2002—2012年京津唐PM10變化規(guī)律及差異

楊書申，邵龍義

1．中原工學(xué)院，河南 鄭州 450007

2．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083

隨著中國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，大氣污染區(qū)域性和復(fù)合型特征日趨明顯，3個最重要的城市群(京津唐城市群、珠三角城市群以及長三角城市群)都已經(jīng)顯現(xiàn)出嚴(yán)重的區(qū)域空氣污染問題［1］。京津唐城市群大氣污染中，顆粒物為首要污染物［2-4］，該地區(qū)是中國政治、經(jīng)濟和文化中心，具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位，3市的空氣污染研究受到前所未有的重視，近年來有關(guān)北京和天津大氣顆粒物組成的研究較多［5-13］，但缺乏對區(qū)域內(nèi)其他工業(yè)城市大氣顆粒物及相互影響的同步觀測研究［14-15］。對京津唐城市群大氣顆粒物質(zhì)量濃度長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合3市的地理、氣候氣象條件，分析了京津唐城市群大氣顆粒物質(zhì)量濃度的變化特征及相互之間的差異，為區(qū)域大氣污染協(xié)同防控提供決策參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

京津唐城市群是指北京、天津和冀東重要城市唐山之間三角地帶的廣大地區(qū)，位于華北平原東北部，華北地區(qū)與東北地區(qū)間的結(jié)合部。北京市距唐山市150 km，唐山市距天津市120 km，天津市距北京市137 km，土地總面積4.2萬平方千米(占全國土地總面積的0.4%)，人口2 975.8萬人(占全國總?cè)丝诘?.4%)。

根據(jù)國家環(huán)境保護部網(wǎng)站公布的北京市、天津市和唐山市2002年6月1日—2012年5月31日環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將污染指數(shù)表示的當(dāng)天可吸入顆粒物(PM10)的污染情況轉(zhuǎn)換為質(zhì)量濃度值，具體轉(zhuǎn)換方法見文獻(xiàn)［16］，其中部分缺失的數(shù)據(jù)可由北京市環(huán)保局、天津市環(huán)保局、河北省環(huán)保局和唐山市環(huán)保局網(wǎng)站提供的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)補充，若部分日期數(shù)據(jù)同時缺失，可根據(jù)前后2 d空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)線性插值得到。

2 2002—2012年京津唐大氣質(zhì)量變化

圖1統(tǒng)計了北京、天津和唐山的空氣質(zhì)量分布，由于2002年和2012年數(shù)據(jù)不是整年的數(shù)據(jù)，故只給出了2003—2011年的分布圖。

圖1 北京、天津和唐山空氣質(zhì)量分布

由圖1可見，3市空氣質(zhì)量優(yōu)良率都在增加，北京市的優(yōu)良率從61.37%增加到78.08%，天津市從72.33%增加到87.95%，唐山市從66.3%增加到90.68%，說明經(jīng)過10 a的大氣污染治理，城市大氣質(zhì)量都有較大改善。2003—2011年3市空氣質(zhì)量為良以下的天數(shù)中，首要污染物為PM10、二氧化硫的天數(shù)分布見表1。

表1 北京、天津和唐山各首要污染物分布天數(shù) d

由表1可見，3市的首要污染物主要是PM10，其次是二氧化硫，3市都沒有出現(xiàn)二氧化氮為首要污染物的情況。

2003—2011年3市 PM10年均濃度變化見圖2。

圖2 北京、天津和唐山PM10濃度年平均值

由圖2可見，北京市PM10年均濃度比天津、唐山高，最高值(0.161 mg/m3)出現(xiàn)在2006年，隨后逐年下降;天津、唐山市PM10年均濃度總體上都呈下降趨勢，其中有些年份略有起伏。按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—1996)，2003—2011年北京市PM10質(zhì)量濃度年平均值超過二級標(biāo)準(zhǔn)，2008、2011年天津市PM10質(zhì)量濃度年均值達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)，唐山市從2008年后PM10質(zhì)量濃度年均值達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)。

由于3市地理環(huán)境、氣候條件、社會經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等不同，污染物逐日變化有較大差別，2002年6月—2012年5月期間北京市的PM10質(zhì)量濃度最小值為0.012 mg/m3，污染最嚴(yán)重時超過標(biāo)準(zhǔn)最高限(0.600 mg/m3)，最大值是最小值的50倍;同期，天津市為0.014 mg/m3，污染最嚴(yán)重時超過標(biāo)準(zhǔn)的最高限，最大值是最小值的42.9倍;唐山市為0.019 mg/m3，污染最嚴(yán)重時為0.452 mg/m3，最大值是最小值的23.8倍?？梢?，北京市PM10質(zhì)量濃度的變化幅度在3市中最大，天津市次之，唐山市最小，引起北京市PM10質(zhì)量濃度變化的因素更復(fù)雜。

圖3為PM10質(zhì)量濃度的月度變化曲線。

圖3 2002年6月—2012年5月北京、天津和唐山PM10質(zhì)量濃度月平均值

由圖3可見，北京市的月平均值大多比天津、唐山市高，北京市8月的PM10質(zhì)量濃度平均值最低，但仍然達(dá)到0.108 mg/m3，而同期天津、唐山市月平均最高值分別為0.084、0.079 mg/m3，北京市PM10的月平均最高值超過0.165 mg/m3，說明北京市PM10污染要比天津、唐山市嚴(yán)重。3地PM10的月變化趨勢也有所不同:北京市PM10濃度在4月較高，隨后逐漸降低，8月最低，隨后又逐漸升高;天津市的月變化趨勢和北京非常類似，只是變化幅度有所差異;而唐山市在1月較高，隨后逐漸降低，8月達(dá)到最低值，以后又逐漸升高。

分別以3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月和次年1、2月為冬季，可以得出PM10質(zhì)量濃度的季節(jié)平均值變化趨勢，見圖4。

圖4 北京、天津和唐山PM10質(zhì)量濃度的季節(jié)變化

由圖4可見，2002年夏季—2012年春季，北京市PM10質(zhì)量濃度季節(jié)平均值為春季＞秋季＞冬季＞夏季，天津、唐山市為冬季＞春季＞秋季＞夏季，但不同年份的變化趨勢略有不同，說明PM10質(zhì)量濃度的變化受當(dāng)年的天氣變化影響。這些與有關(guān)研究得出的北京市大氣顆粒物污染除了與本地污染源排放有直接關(guān)系外，還與區(qū)域性大氣污染狀況及氣象條件等密切相關(guān)，相鄰地區(qū)和城市之間存在著大氣污染物的輸送和相互影響的結(jié)論一致［17-18］。

3 京津唐大氣顆粒物質(zhì)量濃度變化的差異性分析

為更好地分析京津唐大氣顆粒物質(zhì)量濃度變化的差異性，以發(fā)散系數(shù)(CD，也稱分歧系數(shù))［19-22］來衡量2個城市大氣顆粒物質(zhì)量濃度的差異。CD是自歸一化參數(shù)，其表達(dá)式為

式中:j和k代表2個城市，p代表同時在城市j和k監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)量(天數(shù))，xij和xik分別代表第i天在城市j、k監(jiān)測出的大氣顆粒物質(zhì)量濃度。CD越接近0，說明2地的大氣顆粒物質(zhì)量濃度越接近。特殊情況下，若CD等于0，說明2地的大氣顆粒物質(zhì)量濃度完全一樣;CD越接近1，2地的大氣顆粒物質(zhì)量濃度差別越大［23］。

分別計算北京、天津、唐山之間不同周期(月、年)大氣顆粒物質(zhì)量濃度的CD值。圖5是3市之間大氣顆粒物質(zhì)量濃度CD值的月度變化圖。

圖5 北京、天津和唐山PM10質(zhì)量濃度的月度CD值變化

由圖5(a)可見，不同月份3市大氣顆粒物質(zhì)量濃度的CD值變化很大，北京－唐山之間的CD最大值和最小值分別為0.402 7(出現(xiàn)在2006年4月)、0.159 2(2003年9月)，北京－天津之間的CD最大值和最小值分別為0.406 8(2010年10月)、0.142 9(2003年1月)，天津－唐山之間的CD最大值和最小值分別為0.323 1(2010年9月)、0.107 8(2003 年 3 月)。已有研究［21-26］認(rèn)為，CD值為0～0.2時2個研究對象必定相似，0.2～0.5可能相似，0.5～1.0必定不相似。按照此劃分指標(biāo)，北京、天津、唐山3市大氣顆粒物質(zhì)量濃度之間變化的差異介于必定相似和可能相似之間，3市之間大氣顆粒物質(zhì)量濃度變化有較多的相似性，說明3地大氣顆粒物污染有一定的相關(guān)性，相互影響較大，特別是空間距離較近的天津市和唐山市之間相互影響更大。

由圖5(b)可見，3市在不同月份之間的差異不同，2月CD值都較低，表明2月影響3市大氣顆粒物污染的因素近似;10月CD值都較高，表明10月影響3市大氣顆粒物污染的因素較多且差別較大，造成3市大氣顆粒物質(zhì)量濃度差異較大。同時，3個城市當(dāng)中，北京市與唐山市之間的差異最大，與天津市之間的差異次之，天津市與唐山市之間的差異最小，也說明空間距離最近的天津－唐山之間大氣污染的相互影響較北京－天津、北京－唐山之間大。這與整個研究時間段內(nèi)3市大氣顆粒物質(zhì)量濃度的CD值的變化關(guān)系(圖6)一致。

圖6 3市PM10質(zhì)量濃度的CD值變化

按年度統(tǒng)計3市大氣顆粒物質(zhì)量濃度的CD值(圖7)，總體上都呈上升趨勢，說明3市大氣顆粒物污染隨著時間的推移和經(jīng)濟社會的發(fā)展，差別有變大的趨勢，也說明3市的大氣顆粒物污染治理工作進(jìn)展有一定的差異。

圖7 3市間PM10質(zhì)量濃度的年度CD值變化

4 結(jié)論

2003—2011年北京市PM10質(zhì)量濃度年平均值超過二級標(biāo)準(zhǔn)，2008、2011年天津市PM10質(zhì)量濃度年平均值達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)，唐山市從2008年后PM10質(zhì)量濃度年平均值達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)。

2002—2012年3市的PM10質(zhì)量濃度變化范圍分別為0.012～0.600、0.014～0.600、0.019～0.452 mg/m3，北京市顆粒物質(zhì)量濃度受影響因素的影響變化較大。

2002年夏季—2012年春季，北京市PM10質(zhì)量濃度總體變化趨勢為春季＞秋季＞冬季＞夏季，天津、唐山市為冬季＞春季＞秋季＞夏季，但不同年份的變化趨勢略有不同，說明PM10質(zhì)量濃度的變化受當(dāng)年的天氣變化影響。

北京－唐山、北京－天津、天津－唐山之間的PM10月度 CD值變化范圍分別為0.402 7～0.159 2、0.406 8 ～0.142 9、0.323 1 ～0.107 8。不同周期的CD值相比表明，北京－唐山之間的差異最大，北京－天津的差異次之，天津－唐山的差異最小，空間距離最近的天津－唐山之間大氣污染的相互影響較北京－天津、北京－唐山之間大。

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