珠海市PM2.5時(shí)空分布特征及其成因分析

趙新鋒，鐘欣 ，胡嘉驄，王萌，羅望，楊虹

(1.珠海市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站， 廣東 珠海 519000；2.北京師范大學(xué)珠海分校不動(dòng)產(chǎn)學(xué)院 ，廣東 珠海 519087)

珠海市PM2.5時(shí)空分布特征及其成因分析

趙新鋒1，鐘欣2*，胡嘉驄2，王萌1，羅望1，楊虹1

(1.珠海市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站， 廣東 珠海 519000；2.北京師范大學(xué)珠海分校不動(dòng)產(chǎn)學(xué)院 ，廣東 珠海 519087)

可入肺顆粒物；時(shí)空分布；化學(xué)組成；珠海

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)日益增長(zhǎng)，城市大氣環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，尤其是大氣顆粒物對(duì)環(huán)境的影響日益凸顯，成為亟待解決的熱點(diǎn)環(huán)境問題[1]。PM2.5導(dǎo)致大氣能見度降低，對(duì)人體健康、氣候環(huán)境變化帶來嚴(yán)重影響，成為影響城市大氣環(huán)境質(zhì)量的核心問題[2-5]。為研究PM2.5的污染規(guī)律和影響因素，國內(nèi)外專家針對(duì)PM2.5成分特征、來源解析、氣象因素、跨區(qū)域輸送、預(yù)測(cè)模擬等方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究[6-14]。珠海市位于我國華南珠江三角洲地區(qū)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，2014和2015年P(guān)M2.5年均值分別為34和31μg/m3，空氣質(zhì)量整體良好，但在特殊氣象條件下仍然存在著PM2.5超標(biāo)污染過程，灰霾天氣時(shí)有發(fā)生。珠海市PM2.5的來源既有來自珠三角地區(qū)區(qū)域傳輸影響，也包含本地直接排放污染源，如工業(yè)排放、機(jī)動(dòng)車排放、火電廠以及揚(yáng)塵和生物質(zhì)燃燒排放等[15]。珠三角地區(qū)受東北氣流和沿海東南氣流的共同影響，高濃度污染過程時(shí)有發(fā)生[16]。氣象因素影響并作用于PM2.5污染過程，溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、大氣壓等氣象因子與顆粒物污染存在相關(guān)性[17-18]。

現(xiàn)以珠海市國控監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2015年P(guān)M2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，分析PM2.5的化學(xué)組成，探究PM2.5時(shí)空分布特征以及氣象因素對(duì)ρ(PM2.5)的影響，對(duì)大氣中PM2.5來源進(jìn)行解析，為珠海市PM2.5針對(duì)性治理提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理計(jì)算，得到2015年全年4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位PM2.5月均值，以此為依據(jù)利用ArcGIS軟件反距離加權(quán)法(IDW)進(jìn)行插值分析，得到整個(gè)珠海地區(qū)ρ(PM2.5)空間分布特征。利用SPSS 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用Spearman 相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行ρ(PM2.5)與氣象要素的相關(guān)分析。

圖1 2015年珠海市PM2.5國控站點(diǎn)及其年均化學(xué)組成

IDW插值是GIS中常用的精確插值方法，基本原理是假設(shè)未知值的點(diǎn)受近距離控制點(diǎn)影響比遠(yuǎn)距離控制點(diǎn)的影響更大，其通用方程為：

式中：zp——未知點(diǎn)p的ρ(PM2.5)估計(jì)值, μg/m3；zi——控制點(diǎn)i的z值，各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的ρ(PM2.5), μg/m3；di——控制點(diǎn)i與點(diǎn)p間的距離, m；n——估算中用到的控制點(diǎn)數(shù)目；k——確定的冪。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5化學(xué)組成及時(shí)間分布特征

2.1.1 PM2.5化學(xué)組成

對(duì)珠海市監(jiān)測(cè)站點(diǎn)采樣分析，獲得組分包括碳質(zhì)組分、水溶性離子、礦物質(zhì)以及痕量元素等。2015年珠海市大氣PM2.5年均值為31.0 μg/m3，其中日均值最高為112.8 μg/m3，最低為5.1 μg/m3。

表1 2015年珠海市站點(diǎn)PM2.5主要組分平均值 μg/m3

2.1.2 PM2.5季節(jié)變化特征

珠海市大氣PM2.5變化具有顯著的季節(jié)變化特征， PM2.5月分布特征見圖2。由圖2可見，珠海市ρ(PM2.5)總體呈現(xiàn)冬秋季高，春夏低的分布特征，月變化大體呈現(xiàn)“V”字型分布，在2月份和10月份濃度值較高，高于其他月份，5月份至8月份ρ(PM2.5)處于低值，與珠海市氣象條件及污染物的區(qū)域傳輸季節(jié)變化特征相關(guān)。

圖2 ρ(PM2.5)月分布特征

珠海市屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季(12、1和2月)受北方冷空氣團(tuán)影響，北方地區(qū)輸送現(xiàn)象明顯，且冬季大氣呈現(xiàn)靜穩(wěn)狀態(tài)，逆溫現(xiàn)象多有出現(xiàn)，大氣穩(wěn)定程度高，不利于污染物擴(kuò)散。春夏季(3—8月)受東南季風(fēng)控制，大氣水平輸送與擴(kuò)散能力強(qiáng)，來自海洋的潔凈氣團(tuán)對(duì)PM2.5的去除有一定作用，同時(shí)降水對(duì)PM2.5的去除現(xiàn)象顯著，這與珠三角地區(qū)氣象條件對(duì)PM2.5季節(jié)變化影響研究一致[24]。其中，夏季異常值的出現(xiàn)，主要是受熱帶氣旋外圍下沉氣流控制，在短時(shí)間內(nèi)大氣邊界層顯著降低，污染物迅速累積，造成ρ(PM2.5)升高的污染事件。

圖3 珠海市2015年大氣PM2.5中主要組分季節(jié)分布

2.1.3 PM2.5日變化規(guī)律

根據(jù)2015年珠海市各國控監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5的每日24 h平均值的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得到圖4。由圖4可見，工作日ρ(PM2.5)變化區(qū)間段為32.84～35.44 μg/m3，周末為30～33 μg/m3，工作日和周末均呈現(xiàn)整體穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。其中，工作日ρ(PM2.5)在05:00—07:00達(dá)到高值，隨著白天太陽輻射逐漸增強(qiáng)，近地面大氣混合層高度有所增加，空氣不穩(wěn)定程度加大，使得顆粒物濃度隨之下降。但是午后氣溫進(jìn)一步上升，于13:00左右ρ(PM2.5)進(jìn)一步增大，污染加重。隨后由于珠海市位處東南沿海地區(qū)，在下午極易獲得太陽短波輻射，出現(xiàn)局部對(duì)流天氣，伴隨局地水平風(fēng)的加強(qiáng)，空氣稀釋擴(kuò)散作用加大，ρ(PM2.5)逐漸下降，至18:00左右其值達(dá)到全天低谷值。由于交通晚高峰的出現(xiàn)，至20:00—21:00其值再度有所上升，與自身不易沉降的特性有關(guān)系[25]；周末ρ(PM2.5)在日出后隨著人類活動(dòng)的增加和氣溫的提升，其值開始升高，至午后濃度相對(duì)較高并保持穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，隨之ρ(PM2.5)開始下降，至16:00左右出現(xiàn)全天最低值。此后，ρ(PM2.5)再次回升，至21:00左右達(dá)到峰值。ρ(PM2.5)整體表現(xiàn)為工作日高于周末，工作日比周末平均高出約3 μg/m3，可能是因?yàn)楣ぷ魅战煌髁看?，人類活?dòng)頻繁，周末人類活動(dòng)相對(duì)較低所致，被稱為周末效應(yīng)[26-27]。珠海市空氣中PM2.5主要來自工業(yè)排放和機(jī)動(dòng)車排放，工業(yè)排放相對(duì)穩(wěn)定，ρ(PM2.5)升高與人們活動(dòng)量和交通高峰時(shí)間基本一致，因此出現(xiàn)周末比工作日低的負(fù)效應(yīng)[28]，說明機(jī)動(dòng)車排放是ρ(PM2.5)變化的一個(gè)重要影響因素。

圖4 珠海市ρ(PM2.5)日變化

2.2 PM2.5空間分布特征

利用ArcGIS中反距離權(quán)重法研究PM2.5空間分布特征，得出2015年珠海市PM2.5的空間分布情況，見圖5。由圖5和表1可見，PM2.5各個(gè)站點(diǎn)年均值變化差異較小，29.04～31.90 μg/m3，ρ(PM2.5)變化呈現(xiàn)“東高西低，北重南輕”的變化趨勢(shì)。但仍可看出空間分部的差異特征。唐家點(diǎn)位于珠江口西岸的淇澳島紅樹林保護(hù)區(qū)，同時(shí)也是珠海市最北端，周邊環(huán)境植被豐富，本地排放源相對(duì)較少，ρ(PM2.5)主要源于區(qū)域范圍內(nèi)的背景質(zhì)量濃度，主要受其北方區(qū)域傳輸影響較大，背景濃度偏高。斗門站點(diǎn)附近本地排放源相對(duì)分散，人口密度低于其余站點(diǎn)密集，地址位置處于西南，受區(qū)域輸送影響程度相對(duì)較小。

其珠海市ρ(PM2.5)差異特征主要受珠海市的地形特征、氣候條件和海域環(huán)境等原因所限。從地形上看，珠海市區(qū)內(nèi)有大量的山脈，山脈的存在使得顆粒物易在山脈一側(cè)聚集，濃度升高，而山脈的另一側(cè)受影響不大，這種地形條件是造成珠海市顆粒物污染南北差異的原因之一。從氣候來看，珠海市冬季氣溫較低，自11月到次年2月受冷氣團(tuán)控制，以北風(fēng)、西北風(fēng)為主，大量顆粒物隨氣流夾帶至市區(qū)，被山脈阻擋，造成珠海市北部地區(qū)ρ(PM2.5)升高。

圖5 2015年珠海市ρ(PM2.5)分布(單位：μg/m3)

2.3 PM2.5與氣象因子相關(guān)性

在污染排放相對(duì)穩(wěn)定條件下，氣象因素的選擇對(duì)研究PM2.5的污染十分重要。選用Spearman相關(guān)系數(shù)分析珠海市各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5與氣溫、風(fēng)速、氣壓、相對(duì)濕度氣象條件的相關(guān)性，相關(guān)性結(jié)果見表2。由表2可見，PM2.5與氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氣壓呈正相關(guān)關(guān)系。珠海市夏季溫度最高，同時(shí)伴隨著熱帶氣旋和降雨天氣，風(fēng)速大，相對(duì)濕度高的氣象條件使PM2.5容易相互聚結(jié)為粒徑較大的粒子發(fā)生沉降，從而使得大氣環(huán)境中細(xì)粒子質(zhì)量濃度下降，與國內(nèi)其他學(xué)者得出結(jié)論一致[29-30]。2015年珠海市形成顆粒物污染最為常見的天氣形勢(shì)主要是大陸冷高壓，主要出現(xiàn)在1—2月，相對(duì)濕度較低，此時(shí)珠海市位于高壓底部，冷峰前部，氣流下沉，大氣環(huán)境靜穩(wěn)，容易形成逆溫層，不利于污染物的稀釋與擴(kuò)散。

表2 ρ(PM2.5)與氣象因素的Spearman相關(guān)系數(shù)**在置信度(雙側(cè))為0.05時(shí)，相關(guān)性是顯著的；**在置信度(雙側(cè))為0.01時(shí)，相關(guān)性是顯著。

3 結(jié)論

(1) 空間特征。珠海市ρ(PM2.5)的空間分布具有一定的梯度特征，且冬季比春季更為明顯。區(qū)域PM2.5受季節(jié)影響顯著，受到地形、排放源、氣象因素等影響呈現(xiàn)“東高西低，北重南輕”分布趨勢(shì)。

(2) 時(shí)間特征。ρ(PM2.5)月變化呈“V”字型，季節(jié)分布春夏季優(yōu)于秋冬季，在1月其值達(dá)到最高，5—7月最低。從日變化規(guī)律來看，工作日ρ(PM2.5)變化曲線呈現(xiàn)雙峰趨勢(shì)。在05:00—07:00和 12:00—13:00出現(xiàn)峰值，傍晚交通高峰時(shí)，ρ(PM2.5)有升高趨勢(shì)，非工作日期間顆粒物值低于工作日，且峰值有明顯的延遲滯后現(xiàn)象。

(4) 氣象因素相關(guān)性。風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣壓、溫度是影響珠海市ρ(PM2.5)的主要?dú)庀笠蜃?。?PM2.5)與氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與氣壓呈現(xiàn)正相關(guān)。其中，與相對(duì)濕度和氣壓的相關(guān)性較高，與溫度的相關(guān)性較低。天氣形勢(shì)變化以及關(guān)鍵氣象要素的改變，對(duì)ρ(PM2.5)變化有一定的指示意義，可為預(yù)警和控制PM2.5污染提供參考依據(jù)。

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SpatialTemporalVariationCharacteristicsandReasonAnalysisofPM2.5ConcentrationinZhuhai

ZHAO Xin-feng1, ZHONG Xin2 *, HU Jia-cong2, WANG Meng1, LUO Wang1, YANG Hong1

(1.ZhuhaiEnvironmentalProtectionMonitoringStation,Zhuhai，Guangdong519000,China;2.CollegeofRealEstate,BeijingNormalUniversity,Zhuhai,Guangdong519087,China)

PM2.5; Spatial temporal distribution; Chemical composition; Zhuhai

2017-04-19；

2017-05-06

趙新鋒(1977—),男，博士，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。

*通訊作者：鐘欣 E-mail:zhongxin@whu.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-6732.2017.06.012

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1674-6732(2017)06-0053-06