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(jīng)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(jù)監(jiān)測站PM2.5/PM10將天津市15個監(jiān)測站進行分類。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

天津市2019年全年的數(shù)據(jù)[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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)雙峰雙谷型。雙峰分別出現(xiàn)在7∶00-10∶00和19∶00-20∶00，雙谷分別出現(xiàn)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(xiàn)雙峰雙谷型，峰值出現(xiàn)在凌晨04∶00-05∶00和14∶00-15∶00，雙谷分別出現(xiàn)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(xiàn)在8∶00-10∶00，波谷值出現(xiàn)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(xiàn)在5∶00-6∶00，PM2.5/PM10最低值出現(xiàn)在19∶00-20∶00。

秋季PM2.5曲線波動不大。PM10呈現(xiàn)雙峰雙谷型，雙峰分別出現(xiàn)在9∶00-10∶00和20∶00-21∶00，雙谷分別出現(xiàn)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(xiàn)雙峰雙谷型，雙峰分別出現(xiàn)在5∶00-6∶00和15∶00-16∶00，雙谷分別出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jù)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(lián)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(jīng)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(shù)，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(xiàn)高峰，PM10則呈現(xiàn)雙峰雙谷型。雙峰分別出現(xiàn)在7∶00-10∶00和19∶00-20∶00，雙谷分別出現(xiàn)在3∶00-5∶00和14∶00-16∶00。PM2.5/PM10變化范圍為0.44-0.62，呈現(xiàn)雙峰雙谷型。夏季PM2.5和PM10日變化峰值出現(xiàn)在8∶00-10∶00，波谷值出現(xiàn)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(xiàn)在5∶00-6∶00，PM2.5/PM10最低值出現(xiàn)在19∶00-20∶00。秋季PM2.5日變化不明顯，PM10呈現(xiàn)兩峰兩谷型，PM2.5/PM10變化范圍為0.48-0.64，曲線呈現(xiàn)雙峰雙谷型。冬季PM2.5變化很平緩，PM10在15∶00-16∶00出現(xiàn)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(xiàn)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(jù)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(lián)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。