2014—2017年京津冀區(qū)域大氣顆粒物污染演變特征分析

郭 敏 ，尹立峰，王 興 ，李懷明，李敏姣，蘇 新

(1.天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 天津300191；2.河北工業(yè)大學(xué) 天津300130；3.天津市聯(lián)合環(huán)保工程設(shè)計(jì)有限公司 天津300191)

0 引 言

2013年9 月國務(wù)院出臺《大氣污染防治行動計(jì)劃》，提出了“到2017年，力爭達(dá)到重點(diǎn)區(qū)域空氣質(zhì)量明顯改善、重污染天氣發(fā)生頻次明顯減少、京津冀區(qū)域細(xì)顆粒物(PM2.5)下降25%”的目標(biāo)，經(jīng)過近5年的努力，到2017年該目標(biāo)已經(jīng)得以實(shí)現(xiàn)。鑒于《大氣污染防治行動計(jì)劃》實(shí)施以來京津冀區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量整體演變及其污染特征仍是未來空氣質(zhì)量持續(xù)改善政策制定的重要依據(jù)[1-3]，本文以2014—2017年京津冀區(qū)域顆粒物污染演變特征為例，基于反距離權(quán)重插值模擬，結(jié)合細(xì)顆粒物(PM10)與可吸入顆粒物(PM2.5)濃度的比值關(guān)系，從時(shí)間、空間角度剖析京津冀區(qū)域大氣顆粒物污染演變特征，為未來京津冀區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善的協(xié)同管理和精細(xì)化控制提供參考。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文分析使用的2014—2017年P(guān)M10和PM2.5濃度數(shù)據(jù)為中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺每日空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，以及京津冀大氣污染傳輸通道北京、天津和河北省石家莊、唐山、廊坊、保定、滄州、衡水、邢臺、邯鄲，以及河北省北部秦皇島、承德、張家口13個(gè)重點(diǎn)城市89個(gè)國控及部分市控空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)PM10和PM2.5日均濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2 處理方法

由于時(shí)間跨度較大，對獲取數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，個(gè)別數(shù)據(jù)存在1～2d缺失現(xiàn)場。為保證污染特征模擬演變的連續(xù)性，本文采用拉格朗日插值對空缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，對顆粒物污染特征的演變采用反距離權(quán)重插值法進(jìn)行模擬分析。該方法通過一個(gè)權(quán)重函數(shù)方程來計(jì)算已知點(diǎn)的權(quán)重進(jìn)而預(yù)測未知點(diǎn)，這個(gè)計(jì)算過程包含了未知點(diǎn)周圍很多的測量點(diǎn)，是一個(gè)考慮了多個(gè)測量點(diǎn)的、更加復(fù)雜先進(jìn)的鄰近插值法[4]。其權(quán)重方程如下：

式中：iλ是每個(gè)點(diǎn)的權(quán)重，隨距離增加而減少；dio是預(yù)測點(diǎn)與已知點(diǎn)兩端間的距離；p是減少距離的因素?cái)?shù)量；N是周圍點(diǎn)的數(shù)量。

反距離權(quán)重法的公式是：

式中：S0是位置的被預(yù)測值；Si是位置的觀測點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣顆粒物污染演變特征

2014—2017 年，京津冀區(qū)域各年P(guān)M2.5和PM10月均濃度變化均呈“U”型分布，全年采暖期濃度約為非采暖期1.5倍，各月份月均濃度分別超過其年均二級標(biāo)準(zhǔn)值35μg/m3和70μg/m3，5～9月份濃度是全年較低時(shí)期。除2015年12月受區(qū)域長期不利氣象條件影響，月均值攀升外，2014—2017年其余各月PM2.5和PM10月均濃度同比均呈下降趨勢(圖1)。

圖1 京津冀區(qū)域2014年和2017年采暖季PM2.5、PM10污染特征演變圖Fig.1 Evolution of pollution characteristics of PM2.5 and PM10 in heating season in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2014 and 2017

京津冀區(qū)域各主要城市PM2.5和PM10年均濃度空間分布除北部城市秦皇島、承德、張家口外，其他各城市沒有顯著差異，2014—2017年京津冀各城市除北部張家口外PM2.5和PM10年均濃度均超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)，總體上2014—2017年各城市PM2.5和PM10濃度呈下降趨勢。2014年河北南部城市邯鄲、邢臺、石家莊、保定PM2.5和PM10年均濃度較高，但這些城市改善也較為明顯，2017年P(guān)M2.5年均濃度均達(dá)到90mg/m3以下，PM10年均濃度均達(dá)到160mg/m3以下，年均濃度同比分別下降30.8%和29.5%，其中改善最明顯的是河北省保定市，PM2.5和PM10年均濃度同比分別下降46.3%和37.3%。結(jié)合上述監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，本文采用反距離權(quán)重插值法分別對2014年和2017年P(guān)M2.5、PM10在采暖季和非采暖季污染演變特征進(jìn)行模擬，如圖1、2所示。

2.2 顆粒物污染特征分析

通過上述的直觀模擬分析，大氣污染防治行動計(jì)劃的實(shí)施使京津冀區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量得到了有效改善，2014—2017年P(guān)M2.5和PM10濃度顯著下降，然而顆粒物仍是京津冀區(qū)域首要污染物。通過對PM2.5/PM10(PM2.5質(zhì)量濃度占PM10質(zhì)量濃度的比例)的變化特征研究來了解顆粒物的產(chǎn)生原因具有重要意義。一般來講PM2.5/PM10越大，說明空氣中細(xì)顆粒物的質(zhì)量濃度越高，細(xì)顆粒物污染越嚴(yán)重[5-7]。

2.2.1 PM2.5/PM10比值年際變化特征分析

對2014—2017年監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖3所示。2014年、2015年P(guān)M2.5在PM10中的平均占比均為0.64，2016年為0.67，2017年為0.63，變化趨勢不明顯，說明雖然京津冀區(qū)域顆粒物濃度得到顯著下降，但以細(xì)顆粒物為主的污染特征變化不大。

2.2.2 PM2.5/PM10比值月際變化特征分析

對2014—2017年P(guān)M2.5/PM10監(jiān)測數(shù)據(jù)比值月際變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖4所示。各年比值季節(jié)性波動較為明顯，從PM2.5在PM10中的平均占比來看采暖季偏高，4～6月和9～10月較低，7～8月偏高，總體趨勢為春、秋季比值較低，夏、冬季比值較高。

圖2 京津冀區(qū)域2014年和2017年非采暖季PM2.5、PM10污染特征演變圖Fig.2 Evolution of pollution characteristics of PM2.5 and PM10 in non-heating season in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2014 and 2017

圖3 京津冀區(qū)域2014—2017年P(guān)M2.5/PM10比值年際變化情況Fig.3 Interannual variation of PM2.5/PM10 ratio in Beijing-Tianjin-Hebei，region from 2014 to 2017

圖4 京津冀區(qū)域2014—2017年P(guān)M2.5/PM10比值月際變化情況Fig.4 Monthly variation of PM2.5/PM10 ratio in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2014 to 2017

2.2.3 PM2.5/PM10比值空間變化特征分析

如圖5所示，京津冀區(qū)域各主要城市2014—2017年P(guān)M2.5/PM10比值變化整體呈先下降后上升趨勢，但變化幅度仍不夠顯著。各區(qū)之間PM2.5/PM10占比維持在0.45～0.8之間，沒有顯著改變，這表明顆粒物及細(xì)顆粒物污染仍然比較嚴(yán)重。

圖5 京津冀區(qū)域各主要城市2014—2017年P(guān)M2.5/PM10比值空間變化情況Fig.5 Spatial variation of PM2.5/PM10 ratio in major cities in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2014 to 2017

3 結(jié) 論

京津冀區(qū)域PM2.5、PM10濃度5年來下降趨勢明顯，說明大氣污染防治行動計(jì)劃實(shí)施以來，各項(xiàng)措施的實(shí)施有效改善了PM2.5、PM10污染狀況，但目前仍處于超標(biāo)水平，顆粒物污染仍比較嚴(yán)重。根據(jù)PM2.5/PM10比值可以看出，顆粒物污染，特別是二次污染問題仍是影響京津冀區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量的主要問題，一旦遇到不利氣象條件，顆粒物濃度容易快速累積上升。如2015年12月，受到長期靜穩(wěn)天氣的不利氣象條件影響，PM2.5、PM10濃度顯著高于往年同期，各次重污染天氣過程發(fā)生時(shí)，首要污染物以PM2.5與PM10為主，特別是PM2.5。