2013—2017年京津冀区域PM2.5浓度变化特征

孟晓艳，张 霞，侯玉婧，李婧妍，贾国山，叶春霞，宫正宇

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2.兴义市环境保护局，贵州 兴义 562400 3.莱州市环保局，山东 莱州 261400

随着社会经济的高速发展和化石燃料(如煤、石油、天然气等)的过度消耗，区域环境空气质量恶化，空气污染问题引起高度关注[1]。城市空气污染物排放和空气质量改善问题，尤其PM2.5污染已成为人们普遍关注的热点问题[2]。研究表明，PM2.5对人体健康、能见度和气候变化[3-5]均具有重要影响，其相关研究是环境科学领域的研究热点。2012年我国颁布了《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[6]，标准中增加PM2.5浓度限值。京津冀、长三角、珠三角地区及直辖市、省会城市和计划单列市共计74个地级及以上城市率先于2013年1月1日起开展了PM2.5监测，监测结果表明，PM2.5是当前困扰城市环境空气质量改善和达标管理的重要二次污染物[7]。在2013年以前，中国尚未开展全国范围PM2.5常规监测，因此国内外学者开展的相关研究大多基于某城市或城市群的实验监测[8-12]，时间尺度也较短，缺乏大尺度长时间序列PM2.5浓度变化特征及趋势研究。

2013年9月10日，为切实改善我国空气质量，国务院印发《大气污染防治行动计划》(国发〔2013〕37号，简称《气十条》)。《气十条》对2017年前大气污染治理给出了详细治理蓝图，明确经过2013—2017年5年努力，全国空气质量总体改善，重污染天气较大幅度减少。其中大气污染严重的京津冀区域降低目标最严格，要求京津冀区域PM2.5浓度下降25%左右，北京市PM2.5年均质量浓度控制在60 μg/m3左右。

本文利用2013—2017年京津冀区域13个城市PM2.5监测数据，系统分析京津冀区域PM2.5浓度时空变化特征、变化趋势，展示2013—2017年区域PM2.5治理成效，为PM2.5污染防治工作提供科学依据。

1 数据来源和评价方法

1.1 数据来源

本文使用的基础数据为2013—2017 年京津冀区域13个城市PM2.5日均浓度数据。数据来源于国控城市环境空气质量自动监测点位的监测结果(图1，共计80个点位，其中4个清洁对照点不参与统计)，参与统计的数据均为审核后数据，数据有效性满足《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)和《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663—2013)[13]要求。监测设备运行期间按照《环境空气质量自动监测技术规范》(HJ/T 193—2005)[14]进行运行维护和质量控制。

1.2 评价方法

本文PM2.5浓度达标情况根据《环境空气质量标准》(GB 3195—2012)中PM2.5日均浓度和年均浓度进行评价。其中，PM2.5日均质量浓度二级标准是75 μg/m3，年均质量浓度二级标准是35 μg/m3。《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)[15]中明确空气质量分指数(IAQI)为单项污染物的空气质量指数，本文将PM2.5日均浓度分为6个质量级别：优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染，将PM2.5日均浓度重度污染和严重污染简称为PM2.5重度污染。

注:底图源自国家测绘地理信息局网站(http://www.sbsm.gov.cn/)(http://219.238.166.215/mcp/Default.html)1∶400万基本要素版《中华人民共和国地图》(2008年6月国家测绘局制)，审图号GS(2008)1 400号，下载日期2017-07-16。图1 京津冀区域13个城市PM2.5监测点位分布示意图Fig.1 Distributions of PM2.5monitoring sites in 13 cities of Beijing-Tianjin-Hebei region

2 结果与讨论

2.1 PM2.5浓度分布特征

2.1.1 PM2.5日均浓度统计

以京津冀区域13个城市PM2.5日均浓度为基础，统计PM2.5不同浓度区间出现的天数。从图2可以看出，PM2.5日均质量浓度主要集中在15～150 μg/m3。2013—2017年，京津冀区域PM2.5谱峰区间逐渐向低浓度范围偏移且谱宽变窄；历年PM2.5日均浓度分别超标2 563、2 254、1 845、1 505、1 239 d，PM2.5重度污染分别发生945、780、449、427、333 d，京津冀区域PM2.5污染明显改善。

图2 京津冀区域PM2.5日均浓度分布Fig.2 Distributions of daily average PM2.5concentration in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.1.2 PM2.5年均浓度水平

2013—2017年，京津冀区域13个城市PM2.5年均质量浓度的平均值分别为106、93、77、71、64 μg/m3，区域PM2.5年均质量浓度严重超标(图3)。城市PM2.5年均质量浓度的最大值分别为160、130、107、99、86 μg/m3，出现在邢台、保定、石家庄和邯郸(石家庄)市；最小值分别为40、35、34、32、32 μg/m3，均出现在张家口市。京津冀区域PM2.5日均浓度超标天数比例逐年下降，已由2013年的54.1%降至2017年的26.1%。

图3 京津冀区域PM2.5年均质量浓度和PM2.5日均值超标天数比例Fig.3 Statistics of annual average PM2.5concentrations and PM2.5nonattainment days in Beijing-Tianjin-Hebei region

表1给出了京津冀区域13个城市2013—2017年PM2.5年均质量浓度变化特征。与2013年相比，2017年13个城市PM2.5年均浓度呈现不同程度下降，降幅为20.0%～50.0%，平均下降39.6%，超额完成《气十条》既定目标25%。其中，邢台市PM2.5年均质量浓度降幅最大，从160 μg/m3降至80 μg/m3；2017年北京市PM2.5年均质量浓度为58 μg/m3，实现了《气十条》中规定的“到2017年，北京市细颗粒物年均质量浓度控制在60 μg/m3左右”目标。2013—2017年13个城市PM2.5年下降浓度情况显示：张家口、承德、秦皇岛3个城市平均每年下降1.9～5.7 μg/m3；北京、天津、沧州3个城市降7.5～9.1 μg/m3；其他城市PM2.5年均下降质量浓度超过10 μg/m3，其中邢台市2013—2017年平均每年下降20.3 μg/m3。结合图1可以看出，PM2.5年均浓度最高的区域主要分布于太行山前的河北南部地区，包括保定、石家庄、邢台等城市；而太行山、燕山西部及北部的张家口、承德等城市PM2.5浓度相对较低。

表1 京津冀区域13个城市2013—2017年PM2.5质量浓度逐年变化Table 1 Variations of PM2.5 annual concentrationsof 13 cities in Beijing-Tianjin-Hebei area

2.1.3 各百分位数浓度变化

为进一步分析京津冀区域13个城市PM2.5浓度变化特征，对2013—2017 年13个城市PM2.5最小值、第20～95百分位数及平均值、最大值进行统计分析。计算方法参考《环境空气质量评价技术规范(试行)》，利用PM2.5有效日均浓度分别求取13个城市的各百分位数统计结果，京津冀区域则为13个城市统计结果的算术平均值。从表2可以看出，2013—2017年PM2.5质量浓度在各百分位数(第20～95百分位数)均呈现一致性下降趋势，且随着百分位数增大而下降率加大。其中，PM2.5年均质量浓度平均每年下降10.6 μg/m3。

表2 2013—2017年京津冀区域PM2.5质量浓度各百分位数年平均降低值Table 2 Yearly variation of PM2.5 percentileconcentrations in Beijing-Tianjin-Hebeiregion from 2013 to 2017 μg/m3

2.2 PM2.5时间变化特征

2.2.1 PM2.5日均浓度各质量级别比例逐月变化

2013—2017年京津冀区域13个城市PM2.5日均浓度优良级别比例分别为45.9%、52.2%、61.0%、68.4%和73.9%，空气质量持续改善；PM2.5日均浓度重度污染天数比例分别为19.9%、16.6%、9.5%、9.0%和7.0%，呈不断下降趋势。由于京津冀区域冬季空气扩散条件较差，进入采暖期后易出现PM2.5日均浓度重污染。从图4可以看出，2016年12月PM2.5日均浓度优良级别比例仅为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日均浓度优良级别比例分别为40.4%、48.9%、36.0%和65.4%。

图4 京津冀区域PM2.5日均浓度各质量级别比例逐月变化Fig.4 Monthly variations of proportion of PM2.5 quality levels in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.2.2 PM2.5月均浓度及重污染天数

图5为2013—2017年京津冀区域13个城市PM2.5浓度、PM2.5重度污染天数的逐月分布，城市PM2.5最高月均质量浓度出现在2013年1月(石家庄，333 μg/m3)，其次为2016年12月(石家庄，277 μg/m3)。总体来看，京津冀区域PM2.5浓度呈明显下降趋势，并具有明显的季节变化规律，呈现出冬季(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)，历年4—10月京津冀区域PM2.5质量浓度平均值分别为83、73、57、53、51 μg/m3。

由于冬季静稳天气频繁出现、降水少等不利气象扩散条件以及京津冀区域燃煤污染物排放总量增加等原因，京津冀区域冬季PM2.5污染形势严峻，PM2.5重度污染天数增加明显拉升PM2.5浓度。PM2.5月均浓度和PM2.5重度污染天数呈明显正相关，相关系数是0.98。2016年12月京津冀区域共计出现PM2.5重度污染170 d，频繁出现的重污染过程造成该月PM2.5平均质量浓度为150 μg/m3，仅次于2013年1月、2014年2月；2017年1—2月共发生222 d重度污染，PM2.5平均质量浓度为111 μg/m3，明显高于2015、2016年同期的163 d(106 μg/m3)和91 d(76 μg/m3)。

图5 京津冀区域PM2.5月均浓度和重污染及以上天数统计Fig.5 Statistics of PM2.5monthly concentrations and PM2.5heavy pollution days in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.3 重污染对PM2.5浓度影响分析

2.3.1 PM2.5重污染频次

2013—2017年，京津冀区域13个城市累计发生PM2.5重度污染945、780、449、427、333 d，2013—2017年3个城市PM2.5重度污染天数呈下降趋势,详见表3。

表3 2013—2017年京津冀区域13个城市PM2.5重度污染天数统计Table 2 Statistics of PM2.5heavy pollution daysof 13 cities in Beijing-Tianjin-Hebeiregion from 2013 to 2017 d

北京2013—2017年分别出现PM2.5重度污染58、45、42、38、22 d；天津分别为50、34、25、28、25 d；石家庄分别为134、95、48、71、48 d。2017年3个城市发生的PM2.5重度污染天数较2013年下降50%及以上。2016年石家庄PM2.5重度污染天数反弹，较2015年增加23 d。从逐年PM2.5累计重度污染天数(图6)可以看出，北京以持续3～5 d重度污染为主，2013—2017年累计出现87 d；天津则以持续1～2 d重度污染为主，2013—2017年累计出现72 d；石家庄PM2.5重度污染较北京、天津严重，持续1～2 d、3～5 d及5 d以上分别累计发生106、152、138 d。

图6 北京、天津、石家庄市PM2.5重度污染持续时间及天数统计Fig.6 Statistics of PM2.5heavy pollution days durationin Beijing, Tianjin and Shijiazhuang

2.3.2 重度污染对PM2.5年均浓度影响

从图7可见，京津冀区域13个城市2013—2017年PM2.5平均质量浓度为35～112 μg/m3，区域平均质量浓度为82 μg/m3；PM2.5非重度污染天的平均质量浓度为33～77 μg/m3，区域平均质量浓度为63 μg/m3。2013—2017年京津冀区域PM2.5平均质量浓度与非重度污染天相比升高19 μg/m3；PM2.5重度污染天的平均质量浓度为157～248 μg/m3，区域平均质量浓度为217 μg/m3，较非重度污染天时高244.4%。

图7 2013—2017年PM2.5年均浓度对比图Fig.7 Comparison of PM2.5annual concentration in the last 5 years

3 结论

1)2013—2017年，京津冀区域PM2.5污染整体较重，但治理成效显著，区域历年PM2.5年均质量浓度为106、93、77、71、64 μg/m3，完成《大气污染防治行动计划》PM2.5浓度下降25%左右的目标，但仍超过国家PM2.5年均浓度二级标准的2.03、1.66、1.20、1.03、0.83倍，达标城市仅有张家口市。

2)京津冀区域13个城市PM2.5浓度在各百分位数(第20～95百分位数)上均呈现一致性下降趋势，且随百分位数增大而下降速率加大。其中，区域PM2.5年均质量浓度平均每年下降10.6 μg/m3，污染严重的太行山沿线城市邢台、石家庄、邯郸3个城市年下降率位于区域前三名，平均每年分别下降20.3、16.1、13.9 μg/m3。

3)2013—2017年京津冀区域PM2.5重度污染天数比例分别为19.9%、16.6%、9.5%、9.0%、7.0%，呈下降趋势。京津冀区域大范围重污染过程主要集中发生在秋、冬季，2013—2017年区域PM2.5平均质量浓度相比不计入重度污染天升高19 μg/m3，PM2.5重度污染天的平均质量浓度较非重污染时高244.4%，重度污染过程直接推高PM2.5年均浓度。