天津市大氣環(huán)境中PM2.5與PM10時空分布特征研究

張?zhí)煜龋?陳長彬，姚洪發(fā)

(桂林航天工業(yè)學院 管理學院，廣西 桂林 541004)

城市空氣污染以PM10和PM2.5為代表。大氣顆粒污染物導致人體健康受損[1]。特別是可吸入顆粒物經地球化學循環(huán)通過干濕沉淀，易在區(qū)域土壤、水體、動植物中富集。

PM2.5/PM10是細顆粒物可以吸收進入顆粒物的比例，定量表示城市的污染程度[2]。近年來，學者進行了很多關于PM2.5/PM10的研究，研究顯示PM2.5在PM10中所占比例越大，污染越嚴重。

目前，環(huán)境時空分布特征多為PM2.5和PM10研究[3-4]，關于PM2.5/PM10的區(qū)域時空分布特征研究較少。Xu Gang等對武漢PM2.5/PM10比值進行研究，發(fā)現從城市核心區(qū)到城市邊緣區(qū)和郊區(qū)，PM2.5/PM10有明顯的空間梯度[5]。李敏等研究發(fā)現上海PM2.5/PM10的時空分布特征在不同區(qū)域存在差異性[6]。

對天津市環(huán)境質量進行PM2.5/PM10時空分布研究較少，大多集中在對PM2.5和PM10進行研究[7]。除此之外，聚類分析目前在大氣污染的應用并不多，多數是對后向軌跡進行聚類分析，來研究大氣污染的遠程傳輸作用。

本文分析天津市PM2.5/PM10空間分布特征及PM2.5、PM10及PM2.5/PM10時間分布特征，并根據監(jiān)測站PM2.5/PM10將天津市15個監(jiān)測站進行分類。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

天津市2019年全年的數據[8]。 其中3月-5月為春季，6月-8月為夏季，9月-11月為秋季，2019年1月、2月、12月為冬季。

1.2 研究方法

先利用Origin和Excel軟件繪制PM2.5、PM10濃度及PM2.5/PM10時間分布，再計算出天津市15個國控監(jiān)測點四季的PM2.5/PM10空間分布值，得其空間分布特征。最后用統計軟件SPSS對PM2.5/PM10進行聚類分析，分別可得15個站點的分類。

2 結果與分析

2.1 PM2.5/PM10時間分布特征規(guī)律

(1)全年變化特征

2019年PM2.5、PM10濃度季節(jié)均值如表1所示。從表1可知，2019年PM2.5、PM10的質量濃度冬季最高，夏季最小。其原因與氣象因素、冬季城市采暖過程及人類活動的季節(jié)性變化等因素有很大的關系。天津市地處華北平原北部，冬季降水少，空氣干燥，溫度較低，逆溫天起出現頻率較大。而夏季降雨多，空氣潮濕且流通性好，有利于污染物的散開。PM2.5/PM10的四季變化范圍是0.54-0.76，PM2.5/PM10冬季最高，春季最低。PM2.5是PM10的主要組成成分，顆粒物污染最嚴重的是PM2.5污染。天津市2019年的PM2.5、PM10質量濃度年均值分別為52 μg·m-3、81 μg·m-3。

表1 2019年PM2.5、PM10濃度季節(jié)均值其比值

(2)月變化特征

2019年PM2.5和PM10質量濃度月均值如圖1所示。從圖1可知，PM2.5和PM10質量濃度月均值變化以8月為中心呈V型分布。PM2.5和PM10質量濃度在1月均值最高，天津市冬季采暖，燃煤廢氣大量排放且沒有在短暫時間內得到有效的處理；在8月達到最小值，天津市夏季降水多，天津市夏季盛行偏南風，而且天津市夏季雨水充沛，所以PM2.5和PM10質量濃度顯著下降。PM2.5/PM10年均值為0.64，PM2.5/PM10月變化范圍為0.46-0.8。PM2.5/PM10值5月最小，是由于春季北方空氣中易出現風沙和塵土，粗離子顆粒物對于天津市污染物PM10的增多，PM2.5/PM10值12月最大，是因為冬季采暖集中、干燥少雨、且少風，顆粒物污染最嚴重的是PM2.5。

圖1 2019年PM2.5、PM10濃度月均值及其比值

(3)日變化特征

2019年PM2.5、PM10濃度日均值及其比值如圖2所示。從圖2可知，PM2.5質量濃度的日變化范圍為10.20-245.93 μg·m-3，1月12日PM2.5濃度值達到最大。1月12日正處于元旦至春節(jié)期間，交通物流流量增多，汽車尾氣可以引起PM2.5質量濃度驟增；同時，城鎮(zhèn)供暖工作也可以使空氣中顆粒污染物明顯增多。冬季地面風速很小，各種原因導致PM2.5值增加。PM10值范圍為10.2-410.00 μg·m-3，4月5日PM10值達到最大，此時正值清明假期，天津市交通物流流量增多，人員往來密集等因素造成PM10質量濃度高。PM2.5/PM10變化范圍為0.09-0.98，28d的PM2.5/PM10大于1，PM2.5/PM10異常的原因有監(jiān)測方法和氣象條件兩方面的原因。

(4)小時變化規(guī)律分析

不同季節(jié)時PM2.5、PM10小時變化規(guī)律分析如圖3所示。

由圖3可知,春季PM2.5每日變化在早上7∶00-9∶00出現高峰，曲線波動不大且為單峰型。由于7∶00-9∶00是城市出行上班時間，車輛交通工具排放尾氣多，導致濃度達到峰值，早上10∶00后，氣溫上升，PM2.5質量濃度呈降低趨勢。PM10則呈現雙峰雙谷型。雙峰分別出現在7∶00-10∶00和19∶00-20∶00，雙谷分別出現在3∶00-5∶00和14∶00-16∶00，且凌晨的低谷值要高于傍晚時段。PM2.5/PM10變化范圍是0.44-0.62，呈現雙峰雙谷型，峰值出現在凌晨04∶00-05∶00和14∶00-15∶00，雙谷分別出現在凌晨8∶00-9∶00和19∶00-20∶00。

夏季PM2.5和PM10日變化為單峰型，且最大值出現在8∶00-10∶00，波谷值出現在16∶00-18∶00。8∶00-10∶00峰值主要是上班時間早高峰車輛尾氣排放量大，導致PM2.5和PM10濃度高，16∶00-18∶00谷值是因為光照了一天，地面累計的熱量大于高空熱量，近地面空氣攜帶污染物容易向高空擴散。PM2.5/PM10變化范圍為0.47-0.77，PM2.5/PM10最高峰值出現在5∶00-6∶00，PM2.5/PM10最低值出現在19∶00-20∶00。

秋季PM2.5曲線波動不大。PM10呈現雙峰雙谷型，雙峰分別出現在9∶00-10∶00和20∶00-21∶00，雙谷分別出現在5∶00-6∶00和16∶00-17∶00。PM2.5/PM10變化范圍為0.48-0.64，曲線呈現雙峰雙谷型，雙峰分別出現在5∶00-6∶00和15∶00-16∶00，雙谷分別出現在8∶00-10∶00和19∶00-20∶00。

冬季PM2.5變化很平緩，PM2.5濃度在12∶00之前高于12∶00之后的濃度。PM10在15∶00-16∶00出現波谷，其余時間變化范圍均不大，PM2.5/PM10變化范圍為0.76-0.93，PM2.5/PM10在15∶00-17∶00出現峰值，PM2.5在PM10中所占比例較高，約80%-90%。

2.2 PM2.5/PM10空間變化分析

從四季來看，春季PM2.5/PM10范圍在0.49-0.61，夏季PM2.5/PM10范圍在0.60-0.75，秋季PM2.5/PM10范圍在0.53-0.69，冬季PM2.5/PM10范圍在0.71-0.93。冬季PM2.5/PM10值相對高，其原因可能是冬季的污染物排放與靜穩(wěn)天氣的相互作用有關。

由于各監(jiān)測點位置所處區(qū)域人口密度、污染源分布及交通流量等有所差異，所代表的局部區(qū)域大氣污染物濃度也會有所不同，市區(qū)和濱海新區(qū)人口密度較大的地方PM2.5/PM10值比較大。工業(yè)區(qū)排放的廢氣導致位于其PM2.5值高于居民區(qū)，市區(qū)交通區(qū)中心車流量大，汽車尾氣排放量較多，導致空氣質量較差。同時，郊區(qū)的人口密度少以及空氣濕度較大起到清潔空氣的作用導致位于郊區(qū)的居民區(qū)PM2.5質量濃度相對低于市中心的居民區(qū)。

2.3 聚類分析

聚類分析基本思想是根據相應的定義對位置類別相似的變量進行分類。在本文中，聚類方法選擇組間聯接，并且使用最常用的平方歐氏距離來計算類之間的距離。計算公式為d2(x，y)=(x1-y1)2+(x2-y2)2+···+(xp-yp)2，其中距離度量也需達到相關的要求。用SPSS軟件對天津市15個監(jiān)測點PM2.5/PM10進行聚類分析，聚類結果用直觀的樹形圖表示[8]。

PM2.5/PM10聚類分析如圖4所示。從圖4可知，PM2.5/PM10聚類分析可將監(jiān)測站分為3類，第1類為團泊洼和大理道；第2類為河西一經路、永明路、中山北路、津沽路和淮河道；第3類為勤儉道、前進道、第四大街、西四道、大直沽八號路、賓水西道、躍進路和漢北路。PM2.5/PM10聚類分析與地理位置無關，與監(jiān)測站所在環(huán)境的污染排放情況相關及其他因素相關。

3 結 語

(1)PM2.5/PM10的大小順序呈冬季>夏季>秋季>春季的特征。PM2.5/PM10均大于0.5，說明PM2.5是PM10的主要組成成分。

(2)PM2.5/PM10年均值為0.64，PM2.5/PM10月變化范圍為0.46-0.8，PM2.5/PM10值5月最小，12月最大。

(3)PM2.5質量濃度的日變化范圍為10.20-245.93 μg·m-3。PM10質量濃度變化范圍為10.2-410.00μg·m-3。除了異常天數，PM2.5/PM10范圍在0.09-0.98之間。

(4)春季PM2.5日變化在早上7∶00-9∶00出現高峰，PM10則呈現雙峰雙谷型。雙峰分別出現在7∶00-10∶00和19∶00-20∶00，雙谷分別出現在3∶00-5∶00和14∶00-16∶00。PM2.5/PM10變化范圍為0.44-0.62，呈現雙峰雙谷型。夏季PM2.5和PM10日變化峰值出現在8∶00-10∶00，波谷值出現在16∶00-18∶00。PM2.5/PM10變化范圍為0.47-0.77，PM2.5/PM10最高峰值出現在5∶00-6∶00，PM2.5/PM10最低值出現在19∶00-20∶00。秋季PM2.5日變化不明顯，PM10呈現兩峰兩谷型，PM2.5/PM10變化范圍為0.48-0.64，曲線呈現雙峰雙谷型。冬季PM2.5變化很平緩，PM10在15∶00-16∶00出現波谷，其余時間變化范圍均不大，PM2.5/PM10變化范圍為0.76-0.93，PM2.5/PM10在15∶00-17∶00出現峰值，PM2.5在PM10中所占比例較高，約80%-90%。

(5)在空間變化特征上，PM2.5/PM10分布特征大小順序為：冬季、夏季、秋季、春季。人口密度較大的市區(qū)及工業(yè)區(qū)PM2.5/PM10值比較大。位于郊區(qū)人口密度少的居民區(qū)PM2.5質量濃度相對低于市中心人口密度多的居民區(qū)，PM2.5/PM10值比較小。

(6)根據PM2.5/PM10分析結果將監(jiān)測站分為3類，PM2.5/PM10聚類分析與地理位置無特定聯系，而與監(jiān)測站所在環(huán)境的污染排放情況相關或其他因素相關。具體原因有待進一步研究。