楊興川，趙文吉*，熊秋林，王麗麗，趙文慧

1. 首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；2. 北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048

2016年京津冀地區(qū)PM2.5時(shí)空分布特征及其與氣象因素的關(guān)系

楊興川1，趙文吉1*，熊秋林1，王麗麗1，趙文慧2

1. 首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；2. 北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048

京津冀地區(qū)是典型的PM2.5高污染區(qū)，研究該地區(qū)PM2.5污染現(xiàn)況及其影響因素，對(duì)科學(xué)有效地治理大氣污染意義重大。利用2016年京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5數(shù)據(jù)，結(jié)合風(fēng)速、日照時(shí)長(zhǎng)、相對(duì)濕度等氣象資料，綜合運(yùn)用空間插值、聚類(lèi)分析和相關(guān)分析等方法，探討了PM2.5的時(shí)空分布特征及其與氣象因素的關(guān)系。結(jié)果表明，（1）2016年京津冀地區(qū)PM2.5年均質(zhì)量濃度為71.8 μg?m-3，較2015年下降7.8%，PM2.5達(dá)標(biāo)天數(shù)比例為67.7%。（2）京津冀地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度呈北低南高的空間格局，南北差異顯著，北部屬于 PM2.5長(zhǎng)期優(yōu)良區(qū)，中部和南部 PM2.5污染較重，呈集中連片分布態(tài)勢(shì)。（3）京津冀地區(qū)PM2.5污染具有明顯的時(shí)間變化規(guī)律，從季節(jié)上看，夏季PM2.5污染相對(duì)較輕，春秋次之，冬季污染最重；從月份上看，PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出“U”形起伏的變化規(guī)律，1月、3月和10—12月PM2.5日均值超標(biāo)率高于40%，2月及4—9月超標(biāo)率均低于30%；從日變化上看，春夏季PM2.5日變化呈單峰單谷型分布，秋冬季呈雙峰雙谷型分布，最大值出現(xiàn)在10:00左右，而最小值出現(xiàn)在16:00左右。（4）京津冀地區(qū)PM2.5與氣壓、相對(duì)濕度呈正相關(guān)，與氣溫、日照時(shí)長(zhǎng)、風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，其中風(fēng)速、相對(duì)濕度和日照時(shí)長(zhǎng)與PM2.5具有較強(qiáng)的相關(guān)性，各季節(jié)中，冬季的氣象因素對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響比其他季節(jié)更為顯著。

PM2.5；京津冀；時(shí)空分布；氣象因素；相關(guān)性

PM2.5指大氣中粒徑小于或等于2.5 μm的顆粒物，它是導(dǎo)致許多城市空氣質(zhì)量下降的主要污染物（李名升等，2016）。近年來(lái)，隨著中國(guó)城市化和工業(yè)化不斷推進(jìn)，空氣污染問(wèn)題日益凸顯，特別是以京津冀為代表的區(qū)域大氣重污染天氣頻發(fā)，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展，危害人類(lèi)身體健康（熊秋林等，2016；Xiong et al.，2015）。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在京津冀PM2.5源解析（刀谞等，2015；Zheng et al.，2015）、傳輸機(jī)制（劉旭艷，2015）、污染周期（吳健生等，2017）、模式預(yù)測(cè)（Su et al.，2017；Wang et al.，2017）等方面開(kāi)展了卓有成效的研究。京津冀 PM2.5時(shí)空分布特征研究也逐漸成為大氣環(huán)境領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)（Wang et al.，2016；Lv et al.，2016；Ma et al.，2016；周磊等，2016）。李珊珊等（2015）研究表明，京津冀地區(qū) PM2.5具有春夏低、秋冬高的規(guī)律和雙峰型分布的日變化特征；王冠嵐等（2016）基于2014年京津冀13個(gè)城市的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)京津冀空氣質(zhì)量呈北優(yōu)南劣分布，即北部?jī)?yōu)于中部、中部?jī)?yōu)于南部。在PM2.5與氣象因素關(guān)系方面，Li et al.（2015）研究表明，2006—2013年京津冀北部的PM2.5主要源自于地方排放，而在南部和中南部區(qū)域，氣象因素與局地排放對(duì)PM2.5的影響同樣重要。

京津冀地區(qū) 2015年的生產(chǎn)總值約占全國(guó)的10.2%，是中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的區(qū)域之一，但 PM2.5年均質(zhì)量濃度達(dá)到77.0 μg?m-3，遠(yuǎn)超全國(guó)平均水平，是全國(guó)空氣重污染高發(fā)地區(qū)（中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部，2016）。由此可見(jiàn)，京津冀地區(qū)PM2.5污染狀況十分惡劣，治理形勢(shì)依然嚴(yán)峻。利用國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)發(fā)布的數(shù)據(jù)，研究 PM2.5污染時(shí)空特征和氣象因素對(duì) PM2.5污染的影響，對(duì)科學(xué)治理京津冀地區(qū) PM2.5污染具有重要意義。因此，本文分析了2016年京津冀地區(qū)PM2.5的時(shí)空分布特征，以及主要?dú)庀笠蛩嘏c PM2.5的相互關(guān)系，以期為京津冀地區(qū)PM2.5污染防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

京津冀地區(qū)位于東經(jīng) 113°27′～119°50′，北緯36°05′～42°40′之間，北靠燕山山脈，南面華北平原，西倚太行山，東臨渤海灣。屬于溫帶季風(fēng)氣候，冬季干燥寒冷，夏季高溫多雨。PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)為2016年北京市、天津市和河北省共103個(gè)環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)實(shí)時(shí)發(fā)布的24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中包括北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心（http://www.china-jcw.cn/）發(fā)布的境內(nèi) 35個(gè)環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)逐時(shí)數(shù)據(jù)，以及選取的天津市和河北省68個(gè)觀測(cè)資料完整站點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，其來(lái)源為中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的全國(guó)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)（http://www.moc.cma.gov.cn/）。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源為中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/），包括京津冀地區(qū)178個(gè)站點(diǎn)的氣壓、相對(duì)濕度、氣溫等日平均值數(shù)據(jù)。PM2.5和氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 京津冀地區(qū)PM2.5和氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布Fig. 1 Distribution of PM2.5 and meteorologic observation sites in Beijing-Tianjin-Hebei (BTH) area

1.2 分析方法

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095—2012）（中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，2012）針對(duì)大氣污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)有效性的要求，對(duì) PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除缺測(cè)值和異常值。本研究中，以3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季，9、10、11月為秋季，12、1、2月為冬季。PM2.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)為逐小時(shí)數(shù)據(jù)，站點(diǎn)00:00—23:00的平均值即為日均值，各城市境內(nèi)全部站點(diǎn)的日均值為該城市當(dāng)日總體的平均值，根據(jù)日均值求得月均值，季均值和年均值以月均值為基礎(chǔ)獲取。氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以站點(diǎn)0:00—23:00的日平均值數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，再分別獲得月均值、季均值和年均值數(shù)據(jù)。

根據(jù)2016年京津冀103個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)獲取不同時(shí)間尺度 PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)，并采用Kriging空間插值方法，分析PM2.5時(shí)空分布特征。利用層次聚類(lèi)方法，對(duì)京津冀 13個(gè)城市進(jìn)行聚類(lèi)分析，探討 PM2.5污染分布的區(qū)域特征。通過(guò)對(duì)京津冀的 PM2.5質(zhì)量濃度和氣象參數(shù)的日均值數(shù)據(jù)進(jìn)行 Pearson相關(guān)分析，研究 PM2.5與氣象因素之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 空間分布特征

2.1.1 PM2.5總體分布特征

2016年京津冀地區(qū)年均質(zhì)量濃度為71.8 μg?m-3（表 1），大幅高于全國(guó) PM2.5平均質(zhì)量濃度（47.0 μg?m-3），與2015年相比則下降了7.8%，表明京津冀仍是全國(guó)大氣污染最嚴(yán)重的區(qū)域之一。PM2.5質(zhì)量濃度的均值大于中位數(shù)，呈右偏態(tài)分布，日均質(zhì)量濃度變化幅度大，其中邯鄲市最大，達(dá)到 688.8 μg?m-3。京津冀 PM2.5年均質(zhì)量濃度呈北低南高態(tài)勢(shì)，南北差異顯著（圖2），北部張家口、承德、秦皇島的PM2.5年均質(zhì)量濃度小于50.0 μg?m-3，是京津冀地區(qū) PM2.5低污染區(qū)，其中張家口最低（32.3 μg?m-3），達(dá)到《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（年均限值35 μg?m-3）；南部及中部的邯鄲、邢臺(tái)、衡水、石家莊和保定5個(gè)城市的PM2.5年均質(zhì)量濃度都超過(guò)80 μg?m-3，石家莊PM2.5污染尤為嚴(yán)重，年均質(zhì)量濃度高達(dá)97.6 μg?m-3；東南部的滄州、廊坊、唐山的 PM2.5年平均質(zhì)量濃度在 65～75 μg?m-3之間；北京、天津的PM2.5年均質(zhì)量濃度分別為73.6、70.1 μg?m-3，除張家口市外，其他城市的PM2.5質(zhì)量濃度均超過(guò)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 京津冀日均PM2.5質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)Table 1 Summary of daily PM2.5 concentrations at BTH μg?m-3

圖2 京津冀2016年P(guān)M2.5空間分布Fig. 2 Spatial characteristics of annual PM2.5 concentrations of BTH in 2016

2016年京津冀地區(qū) PM2.5日均質(zhì)量濃度在8.5～341.1 μg?m-3之間，相對(duì)集中在 25.0～85.0 μg?m-3之間，約占全年的65.0%（圖3），采用日均值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（75 μg?m-3）進(jìn)行評(píng)價(jià)，2016年京津冀地區(qū)PM2.5達(dá)標(biāo)天數(shù)為246天，其中優(yōu)和良的比例為24.2%和43.5%，在超標(biāo)天數(shù)中，輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染占比分別為18.4%、5.4%、7.1%和1.4%，從PM2.5超標(biāo)的時(shí)段來(lái)看，主要集中在1—3月和11—12月，11月和12月日均值超標(biāo)比例達(dá)到64.5%。

圖3 京津冀2016年P(guān)M2.5日均質(zhì)量濃度分布Fig. 3 Frequency distribution histograms of PM2.5 daily concentrations of BTH in 2016

2.1.2 PM2.5季節(jié)性空間分布特征

京津冀地區(qū)四季各個(gè)城市和站點(diǎn)的 PM2.5污染情況空間分布如圖 4，由圖可知，各季節(jié) PM2.5質(zhì)量濃度空間分布與年空間分布特征類(lèi)似，即 PM2.5污染呈北輕南重，南北差異顯著。京津冀南部和中部地區(qū)屬于長(zhǎng)期高污染區(qū)，北部地區(qū)的污染較輕。春季除衡水 PM2.5超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)外，其他城市均達(dá)標(biāo)，相對(duì)于春季，夏季空氣質(zhì)量普遍較好，各城市均達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從站點(diǎn)來(lái)看，北京春夏季的PM2.5質(zhì)量濃度相對(duì)較高；秋季石家莊是京津冀地區(qū)PM2.5的高污染中心，污染程度從石家莊向南、向北逐漸減弱，冬季 PM2.5污染最為嚴(yán)重，京津冀南部和中部呈大范圍連片污染的分布特征，僅北部的張家口、承德和秦皇島達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 PM2.5區(qū)域分布特征

為分析京津冀地區(qū) PM2.5污染分布的區(qū)域特征，對(duì)13個(gè)城市的PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行層次聚類(lèi)分析，聚類(lèi)方法為Ward最小方差法，聚類(lèi)結(jié)果如圖5所示。由圖可知，京津冀地區(qū)的 PM2.5污染分布區(qū)域集聚性明顯，呈集中連片分布態(tài)勢(shì)，整體以燕山—太行山脈為界，劃分為南北兩個(gè)大區(qū)，并細(xì)分為5個(gè)小區(qū)。結(jié)合表1可知，燕山—太行山脈以北的張家口、承德和秦皇島是PM2.5低污染區(qū)，PM2.5質(zhì)量濃度為 32.3～46.4 μg?m-3；以南區(qū)域 PM2.5污染嚴(yán)重，燕山—太行山脈以南的4個(gè)區(qū)域包括中部的北京和廊坊（66.4～73.6 μg?m-3），中東部的滄州、天津和唐山（68.9～74.3 μg?m-3），南部的邯鄲和衡水（81.8～87.6 μg?m-3），以及污染最嚴(yán)重的保定、邢臺(tái)和石家莊（87.8～97.6 μg?m-3）。京津冀地區(qū) PM2.5污染的區(qū)域分布特征與地形、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式和氣候條件等存在密切的聯(lián)系（張殷俊等，2015）。

2.2 時(shí)間變化特征

2.2.1 PM2.5質(zhì)量濃度月變化

京津冀地區(qū)PM2.5月均質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出“U”形起伏的變化規(guī)律，1—4月呈下降趨勢(shì)，5—9月略有下降，基本保持平穩(wěn)，10—12月呈明顯上升趨勢(shì)，各月的日均值超標(biāo)率與月均質(zhì)量濃度的變化特征相似（圖6）。1—4月PM2.5平均質(zhì)量濃度存在一定起伏，在 55.2～86.6 μg?m-3之間，日均值超標(biāo)率范圍為24.1%～45.2%；5—9月平均質(zhì)量濃度在39.7～60.6 μg?m-3之間，日均值超標(biāo)率皆低于30%，優(yōu)良天氣多集中出現(xiàn)在該時(shí)段，其中8月PM2.5平均質(zhì)量濃度最低，且日均值達(dá)標(biāo)率為100%；10—12月PM2.5平均質(zhì)量濃度達(dá)到 107.0 μg?m-3，其中 12月 PM2.5質(zhì)量濃度最高，達(dá)到142.8 μg?m-3，達(dá)到中度污染級(jí)別，是月均濃度值最低的8 月份的3.6倍，日均值超標(biāo)率也最高，達(dá)到83.3%，污染程度最為嚴(yán)重。京津冀地區(qū) PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)性變化顯著，呈秋冬季高，春夏季低的規(guī)律（圖7），冬季PM2.5平均質(zhì)量濃度明顯高于其他3個(gè)季節(jié)，達(dá)到95.2 μg?m-3，其次依次為秋季、春季和夏季，PM2.5質(zhì)量濃度分別為 77.4、64.2 和 51.0 μg?m-3。

圖4 京津冀2016年各季節(jié)PM2.5分布特征Fig. 4 Spatial characteristics of seasonal PM2.5 concentrations of BTH in 2016

圖5 京津冀2016年P(guān)M2.5聚類(lèi)分布圖Fig. 5 The clustering distribution of PM2.5 for BTH in 2016

圖6 京津冀2016年P(guān)M2.5月均質(zhì)量濃度箱型圖Fig. 6 Box-plot of monthly PM2.5 concentrations of BTH in 2016

圖7 京津冀2016年P(guān)M2.5季均質(zhì)量濃度箱型圖Fig. 7 Box-plot of Seasonal PM2.5 concentrations of BTH in 2016

2.2.2 PM2.5質(zhì)量濃度日變化

2016年京津冀PM2.5的日變化曲線如圖8。由圖可知，春夏季京津冀地區(qū) PM2.5日變化呈單峰單谷型分布，PM2.5質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在上午07:00—09:00，谷值出現(xiàn)在 14:00—16:00，夏季 PM2.5質(zhì)量濃度日較差最小，這與夏季空氣質(zhì)量相對(duì)較好有關(guān)。秋冬季京津冀地區(qū) PM2.5日變化呈雙峰雙谷型分布，PM2.5質(zhì)量濃度日較差大，雙峰分別出現(xiàn)在09:00—11:00和21:00—23:00，且夜間PM2.5小時(shí)峰值高于白天，PM2.5質(zhì)量濃度峰值相對(duì)春夏兩季有延后的趨勢(shì)，這是由于秋冬季節(jié)日照時(shí)間減少，大氣層較穩(wěn)定，靜穩(wěn)天氣居多，導(dǎo)致污染物擴(kuò)散、沉降所需時(shí)間增長(zhǎng)，從而使PM2.5質(zhì)量濃度峰值后移。雙谷分別出現(xiàn)在06:00—08:00和14:00—16:00，且傍晚 PM2.5小時(shí)谷值低于早晨。秋冬季節(jié)京津冀地區(qū)污染排放量增大和不利的氣象條件共同作用，導(dǎo)致 PM2.5日變化出現(xiàn)雙峰雙谷現(xiàn)象（郭家瑜等，2016；楊俊益，2012）。

圖8 京津冀2016年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度日變化趨勢(shì)Fig. 8 Diurnal variations of PM2.5 concentrations of BTH in 2016

2.3 PM2.5與氣象因素相關(guān)性

污染物質(zhì)量濃度與氣象因素關(guān)系密切，由于氣象因素的變化影響大氣污染物的擴(kuò)散、沉降和稀釋?zhuān)诓煌臍庀髼l件下，同一污染源排放造成的污染物質(zhì)量濃度相差極大（何沐全等，2017），研究表明，氣象因素可解釋部分的 PM2.5日變化趨勢(shì)（Batterman et al.，2016）。

對(duì)2016年京津冀地區(qū)的PM2.5與氣象因素進(jìn)行 Pearson相關(guān)性分析（表 2），可以看出，總體上氣壓與 PM2.5質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，冬季氣壓與PM2.5質(zhì)量濃度相關(guān)性最為顯著，這與冬季京津冀地區(qū)長(zhǎng)期受蒙古高壓控制，京津冀及周邊地區(qū)易形成均壓場(chǎng)，地面和低空風(fēng)速較小，抑制污染物擴(kuò)散有關(guān)（楊孝文等，2016）。全年來(lái)看，溫度與PM2.5質(zhì)量濃度呈較弱的負(fù)相關(guān)，冬季二者的相關(guān)性水平較高；溫度升高有利于大氣熱力條件增強(qiáng)，加劇大氣湍流交換，使得大氣的平輸送和垂直擴(kuò)散能力增強(qiáng)，冬季京津冀地區(qū)氣溫呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)減弱，污染物不易擴(kuò)散，造成PM2.5質(zhì)量濃度升高。

表2 PM2.5和氣象因素之間相關(guān)性Table 2 Correlation coefficients of PM2.5 and meteorological factors

相對(duì)于氣壓和溫度，風(fēng)速、相對(duì)濕度和日照時(shí)長(zhǎng)與PM2.5具有較高的相關(guān)性。全年看，風(fēng)速與PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，冬季風(fēng)速與 PM2.5質(zhì)量濃度相關(guān)性最高；由于風(fēng)速?zèng)Q定污染物稀釋的程度，風(fēng)速越大，越有利于污染物擴(kuò)散，從而降低 PM2.5質(zhì)量濃度，冬季京津冀地區(qū)污染排放總量大，且受北風(fēng)和東南風(fēng)交替控制，風(fēng)速對(duì)顆粒物擴(kuò)散影響大（王曉琦等，2016）。相對(duì)濕度與 PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)，冬季 PM2.5質(zhì)量濃度與相對(duì)濕度相關(guān)程度最高（0.65），相關(guān)研究表明，相對(duì)濕度較高時(shí)，由于吸濕增長(zhǎng)的影響，顆粒物容易聚集，加劇PM2.5污染（劉永林等，2016）。日照有助于加速顆粒物運(yùn)動(dòng)速度，促進(jìn)污染物擴(kuò)散（王海暢等，2015），京津冀地區(qū)日照時(shí)長(zhǎng)與PM2.5呈負(fù)相關(guān)；冬季PM2.5質(zhì)量濃度與日照時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)性最高，京津冀冬季平均日照時(shí)長(zhǎng)在一年中最短，不利于PM2.5污染擴(kuò)散。綜上可知，各季節(jié)中，冬季的氣象因素對(duì) PM2.5質(zhì)量濃度的影響比其他季節(jié)顯著，PM2.5質(zhì)量濃度受風(fēng)速、相對(duì)濕度和日照時(shí)長(zhǎng)影響更大。

2016年京津冀地區(qū)冬季 PM2.5質(zhì)量濃度與各氣象因素日變化趨勢(shì)如圖9。由圖可知，冬季京津冀地區(qū)污染天氣頻發(fā)，冬季PM2.5平均質(zhì)量濃度為95.2 μg?m-3，風(fēng)速、相對(duì)濕度和日照時(shí)長(zhǎng)分別達(dá)到2.0 m?s-1、54.6%和 5.3 h，而氣壓和溫度分別為1007.4 hPa和-2.4 ℃。以2016年12月16日—12月22日出現(xiàn)的大范圍PM2.5重污染為例，分析冬季氣象因素對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響。在這次污染過(guò)程中，PM2.5質(zhì)量濃度急劇升高，平均值為233.2 μg?m-3，增長(zhǎng)約1.8倍，并在12月21日達(dá)到峰值，為262.0 μg?m-3；各氣象因素中，相對(duì)濕度平均值達(dá)到76.9%，并在12月20日達(dá)到最大（88.4%），氣溫有一定回升，增幅約為41.6%，而日照時(shí)長(zhǎng)、風(fēng)速和氣壓則有不同程度的下降，降幅分別為49.1%，30%和0.2%。綜上可知，不利的氣象因素加劇了污染物擴(kuò)散條件的惡化，并與京津冀地區(qū)巨大的污染排放量和污染物區(qū)域傳輸?shù)券B加，使得大氣中污染物持續(xù)累積，導(dǎo)致了此次大范圍的PM2.5質(zhì)量濃度嚴(yán)重超標(biāo)。

為進(jìn)一步探討PM2.5與相對(duì)濕度，風(fēng)速和日照時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖10所示。相對(duì)濕度和PM2.5質(zhì)量濃度呈U型曲線關(guān)系（圖10A），即相對(duì)濕度較小時(shí)（＜30%），PM2.5質(zhì)量濃度隨相對(duì)濕度增大而降低，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到一定水平后，相對(duì)濕度增大使PM2.5質(zhì)量濃度升高，相對(duì)濕度在10%～30%時(shí)，PM2.5日均質(zhì)量濃度最?。?2.3 μg?m-3），而當(dāng)相對(duì)濕度＞90%時(shí)，PM2.5日均質(zhì)量濃度達(dá)到 126.0 μg?m-3。日照時(shí)長(zhǎng)和風(fēng)速與 PM2.5質(zhì)量濃度均呈線性關(guān)系（圖 10B，圖10C），由圖可知，隨著風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)增大，PM2.5質(zhì)量濃度逐漸降低。風(fēng)速在0～1.5 m?s-1時(shí)，PM2.5日均質(zhì)量濃度最大，可達(dá) 100.9 μg?m-3，而當(dāng)風(fēng)速大于6 m?s-1時(shí)，PM2.5質(zhì)量濃度最?。?3.6 μg?m-3）；日照時(shí)長(zhǎng)小于 3 h，PM2.5日均質(zhì)量濃度最大，達(dá)到 102.5 μg?m-3，日照時(shí)長(zhǎng)每增加3 h，PM2.5日均質(zhì)量濃度降低約 6.7 μg?m-3。

圖9 京津冀2016年冬季PM2.5質(zhì)量濃度和氣象因素日變化Fig. 9 Daily variation of Winter PM2.5 and meteorological variables of BTH in 2016

圖10 京津冀2016年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度和氣象因素統(tǒng)計(jì)Fig. 10 Statistical of PM2.5 and meteorological variables of BTH in 2016

3 結(jié)論

（1）2016年京津冀地區(qū)PM2.5日均質(zhì)量濃度在8.5～341.1 μg?m-3之間，年均質(zhì)量濃度為 71.8 μg?m-3，PM2.5達(dá)標(biāo)天數(shù)比例為67.7%。京津冀地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度呈北低南高態(tài)勢(shì)，南北差異顯著，整體上以燕山—太行山脈為界，劃分為兩個(gè)大區(qū)，以北是PM2.5低污染區(qū)，優(yōu)良天氣居多，以南區(qū)域PM2.5污染嚴(yán)重，并呈集中連片分布態(tài)勢(shì)。

（2）京津冀地區(qū) PM2.5污染具有明顯的時(shí)間變化規(guī)律。從季節(jié)上看，夏季 PM2.5污染相對(duì)較輕，春秋次之，冬季污染最重。從月份上看，PM2.5均質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出“U”形起伏的變化規(guī)律，1月、3月和10—12月PM2.5平均質(zhì)量濃度日均值超標(biāo)率在40%以上，2月及4—9月超標(biāo)率均低于30%。從日變化上看，春夏季PM2.5日變化呈單峰單谷型分布，秋冬季呈雙峰雙谷型分布，最大值出現(xiàn)在10:00左右，最小值出現(xiàn)在16:00左右。

（3）京津冀地區(qū) PM2.5與氣壓、相對(duì)濕度呈正相關(guān)，與氣溫、日照時(shí)長(zhǎng)、風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，其中風(fēng)速、相對(duì)濕度和日照時(shí)長(zhǎng)與 PM2.5具有較高的相關(guān)性。各季節(jié)中，冬季的氣象因素對(duì) PM2.5質(zhì)量濃度的影響比其他季節(jié)更為顯著。日照時(shí)長(zhǎng)和風(fēng)速與PM2.5質(zhì)量濃度呈線性關(guān)系，一般地，風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)越大，PM2.5質(zhì)量濃度越低；而相對(duì)濕度和PM2.5質(zhì)量濃度呈U型曲線關(guān)系。

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Spatio-temporal Distribution of PM2.5in Beijing-Tianjin-Hebei (BTH) Area in 2016 and Its Relationship with Meteorological Factors

YANG Xingchuan1, ZHAO Wenji1*, XIONG Qiulin1, WANG Lili1, ZHAO Wenhui2
1. Capital Normal University, School of Resources, Environment & Tourism, Beijing 100048, China;
2. Beijing Municipal Environmental Monitoring Center, Beijing 100048, China

Beijing-Tianjin-Hebei (BTH) area is a typical PM2.5high-polluted area. The research of this region’s pollution status and influencing factors of PM2.5is significant for air pollution controlling. Based on the PM2.5data and meteorological data in BTH of 2016, this paper explored the spatiotemporal characteristics of PM2.5and its relationship with meteorological factors using spatial interpolation combined the methods of cluster analysis and correlation analysis. The results showed that: (1) The average concentration of PM2.5in BTH was 71.8 μg?m-3in 2016, which decreased 7.8% comparing with 2015, and about 67.7% days meet Grade Ⅱ standard of ambient air quality standards (GB 3095—2012). (2) The PM2.5in the north was obviously worse than that of the south, and it had concentrated contiguous distribution trend in BTH with the northern part was in good condition all the year around while the central and southern part were heavily polluted areas. (3) It was very obvious that PM2.5changes with time. The seasonal comparison indicated that PM2.5pollution was lowest in summer and heavy in winter. Monthly data showed a U-shaped variation in 2016, about 26.6% days failed to meet Grade Ⅱ air quality standards. In January, March and October to December,daily average of PM2.5exceeded the standard rate was more than 40%, while it was less than 30% in February and April to September. Diurnal data showed a unimodal variation (spring and summer ) and an bimodal variation (autumn and winter) in BTH，the highest value appeared around 10:00, and the lowest value appeared around 16:00. (4) The concentration of PM2.5in BTH was positively correlated with air pressure and relative humidity, negatively correlated with air temperature, sunshine duration and wind speed. The wind speed, relative humidity and sunshine duration were significant factors for PM2.5, the influence of meteorological factors on PM2.5in winter was more significant than that in other seasons.

PM2.5; Beijing-Tianjin-Hebei (BTH); Spatio-temporal Distribution; meteorological factors; Correlation

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.014

X513; X16

A

1674-5906（2017）10-1747-08

楊興川, 趙文吉, 熊秋林, 王麗麗, 趙文慧. 2017. 2016年京津冀地區(qū)PM2.5時(shí)空分布特征及其與氣象因素的關(guān)系[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(10): 1747-1754.

YANG Xingchuan, ZHAO Wenji, XIONG Qiulin, WANG Lili, ZHAO Wenhui. 2017. Spatio-temporal distribution of PM2.5in Beijing-Tianjin-Hebei (BTH) area in 2016 and its relationship with meteorological factors [J]. Ecology and Environmental Sciences,26(10): 1747-1754.

國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目（41201488）；國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪基金項(xiàng)目（2011A2011）

楊興川（1993年生），男，碩士研究生，研究方向?yàn)镚IS在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。E-mail: mxoyxc@163.com

*通信作者：趙文吉，男，教授。E-mail:zhwenji1215@163.com

2017-07-19