蔣超,龔建周*,孫家仁,陳曉越
1. 廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510006;2. 環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所,廣東 廣州 510655
經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快,使得大氣顆粒物成為中國城市大氣的首要污染物,其中細(xì)顆粒物PM2.5(大氣中直徑≤2.5 μm的顆粒物,也稱入肺顆粒物)對人體健康危害極大,影響大氣環(huán)境質(zhì)量,因而受到了國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注(Menon et al.,2002;Ma et al.,2016;張小曳等,2013;王振波等,2015;吳健生等,2017)。目前,中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展正處在“調(diào)結(jié)構(gòu)、穩(wěn)增長與綠色發(fā)展”的關(guān)鍵時期,準(zhǔn)確預(yù)見大氣污染物復(fù)雜性和治理長期性,持續(xù)開展“大氣灰霾追因與控制”與“霧霾與健康關(guān)系”等關(guān)鍵科學(xué)問題研究是國家亟待突破的科學(xué)難關(guān),也是未來研究探索的重點(楊復(fù)沫等,2000;Menon et al.,2002;吳兌等,2012;周亮等,2017)??茖W(xué)識別 PM2.5質(zhì)量濃度的時空演變特征和規(guī)律,是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)的關(guān)鍵,可為區(qū)域大氣聯(lián)動治理、污染產(chǎn)業(yè)的空間布局、城市空間優(yōu)化(風(fēng)道、綠化帶)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與能源結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)的依據(jù)。
珠江三角洲城市群是華南地區(qū)人口最密集、城市化程度最高的區(qū)域。目前,有關(guān)珠三角 PM2.5的研究主要集中在珠三角 PM2.5時空變異特征、化學(xué)組成成分、PM2.5中重金屬污染水平及健康風(fēng)險評價的探討方面,如廖志恒等(2015)利用粵港澳珠三角區(qū)域空氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)2006—2012年監(jiān)測結(jié)果,分析了SO2、NO2、和PM10的時空變化特征,但并未開展對 PM2.5的時空特征分析;徐偉嘉等(2014)基于2012—2013年大氣監(jiān)測數(shù)據(jù),運(yùn)用地統(tǒng)計分析方法定量分析了該區(qū)域一年內(nèi) PM2.5質(zhì)量濃度空間異質(zhì)性,揭示了珠三角 PM2.5空間分布自相關(guān)性的存在,表明關(guān)于 PM2.5的監(jiān)管與治理不能孤立化,需進(jìn)行城市與城市之間的聯(lián)合;張云芝等(2016)基于京津冀 2014年地面監(jiān)測數(shù)據(jù)并利用空間插值的方法,揭示該區(qū)域 PM2.5一年內(nèi)空間區(qū)域特征與時間動態(tài)變化,表明近地面監(jiān)測點實時數(shù)據(jù)空間插值在揭示區(qū)域不同時間尺度質(zhì)量濃度變化規(guī)律,反映近地面PM2.5質(zhì)量濃度的空間分布格局獨具有優(yōu)勢。
在前人研究基礎(chǔ)上,基于粵港澳珠三角區(qū)域空氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò) 2013—2016年實時監(jiān)測結(jié)果,利用分級統(tǒng)計與空間插值的方法,開展珠三角 PM2.5質(zhì)量濃度時間動態(tài)變化規(guī)律、空間分布格局的研究,以期獲得2013—2016年來珠三角PM2.5質(zhì)量濃度時空分布格局和演變規(guī)律,掌握近年來珠三角區(qū)域PM2.5的時空分布及演變特征,為該區(qū)域污染的診斷、削弱及聯(lián)防,能源結(jié)構(gòu)調(diào)整,產(chǎn)業(yè)布局引導(dǎo),污染風(fēng)險規(guī)避提供一定依據(jù)。
珠江三角洲毗鄰港澳(圖1a),包括廣州、深圳、佛山、肇慶、惠州、珠海、江門、東莞和中山9市。處于111°59.7'~115°25.3'E、21°17.6'~23°55.9'N,屬于熱帶亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季溫暖濕潤,雨熱同期。年平均氣溫21~23 ℃,1月均溫為13~15 ℃,7月均溫在28 ℃以上。6—9月,常有臺風(fēng)影響,降雨集中,年均降水量在1500 mm以上(黃珍珠等,2012)。
研究數(shù)據(jù)來源于珠三角區(qū)域空氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)空氣質(zhì)量實時監(jiān)測數(shù)據(jù),監(jiān)測站點分布情況如圖1(b)所示。選取了2013年1月1日—2016年12月30日珠三角各監(jiān)測站 PM2.5逐時質(zhì)量濃度數(shù)據(jù),剔除數(shù)據(jù)不完整的3個站點(東城主山、莞城梨川站2013年、2014年全年無數(shù)據(jù),七星巖子站數(shù)據(jù)僅到2014年7月29日),余下共52個站點,其中廣州市10個,深圳市11個,佛山市8個,惠州市5個,珠海市、中山市和江門市各4個、東莞市和肇慶市各3個?;诟髡军c監(jiān)測的逐時質(zhì)量濃度數(shù)據(jù),求得24 h平均質(zhì)量濃度,再求得月平均質(zhì)量濃度、季度平均質(zhì)量濃度和年平均質(zhì)量濃度(戴昭鑫等,2016)。
采用國家環(huán)保部 2012年發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012),對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分級劃分,劃分依據(jù)如表1所示。本研究區(qū)為二類區(qū),所以采用二級濃度限值。為進(jìn)一步研究珠三角PM2.5日平均污染狀況,根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633—2012)定義的中國24 h污染等級劃分標(biāo)準(zhǔn),PM2.5質(zhì)量濃度可劃分為 6個等級,即優(yōu)(0~35 μg?m-3),良(35~75 μg?m-3)、輕度污染(75~115 μg?m-3),中度污染(115~150 μg?m-3)、重度污染(150~250 μg?m-3)、嚴(yán)重污染(250~500 μg?m-3)。
圖1 研究區(qū)域及站點分布圖Fig. 1 The study area and monitoring sites
表1 環(huán)境空間質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及適用區(qū)域類型Table 1 Space environment quality standards and applicable area type
由于經(jīng)濟(jì)和人力的原因,環(huán)境監(jiān)測站點的數(shù)量是有限的,站點的空間分布也不均衡,而且檢測儀器可能出現(xiàn)故障,無法正常獲取數(shù)據(jù)(劉妍月等,2016)??臻g插值的實質(zhì)是通過已知樣點的數(shù)據(jù)來估算未知點的數(shù)據(jù),有助于增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)整體數(shù)據(jù)的空間分布認(rèn)知。關(guān)于空間離散數(shù)據(jù)的空間插值已經(jīng)有多種方法,包括反距離權(quán)重法、普通克里格插值法及協(xié)同克里格插值法等。已有研究發(fā)現(xiàn),協(xié)同克里格插值法得到的插值結(jié)果精度最高,反距離加權(quán)插值法和普通克里格插值法卻可獲得較好的制圖效果(李杰等,2016)。為此,基于各站點4年的平均質(zhì)量濃度值、月均質(zhì)量濃度,本研究采用反距離加權(quán)法(inverse distance weighted,IDW)模擬珠三角年均和月均PM2.5質(zhì)量濃度的空間分布。
3.1.1 PM2.5質(zhì)量濃度年際變化及污染天數(shù)
基于珠三角 PM2.524 h質(zhì)量濃度數(shù)據(jù),得到2013年、2014年P(guān)M2.5年均質(zhì)量濃度分別為47.29、41.38 μg?m-3,超過了國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)規(guī)定的二級標(biāo)準(zhǔn)限值(35 μg?m-3),且2013年超出35.11%,2014年超出18.23%;2015年、2016年P(guān)M2.5年均質(zhì)量濃度均低于二級標(biāo)準(zhǔn)限值,分別為 34.33、31.90 μg?m-3。4 年來,PM2.5年均質(zhì)量濃度值呈現(xiàn)下降趨勢,共減少了 15.39 μg?m-3,下降比例達(dá) 32.8%。
2013—2016年,珠三角PM2.524 h平均質(zhì)量濃度變化幅度大,24 h平均質(zhì)量濃度最大值為140.78 μg?m-3(2013年 12月 10日),超過 PM2.524 h二級標(biāo)準(zhǔn)限值(75 μg?m-3),是此限值的1.88倍,最小值為6.45 μg?m-3(2016年3月10日),僅為二級標(biāo)準(zhǔn)限值的0.08%。
根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633—2012)(表1),基于PM2.5質(zhì)量濃度單項指標(biāo),按年統(tǒng)計研究區(qū)空氣質(zhì)量等級天數(shù)(表2)。由表2可知,2013年中度污染天數(shù)為6 d,輕度污染為37 d;2014年中度污染天數(shù)為3 d,輕度污染為22 d;2015年輕度污染天數(shù)為12 d;2016年輕度污染天數(shù)僅為6 d。珠三角地區(qū)PM2.5年平均質(zhì)量濃度相對較低,污染狀況較輕。
3.1.2 PM2.5月均濃度年變化及污染天數(shù)
2013—2016年珠三角PM2.5質(zhì)量濃度均值的年變化情況如圖 2所示??梢钥闯?,PM2.5質(zhì)量濃度值季節(jié)變化差異明顯,而年際之間的季節(jié)變化趨勢基本一致,曲線呈比較對稱的“U”型狀,月均質(zhì)量濃度曲線表現(xiàn)出月峰值和月谷底的特點。(1)最高峰值出現(xiàn)在1月或12月,如2013年和2014年,1月和 12月是全年質(zhì)量濃度峰值月份;2015年、2016年的峰值月份分別是1月和12月。(2)除2016年外,其余3年的10月是質(zhì)量濃度的次高峰值;再一個次高峰值則出現(xiàn)在3月或4月。(3)6—8月為“U”型的谷底,2013年最低峰值出現(xiàn)在7月,其他3年的月均最小值出現(xiàn)在6月。
圖2 2013—2016年珠三角PM2.5逐月質(zhì)量濃度Fig. 2 Pearl River Delta PM2.5 monthly mass concentration in 2013—2016
由圖 2可知,PM2.5質(zhì)量濃度每年隨季節(jié)變化的趨勢基本一致,但各年的季節(jié)變化明顯(春季為3—5月,夏季為6—8月,秋季為9—11月,冬季為12月—次年2月)。全年峰值出現(xiàn)在當(dāng)年12月—次年1月,10月會出現(xiàn)次高峰值;全年最小值出現(xiàn)在6—8月,成為逐月變化曲線的波谷期。
根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633—2012),逐月統(tǒng)計各污染等級的天數(shù),繪制成堆積圖(圖3)。結(jié)合表2與圖3可知,珠三角PM2.524 h平均質(zhì)量濃度超標(biāo)情況逐漸得到改善。2013—2016年未曾出現(xiàn)嚴(yán)重污染及以上的污染情況,中度污染天數(shù)只出現(xiàn)在2013年和2014年,輕度污染天數(shù)呈現(xiàn)逐年下降趨勢,由36 d下降到7 d,同時各月低質(zhì)量濃度天數(shù)占比正逐漸增多。2013年(完整數(shù)據(jù)共有333 d)中度污染天數(shù)為6 d,均出現(xiàn)在12月份;輕度污染天數(shù)共36 d,其中3月份有2 d,4月份有3 d,10月份有13 d,11月份有3 d,12月份有15 d。2014年(完整數(shù)據(jù)共有347 d)中度污染天數(shù)為3 d,均出現(xiàn)在1月份;輕度污染天數(shù)為22 d,其中1月份有11 d,2月份有1 d,3月份有3 d,10月份有2 d,12月份有5 d。2015年全年未出現(xiàn)中度污染,輕度污染天數(shù)為12 d,其中1月份有3 d,2月份有5 d,10月份有2 d,12月份有2 d。2016年全年未出現(xiàn)中度污染,僅出現(xiàn)輕度污染7 d,其中1月份有1 d,3月份有1 d,11月份有3 d,12月份有1 d。
表2 2013—2016年基于PM2.5日均濃度的空氣質(zhì)量等級天數(shù)及比例Table 2 Number of days and proportion of air quality grades based on PM2.5 daily average concentration from 2013 to 2016
統(tǒng)計2013—2016年珠三角PM2.5中度、輕度污染的日期、持續(xù)天數(shù)、期間最值(表 3),結(jié)果顯示,2013年12月8—11日、12月13日,12月27日為研究期間 PM2.5質(zhì)量濃度較高時間段,均為中度污染,其中最大濃度值出現(xiàn)在 12月 10日,為140.79 μg?m-3,但中度污染出現(xiàn)天數(shù)極少,集中在1月、12月,且持續(xù)時間很短,持續(xù)時間最長僅4 d。12 月 8 日前,PM2.5質(zhì)量濃度值由 56.40 μg?m-3(12月1日)持續(xù)增加到127.92 μg?m-3(12月7日),中度污染持續(xù)5 d后,于12月14日下降至89.65μg?m-3,并保持連續(xù)低水平,僅 12月 27日出現(xiàn)短暫中度污染(126.03 μg?m-3)。2014年全年僅1月出現(xiàn)了3 d中度污染,之后濃度值迅速回落,達(dá)到優(yōu)或良的標(biāo)準(zhǔn)。
表3 2013—2016年P(guān)M2.5中度污染濃度值、日期及持續(xù)天數(shù)Table 3 PM2.5 lightly polluted concentration value, date and duration in 2013—2016
如表4所示,2013—2016年輕度污染的天數(shù)逐年減少,且最大濃度值逐年減小,2013年輕度污染天數(shù)為43 d,2014年為22 d,2015年為12 d,2016年僅4 d略超輕度污染,持續(xù)時間短,最長不超過6 d。輕度污染易出現(xiàn)的時間集中在 1月、10月、11月、12月,且回落迅速,快速達(dá)到優(yōu)或良的標(biāo)準(zhǔn)。
3.2.1 PM2.5年均濃度的空間分布模式與動態(tài)
圖3 2013—2016年各等級污染天數(shù)的逐月堆積圖Fig. 3 Monthly accumulation on space pollution days at all levels in 2013—2016
圖4 2013—2016年珠三角PM2.5年均質(zhì)量濃度空間分布圖Fig. 4 Distribution of PM2.5 annual average mass concentration in the Pearl River Delta in 2013—2016
表4 2013—2016年P(guān)M2.5輕度污染濃度值、日期及持續(xù)天數(shù)Table 4 PM2.5 lightly polluted concentration value, date and duration in 2013—2016
基于各監(jiān)測點的經(jīng)緯值、研究期內(nèi)平均質(zhì)量濃度值,生成珠三角區(qū)域空氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò) PM2.5年均質(zhì)量濃度空間分布圖(圖4a);利用ArcGIS地統(tǒng)計分析(Geostatistical Analyst)趨勢面分析法進(jìn)行反距離空間插值,以各監(jiān)測點年均質(zhì)量濃度值作為輸入點要素,生成2013—2016年珠三角PM2.5質(zhì)量濃度平均值空間分布圖(圖4b)。由圖4可知,珠三角PM2.5質(zhì)量濃度值空間差異性明顯,整體呈現(xiàn)明顯的“西北—東南”三級遞減分異,北部、西北廣州、佛山、肇慶 PM2.5質(zhì)量濃度較高,東莞、中山、江門次之,惠州、深圳、珠海3個城市的南部和東南部質(zhì)量濃度值低。
3.2.2 PM2.5月均濃度的空間模式與動態(tài)
采用反距離空間插值法對每個站點月均值數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值,冪值為2,搜索半徑為15,生成2013—2016年珠三角PM2.5逐月質(zhì)量濃度空間分布情況圖。如圖 5所示,珠三角 PM2.5逐月質(zhì)量濃度有明顯空間差異性。
1月出現(xiàn)全年峰值,其中肇慶市4個監(jiān)測站點中有3個監(jiān)測站點質(zhì)量濃度值高于70 μg?m-3,PM2.5質(zhì)量濃度介于 49.35~93.94 μg?m-3之間。2—6 月峰值逐漸變小,低質(zhì)量濃度值的分布范圍變廣,同時月份質(zhì)量濃度最小值逐漸降低,其中,2月峰值下降到 52.21 μg?m-3,最小值也下降至 32.95 μg?m-3;6 月峰值僅29.37 μg?m-3,為全年月份峰值最低??傊?—6月份整個珠三角PM2.5污染狀況較輕。6—8月為全年質(zhì)量濃度的波谷期,其中,6月PM2.5質(zhì)量濃度 介 于 13.21~29.37 μg?m-3之 間 ,7 月 介 于14.65~33.77 μg?m-3之間,8月介于18.50~40.46 μg?m-3之間,8月最小值和最大值都有小幅上升,,但總體低于35 μg?m-3,僅8月肇慶、佛山、廣州部分區(qū)域質(zhì)量濃度值高于 35 μg?m-3。9—12 月珠三角 PM2.5污染狀況逐漸加重,9月開始,峰值持續(xù)變大;10月 PM2.5質(zhì)量濃度介于 37.99~68.20 μg?m-3之間,全境質(zhì)量濃度高于35 μg?m-3;11月PM2.5質(zhì)量濃度介于 32.99~57.74 μg?m-3之間,東南部極小范圍出現(xiàn)較低值,全境大部分質(zhì)量濃度仍高于35 μg?m-3;12月PM2.5質(zhì)量濃度介于 47.12~77.38 μg?m-3之間,為該時段最高。
圖4、圖5顯示,PM2.5年均、月均質(zhì)量濃度的空間分布異質(zhì)性十分明顯。遠(yuǎn)離海洋的珠三角北部地區(qū)因山脈阻隔等原因,空氣擴(kuò)散條件差,成為PM2.5高濃度區(qū)域,整體呈現(xiàn)明顯的“西北—東南”三級遞減分異格局,與李婕等(2014)、昌晶亮等(2015)、王占山等(2015)、藺雪芹等,(2016)、王淑蘭等(2005)、郭建斌等(2009)、肖悅等(2017)研究結(jié)果一致;下墊面性質(zhì)不均勻、靠海區(qū)域,形成小尺度區(qū)域性環(huán)流,海陸風(fēng)的強(qiáng)度在海岸最大,隨著離岸距離增加而減弱,影響距離在20~50 km,空氣擴(kuò)散條件好(王明潔等,2018;王堅等,2017),故深圳、中山、珠海PM2.5質(zhì)量濃度較低。圖3和表3、表4顯示,2013—2016年,珠三角PM2.5質(zhì)量濃度超標(biāo)情況逐年得到改善,如4年內(nèi)未曾出現(xiàn)嚴(yán)重污染及以上的污染情況;中度污染天數(shù)只出現(xiàn)在2013年和2014年;輕度污染天數(shù)呈現(xiàn)逐年下降趨勢,由2013年的36 d下降到2016年7 d,同時各月 PM2.5低質(zhì)量濃度天數(shù)占比正逐漸增多;輕度污染易出現(xiàn)的時間集中在1月、10月、11月、12月(歐陽等,2015;黃亞林等,2015),且回落迅速,可快速達(dá)到優(yōu)或良的標(biāo)準(zhǔn)。
綜上可知,PM2.5質(zhì)量濃度變化的驅(qū)動機(jī)制既包括區(qū)域大氣環(huán)流、極端天氣、地貌地形、區(qū)域傳輸?shù)茸匀灰蛩兀舶üI(yè)污染、燃煤、汽車尾氣、生物質(zhì)燃燒、垃圾焚燒等人為因素(Roca et al.,2001;孫志豪等,2013;周侃等,2016)。2014年2月7日,廣東省人民政府印發(fā)了《廣東省大氣污染防治行動方案(2014—2017年)》,力爭珠三角區(qū)域細(xì)顆粒物(PM2.5)年均濃度在全國重點控制區(qū)域率先達(dá)標(biāo)。以上方案實施以來,珠三角 PM2.5污染狀況逐年改善,空氣質(zhì)量逐漸提高。
此外,PM2.5輕度污染易出現(xiàn)的時間集中在 1月、10月、11月、12月,且每次持續(xù)天數(shù)不多,PM2.5質(zhì)量濃度迅速降低,使空間質(zhì)量迅速回至“優(yōu)”或“良”。這一濃度變化特征導(dǎo)致污染期 PM2.5濃度值與正常期差異顯著。因此,在易發(fā) PM2.5污染的月份,如1月、10月、11月、12月,加強(qiáng)PM2.5質(zhì)量污染的即時性監(jiān)測與濃度信息發(fā)布,采取逐日性、逐時性的預(yù)警與防治措施,可有效避免高濃度PM2.5影響大氣能見度,誘發(fā)呼吸性疾病。
本研究采用監(jiān)測點實時數(shù)據(jù)空間插值方法分析 PM2.5質(zhì)量濃度的空間分布模式,由于環(huán)境監(jiān)測站點的數(shù)量有限,站點的空間分布也不均勻,無法覆蓋到空間每一個點上,雖然通過插值可了解區(qū)域整體質(zhì)量濃度空間分布,但是稀疏區(qū)域精細(xì)模擬與更為精細(xì)的空間模式分析仍有待加強(qiáng)(潘竟虎等,2014;Yan et al.,2017)。
PM2.5質(zhì)量濃度空間插值結(jié)果顯示,珠三角PM2.5質(zhì)量濃度的空間分布模式呈現(xiàn)“西北—東南”三級遞減分異,北部、西北廣州、佛山、肇慶PM2.5質(zhì)量濃度較高,東莞、中山、江門次之,惠州、深圳、珠海3個城市的南部和東南部質(zhì)量濃度值低。廣州、佛山和肇慶等相對遠(yuǎn)離海岸的城市為 PM2.5污染高-高集聚中心,深圳和珠海等沿海城市表現(xiàn)為低-低集聚(郭新彪等,2013;昌晶亮等,2015;Fang et al.,2016)。
基于珠三角 PM2.5監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)各監(jiān)測點實時質(zhì)量濃度數(shù)據(jù),運(yùn)用分級統(tǒng)計、空間插值等方法,開展了新標(biāo)準(zhǔn)背景下珠三角2013—2016年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度的時空演變特征研究,得出以下主要結(jié)論:
受自然地理條件和人為活動影響,PM2.5質(zhì)量濃度時間與空間異質(zhì)十分明顯,珠三角北部 PM2.5年均質(zhì)量濃度高,深圳、中山、珠海 PM2.5監(jiān)質(zhì)量濃度值較低,整體呈現(xiàn)明顯的“西北—東南”三級遞減分異格局,但是 PM2.5質(zhì)量濃度呈逐年降低之勢,以PM2.5為代表的空氣污染狀況趨于好轉(zhuǎn)。
PM2.5輕度污染易出現(xiàn)的時間集中在1月、10月、11月、12月,每次持續(xù)天數(shù)不多,空氣質(zhì)量可迅速回至“優(yōu)”或“良”。建議在易發(fā)PM2.5污染的4個月里,加強(qiáng)PM2.5質(zhì)量污染的即時性監(jiān)測與濃度信息發(fā)布,如能采取逐日性、逐時性的預(yù)警與防治措施,可有效避免高濃度PM2.5影響大氣能見度、誘發(fā)呼吸性疾病等威脅。