2013—2017年京津冀區(qū)域PM2.5濃度變化特征

孟曉艷，張 霞，侯玉婧，李婧妍，賈國(guó)山，葉春霞，宮正宇

1.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 2.興義市環(huán)境保護(hù)局，貴州 興義 562400 3.萊州市環(huán)保局，山東 萊州 261400

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和化石燃料(如煤、石油、天然氣等)的過度消耗，區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量惡化，空氣污染問題引起高度關(guān)注[1]。城市空氣污染物排放和空氣質(zhì)量改善問題，尤其PM2.5污染已成為人們普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題[2]。研究表明，PM2.5對(duì)人體健康、能見度和氣候變化[3-5]均具有重要影響，其相關(guān)研究是環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2012年我國(guó)頒布了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)[6]，標(biāo)準(zhǔn)中增加PM2.5濃度限值。京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角地區(qū)及直轄市、省會(huì)城市和計(jì)劃單列市共計(jì)74個(gè)地級(jí)及以上城市率先于2013年1月1日起開展了PM2.5監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，PM2.5是當(dāng)前困擾城市環(huán)境空氣質(zhì)量改善和達(dá)標(biāo)管理的重要二次污染物[7]。在2013年以前，中國(guó)尚未開展全國(guó)范圍PM2.5常規(guī)監(jiān)測(cè)，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展的相關(guān)研究大多基于某城市或城市群的實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)[8-12]，時(shí)間尺度也較短，缺乏大尺度長(zhǎng)時(shí)間序列PM2.5濃度變化特征及趨勢(shì)研究。

2013年9月10日，為切實(shí)改善我國(guó)空氣質(zhì)量，國(guó)務(wù)院印發(fā)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(國(guó)發(fā)〔2013〕37號(hào)，簡(jiǎn)稱《氣十條》)?！稓馐畻l》對(duì)2017年前大氣污染治理給出了詳細(xì)治理藍(lán)圖，明確經(jīng)過2013—2017年5年努力，全國(guó)空氣質(zhì)量總體改善，重污染天氣較大幅度減少。其中大氣污染嚴(yán)重的京津冀區(qū)域降低目標(biāo)最嚴(yán)格，要求京津冀區(qū)域PM2.5濃度下降25%左右，北京市PM2.5年均質(zhì)量濃度控制在60 μg/m3左右。

本文利用2013—2017年京津冀區(qū)域13個(gè)城市PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析京津冀區(qū)域PM2.5濃度時(shí)空變化特征、變化趨勢(shì)，展示2013—2017年區(qū)域PM2.5治理成效，為PM2.5污染防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和評(píng)價(jià)方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為2013—2017 年京津冀區(qū)域13個(gè)城市PM2.5日均濃度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)控城市環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖1，共計(jì)80個(gè)點(diǎn)位，其中4個(gè)清潔對(duì)照點(diǎn)不參與統(tǒng)計(jì))，參與統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)均為審核后數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有效性滿足《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)[13]要求。監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行期間按照《環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 193—2005)[14]進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)和質(zhì)量控制。

1.2 評(píng)價(jià)方法

本文PM2.5濃度達(dá)標(biāo)情況根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3195—2012)中PM2.5日均濃度和年均濃度進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，PM2.5日均質(zhì)量濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是75 μg/m3，年均質(zhì)量濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是35 μg/m3?！董h(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)[15]中明確空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)為單項(xiàng)污染物的空氣質(zhì)量指數(shù)，本文將PM2.5日均濃度分為6個(gè)質(zhì)量級(jí)別：優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染，將PM2.5日均濃度重度污染和嚴(yán)重污染簡(jiǎn)稱為PM2.5重度污染。

注:底圖源自國(guó)家測(cè)繪地理信息局網(wǎng)站(http://www.sbsm.gov.cn/)(http://219.238.166.215/mcp/Default.html)1∶400萬(wàn)基本要素版《中華人民共和國(guó)地圖》(2008年6月國(guó)家測(cè)繪局制)，審圖號(hào)GS(2008)1 400號(hào)，下載日期2017-07-16。圖1 京津冀區(qū)域13個(gè)城市PM2.5監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布示意圖Fig.1 Distributions of PM2.5monitoring sites in 13 cities of Beijing-Tianjin-Hebei region

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5濃度分布特征

2.1.1 PM2.5日均濃度統(tǒng)計(jì)

以京津冀區(qū)域13個(gè)城市PM2.5日均濃度為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)PM2.5不同濃度區(qū)間出現(xiàn)的天數(shù)。從圖2可以看出，PM2.5日均質(zhì)量濃度主要集中在15～150 μg/m3。2013—2017年，京津冀區(qū)域PM2.5譜峰區(qū)間逐漸向低濃度范圍偏移且譜寬變窄；歷年P(guān)M2.5日均濃度分別超標(biāo)2 563、2 254、1 845、1 505、1 239 d，PM2.5重度污染分別發(fā)生945、780、449、427、333 d，京津冀區(qū)域PM2.5污染明顯改善。

圖2 京津冀區(qū)域PM2.5日均濃度分布Fig.2 Distributions of daily average PM2.5concentration in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.1.2 PM2.5年均濃度水平

2013—2017年，京津冀區(qū)域13個(gè)城市PM2.5年均質(zhì)量濃度的平均值分別為106、93、77、71、64 μg/m3，區(qū)域PM2.5年均質(zhì)量濃度嚴(yán)重超標(biāo)(圖3)。城市PM2.5年均質(zhì)量濃度的最大值分別為160、130、107、99、86 μg/m3，出現(xiàn)在邢臺(tái)、保定、石家莊和邯鄲(石家莊)市；最小值分別為40、35、34、32、32 μg/m3，均出現(xiàn)在張家口市。京津冀區(qū)域PM2.5日均濃度超標(biāo)天數(shù)比例逐年下降，已由2013年的54.1%降至2017年的26.1%。

圖3 京津冀區(qū)域PM2.5年均質(zhì)量濃度和PM2.5日均值超標(biāo)天數(shù)比例Fig.3 Statistics of annual average PM2.5concentrations and PM2.5nonattainment days in Beijing-Tianjin-Hebei region

表1給出了京津冀區(qū)域13個(gè)城市2013—2017年P(guān)M2.5年均質(zhì)量濃度變化特征。與2013年相比，2017年13個(gè)城市PM2.5年均濃度呈現(xiàn)不同程度下降，降幅為20.0%～50.0%，平均下降39.6%，超額完成《氣十條》既定目標(biāo)25%。其中，邢臺(tái)市PM2.5年均質(zhì)量濃度降幅最大，從160 μg/m3降至80 μg/m3；2017年北京市PM2.5年均質(zhì)量濃度為58 μg/m3，實(shí)現(xiàn)了《氣十條》中規(guī)定的“到2017年，北京市細(xì)顆粒物年均質(zhì)量濃度控制在60 μg/m3左右”目標(biāo)。2013—2017年13個(gè)城市PM2.5年下降濃度情況顯示：張家口、承德、秦皇島3個(gè)城市平均每年下降1.9～5.7 μg/m3；北京、天津、滄州3個(gè)城市降7.5～9.1 μg/m3；其他城市PM2.5年均下降質(zhì)量濃度超過10 μg/m3，其中邢臺(tái)市2013—2017年平均每年下降20.3 μg/m3。結(jié)合圖1可以看出，PM2.5年均濃度最高的區(qū)域主要分布于太行山前的河北南部地區(qū)，包括保定、石家莊、邢臺(tái)等城市；而太行山、燕山西部及北部的張家口、承德等城市PM2.5濃度相對(duì)較低。

表1 京津冀區(qū)域13個(gè)城市2013—2017年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度逐年變化Table 1 Variations of PM2.5 annual concentrationsof 13 cities in Beijing-Tianjin-Hebei area

2.1.3 各百分位數(shù)濃度變化

為進(jìn)一步分析京津冀區(qū)域13個(gè)城市PM2.5濃度變化特征，對(duì)2013—2017 年13個(gè)城市PM2.5最小值、第20～95百分位數(shù)及平均值、最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)算方法參考《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》，利用PM2.5有效日均濃度分別求取13個(gè)城市的各百分位數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，京津冀區(qū)域則為13個(gè)城市統(tǒng)計(jì)結(jié)果的算術(shù)平均值。從表2可以看出，2013—2017年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度在各百分位數(shù)(第20～95百分位數(shù))均呈現(xiàn)一致性下降趨勢(shì)，且隨著百分位數(shù)增大而下降率加大。其中，PM2.5年均質(zhì)量濃度平均每年下降10.6 μg/m3。

表2 2013—2017年京津冀區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度各百分位數(shù)年平均降低值Table 2 Yearly variation of PM2.5 percentileconcentrations in Beijing-Tianjin-Hebeiregion from 2013 to 2017 μg/m3

2.2 PM2.5時(shí)間變化特征

2.2.1 PM2.5日均濃度各質(zhì)量級(jí)別比例逐月變化

2013—2017年京津冀區(qū)域13個(gè)城市PM2.5日均濃度優(yōu)良級(jí)別比例分別為45.9%、52.2%、61.0%、68.4%和73.9%，空氣質(zhì)量持續(xù)改善；PM2.5日均濃度重度污染天數(shù)比例分別為19.9%、16.6%、9.5%、9.0%和7.0%，呈不斷下降趨勢(shì)。由于京津冀區(qū)域冬季空氣擴(kuò)散條件較差，進(jìn)入采暖期后易出現(xiàn)PM2.5日均濃度重污染。從圖4可以看出，2016年12月PM2.5日均濃度優(yōu)良級(jí)別比例僅為30.8%，比2013—2015年及2017年同期有所下降，2013—2015年及2017年同期PM2.5日均濃度優(yōu)良級(jí)別比例分別為40.4%、48.9%、36.0%和65.4%。

圖4 京津冀區(qū)域PM2.5日均濃度各質(zhì)量級(jí)別比例逐月變化Fig.4 Monthly variations of proportion of PM2.5 quality levels in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.2.2 PM2.5月均濃度及重污染天數(shù)

圖5為2013—2017年京津冀區(qū)域13個(gè)城市PM2.5濃度、PM2.5重度污染天數(shù)的逐月分布，城市PM2.5最高月均質(zhì)量濃度出現(xiàn)在2013年1月(石家莊，333 μg/m3)，其次為2016年12月(石家莊，277 μg/m3)?？傮w來(lái)看，京津冀區(qū)域PM2.5濃度呈明顯下降趨勢(shì)，并具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，呈現(xiàn)出冬季(12月及次年1、2月)>秋季(9、10、11月)>春季(3、4、5月)>夏季(6、7、8月)，歷年4—10月京津冀區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度平均值分別為83、73、57、53、51 μg/m3。

由于冬季靜穩(wěn)天氣頻繁出現(xiàn)、降水少等不利氣象擴(kuò)散條件以及京津冀區(qū)域燃煤污染物排放總量增加等原因，京津冀區(qū)域冬季PM2.5污染形勢(shì)嚴(yán)峻，PM2.5重度污染天數(shù)增加明顯拉升PM2.5濃度。PM2.5月均濃度和PM2.5重度污染天數(shù)呈明顯正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)是0.98。2016年12月京津冀區(qū)域共計(jì)出現(xiàn)PM2.5重度污染170 d，頻繁出現(xiàn)的重污染過程造成該月PM2.5平均質(zhì)量濃度為150 μg/m3，僅次于2013年1月、2014年2月；2017年1—2月共發(fā)生222 d重度污染，PM2.5平均質(zhì)量濃度為111 μg/m3，明顯高于2015、2016年同期的163 d(106 μg/m3)和91 d(76 μg/m3)。

圖5 京津冀區(qū)域PM2.5月均濃度和重污染及以上天數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics of PM2.5monthly concentrations and PM2.5heavy pollution days in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.3 重污染對(duì)PM2.5濃度影響分析

2.3.1 PM2.5重污染頻次

2013—2017年，京津冀區(qū)域13個(gè)城市累計(jì)發(fā)生PM2.5重度污染945、780、449、427、333 d，2013—2017年3個(gè)城市PM2.5重度污染天數(shù)呈下降趨勢(shì),詳見表3。

表3 2013—2017年京津冀區(qū)域13個(gè)城市PM2.5重度污染天數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of PM2.5heavy pollution daysof 13 cities in Beijing-Tianjin-Hebeiregion from 2013 to 2017 d

北京2013—2017年分別出現(xiàn)PM2.5重度污染58、45、42、38、22 d；天津分別為50、34、25、28、25 d；石家莊分別為134、95、48、71、48 d。2017年3個(gè)城市發(fā)生的PM2.5重度污染天數(shù)較2013年下降50%及以上。2016年石家莊PM2.5重度污染天數(shù)反彈，較2015年增加23 d。從逐年P(guān)M2.5累計(jì)重度污染天數(shù)(圖6)可以看出，北京以持續(xù)3～5 d重度污染為主，2013—2017年累計(jì)出現(xiàn)87 d；天津則以持續(xù)1～2 d重度污染為主，2013—2017年累計(jì)出現(xiàn)72 d；石家莊PM2.5重度污染較北京、天津嚴(yán)重，持續(xù)1～2 d、3～5 d及5 d以上分別累計(jì)發(fā)生106、152、138 d。

圖6 北京、天津、石家莊市PM2.5重度污染持續(xù)時(shí)間及天數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics of PM2.5heavy pollution days durationin Beijing, Tianjin and Shijiazhuang

2.3.2 重度污染對(duì)PM2.5年均濃度影響

從圖7可見，京津冀區(qū)域13個(gè)城市2013—2017年P(guān)M2.5平均質(zhì)量濃度為35～112 μg/m3，區(qū)域平均質(zhì)量濃度為82 μg/m3；PM2.5非重度污染天的平均質(zhì)量濃度為33～77 μg/m3，區(qū)域平均質(zhì)量濃度為63 μg/m3。2013—2017年京津冀區(qū)域PM2.5平均質(zhì)量濃度與非重度污染天相比升高19 μg/m3；PM2.5重度污染天的平均質(zhì)量濃度為157～248 μg/m3，區(qū)域平均質(zhì)量濃度為217 μg/m3，較非重度污染天時(shí)高244.4%。

圖7 2013—2017年P(guān)M2.5年均濃度對(duì)比圖Fig.7 Comparison of PM2.5annual concentration in the last 5 years

3 結(jié)論

1)2013—2017年，京津冀區(qū)域PM2.5污染整體較重，但治理成效顯著，區(qū)域歷年P(guān)M2.5年均質(zhì)量濃度為106、93、77、71、64 μg/m3，完成《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》PM2.5濃度下降25%左右的目標(biāo)，但仍超過國(guó)家PM2.5年均濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的2.03、1.66、1.20、1.03、0.83倍，達(dá)標(biāo)城市僅有張家口市。

2)京津冀區(qū)域13個(gè)城市PM2.5濃度在各百分位數(shù)(第20～95百分位數(shù))上均呈現(xiàn)一致性下降趨勢(shì)，且隨百分位數(shù)增大而下降速率加大。其中，區(qū)域PM2.5年均質(zhì)量濃度平均每年下降10.6 μg/m3，污染嚴(yán)重的太行山沿線城市邢臺(tái)、石家莊、邯鄲3個(gè)城市年下降率位于區(qū)域前三名，平均每年分別下降20.3、16.1、13.9 μg/m3。

3)2013—2017年京津冀區(qū)域PM2.5重度污染天數(shù)比例分別為19.9%、16.6%、9.5%、9.0%、7.0%，呈下降趨勢(shì)。京津冀區(qū)域大范圍重污染過程主要集中發(fā)生在秋、冬季，2013—2017年區(qū)域PM2.5平均質(zhì)量濃度相比不計(jì)入重度污染天升高19 μg/m3，PM2.5重度污染天的平均質(zhì)量濃度較非重污染時(shí)高244.4%，重度污染過程直接推高PM2.5年均濃度。