基于GIS的福州市PM2.5时空分布研究

林雅逢

摘要：为更好地了解福州市细颗粒物（PM2.5）的时空分布状况，应用地理信息技术软件，基于2016年福州市21个监测站点的大气小时PM2.5数据，进行了插值反演连续空间的大气分布。结果表明：时间分布上，福州市夏秋季节PM2.5浓度较低，春冬季节浓度较高。空间分布上，罗源县、永泰县、福清市PM2.5浓度较低；福州市区、长乐市及闽侯县PM2.5污染较严重；五城区中，台江、仓山PM2.5浓度较高。

关键词：地理信息系统；空气细颗料物；大气污染

中图分类号：X831

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10006903

1 引言

人类的生活品质需要持续提升，所依赖的是工业水平的迅猛发展，同时，伴随而来的是工业发展的负面产物，包括大量的废水、废物、废气。尤其在高速发展的城市之中，汽车尾气、城市开发建筑工地扬尘、企业排放废气等不断增加，导致我国雾霾天气的出现越来越频繁[1]。

PM2.5是指空气动力学直径小于等于 2.5 μm的颗粒物细粒、细颗粒物。其特点是粒径小，分布面积大，活性强，易附带有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大[2]。

CHE 等 [3]对 31 个省会城市 1981～2005年的霾特征变化进行了研究，指出我国东部和东南部城市霾天气呈显著上升趋势。吕守军、沈星迟、张晓敏等通过多元回归分析分析了多年数据，基本验证了PM2.5治理困局产生的主要原因，且提出了对策。陈巧俊利用 CALPUFF 大气扩散模型模拟了福州市气象场和二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物浓度场，采用监测值对模拟结果进行验证表明了模型的适用性[4]。尹宏伟利用GIS实现了济南市的大气污染源的可视化和污染监测数据的空间化，根据相关的实测资料，分析了研究区内不同时间、空间的大气污染分布情况，利用GIS的插值与地统计分析，对济南市具有代表性的大气污染气体的空间分布进行研究[5]。

2 研究区域概况

福州市位于闽江下游，气候类型属中、南亚热带过渡的海洋性季风气候，全年气候暖热湿润，冬季短暂且温和，夏季漫长而无酷暑。福州市区年平均温度为20.3℃，2月为最冷月，平均温度10.5℃，8月为最热月，平均温度28.7℃。福州市区所在地属于典型的河口盆地，盆地四周被群山峻岭所环抱，境内地势自西向东倾斜，地形闭塞，闽江口沿江通道的大气流动是福州市的主要大气扩散动力来源，空气扩散条件较差，大气环境的承载力较弱[6]。

福州市大气自动监测站点较多，基本上覆盖福州各个县市区，市区分布较为密集。近来来，福州市城市建设力度加大，颗粒物污染成为影响福州市环境质量的重要因素，其中PM2.5是造成环境空气质量污染的主要污染物[7]。

3 研究方法与原理

目前，环境现状监测的方法主要有三类：资料收集法、地理信息技术及方法、现场调查法[8]。在环保工作者的环境现状监测实际应用中，从人力、物力以及可行性上考虑，我们不可能对研究区内或者无法实现大量位置的布设监测点、收集资料及取样。地理信息技术及地理统计数学方法在这种情况下发挥了巨大的作用，比较常用的就是通过布设一定数量、一定分布的监测点或者监测断面，应用点差值面的估计方法，研究区域目标的分布状态，供研究者使用[9]。

空间插值是我们假设空间分布的研究对象具有空间相关性，也就是说，彼此接近的对象往往具有相似的特征，空间插值是通过已知的空间数据来推算未知空间数据值的数学方法[10]。本文采用反距离权重插值法进行空间插值。

4 数据获取

对福州市所有站点中的21个典型空气质量监测站点PM2.5数据进行分析（图1），其中包括5个国控监测站点， 16个区县监测站点。具体数据为2016年PM2.5浓度数据（小时），运用相关数理统计方法进行时间及空间上的研究探讨。

5 分析与结论

5.1 福州市PM2.5浓度时间变化分析

5.1.1 日数据分析

对分布在福州市内的各个站点PM2.5值进行加和

由图2可以看出，PM2.5的浓度在7∶00与19∶00之后开始升高。分析原因包括：从气象学角度上分析，每日贴地逆温层厚度的峰值一般出现在7∶00与19∶00，逆温导致大气稳定度升高，不利于污染物扩散。此外，PM2.5浓度最高的两个波峰也恰好处于交通高峰期间，交通运输中尾气的排放量的增高，也是一个重要的影响因素。

5.1.2 年数据分析

根据鹿世瑾等[11]对福建气候的研究将一年中3、4、5月定为春季，6、7、8月份夏季，9、10、11月份定为秋季， 12、1、2月份定为冬季进行季节性分析。由图3结论表明，福州市春冬季节空气质量较差，夏秋季节较好。

福州市屬于亚热带海洋性季风气候，干湿与盛行风向因季节而异。春季低纬暖湿气流活跃，受其控制大气层结相对稳定、风速小、局部易形成逆温，不利于污染物扩散。冬季北霾南下，导致局地污染浓度升高，春冬季节在冷空气来临前受暖湿气流控制，或受入海高压控制，大气层结相对稳定，不利于污染物扩散，若本地污染排放累积，易造成大气污染物浓度升高。

5.2 福州市PM2.5浓度空间分布分析

取用2016年福州市21个区县监测点的日均PM2.5数据，利用反距离权重插值法进行分析，得到PM2.5时空分布如图4。

2.5污染严重的地方主要存在于福州市区、长乐及闽侯，空气较好的地方主要是罗源、永泰、福清；福州市区中，台江、仓山较差。分析原因具体如下。

（1）福州市目前处于快速建设发展时期，全市有大量地铁、道路、楼宇建设等施工工地，带来的扬尘污染问题突出，导致PM2.5浓度居高不下；另一方面，城市机动车保有量不断增加，机动车尾气排放到空气中的NOx、VOCs等前体物通过化学反应生成硝酸盐和二次气溶胶等造成PM2.5升高；此外，市内建筑物较多，区域性的气流动相对稳定，地面风力较小，导致空气质量下降。五城区中台江、仓山机动车保有量较大，建筑密集，道路拥挤，导致颗粒物浓度较高。长乐市钢铁企业较多，对PM2.5排放贡献较大。

（2） 罗源、永泰山区植被分布较为广泛，大量植被可以吸附粉尘，减低粉尘颗粒物扩散；永泰工业经济及交通发展较缓慢，没有大量的工业废气及交通尾气的排放，而罗源、福清的海洋季候风带来的洁净空气对空气污染有较强的稀释作用，因此PM2.5浓度较低。

（3） 从时空对比图分析可知，福州市夏秋季节PM2.5浓度较低，春冬季节污染浓度较高，原因可能福州市冬、春季灰霾天气主要与锋前暖区、高压后部、高压底部、地面倒槽等天气系统影响有关。还与冬、春季冷空气南下，大陆冷高压前部出现偏北大风，引导北方高浓度气溶胶颗粒随风输送至福州，造成福州出现浮尘、扬沙或灰霾天气。

6 建议

2017年5月绿 色 科 技第10期

通过得到的结论及分析，福州市整体PM2.5浓度保持在一个较好的水平，但依然面对着城市快速发展过程中存在的风险。应该从以下几个方面进行预防与整治。

（1）持续加强对县市区机动车尾气的治理；持续加强淘汰“黄标车”，促进交通清洁能源的使用；加强公共交通的建立，减小私家车的出行，鼓励市民绿色出行，如共享单车等。

（2）加大颗粒物污染防治力度。继续深化工业烟粉尘治理，开展燃煤锅炉专项整治，实施火电行业脱硝除尘整治，加强钢铁行业粉尘治理力度等。

（3）做好福州市施工建筑单位的环境监控工作，确保施工过程中大量扬尘；人工喷洒应该注重科学统筹安排，最大化的发挥其作用。

参考文献：

[1]

李澎昶. 浅谈雾霾天气的成因与加强环境保护的有关措施[J]. 教育， 2016（12）：306.

[2]徐 敬. 北京城区单点气溶胶细粒子（PM2.5）观测分析与研究[D]. 北京：中国气象科學研究院， 2003.

[3]Che H， Zhang X， Li Y， et al. Haze trends over the capital cities of 31 provinces in China， 1981～2005[J]. Theoretical and Applied Climatology， 2009， 97（3）：235～242.

[4]吕守军， 沈星迟， 张晓敏. 中国PM2.5治理困局及对策研究：基于环境规制理论视角的分析[J]. 上海交通大学学报（哲学社会科学版）， 2015， 23（6）：50～59.

[5]尹宏伟. 基于GIS的济南市大气污染时空分析[J]. 河南科技， 2015（15）：146～148.

[6]李 岩， 郑东旗， 龚振斌，等. 福州大气污染日与气象条件关系[J]. 亚热带农业研究， 2014， 10（3）：194～198.

[7]谢冠君. 福州市大气污染现状分析及其防治对策[J]. 海峡科学， 2014（6）：67～69.

[8]朱欣娟， 石美红， 薛惠锋，等. 基于GIS的空间分析及其发展研究[J]. 计算机工程与应用， 2002， 38（18）：62～63.

[9]李晓军. GIS空间分析方法研究[D]. 杭州：浙江大学， 2007.

[10] 陈彬彬， 林长城， 蔡义勇，等. 福州市大气污染物时空变化特征分析[C]//中国气象学会.中国气象学会2008年年会大气环境监测、预报与污染物控制分会场论文集. 青岛：中国气象学会，2008.

[11]鹿世瑾， 王 岩. 福建气候 ： The climate of Fujian[M]. 北京：气象出版社， 2012.