qū)域背景傳輸點(diǎn)房山琉璃河;而重污染期間各監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5平均濃度范圍為138 ～257 μg/m3，最低濃度出現(xiàn)在區(qū)域背景傳輸點(diǎn)京西北八達(dá)嶺，最高濃度出現(xiàn)在區(qū)域背景傳輸點(diǎn)房山琉璃河。

如圖4所示，不同環(huán)境功能站點(diǎn)PM2.5年均濃度水平分布按升序排列:城市清潔對(duì)照點(diǎn)＜城市環(huán)境評(píng)價(jià)點(diǎn)＜區(qū)域背景傳輸點(diǎn)＜交通污染控制點(diǎn);而重污染期間平均濃度水平分布按升序排列:城市清潔對(duì)照點(diǎn)＜區(qū)域背景傳輸點(diǎn)＜城市環(huán)境評(píng)價(jià)點(diǎn)＜交通污染控制點(diǎn);不同環(huán)境功能站點(diǎn)年均濃度水平分布與季節(jié)特征有關(guān)，冬季燃煤量較大，逆溫頻繁，混合層高度較低，區(qū)域空氣污染狀況較重，大氣污染跨界傳輸作用明顯［16-21］，而重污染期間污染物經(jīng)過(guò)一定的污染傳輸及積累，空間分布比較均勻，一定程度上導(dǎo)致城市環(huán)境評(píng)價(jià)點(diǎn)濃度整體略高于背景傳輸點(diǎn)。由于交通環(huán)境監(jiān)控點(diǎn)靠近道路兩側(cè)，污染物排放量相對(duì)較大，而6個(gè)區(qū)域背景傳輸點(diǎn)分布在北京周邊，南北站點(diǎn)濃度差異較大，造成區(qū)域背景傳輸點(diǎn)的平均濃度低于交通污染監(jiān)控點(diǎn)。此外6站點(diǎn)平均濃度不能充分體現(xiàn)出背景傳輸點(diǎn)濃度分布的特點(diǎn)，需要進(jìn)一步對(duì)每個(gè)站點(diǎn)詳細(xì)分析，這里不過(guò)多論述。

圖4 不同功能站點(diǎn)PM2.5濃度變化

采用克里格(Kriging)插值法對(duì)北京市PM2.5年均濃度和重污染日平均濃度進(jìn)行空間插值，克里格插值法建立在半變異函數(shù)理論分析基礎(chǔ)上，是對(duì)有限區(qū)域內(nèi)變量取值進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)并應(yīng)用廣泛的一種方法，插值準(zhǔn)確性取決于點(diǎn)的分布及個(gè)數(shù)［22］。北京市全市國(guó)土面積約16 000 km2，用克里格插值將其最優(yōu)化分為4 537個(gè)網(wǎng)格(約1.9 km一個(gè)網(wǎng)格)，統(tǒng)計(jì)不同濃度段所占的網(wǎng)格數(shù)即可計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的國(guó)土面積。圖5為插值后該市PM2.5的空間分布，年均PM2.5空間分布與監(jiān)測(cè)結(jié)果大體一致;北部的密云、懷柔、昌平定陵以南地區(qū)，濃度均在70 μg/m3左右，中心城區(qū)濃度水平在90 μg/m3左右，而南部的豐臺(tái)、房山、大興、亦莊、通州等區(qū)縣濃度升高到100 μg/m3以上;這些空間分布特征與模擬及衛(wèi)星反演研究成果基本一致［23-24］，PM2.5在太行山以東呈現(xiàn)區(qū)域性特征，存在大范圍 PM2.5高值區(qū)(PM2.5＞100 μg/m3)，特別是河北中南部、北京南部地區(qū)。重污染日北京市PM2.5相對(duì)均勻，西北的延慶、懷柔、昌平定陵以南地區(qū)，濃度均在120 μg/m3左右，中心城區(qū)濃度水平在180 μg/m3左右，而南部的豐臺(tái)、房山、大興、亦莊、通州等區(qū)縣濃度升高到190 μg/m3以上，南部及城六區(qū)存在明顯的高污染區(qū)。

圖5 PM2.5的年均值及重污染日分布

在PM2.5濃度插值的基礎(chǔ)上，初步統(tǒng)計(jì)了不同濃度段北京市國(guó)土面積分布，見(jiàn)表1。可以看出，重污染日PM2.5平均濃度為75～115 μg/m3所對(duì)應(yīng)的國(guó)土面積比全年P(guān)M2.5平均濃度在75～115 μg/m3時(shí)的國(guó)土面積減少8 055 km2，PM2.5平均濃度為115～150 μg/m3的國(guó)土面積比全年增加2 611 km2，PM2.5平均濃度在 150 ～250 μg/m3時(shí)所對(duì)應(yīng)的國(guó)土面積為12 656 km2，PM2.5平均濃度在250 μg/m3以上所對(duì)應(yīng)的國(guó)土面積為883 km2(全年P(guān)M2.5平均濃度在150 μg/m3以上對(duì)應(yīng)的國(guó)土面積為零)。由于35個(gè)點(diǎn)位較集中分布在城六區(qū)，郊區(qū)點(diǎn)位數(shù)較少，且空氣質(zhì)量級(jí)別對(duì)應(yīng)的PM2.5濃度段差別較大，插值后統(tǒng)計(jì)的面積結(jié)果肯定存在一定的不確定性，需要進(jìn)一步分析研究［25-26］。

表1 北京市2013年不同濃度區(qū)間的國(guó)土面積初步統(tǒng)計(jì) km2

4 結(jié)論

1)2013 年全市PM2.5年均濃度為89.5 μg/m3，重污染日PM2.5平均濃度為218 μg/m3，重污染日主要集中在冬季;

2)PM2.5年均濃度呈現(xiàn)明顯的南北梯度分布特征，重污染日空間分布較均勻，南部及城六區(qū)存在明顯的高污染區(qū)，平均濃度在180 μg/m3以上;

3)重污染日 PM2.5平均濃度在150～250 μg/m3的國(guó)土面積約為 12 656 km2，PM2.5平均濃度在250 μg/m3以上所對(duì)應(yīng)的國(guó)土面積約為883 km2，而全年 PM2.5平均濃度在 150 μg/m3以上對(duì)應(yīng)的國(guó)土面積為零。

［1］任陣海，萬(wàn)本太，蘇福慶，等．當(dāng)前我國(guó)大氣環(huán)境質(zhì)量的幾個(gè)特征［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2004，17(1):1-6．

［2］徐祥德．城市化環(huán)境大氣污染模型動(dòng)力學(xué)問(wèn)題［J］．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2002，13(1):1-12．

［3］魏復(fù)盛，滕恩江，吳國(guó)平，等．我國(guó)4個(gè)大城市空氣PM2.5、PM10污染及其化學(xué)組成［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2001，17(7):1-6．

［4］李令軍，王英，李金香，等．2000—2010北京大氣重污染研究［J］．中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2012，32(1):23-30．

［5］環(huán)保部．GB 3095—2012 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2012．

［6］賀克斌，楊復(fù)沫，段鳳魁，等．大氣顆粒物與區(qū)域復(fù)合污染［M］．北京:科學(xué)出版社，2011:165-185．

［7］朱先磊，張遠(yuǎn)航，曾立民，等．北京市大氣細(xì)顆粒物PM2.5的來(lái)源研究［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2005，18(5):1-5．

［8］張菊，苗鴻，歐陽(yáng)志云，等．近20年北京市城近郊區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量變化及其影響因素分析［J］．環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(11):1 886-1 892．

［9］北京市環(huán)保局．北京市空氣重污染應(yīng)急預(yù)案(試行)［M］．北京:北京市環(huán)境科學(xué)出版社，2013．

［10］謝淑艷，王曉彥，吳迓名，等．環(huán)境空氣中PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法比較及應(yīng)用［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2013，29(2):150-155．

［11］潘本鋒，鄭皓皓，李莉娜，等．空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)中PM2.5與PM10“倒掛”現(xiàn)象特征及原因［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2014，30(5):90-97．

［12］環(huán)保部．HJ/T 193—2005 環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2005．

［13］孟燕軍，程叢蘭．影響北京大氣污染物變化的地面天氣形勢(shì)分析［J］．氣象，2002，28(4):42-47．

［14］張玉玲．中尺度大氣動(dòng)力學(xué)引論［M］．北京:氣象出版社，1999．

［15］朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等．天氣學(xué)原理與方法［M］．北京:氣象出版社，2000:266-304．

［16］陳朝暉，程水源，蘇福慶，等．北京地區(qū)一次重污染過(guò)程的大尺度天氣型分析［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2007，20(2):99-105．

［17］曲曉黎，付桂琴，賈俊妹，等．2005—2009年石家莊市空氣質(zhì)量分布特征及其與氣象條件的關(guān)系［J］．氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，27(3):29-33．

［18］李金香，邱啟鴻，辛連忠，等．北京秋冬季空氣嚴(yán)重污染的特征及成因分析［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2007，23(2):89-93．

［19］王躍，王莉莉，趙廣娜，等．北京冬季 PM2.5重污染時(shí)段不同尺度環(huán)流形勢(shì)及邊界層結(jié)構(gòu)分析［J］．氣候與環(huán)境研究，2014，19(2):173-184．

［20］朱倩茹，劉永紅，徐偉嘉，等．廣州PM2.5污染特征及影響因素分析［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2013，29(2):15-21．

［21］劉永紅，馮婷，蔡銘．2009年廣州能見(jiàn)度變化規(guī)律及主要影響因素分析［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2012，28(3):32-36．

［22］Davis，John C．Statistics and data analysis in geology(3rd edition)［M］．New York:John Wiley＆Sons，Inc，2002:57-61．

［23］Gupta P，Christopher S A，Wang J，et al．Satellite remote sensing of particulate matter and air quality assessment over globalcities ［J］． Atmospheric Environment．2006，40:5 880-5 892．

［24］Lee C，Martin R V，Van D，et al．Retrieval of vertical columns of sulfur dioxidefrom SCIAMACHY and OMI:air mass factor algorithm development，validation，and error analysis［J］．Journal of Geophysical Research-Atmospheres，2009，114:1 101-1 112．

［25］Liu X H，Zhang Y，Cheng S H，et al．Understanding of regional air pollution over China using CMAQ，part I performance evaluation and seasonal variation［J］．Atmospheric Environment，2010，44(20):2 415-2 426．

［26］中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院．中日韓LTP項(xiàng)目2010年度中國(guó)監(jiān)測(cè)報(bào)告——模式部分［R］．北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，2011:1-212．