佛山市PM2.5污染时空分布特征研究

黄艳玲

(佛山市环境监测中心站，广东 佛山 528000)



佛山市PM2.5污染时空分布特征研究

黄艳玲

(佛山市环境监测中心站，广东 佛山 528000)

根据2014年佛山市环境空气质量实时发布平台发布的PM2.5监测数据研究了佛山市PM2.5污染时空分布特征。结果表明：2014年佛山市PM2.5日均浓度集中在16～45 μg/m3的浓度区间，PM2.5日均浓度超标的日子主要出现在秋冬季(1月、10～12月)和春季(3月)静稳天气多发的时段，以及夏季(6月)台风外围下沉气流影响时段。污染日平均浓度为101 μg/m3，为年均浓度45 μg/m3的2.2倍。污染时段周末的污染天数略高，受夜间逆温等气象条件影响，污染日内PM2.5各时刻的浓度出现夜间偏高。靠近污染源和污染输送通道的点位年均浓度较高。利用克里金插值进行年均浓度和污染日平均浓度空间分析发现，浓度高值区均位于与广州中心城区相邻，工业制造业较为发达的东北部。污染时段内，中度污染的污染带影响面积覆盖南海区和禅城区的大部分区域。

PM2.5；时空分布；污染；克里金插值

1　引言

近年来，不同地区开展的研究表明，细颗粒物(PM2.5)质量浓度与人体健康状况显著相关[1，2]，同时也对大气能见度有重要影响[3，4]，对水环境质量也有一定影响[5]。美国环境保护局在1997年提出了关于PM2.5的标准。我国于2012年由国家环保部颁发的最新环境空气质量标准《环境空气质量标准》(GB3095-2012)，明确规定了PM2.5的24 h平均浓度标准和年均浓度标准，并要求2016年全国实施。此前，不少城市已经逐步开展PM2.5在线实时监测，通过积累的数据展开相关的数据分析和挖掘。王敬等[6]对乌鲁木齐重污染期间PM2.5化学特征进行分析；吴兑等[7]分析了珠三角地区PM2.5长期变化趋势及灰霾天气出现的时段特征；杨复沫等[8]对北京市城区和居住区的PM2.5浓度季节变化特征进行研究；王文铮等[9]对上海市静安区PM2.5浓度变化趋势进行了分析。

佛山市位于珠江三角洲中部偏西，比邻广州西面，受地形和气象条件的影响PM2.5污染在区域内相对较高，影响了佛山市整体空气质量水平和空气质量综合指数排名[10]。在实施环境空气质量新标准后，随着大量的监测站点逐步开展扩项，累积大量的PM2.5监测数据，对海量数据进行数据挖掘和分析，探寻PM2.5污染变化规律，对空气质量的评价和重污染预报预警有重要的意义。本文以佛山市2014年环境空气质量自动监测网络监测所得的PM2.5浓度数据进行数据挖掘分析，探究污染时段PM2.5污染的时空分布特征。

2　监测网络及数据

2.1监测网络

本研究所使用的数据资料来源于佛山市空气质量实时发布平台所发布的2014年1月1日至2014年12月31日各个环境监测点位 PM2.5小时浓度，点位分布如图1。

图1　监测点位分布及类型

2.2监测方法

各监测站点均按照粤港澳珠三角区域空气质量监测网络[13]标准进行质量控制及质量管理，PM2.5监测仪均采用β射线法进行监测。监测的质量控制和质量保证措施均符合《珠江三角洲区域空气监控网络QA/QC手册》[12]相关规定进行，符合监测标准。

2.3监测数据统计方法

本研究按《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中对数据有效性的相关规定进行数据统计和计算，按照二类功能区所应符合的二级标准进行评价分析。PM2.5日均值超过75 μg/m3为达到轻度污染或以上。

3　结果与分析

3.1PM2.5污染时间变化特征

3.1.1PM2.5浓度区间分布特征

受亚热带降雨量充足，夏季太阳辐射强烈等气象条件影响，珠三角地区PM2.5湿沉降和大气污染垂直扩散条件较为有利，PM2.5污染少有达到“爆表”(PM2.5日均浓度超过250 μg/m3)的程度。但受珠三角季候风和三面环山一面向海的地形影响，位于珠三角偏西的佛山市容易受区域污染影响，加上本地污染囤积，形成PM2.5污染。根据2014年全市PM2.5日平均浓度的浓度区间分布的分析结果(图2)，全市PM2.5日均浓度集中在16～45 μg/m3浓度区间。全年有44%的日均浓度低于35 μg/m3(优)；87%的日均浓度低于75 μg/m3(轻度污染以下)，达到优良标准；仅有3%为中度污染，未出现过重度污染或以上的情况。

PM2.5日均浓度超标(超过75 μg/m3)的日子主要出现在1月、3月、6月、10～12月。1月和10～12月为秋冬季节，静稳天气多发，太阳辐射减弱大气垂直对流活动平缓，污染物容易囤积不易扩散；2月受春节长假期影响，生产生活污染排放减少，但3月份污染源水平恢复正常，加上春季季风变化，静稳天气和高湿天气不利于污染扩散，容易引发PM2.5污染。在6月等夏季月份，大气垂直对流活动强烈，大气混合层较高，降雨量大，有利于污染物的扩散稀释和沉降，空气质量较好，但受台风外围下沉气流影响时，常出现污染情况。

图2PM2.5日均浓度区间分布

3.1.2月变化特征

对2014年全市PM2.5污染日天数及平均浓度的逐月变化进行分析发现(图3)，全年PM2.5污染日天数为47天，占全年有效天数的12.9%。污染日平均浓度为101 μg/m3，为年均浓度45 μg/m3的2.2倍。超标天数较多的月份为1月、10～12月，4、5月和8、9月未出现超标，夏季(6～7月)的污染日浓度低于秋冬春季(1～3月和10～12月)，结果与上述一致，秋冬季扩散条件较差，污染多发，夏季降雨充足且垂直扩散有利，出现污染的情况较少，即使出现污染，污染程度相对秋冬春季较轻。秋冬季整体污染水平较高，污染日浓度与月均浓度差距较小，而春季污染日(2～3月)和夏季(6～7月)污染日浓度是月均浓度的2倍以上，可见在这两个时段内污染出现的频率较小，但变化的幅度比较大。

图3PM2.5浓度月变化

3.1.3周变化特征

2014年全市PM2.5浓度周变化不明显，浓度水平基本一致，周六日未因休假而出现生产生活排放大量减少的情况。而在污染时段，PM2.5浓度有一定的周变化差异，周五和周二平均浓度最高，周三最低，周末的污染天数略高，但浓度差异幅度不大，工作日和非工作日未出现显著差异。表明污染时段的污染水平一定程度上受工作日和非工作日的差异影响，但影响程度较小(图4)。

图4PM2.5浓度周变化

3.1.4日变化特征

为有效对比污染日内PM2.5浓度变化特征，除了对各时刻的平均浓度进行对比外，还对各时刻浓度的第95百分位数和第5百分位数进行分析(为避免异常数据不使用最大、最小值)。发现PM2.5日内变化不明显，各时刻平均值和第5百分位数夜间和日间的变化不大，第95百分位数夜间有偏高。污染日内PM2.5各时刻的浓度均值、第95百分位数和第5百分位数均出现夜间偏高。夜间容易受辐射逆温的影响，扩散条件差，污染物更容易囤积，最高浓度一般出现在7时或8时的日出前后时间，日出后太阳辐射逐步增强，逆温层逐渐消失，污染得到一定的消散，午后13时、14时最低，傍晚又再次因为地面迅速散热而逐步形成逆温条件(图5)。

图5PM2.5浓度日变化

3.2PM2.5污染空间分布特征

3.2.1不同类型点位对比

为对比PM2.5浓度空间分布，选取监测网络中典型的四种类型点位作为代表进行对比分析，包括位于中心城区内周边为居民楼或楼盘的居民区点位(图1中的1号点位)，位于汽车站和高速路附近的路网密集区点位(图1中的2号点位)，位于接近西部丘陵山区的近郊点位(图1中的3号点位)，以及靠近城市边界，受外来源影响较大的区域边界点位(图1中的4号点位)。

对四种不同点位的年均浓度和污染日浓度进行对比分析发现(图6)，年均浓度最高的是区域边界点位和路网密集区点位，近郊点位最低，居民区点位最接近全市平均水平(45 μg/m3)，各类点位的年均浓度差别不大，反映城市化程度已经比较高，污染水平无明显的城区和郊区之分，靠近污染源和污染输送通道的点位浓度较高；而污染日平均浓度最高为路网密集区点位，最低的仍为近郊点位，点位间的浓度差异比年均值的差异大。近郊点位接近全市背景浓度水平，在污染时期，受局地交通源影响的路网密集区点位更容易产生大气污染；而区域边界点位虽受外来输送影响，但污染物需要经过较远距离传输才能到达，中途还有部分的沉降和稀释，降低了污染影响的程度。

图6　2014年不同类型点位PM2.5浓度对比

3.2.2空间分布

以克里金插值法对监测网络内各点位监测浓度进行插值获得空间分布结果。克里金(Kriging)插值法又称空间自协方差最佳插值法，它是以南非矿业工程师D．G．Krige的名字命名的一种最优内插法。克里金法广泛地应用于地下水模拟、土壤制图等领域，是一种很有用的地质统计格网化方法。它首先考虑的是空间属性在空间位置上的变异分布，确定对一个待插点值有影响的距离范围，然后用此范围内的采样点来估计待插点的属性值[21]。

PM2.5年均浓度和污染日浓度进行插值结果如图7。年均浓度和污染日平均浓度的高值区均位于城市的东北部，与广州中心城区相邻的区域，同时也是工业制造业较为发达的区域之一。污染时段内，平均浓度达到中度污染(大于115 μg/m3)的区域自东北向城市中部延伸，形成污染带，影响面积覆盖南海区和禅城区的大部分区域(图7)。

(a)年均浓度(b)污染日平均浓度

图7PM2.5年均浓度及污染日平均浓度空间分布

4　结论

(1) 2014年佛山市PM2.5日均浓度集中在16～45 μg/m3浓度区间，全年有87%的日均浓度在轻度污染以下；PM2.5日均浓度超标的日子主要出现在秋冬季(1月、10～12月)和春季(3月)静稳天气多发的时段，以及夏季(6月)台风外围下沉气流影响时段。

(2) 2014年佛山市PM2.5污染日天数为47 d，占全年有效天数的12.9%。污染日平均浓度为101 μg/m3，为年均浓度45 μg/m3的2.2倍。超标天数较多的月份为1月、10～12月。

(3) 污染时段周末的污染天数略高，污染水平一定程度上受工作日和非工作日的差异影响，但影响程度较小。受夜间逆温等气象条件影响，污染日内PM2.5各时刻的浓度均值、第95百分位数和第5百分位数均出现夜间偏高。

(4) 市内不同类型点位的年均浓度差别不大，反映城市化程度已经比较高，污染水平无明显的城区和郊区之分，靠近污染源和污染输送通道的点位浓度较高。污染时段内，受局地交通源影响的路网密集区点位污染较重。

(5) 年均浓度和污染日平均浓度的高值区均位于与广州中心城区相邻，工业制造业较为发达的东北部。污染时段内，中度污染的污染带影响面积覆盖南海区和禅城区的大部分区域。

[1]Koch M. Airborne fine particalates in the environment: a review of health effect studies, monitoring data and emission inventories[R]. Laxengurg: IIASA, 2000.

[2]Panyacosit L. A review of particulate matter and health: focus on developing countries[R].Laxengurg: IIASA, 2000.

[3]Christoforou C S, Salmon L G, Hannigan M P, et al. Trends in fine particle concentration and chemical composition in southern California [J]. Jounal of Air & Waste Management Association, 2000(50):43～53.

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[5]贺克斌,杨复沫,段凤魁,等.大气颗粒物与区域复合污染 [M].北京:科学出版社,2011.

[6]王敬,毕晓辉,冯银厂,等. 乌鲁木齐市重污染期间PM_(2.5)污染特征与来源解析[J]. 环境科学研究,2014,27(19302):113～119.

[7]吴兑,刘啟汉,梁延刚,等. 粤港细粒子(PM_(2.5))污染导致能见度下降与灰霾天气形成的研究[J]. 环境科学学报,2012,3211:2660～2669.

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[9]王文铮. 上海市静安区PM_(2.5)浓度变化特征及其与PM_(10)的关系[J]. 北方环境,2013,25(9802):129～131.

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[11]广东省环境监测中心.广东省城市环境空气质量状况(2015年)[EB/OL].http://www.gdep.gov.cn/news/xwfb/201601/t20160122_208971.html

[12]广东省环境保护监测中心站.珠江三角洲区域空气监控网络QA/QC手册[M].广州:广东科技出版社,1992.

[13]Davis, John C. Statistics and data analysis in geology (3rd edition) [M]. New York: John Wiley & Sons, Inc, 2002: 57～61.

Analysis on Featuresof Spatial and Temporal Distribution of PM2.5During Pollution Period in Foshan

Huang Yanling

(FoshanEnvironmentalMonitoringCenterStation,Foshan,Guangdong, 528000,China)

Based on the PM2.5monitoring data released by Foshan environmental air quality real-time publishing platform in 2014, we analyzed the features of spatial and temporal distribution of PM2.5in Foshan City. It was found that the daily average concentration of PM2.5inFoshanconcentratedbetween 16 and 45μg/m3.The excessive days of PM2.5occurred mainly in autumn and winter (January, October to December) and spring (March) which static stability weather often appears, and summer (June) affected by Typhoon downdraft. The daily average concentration of PM2.5was 101 g/m3during pollution period, which was 2.2 times of the average annual concentration of 45 g/m3. The pollution days were slightly higher in weekends than working days. For the Inversion layer , the concentration of PM2.5appeared higher during the night.The annual concentration of monitoring stations near the pollution source and pollution transport channel was higher. The analysis of concentration interpolation during pollution period and normal period by Kriging interpolation showed usthat the high concentration value areas were located in the northeast of Foshan, which located adjacent to the central city of Guangzhou and had moredevelopedindustrial manufacturing. The mesosaprobicpollution zone covered most areas of Nanhai Districtand ChanchengDistrict during pollution period.

PM2.5; spatial and temporal distribution; pollution; Kriging interpolation

2016-05-10

佛山市科技发展专项资金项目(编号：2012AA100741)；佛山市科技计划项目(编号：2015AB004381)

黄艳玲(1984—)，女，硕士，主要从事环境空气质量监测、数据分析及环境预警预报工作。

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1674-9944(2016)14-0104-05