李 展，楊會改，蔣 燕，尹元暢，王洪前，王 波，王 斌

四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065

地質(zhì)學(xué)、環(huán)境學(xué)、氣象學(xué)、土壤學(xué)以及生態(tài)學(xué)等學(xué)科中的多數(shù)變量如品位［1］、SO2濃度、氣溫、土壤有機(jī)質(zhì)含量［2］等均會因空間所在位置不同而呈現(xiàn)出不同特征，即區(qū)域化變量特征［3］。地統(tǒng)計學(xué)［4］基于區(qū)域化變量特征，借助半變異函數(shù)來研究分布于空間并呈現(xiàn)一定隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性的自然現(xiàn)象的科學(xué)。包括空間結(jié)構(gòu)分析、克里格插值分析、空間自相關(guān)分析以及空間模擬等技術(shù)，用于分析具有空間坐標(biāo)變量的空間特征并可進(jìn)行過程模擬以及空間插值［5］。地統(tǒng)計學(xué)方法已廣泛應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、氣象學(xué)和地理學(xué)等研究領(lǐng)域［6-9］。

目前，空氣質(zhì)量監(jiān)測研究以少量監(jiān)測站點常規(guī)監(jiān)測指標(biāo) SO2、NO2和 PM10的統(tǒng)計分析為主［10］，以多點位、區(qū)域性空氣質(zhì)量監(jiān)測布點研究相對較少，而以顆粒物(PM2.5)為代表的監(jiān)測布點研究和以實際監(jiān)測數(shù)據(jù)所進(jìn)行的區(qū)域空氣質(zhì)量空間分布研究鮮見報道。該文基于 Arcgis 9.0、Surfer10.0軟件和地統(tǒng)計學(xué)方法對北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心實時公布的2012年11—12月空氣自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的大氣污染物SO2、NO2、PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了空間分析，為開展我國城市空氣質(zhì)量PM2.5監(jiān)測布點研究和區(qū)域大氣污染物空間分布提供理論指導(dǎo)和研究參考。

1 研究背景及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究背景

目前北京市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由35個監(jiān)測點位組成，包括23個城市環(huán)境評價點、1個城市清潔對照點、6個區(qū)域背景傳輸點、5個交通污染監(jiān)測點。

2012年頒布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)新增了顆粒物(PM2.5)和臭氧(O3)8 h濃度限值的監(jiān)測指標(biāo)。其中，PM2.5將在全國重點環(huán)保城市空氣質(zhì)量監(jiān)測中率先全面開展，使監(jiān)測結(jié)果與公眾切身感受一致，逐步與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌。環(huán)境保護(hù)部最新發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位布設(shè)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 664—2013)對監(jiān)測點位的布設(shè)主要是根據(jù)監(jiān)測目的來選擇監(jiān)測點位，提出的多是定性和半定量的參數(shù)要求。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心(http://zx．bjmemc．com．cn/)實時公布的 2012年11—12月大氣污染物 NO2、SO2、PM2.5和 PM10小時質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。10月上旬，北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心發(fā)布35個PM2.5自動監(jiān)測站點試運(yùn)行的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時2012—2013年采暖季正式供暖時間為11月3日，因此該研究選取北京市空氣自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)發(fā)布PM2.5和正式采暖后一個月的大氣污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法，對大氣污染物SO2、NO2、PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計和正態(tài)分布檢驗，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 SO2、NO2、PM10和 PM2.5質(zhì)量濃度描述性統(tǒng)計表

由表1可知，北京市2012年11—12月SO2、NO2、PM10和PM2.5污染物質(zhì)量濃度平均值分別為0.032、0.051、0.097、0.070 mg/m3。全市 SO2日均質(zhì)量濃度為0.015～0.044 mg/m3;NO2的日均質(zhì)量濃度為0.021～0.072 mg/m3;PM10的日均質(zhì)量濃度為0.054～0.129 mg/m3;PM2.5日均質(zhì)量濃度為0.038～0.112 mg/m3。

變異系數(shù)是表示各樣本間變異程度的重要尺度。北京市大氣污染物 SO2、NO2、PM10和 PM2.5濃度的變異系數(shù)分別為20.7%、27.7%、25.6%和25.4%，均屬于中等強(qiáng)度的變異性。

SO2、NO2、PM10和 PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)的偏度均為－1～1，峰度值接近于3。因此，驗證結(jié)果表明均符合正態(tài)分布，滿足克里格插值的前提條件。

2.2 污染物濃度數(shù)據(jù)空間變異性分析

采用Arcgis 9.0軟件中的Geostatistical Analyst分析模塊，分別對 SO2、NO2、PM10和 PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行空間變異分析。通過比較SO2、NO2、PM10和PM2.5濃度數(shù)據(jù)計算出模型的特征參數(shù)，確定最優(yōu)半變異函數(shù)擬合模型和最優(yōu)理論模型［8］下的變異參數(shù)。通過對地統(tǒng)計學(xué)分析模塊中的指標(biāo)預(yù)測誤差中的標(biāo)準(zhǔn)平均值、均方根測誤差、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差、標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差指標(biāo)進(jìn)行擬合，指標(biāo)的擬合精度結(jié)果表明，SO2、NO2、PM10和PM2.5的最優(yōu)模型分別為球狀模型、球狀模型、球狀模型和高斯模型。最優(yōu)模型的擬合精度結(jié)果以及相應(yīng)模型下計算出的空間變異參數(shù)見表2。

表2 SO2、NO2、PM10和PM2.5濃度數(shù)據(jù)半變異函數(shù)擬合模型及變異參數(shù)

2.3 污染物空間分布圖分析

地統(tǒng)計學(xué)分析模塊提供了一系列利用已知樣點進(jìn)行內(nèi)插生成研究對象表面預(yù)測圖，克里格插值是通從預(yù)測點周圍的觀測值中生成權(quán)系數(shù)來產(chǎn)生一系列的估計值，通過這些估計值可繪制出所測變量的空間分布圖。為了更直觀地反映北京區(qū)域4種污染物濃度的空間分布狀況，采用Surfer 10.0軟件中的普通Kriging方法對北京市11月SO2、NO2、PM10和 PM2.54 種污染物的平均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，生成相應(yīng)的空間分布預(yù)測圖，并和北京市空氣自動監(jiān)測點位圖進(jìn)行疊加。疊加后4種污染物的空間分布圖見圖1。

圖1 Kriging插值空間分布圖

綜合4種污染物的空間分布圖可以看出，污染物濃度較高的區(qū)域主要表現(xiàn)在城區(qū)和南部地區(qū)，大氣污染狀況整體呈現(xiàn)“北低南高”趨勢。SO2高濃度區(qū)表明河北張家口、廊坊市和天津市對SO2貢獻(xiàn)值占有很大比重［11］。順義和懷柔區(qū)均為首都重要的水源保護(hù)區(qū)，工業(yè)類型為環(huán)保型工業(yè)，因此SO2濃度較低。NO2濃度的空間分布表明其分布規(guī)律與北京市主要交通干道的分布一致，說明機(jī)動車尾氣是北京市的NO2的主要貢獻(xiàn)者，城區(qū)取暖時產(chǎn)生的SO2和NO2也是導(dǎo)致城區(qū)濃度較高的原因［12］。

PM2.5濃度和PM10濃度的空間分布趨勢大致一樣，表明北京近郊區(qū)南部濃度最高，城區(qū)也較高，北部和西北部較低，從北到南濃度逐步增大。機(jī)動車尾氣排放、燃煤排放、生物質(zhì)燃燒和建筑裝修揚(yáng)塵等產(chǎn)生的污染物使得城區(qū)顆粒物濃度較高［12］，而“高濃度”南部郊區(qū)受周邊地區(qū)污染物的影響較大，區(qū)域大氣污染物輸送貢獻(xiàn)較為明顯。

北京市大氣污染物空間分布特征與西、北、東三面環(huán)山形成的“西北高東南低”的地形地貌，氣象條件因素，北京市重工業(yè)分布(如位于上風(fēng)向地區(qū)的石景山是聚集了鋼鐵、發(fā)電、水泥等高污染企業(yè)的傳統(tǒng)重工業(yè)區(qū))，機(jī)動車尾氣排放以及北京邊界層外來污染物輸送通道密切相關(guān)［13］。有關(guān)研究表明［13-14］，經(jīng)過燕山山麓主要污染源群排放區(qū)(唐山地區(qū)、天津北部、廊坊北部等)燕山山前東風(fēng)帶;經(jīng)過邢臺、邯鄲、石家莊、保定等排放源區(qū)的太行山前西南風(fēng)帶;經(jīng)過山東中北部、河北滄州、天津南部及廊坊南部等污染物排放區(qū)的華北平原東南風(fēng)帶是北京市外來污染物主要輸入通道。污染物輸送通道攜帶的污染物向北京聚匯形成通道型污染，這也與京津冀城市群復(fù)合型區(qū)域污染日漸突出的環(huán)境問題是一致的［15］。

進(jìn)入秋、冬季節(jié)，北方地區(qū)地面氣溫較低，空氣中濕度大，且地面風(fēng)速較小或多為靜風(fēng)，逆溫現(xiàn)象較為明顯，空氣中污染物的擴(kuò)散能力較差，污染物持續(xù)積累，造成北京市空氣質(zhì)量變差。根據(jù)北京市11月份各風(fēng)向出現(xiàn)的頻率和對應(yīng)的平均風(fēng)速繪制風(fēng)玫瑰圖(圖2)，可以看出，北京市主導(dǎo)風(fēng)向依次為東北風(fēng)、西南風(fēng)、西北風(fēng)和北風(fēng)，其風(fēng)向頻率分別為24.7%、22.4%、21.0%和15.6%，相應(yīng)平均風(fēng)速為2.14、1.91、3.33、3.03 m/s，說明北京市大氣污染物“北低南高”空間分布特征受主導(dǎo)風(fēng)向的影響顯著，且北京市風(fēng)速較小，氣溫較低，加上頻發(fā)逆溫現(xiàn)象，北京市大氣污染較為嚴(yán)重。

2.4 污染物空間特征參數(shù)分析

塊金效應(yīng)是指隨機(jī)因素引起的變異在系統(tǒng)總變異所占的比例。由表2對SO2、NO2、PM10和PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行空間特征擬合分析結(jié)果可知，其塊金效應(yīng)分別是29%、24%、7%、4%，均表現(xiàn)很強(qiáng)的空間相關(guān)性，即北京市這4種污染物濃度數(shù)據(jù)的空間變異特征受結(jié)構(gòu)因素的影響大于隨機(jī)性因素。結(jié)構(gòu)因素主要包括常年主導(dǎo)風(fēng)向、地形地貌及用地布局分布等，隨機(jī)因素主要包括風(fēng)場的隨機(jī)波動、流動污染源排放的變化等。

圖2 北京市11月風(fēng)向頻率(%)、風(fēng)速(m/s)玫瑰圖

各項異性比為長軸與短軸之比，一般認(rèn)為比值大于1.5，則變量的空間結(jié)構(gòu)為各向異性。擬合結(jié)果表明，SO2、NO2和PM2.5的各項異性比均大于1.5，因此它們具有明顯的“北低南高”的方向性;PM10的各項異性比為1.29，因此其空間分布無明顯的方向性特征。長軸方向角分別為331°、48°、80°、73°，這與流經(jīng)華北平原3個主要污染排放源的西南氣流、東南氣流和東風(fēng)氣流風(fēng)帶型相吻合。

變程是指空間相關(guān)性的最大距離，在變程范圍內(nèi)樣點間的距離越小，其空間相關(guān)性越大。根據(jù)半變異函數(shù)擬合結(jié)果，SO2、NO2、PM10和 PM2.5在長軸上的變程為63、58、62、90 km，在短軸上的變程為31、37、48、50 km。可以看出，不同變程反映污染物有不同的空間相關(guān)距離，且呈現(xiàn)出各向異性。從變程數(shù)值可得出，北京市大氣污染物的空間影響范圍與天氣系統(tǒng)的中尺度相當(dāng)［16］。

2.5 變程在空氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布點中的應(yīng)用

研究大氣污染物的空間分布特性對于整體把握區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量狀況和開展監(jiān)測布點優(yōu)化十分重要［17］。半變異函數(shù)擬合參數(shù)變程實際上體現(xiàn)了在某種采樣間距下區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性的范圍。因此，可以為選取監(jiān)測布點距離提供參考，一般要求空間抽樣樣本之間的距離不應(yīng)大于變異函數(shù)的變程，最好取變程的1/4～1/2［14］。

以北京市區(qū)域空氣質(zhì)量中PM2.5監(jiān)測站點設(shè)置為例，PM2.5日均濃度數(shù)據(jù)半變異擬合結(jié)果表明，長軸變程變化范圍為80～100 km，短軸變程變化范圍為30～50 km;PM2.5月均濃度數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明，長軸變程為90 km，短軸變程為50 km。因此，北京市空氣質(zhì)量PM2.5監(jiān)測布點在長軸方向上的間隔設(shè)置宜取20～25 km，短軸方向上布點間隔宜取8～12 km。

3 結(jié)論

1)北京市大氣污染物 SO2、NO2、PM10和 PM2.5的塊金效應(yīng)值分別是29%、24%、7%和4%，均表現(xiàn)很強(qiáng)的空間相關(guān)性，說明北京市大氣污染物的空間變異特征受結(jié)構(gòu)因素的影響大于隨機(jī)因素。北京市地形地貌、秋冬季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向以及氣象條件對污染物空間分布情況影響較大。

2)北京市 SO2、NO2、PM10和 PM2.5空間分布具有明顯的空間異質(zhì)性，分布趨勢整體呈“北低南高”的變化趨勢，濃度較高的區(qū)域集中在北京市城區(qū)和南部區(qū)域。污染物空間分布形勢與北京市地形地貌、氣候氣象條件以及周邊地區(qū)污染源對北京市的貢獻(xiàn)是密不可分的。

3)北京市 SO2、NO2、PM10和 PM2.5在長軸上變程分別為 63、58、62、90 km，在短軸上變程分別為 31、37、48、50 km，相應(yīng)長軸方位角分別為 331°、48°、80°、73°;SO2、NO2和 PM2.5具有明顯方向性;PM10不具有明顯方向性特征。北京市大氣污染空間分析結(jié)果表明空間分布與天氣系統(tǒng)的中尺度相當(dāng)。

4)半變異函數(shù)擬合參數(shù)變程可為監(jiān)測布點中間隔距離選取提供理論指導(dǎo)。以北京市區(qū)域空氣質(zhì)量中PM2.5監(jiān)測站點設(shè)置為例，建議在空氣質(zhì)量監(jiān)測布點時監(jiān)測站點在長軸方向上間隔設(shè)置應(yīng)取20～25 km，短軸方向上布點間隔應(yīng)為8～12 km。

該研究所收集的數(shù)據(jù)為2012年北京市冬季開始采暖后1個月的數(shù)據(jù)，空間分析的結(jié)論可能存在局限性。今后研究重點應(yīng)考慮采用足夠多的監(jiān)測數(shù)據(jù)(包括O3)進(jìn)行空間插值分析，同時全面考慮各種大氣污染物的實際分布情況和空間變異特征，所制定的監(jiān)測點位能夠盡可能合理、準(zhǔn)確、完整地反映整個大空間的污染時空分布和演變規(guī)律。

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