詹慶明 戴文博，3 劉 穩(wěn)

1 武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢，430072

2 武漢大學(xué)數(shù)字城市研究中心，湖北武漢，430072

3 廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州，510060

PM2.5是空氣污染物的主要成分之一，其對(duì)環(huán)境的影響范圍和人類健康危害程度遠(yuǎn)大于其他空氣污染物。目前，對(duì)PM2.5的研究已從多方面展開(kāi)，主要包括PM2.5的數(shù)據(jù)獲取、時(shí)空分析、來(lái)源解析、影響機(jī)制和健康影響等領(lǐng)域。而當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于PM2.5的時(shí)空分布研究多集中在全國(guó)［1，2］、城市群［3，4］和特大型城市［5?7］尺度上，對(duì)中小型城市的PM2.5污染研究較少。本文以襄陽(yáng)市為研究區(qū)，分析其PM2.5污染總體水平及冬季典型月份的PM2.5污染時(shí)空分布特征，在此基礎(chǔ)上，分析各類氣象要素對(duì)襄陽(yáng)市PM2.5濃度變化的影響，為空氣污染的防治和居民生活提供參考。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

襄陽(yáng)市位于湖北省西北部，是湖北省第二大地級(jí)市，下轄三區(qū)三市三縣，本文研究區(qū)域?yàn)橄尻?yáng)市中心城區(qū)。研究區(qū)域2015—2018年的PM2.5數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，襄陽(yáng)市共有4個(gè)國(guó)測(cè)站點(diǎn)；襄陽(yáng)市在市區(qū)內(nèi)布設(shè)了180臺(tái)微觀空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)設(shè)備（簡(jiǎn)稱監(jiān)測(cè)微站），本文獲取到其中147個(gè)監(jiān)測(cè)微站2018?02?01—2018?02?28共計(jì)28天的逐時(shí)PM2.5濃度數(shù)據(jù)；獲取國(guó)家氣象觀測(cè)站襄樊站2015—2018年的氣象數(shù)據(jù)，包含氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、氣壓、降水量、能見(jiàn)度等氣象要素。站點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。

圖1 襄陽(yáng)市站點(diǎn)空間分布Fig.1 Distribution of Sites in Xiangyang

1.2 研究方法

1.2.1 PM2.5濃度空間插值方法

本文采用交叉驗(yàn)證法對(duì)比克里金法、反距離加權(quán)法、規(guī)則樣條函數(shù)法［8］的空間插值效果。在147個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中隨機(jī)選取20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為驗(yàn)證點(diǎn)（抽樣點(diǎn)分布均勻），對(duì)余下的127個(gè)站點(diǎn)的PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，統(tǒng)計(jì)其與20個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)空間對(duì)應(yīng)的插值數(shù)據(jù)結(jié)果，用平均絕對(duì)誤差（mean absolute error，MAE）、均方根（root mean square，RMS）、平均相對(duì)誤差（mean relative error，MRE）進(jìn)行評(píng)價(jià)。三者數(shù)值越小，空間插值效果越好。計(jì)算公式如下：

抽樣數(shù)量為20時(shí)，不同插值方法的指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表1，克里金法的MAE、RMS和MRE數(shù)值均為最小，故本文使用克里金法進(jìn)行插值計(jì)算。

表1 不同空間插值方法可靠性分析結(jié)果Tab.1 Reliability Analysis Results of Different Spatial Interpolation Methods

1.2.2 相關(guān)性分析方法

許多研究采用非參數(shù)相關(guān)分析法探究各類氣象要素對(duì)濃度的影響。最經(jīng)典的非參數(shù)分析法是斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)［9］，該方法對(duì)線性和非線性相關(guān)關(guān)系均適用。本文基于襄陽(yáng)市2015—2018年共48個(gè)月的PM2.5數(shù)據(jù)和同期的氣象數(shù)據(jù)，采用該方法并使用SPSS 20.0軟件分析襄陽(yáng)市PM2.5污染與多種氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系，分析它們?cè)诓煌竟?jié)的相關(guān)性。

2 結(jié)果分析

2.1 襄陽(yáng)市PM2.5污染總體水平

如圖2所示，襄陽(yáng)市2015—2018年的PM2.5年均濃度值總體呈下降趨勢(shì)。其中，2016年和2018年與上一年相比下降幅度較大。PM2.5年均濃度顯著降低，說(shuō)明襄陽(yáng)市采取的揚(yáng)塵污染整治、散煤和露天燒烤及噴涂整治、機(jī)動(dòng)車柴油質(zhì)量抽檢、工業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物治理、夏季秸稈禁燒、工業(yè)鍋爐污染整治和重點(diǎn)行業(yè)減排等一系列舉措，使空氣質(zhì)量持續(xù)改善。

圖2 2015—2018年襄陽(yáng)市PM2.5年均濃度值Fig.2 Annual Average Concentration of PM2.5 in Xiangyang from 2015 to 2018

從圖3可以看出，PM2.5月均濃度值隨月份呈“U”型分布，具有明顯的季節(jié)性特征，各年份均表現(xiàn)為冬季高、夏季低，各季節(jié)月均值則表現(xiàn)為冬季（12月—次年2月）>秋季（9月—11月）>春季（3月—5月）>夏季（6月—8月）；PM2.5月均濃度最高值均出現(xiàn)在1月，最低值都出現(xiàn)在7月。襄陽(yáng)市夏季高溫多雨，PM2.5在降雨作用下快速沉降到地面，使PM2.5濃度降低，而冬季降雨較少，且靜風(fēng)、小風(fēng)天氣頻繁，導(dǎo)致PM2.5不容易擴(kuò)散和沉降，造成濃度升高。

圖3 2015—2018年襄陽(yáng)市PM2.5月均濃度值Fig.3 Monthly Average Concentration of PM2.5 in Xiangyang from 2015 to 2018

根據(jù)PM2.5健康影響分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［10，11］統(tǒng) 計(jì)2015—2018年四季的各等級(jí)污染天數(shù)比例，見(jiàn)圖4。冬季超標(biāo)天數(shù)比例最高，4年均超過(guò)69%，且嚴(yán)重污染情況均出現(xiàn)在冬季，說(shuō)明襄陽(yáng)市冬季PM2.5污染十分嚴(yán)峻，但襄陽(yáng)市冬季超標(biāo)天數(shù)比例在逐漸下降，說(shuō)明采取的防控措施在冬季已取得明顯效果。而在其他3個(gè)季節(jié)，PM2.5濃度超標(biāo)天數(shù)的比例都低于35%，夏季PM2.5濃度超標(biāo)情況較少，其中2016年和2018年夏季100%為優(yōu)、良。襄陽(yáng)市采取的措施使PM2.5污染情況持續(xù)改善，但冬季污染水平依然較高，居民受PM2.5污染影響不容忽視，應(yīng)當(dāng)采取措施進(jìn)一步防控。

圖4 2015—2018年襄陽(yáng)市各季節(jié)PM2.5污染等級(jí)分布Fig.4 Distribution of PM2.5 Pollution Levels in Xiang?yang in Each Season from 2015 to 2018

2.2 冬季典型月的PM2.5污染時(shí)空特征

針對(duì)襄陽(yáng)市冬季PM2.5污染水平居高的情況，本文選取冬季典型月（2018年2月）進(jìn)行時(shí)空分布特征分析。由圖5可知，全月PM2.5日均值均超過(guò)一級(jí)濃度限值35μg/m3，其中有20天超過(guò)了二級(jí)濃度限值75μg/m3，占全月的71%，PM2.5污染情況嚴(yán)重。

圖5 襄陽(yáng)市2018年2月PM2.5日均濃度值統(tǒng)計(jì)Fig.5 Daily Average Concentration of PM2.5 in Xiangyang in February 2018

2018年2月共經(jīng)歷了4次明顯的污染過(guò)程，分別為7日—11日、13日—19日、21日—22日、26日—27日，其中13日—19日描繪出一個(gè)完整的、典型的、持久的PM2.5污染變化過(guò)程，PM2.5濃度在13日迅速增加，并持續(xù)升高，在19日達(dá)到峰值，直到20日才有所緩解，該污染階段正值春節(jié)假期，居民集中燃放煙花爆竹，以及過(guò)節(jié)期間高污染燃料的使用是PM2.5濃度飆升的主要原因。2018年2月，共在9日、16日、19日、21日、26日出現(xiàn)5次峰值，其中4次日均值最大值都發(fā)生在五洲國(guó)際監(jiān)測(cè)微站，已超過(guò)中度污染及重度污染水平，26日則是在中眾化學(xué)監(jiān)測(cè)微站。兩處微站分別位于深圳工業(yè)園和余家湖工業(yè)園，說(shuō)明污染型工業(yè)企業(yè)對(duì)周邊地區(qū)空氣質(zhì)量影響嚴(yán)重。

圖6展示了襄陽(yáng)市監(jiān)測(cè)微站2018年2月的全月、工作日、休息日（非春節(jié)假期）及春節(jié)假期的PM2.5月平均逐時(shí)濃度。工作日的日變化曲線有明顯的雙峰形態(tài)特征，峰值分別出現(xiàn)在8：00~10：00和20：00~22：00，均出現(xiàn)在上下班高峰期后，白天峰值高于夜晚，說(shuō)明襄陽(yáng)市PM2.5明顯受通勤高峰期機(jī)動(dòng)車尾氣密集排放的影響，這與其他地區(qū)相關(guān)研究結(jié)果一致［4，12］。此外，休息日白天的PM2.5濃度相對(duì)較低，由于沒(méi)有了早晚集中出行高峰，沒(méi)有呈現(xiàn)雙峰形態(tài)曲線。工作日與休息日夜晚PM2.5濃度都較高，這可能與大氣邊界層風(fēng)溫結(jié)構(gòu)有關(guān)［13］，襄陽(yáng)市2018年2月以多云天氣為主，早晚逆溫現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，空氣污染物在垂直方向上交換能力較差，擴(kuò)散被抑制。

圖6 2018年2月PM2.5月平均逐時(shí)濃度Fig.6 Monthly Average Hourly Concentration of PM2.5 in Xiangyang in February 2018

PM2.5逐時(shí)濃度在春節(jié)假期期間明顯高于其他時(shí)段，可能是因?yàn)樵诖汗?jié)期間，大量煙花鞭炮的使用對(duì)PM2.5的瞬時(shí)影響很大，大年三十（2018年2月15日）晚上是燃放鞭炮和煙花的高峰期。如圖7所示，2018年2月15日晚上至2月16日上午，PM2.5逐時(shí)濃度持續(xù)上升，并在2月16日上午9：00達(dá)到最高值253μg/m3，步入嚴(yán)重污染等級(jí)，對(duì)居民健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。

圖7 襄陽(yáng)市春節(jié)假期（2018‐02‐15—2018‐02‐21）PM2.5逐時(shí)濃度均值Fig.7 Hourly Average of PM2.5 Concentration of Xiang?yang During Spring Festival（2018?02?15—2018?02?21）

相關(guān)研究表明，PM2.5在空間上的分布有顯著差異［14］。對(duì)襄陽(yáng)市監(jiān)測(cè)微站2018年2月的PM2.5點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，生成28天的250 m網(wǎng)格PM2.5濃度空間分布圖，見(jiàn)圖8。可以看出，2018年2月的4次污染過(guò)程展現(xiàn)出不同的PM2.5污染空間分布特征，2018年2月7日—11日受西北沙塵傳輸影響，顆粒物在西北風(fēng)、北風(fēng)、西風(fēng)的作用下來(lái)到襄陽(yáng)市中心城區(qū)，并由北向南逐漸擴(kuò)散，在9日達(dá)到峰值，表現(xiàn)為全域PM2.5輕度或中度污染，東高西低。2018年2月16日—19日受節(jié)假日居民集中燃放煙花鞭炮影響，污染程度最重。在2018年春節(jié)期間，襄陽(yáng)市的煙花爆竹限放區(qū)為襄陽(yáng)市主要建成區(qū)范圍，農(nóng)村地區(qū)并不受煙花燃放限制，而其東部為平原地區(qū)，在東部農(nóng)村燃放煙花爆竹產(chǎn)生的顆粒物可以輕易地飄散到城市建成區(qū)上空，16日，中心城區(qū)周邊區(qū)域的污染物在西北風(fēng)和東南風(fēng)的交替作用下抵達(dá)城區(qū)，在中心城區(qū)西北部集聚，17日—18日，在西北風(fēng)的作用下，污染物向城市東南方向擴(kuò)散，在持續(xù)降雨作用下，19日后PM2.5污染有所緩解。2018年2月26日—27日，PM2.5濃度再次攀升，漢江和唐白河南岸的襄城區(qū)和襄州區(qū)的污染物濃度迅速升高，并在南風(fēng)作用下向北側(cè)擴(kuò)散，從污染熱點(diǎn)區(qū)域來(lái)看，南岸的PM2.5污染出現(xiàn)在人口密度較高的居住區(qū)。

圖8 襄陽(yáng)市2018年2月PM2.5空間分布Fig.8 PM2.5 Daily Average Concentration Change of Xiangyang in February 2018

總體來(lái)看，襄陽(yáng)市中心城區(qū)在2018年2月發(fā)生重度污染時(shí)，PM2.5污染空間分布差異明顯。在多個(gè)日期中，PM2.5濃度空間分布在漢江和唐白河兩岸存在明顯差異，以漢江與唐白河連線為界，出現(xiàn)高低分異明顯的情況，這可能是由于河流等自然要素對(duì)PM2.5有一定的消減作用，對(duì)PM2.5的空間擴(kuò)散有阻擋。

2.3 PM2.5濃度與氣象要素的相關(guān)性

PM2.5濃度與污染物排放、氣象條件和治理措施等因素相關(guān)，污染源和治理措施變化不大時(shí)，氣象要素對(duì)PM2.5濃度影響起主要作用。利用2015—2018年氣象要素與PM2.5濃度月均數(shù)據(jù)（48個(gè)月）分析兩者的相關(guān)性，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯?，PM2.5濃度與氣溫和能見(jiàn)度呈顯著負(fù)相關(guān)，與氣壓呈顯著正相關(guān)，與降水、風(fēng)速、相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。從各個(gè)季節(jié)的相關(guān)性來(lái)看，PM2.5濃度在各個(gè)季節(jié)與氣溫、能見(jiàn)度依然是負(fù)相關(guān)，與氣壓呈顯著正相關(guān)，而與相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水量的相關(guān)性則在不同季節(jié)有所差別，說(shuō)明在不同季節(jié)PM2.5濃度的主要影響因素有差異。較高的風(fēng)速能顯著提升空氣污染物的擴(kuò)散速度，而降水則能有效促進(jìn)大氣顆粒物沉降，但在襄陽(yáng)市，冬季的PM2.5濃度與這兩個(gè)氣象要素卻沒(méi)有呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與襄陽(yáng)市的地理環(huán)境和氣候特點(diǎn)密不可分，襄陽(yáng)市冬季靜小風(fēng)天氣頻繁、降雨較少，此時(shí)氣象要素對(duì)PM2.5濃度高低的影響較小。

表2 PM2.5濃度與氣象要素的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation Coefficients Between PM2.5 Concentration and Meteorological Parameters

3 結(jié)束語(yǔ)

1）襄陽(yáng)市近年P(guān)M2.5污染情況逐漸好轉(zhuǎn)，但總體污染水平仍較高。襄陽(yáng)市PM2.5濃度月均值具有明顯的季節(jié)性，隨月份呈“U”型分布，各年份均顯現(xiàn)出冬季高、夏季低的特征，而各季節(jié)月均值差異則表現(xiàn)為冬季（12月—次年2月）>秋季（9月—11月）>春季（3月—5月）>夏季（6月—8月），只在冬季出現(xiàn)嚴(yán)重污染等級(jí)，說(shuō)明襄陽(yáng)市冬季PM2.5污染情況十分嚴(yán)峻。

2）2018年2月PM2.5濃度超標(biāo)20天，受爆竹煙花燃放、西北沙塵傳輸和工作日早晚出行高峰影響，PM2.5污染水平表現(xiàn)為春節(jié)假期>工作日>休息日（非春節(jié)假期），工業(yè)區(qū)污染水平較其他地區(qū)偏高。中心城區(qū)冬季發(fā)生重度污染時(shí)，PM2.5污染空間分布差異明顯，在多個(gè)日期中，PM2.5濃度空間分布在漢江和唐白河兩岸存在明顯差異。

3）襄陽(yáng)市的PM2.5濃度與氣溫、能見(jiàn)度呈顯著負(fù)相關(guān)，與氣壓呈顯著正相關(guān)，與降水、風(fēng)速、相對(duì)濕度等氣象要素呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。PM2.5濃度與氣象要素的相關(guān)程度在不同季節(jié)存在較大差異。