珠海市PM2.5时空分布特征及其成因分析

2017-12-23赵新锋钟欣胡嘉骢王萌罗望杨虹

环境监控与预警 2017年6期

关键词：珠海市颗粒物大气

赵新锋，钟欣，胡嘉骢，王萌，罗望，杨虹

(1.珠海市环境保护监测站，广东珠海 519000；2.北京师范大学珠海分校不动产学院，广东珠海 519087)

珠海市PM2.5时空分布特征及其成因分析

赵新锋1，钟欣2*，胡嘉骢2，王萌1，罗望1，杨虹1

(1.珠海市环境保护监测站，广东珠海 519000；2.北京师范大学珠海分校不动产学院，广东珠海 519087)

可入肺颗粒物；时空分布；化学组成；珠海

随着我国国民经济日益增长，城市大气环境污染越来越严重，尤其是大气颗粒物对环境的影响日益凸显，成为亟待解决的热点环境问题[1]。PM2.5导致大气能见度降低，对人体健康、气候环境变化带来严重影响，成为影响城市大气环境质量的核心问题[2-5]。为研究PM2.5的污染规律和影响因素，国内外专家针对PM2.5成分特征、来源解析、气象因素、跨区域输送、预测模拟等方面进行了广泛而深入的研究[6-14]。珠海市位于我国华南珠江三角洲地区，社会经济发展迅速，2014和2015年PM2.5年均值分别为34和31μg/m3，空气质量整体良好，但在特殊气象条件下仍然存在着PM2.5超标污染过程，灰霾天气时有发生。珠海市PM2.5的来源既有来自珠三角地区区域传输影响，也包含本地直接排放污染源，如工业排放、机动车排放、火电厂以及扬尘和生物质燃烧排放等[15]。珠三角地区受东北气流和沿海东南气流的共同影响，高浓度污染过程时有发生[16]。气象因素影响并作用于PM2.5污染过程，温度、相对湿度、风速、大气压等气象因子与颗粒物污染存在相关性[17-18]。

现以珠海市国控监测站点2015年PM2.5监测数据为研究对象，分析PM2.5的化学组成，探究PM2.5时空分布特征以及气象因素对ρ(PM2.5)的影响，对大气中PM2.5来源进行解析，为珠海市PM2.5针对性治理提供依据。

1 研究方法

1.1 数据来源

1.2 数据处理

对监测数据整理计算，得到2015年全年4个监测点位PM2.5月均值，以此为依据利用ArcGIS软件反距离加权法(IDW)进行插值分析，得到整个珠海地区ρ(PM2.5)空间分布特征。利用SPSS 软件对数据进行标准化处理，采用Spearman 相关系数统计分析方法进行ρ(PM2.5)与气象要素的相关分析。

图1 2015年珠海市PM2.5国控站点及其年均化学组成

IDW插值是GIS中常用的精确插值方法，基本原理是假设未知值的点受近距离控制点影响比远距离控制点的影响更大，其通用方程为：

式中：zp——未知点p的ρ(PM2.5)估计值, μg/m3；zi——控制点i的z值，各监测站点的ρ(PM2.5), μg/m3；di——控制点i与点p间的距离, m；n——估算中用到的控制点数目；k——确定的幂。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5化学组成及时间分布特征

2.1.1 PM2.5化学组成

对珠海市监测站点采样分析，获得组分包括碳质组分、水溶性离子、矿物质以及痕量元素等。2015年珠海市大气PM2.5年均值为31.0 μg/m3，其中日均值最高为112.8 μg/m3，最低为5.1 μg/m3。

表1 2015年珠海市站点PM2.5主要组分平均值 μg/m3

2.1.2 PM2.5季节变化特征

珠海市大气PM2.5变化具有显著的季节变化特征， PM2.5月分布特征见图2。由图2可见，珠海市ρ(PM2.5)总体呈现冬秋季高，春夏低的分布特征，月变化大体呈现“V”字型分布，在2月份和10月份浓度值较高，高于其他月份，5月份至8月份ρ(PM2.5)处于低值，与珠海市气象条件及污染物的区域传输季节变化特征相关。

图2 ρ(PM2.5)月分布特征

珠海市属于典型的亚热带季风气候，冬季(12、1和2月)受北方冷空气团影响，北方地区输送现象明显，且冬季大气呈现静稳状态，逆温现象多有出现，大气稳定程度高，不利于污染物扩散。春夏季(3—8月)受东南季风控制，大气水平输送与扩散能力强，来自海洋的洁净气团对PM2.5的去除有一定作用，同时降水对PM2.5的去除现象显著，这与珠三角地区气象条件对PM2.5季节变化影响研究一致[24]。其中，夏季异常值的出现，主要是受热带气旋外围下沉气流控制，在短时间内大气边界层显著降低，污染物迅速累积，造成ρ(PM2.5)升高的污染事件。

图3 珠海市2015年大气PM2.5中主要组分季节分布

2.1.3 PM2.5日变化规律

根据2015年珠海市各国控监测站点的PM2.5的每日24 h平均值的监测数据可得到图4。由图4可见，工作日ρ(PM2.5)变化区间段为32.84～35.44 μg/m3，周末为30～33 μg/m3，工作日和周末均呈现整体稳定态势。其中，工作日ρ(PM2.5)在05:00—07:00达到高值，随着白天太阳辐射逐渐增强，近地面大气混合层高度有所增加，空气不稳定程度加大，使得颗粒物浓度随之下降。但是午后气温进一步上升，于13:00左右ρ(PM2.5)进一步增大，污染加重。随后由于珠海市位处东南沿海地区，在下午极易获得太阳短波辐射，出现局部对流天气，伴随局地水平风的加强，空气稀释扩散作用加大，ρ(PM2.5)逐渐下降，至18:00左右其值达到全天低谷值。由于交通晚高峰的出现，至20:00—21:00其值再度有所上升，与自身不易沉降的特性有关系[25]；周末ρ(PM2.5)在日出后随着人类活动的增加和气温的提升，其值开始升高，至午后浓度相对较高并保持稳定态势，随之ρ(PM2.5)开始下降，至16:00左右出现全天最低值。此后，ρ(PM2.5)再次回升，至21:00左右达到峰值。ρ(PM2.5)整体表现为工作日高于周末，工作日比周末平均高出约3 μg/m3，可能是因为工作日交通流量大，人类活动频繁，周末人类活动相对较低所致，被称为周末效应[26-27]。珠海市空气中PM2.5主要来自工业排放和机动车排放，工业排放相对稳定，ρ(PM2.5)升高与人们活动量和交通高峰时间基本一致，因此出现周末比工作日低的负效应[28]，说明机动车排放是ρ(PM2.5)变化的一个重要影响因素。

图4 珠海市ρ(PM2.5)日变化

2.2 PM2.5空间分布特征

利用ArcGIS中反距离权重法研究PM2.5空间分布特征，得出2015年珠海市PM2.5的空间分布情况，见图5。由图5和表1可见，PM2.5各个站点年均值变化差异较小，29.04～31.90 μg/m3，ρ(PM2.5)变化呈现“东高西低，北重南轻”的变化趋势。但仍可看出空间分部的差异特征。唐家点位于珠江口西岸的淇澳岛红树林保护区，同时也是珠海市最北端，周边环境植被丰富，本地排放源相对较少，ρ(PM2.5)主要源于区域范围内的背景质量浓度，主要受其北方区域传输影响较大，背景浓度偏高。斗门站点附近本地排放源相对分散，人口密度低于其余站点密集，地址位置处于西南，受区域输送影响程度相对较小。

其珠海市ρ(PM2.5)差异特征主要受珠海市的地形特征、气候条件和海域环境等原因所限。从地形上看，珠海市区内有大量的山脉，山脉的存在使得颗粒物易在山脉一侧聚集，浓度升高，而山脉的另一侧受影响不大，这种地形条件是造成珠海市颗粒物污染南北差异的原因之一。从气候来看，珠海市冬季气温较低，自11月到次年2月受冷气团控制，以北风、西北风为主，大量颗粒物随气流夹带至市区，被山脉阻挡，造成珠海市北部地区ρ(PM2.5)升高。

图5 2015年珠海市ρ(PM2.5)分布(单位：μg/m3)

2.3 PM2.5与气象因子相关性

在污染排放相对稳定条件下，气象因素的选择对研究PM2.5的污染十分重要。选用Spearman相关系数分析珠海市各个监测站点PM2.5与气温、风速、气压、相对湿度气象条件的相关性，相关性结果见表2。由表2可见，PM2.5与气温、相对湿度、风速呈现负相关关系，与气压呈正相关关系。珠海市夏季温度最高，同时伴随着热带气旋和降雨天气，风速大，相对湿度高的气象条件使PM2.5容易相互聚结为粒径较大的粒子发生沉降，从而使得大气环境中细粒子质量浓度下降，与国内其他学者得出结论一致[29-30]。2015年珠海市形成颗粒物污染最为常见的天气形势主要是大陆冷高压，主要出现在1—2月，相对湿度较低，此时珠海市位于高压底部，冷峰前部，气流下沉，大气环境静稳，容易形成逆温层，不利于污染物的稀释与扩散。

表2 ρ(PM2.5)与气象因素的Spearman相关系数**在置信度(双侧)为0.05时，相关性是显著的；**在置信度(双侧)为0.01时，相关性是显著。

3 结论

(1) 空间特征。珠海市ρ(PM2.5)的空间分布具有一定的梯度特征，且冬季比春季更为明显。区域PM2.5受季节影响显著，受到地形、排放源、气象因素等影响呈现“东高西低，北重南轻”分布趋势。

(2) 时间特征。ρ(PM2.5)月变化呈“V”字型，季节分布春夏季优于秋冬季，在1月其值达到最高，5—7月最低。从日变化规律来看，工作日ρ(PM2.5)变化曲线呈现双峰趋势。在05:00—07:00和 12:00—13:00出现峰值，傍晚交通高峰时，ρ(PM2.5)有升高趋势，非工作日期间颗粒物值低于工作日，且峰值有明显的延迟滞后现象。

(4) 气象因素相关性。风速、相对湿度、气压、温度是影响珠海市ρ(PM2.5)的主要气象因子。ρ(PM2.5)与气温、相对湿度、风速呈现负相关，与气压呈现正相关。其中，与相对湿度和气压的相关性较高，与温度的相关性较低。天气形势变化以及关键气象要素的改变，对ρ(PM2.5)变化有一定的指示意义，可为预警和控制PM2.5污染提供参考依据。

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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)