2013年北京市PM2.5重污染日时空分布特征研究

程念亮，李云婷，邱启鸿，董 欣，孙瑞雯

北京市环境保护监测中心，北京 100048

近年来，随着国家经济的高速发展、城市化进程的加快和工业规模的扩大，大气污染形势较为严重，特别是环境保护重点地区和城市，环境问题已成为制约城市可持续发展的重要因素［1－2］。近年来以细颗粒物PM2.5为主导因素的灰霾现象日趋严重，对公众健康和城市景观构成较大威胁［3］。PM2.5是指环境空气中空气动力学粒径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为细颗粒物。它的直径还不到人的头发丝直径的二十分之一［4］，PM2.5由一次微粒和二次微粒组成。新《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)［5］将PM2.5纳入常规空气质量评价，这也是中国首次制定PM2.5标准。

北京是中国的首都，地处华北平原西北端，三面环山，地形呈典型的“簸箕状”特征，大气污染物扩散条件偏差;全市2 000多万人口、500多万辆机动车以及大量的生产、服务活动又造成污染物排放总量较大。随着城市的发展，使得大气污染呈较重的态势［6-8］。特别是2013年1月，中东部、西南10省、自治区、直辖市，100多万平方公里区域出现持续严重PM2.5污染天气;北京也不例外，1月北京共发生4次连续重污染过程。为应对重污染局面，2013年10月市政府重点推出了《北京市空气重污染应急预案(试行)》［9］，完善了应急管理机制，将空气重污染应急纳入全市应急体系统一管理。

本文利用2013年北京市环境保护监测中心监测的 PM2.5浓度数据，针对北京市重污染日PM2.5的污染问题，从基本污染水平、时间分布、空间分布等多个侧面展开分析研究，较为全面系统地认识北京市重污染日PM2.5的浓度水平、逐月变化，空间分布特征。为更好开展城市PM2.5浓度预测预报工作，为管理部门提供准确、及时、全面的信息，同时配合目前正在进行全国范围的PM2.5监测工作，对改善区域大气环境质量具有十分重要的意义。

1 监测布点和监测方法

1.1 监测布点

北京市空气质量监测网络由35个站点(图1)组成，包括1个城市清洁对照点，23个城市环境评价点，6个区域背景传输点，5个交通污染监控点;覆盖所有区县，包括区域背景、郊区、城镇、交通干道、居住区等不同的环境类型，所有站点全部经过GPS定位［10-11］;细颗粒物监测数据为35个站点 2013年1—12月的逐日平均浓度资料。

1.2 监测方法

35个空气质量自动监测子站PM2.5质量浓度的监测均采用微量振荡天平(TEOM)方法的Thermo 1405F系列仪器，操作流程严格按照文献［12］中有关技术规范进行，每天24 h连续采样，设备定期检查并及时维护保养，在1 a的监测时间内有效数据捕获率超过95%，数据样本量充足。

图1 观测站点分布和分类

2 重污染日PM2.5逐月分布

《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ 633—2012)分级方法中规定，200＜AQI≤300 即150 μg/m3＜ PM2.5日均值≤250 μg/m3为重度污染，300 ＜AQI≤500 即 250 μg/m3＜PM2.5日均值≤600 μg/m3为严重污染。依据国家标准，结合2013年北京市逐日AQI变化情况，计算了北京市重污染日天数的逐月分布，见图2。

图2 2013年北京PM2.5浓度和重污染天数逐月分布

由图2可见，2013年重度污染日累计58 d，占到全年天数的15.9%。重污染日细颗粒物24小时平均浓度为218 μg/m3。1月份重污染日最多，其次是2、3月份，8月份没有重污染日。整体来说，重污染日冬季最多，其次是春、秋季，夏季最少;夏季比冬季次数明显较少是因为夏季大气垂直运动活跃，气旋活动频繁，降水较多，污染物扩散条件较好;而冬季大气垂直扩散条件较差加之采暖季燃烧更多燃料，重污染日较多［13-15］。

1—2、12月重污染日PM2.5平均浓度与该月月均浓度相比差别最大，比年均值高出110 μg/m3以上，7月重污染日PM2.5平均浓度高出该月月均浓度幅度最小，为 93.7 μg/m3。

3 重污染日PM2.5空间分布

由图3可见，空间分布上，PM2.5年均浓度呈现明显的南北梯度分布特征，西北和东北地区污染程度最轻，东南地区污染程度最重，城六区浓度水平总体好于西南地区，年均浓度水平空间分布按升序排列:西北＜东北＜城六区＜西南＜东南;重污染期间各地区平均浓度分布情况与年均浓度一致，平均浓度水平空间分布按升序排列:西北＜东北＜城六区＜西南＜东南。空气质量较好的北部地区，重污染期间细颗粒物平均浓度与该地区全年平均浓度差异较小，为100 μg/m3左右，空气质量较差的南部地区差异较大，特别是东南部地区，达到 140 μg/m3。

图3 不同方位PM2.5浓度变化

全市35个站的监测结果显示，全市PM2.5年均浓度的空间分布差异显著。各监测点PM2.5年均浓度范围为59～123 μg/m3，最低浓度出现在区域背景传输点密云水库，最高浓度出现在区域背景传输点房山琉璃河;而重污染期间各监测点PM2.5平均浓度范围为138 ～257 μg/m3，最低浓度出现在区域背景传输点京西北八达岭，最高浓度出现在区域背景传输点房山琉璃河。

如图4所示，不同环境功能站点PM2.5年均浓度水平分布按升序排列:城市清洁对照点＜城市环境评价点＜区域背景传输点＜交通污染控制点;而重污染期间平均浓度水平分布按升序排列:城市清洁对照点＜区域背景传输点＜城市环境评价点＜交通污染控制点;不同环境功能站点年均浓度水平分布与季节特征有关，冬季燃煤量较大，逆温频繁，混合层高度较低，区域空气污染状况较重，大气污染跨界传输作用明显［16-21］，而重污染期间污染物经过一定的污染传输及积累，空间分布比较均匀，一定程度上导致城市环境评价点浓度整体略高于背景传输点。由于交通环境监控点靠近道路两侧，污染物排放量相对较大，而6个区域背景传输点分布在北京周边，南北站点浓度差异较大，造成区域背景传输点的平均浓度低于交通污染监控点。此外6站点平均浓度不能充分体现出背景传输点浓度分布的特点，需要进一步对每个站点详细分析，这里不过多论述。

图4 不同功能站点PM2.5浓度变化

采用克里格(Kriging)插值法对北京市PM2.5年均浓度和重污染日平均浓度进行空间插值，克里格插值法建立在半变异函数理论分析基础上，是对有限区域内变量取值进行无偏最优估计并应用广泛的一种方法，插值准确性取决于点的分布及个数［22］。北京市全市国土面积约16 000 km2，用克里格插值将其最优化分为4 537个网格(约1.9 km一个网格)，统计不同浓度段所占的网格数即可计算出其对应的国土面积。图5为插值后该市PM2.5的空间分布，年均PM2.5空间分布与监测结果大体一致;北部的密云、怀柔、昌平定陵以南地区，浓度均在70 μg/m3左右，中心城区浓度水平在90 μg/m3左右，而南部的丰台、房山、大兴、亦庄、通州等区县浓度升高到100 μg/m3以上;这些空间分布特征与模拟及卫星反演研究成果基本一致［23-24］，PM2.5在太行山以东呈现区域性特征，存在大范围 PM2.5高值区(PM2.5＞100 μg/m3)，特别是河北中南部、北京南部地区。重污染日北京市PM2.5相对均匀，西北的延庆、怀柔、昌平定陵以南地区，浓度均在120 μg/m3左右，中心城区浓度水平在180 μg/m3左右，而南部的丰台、房山、大兴、亦庄、通州等区县浓度升高到190 μg/m3以上，南部及城六区存在明显的高污染区。

图5 PM2.5的年均值及重污染日分布

在PM2.5浓度插值的基础上，初步统计了不同浓度段北京市国土面积分布，见表1。可以看出，重污染日PM2.5平均浓度为75～115 μg/m3所对应的国土面积比全年PM2.5平均浓度在75～115 μg/m3时的国土面积减少8 055 km2，PM2.5平均浓度为115～150 μg/m3的国土面积比全年增加2 611 km2，PM2.5平均浓度在 150 ～250 μg/m3时所对应的国土面积为12 656 km2，PM2.5平均浓度在250 μg/m3以上所对应的国土面积为883 km2(全年PM2.5平均浓度在150 μg/m3以上对应的国土面积为零)。由于35个点位较集中分布在城六区，郊区点位数较少，且空气质量级别对应的PM2.5浓度段差别较大，插值后统计的面积结果肯定存在一定的不确定性，需要进一步分析研究［25-26］。

表1 北京市2013年不同浓度区间的国土面积初步统计 km2

4 结论

1)2013 年全市PM2.5年均浓度为89.5 μg/m3，重污染日PM2.5平均浓度为218 μg/m3，重污染日主要集中在冬季;

2)PM2.5年均浓度呈现明显的南北梯度分布特征，重污染日空间分布较均匀，南部及城六区存在明显的高污染区，平均浓度在180 μg/m3以上;

3)重污染日 PM2.5平均浓度在150～250 μg/m3的国土面积约为 12 656 km2，PM2.5平均浓度在250 μg/m3以上所对应的国土面积约为883 km2，而全年 PM2.5平均浓度在 150 μg/m3以上对应的国土面积为零。

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