基于重心模型的福建省PM2.5 时空分布特征

蔡雯颖， 钟雪芬， 林麒华， 许丽忠，c，d

( 福建师范大学a. 环境科学与工程学院； b. 福建省环境科学研究所； c. 福州市数字福建环境监测互联网实验室； d. 福建省污染控制与资源再利用重点实验室, 福建福州 350007)

2016—2018 年福建省生产总值均为全国第十( 中国统计年鉴：2017 年、2018 年、2019 年), 是中国经济较发达的区域之一, 相比于其他经济发达区, 福建PM2.5状况相对良好. 国内学者对PM2.5的研究主要集中在经济发达或污染严重的地区,如京津冀地区[12-13]、长三角地区[14-15]、珠三角地区[16-17], 针对福建省的相关研究较少. 目前对于福建省PM2.5的时空分布研究主要集中于沿海城市, 如陈芳[18]以福州、厦门为对象, 研究了PM2.5时空分布特征及其影响因素; 肖建能[19]等探讨了厦门市PM2.5的时空特征及其与气象因素的关系; 陈璋琪[20]分析了泉州市PM2.5时空变化特征及其影响因素. 然而却鲜见对福建省整体的研究. 文章以福建省为研究对象, 利用2016—2018 年的PM2.5地面监测数据, 借助重心模型, 对福建省PM2.5时空特征进行系统分析.

1 数据与方法

1.1 数据来源

福建省9 个地级市共85 个县级行政单位,受数据可获得性限制, 研究区域包括了81 个县区, 不包括泉州市的金门县、厦门市的集美区、翔安区、海沧区. 数据采集自 “福建省环境空气质量信息发布平台”. 获取81 个县区174 个监测站点的2016—2018 年的日浓度监测数据,点位不含城市对照站点, 其分布情况见图1. 在数据处理中,“月均值” 表示该县区一个月内所有站点各日均浓度直接进行算术平均得到该县区的月均值;“季均值” 指该县区一个季度内所有站点各日均浓度直接进行算术平均得到该县区的季均值; 春季为3 月到5 月, 夏季为6 月到8 月, 秋季为9 月到11 月, 冬季为12 月、次年1 月、2 月;“年均值” 指该县区一年内所有站点各日均浓度直接进行算术平均得到该县区的年均值.

图1 福建省PM2.5 质量浓度监测点

1.2 研究方法

重心是指研究区域内特定时刻某一特定属性值在空间平面上力矩达到平衡的点. 区域某种属性的变化轨迹和空间差异性将通过重心的变动被清楚地反映出来. 将不同时间段下的污染重心连结起来, 便形成了某一时期污染重心的运动轨迹, 从而反映出污染物浓度空间差异性及其发展变化轨迹, 重心移动模型便成为研究污染物空间格局变化的分析工具之一.

假定福建省81 个县区是一个质地均匀的平面, 各县区的地理位置用其经纬度表示, 根据PM2.5的质量浓度赋予各县区相应的权重, 由此可得出福建省各县区基于PM2.5质量浓度的重心点. 其计算公式为：

式中xt, yt分别是时刻PM2.5污染重心的经度和纬度, xi, yi为第i 个县区的经度和纬度坐标,采用各县区政府所在地的坐标值, 其坐标数据源自百度, cit为t 时刻第i 个县区的PM2.5浓度.

可见, 如果所有县区的PM2.5浓度都相同,则污染重心与县区几何重心相重合. 然而由于PM2.5浓度的时空变化, PM2.5污染重心在不断变动. 从重心计算公式可以看出, 在各县区空间位置确定的情况下, 直接影响污染重心的是各县区的PM2.5浓度. 当某一县区的PM2.5浓度在总体中所占比例增大, 污染重心就会向该地区移动, 即产生 “重心偏离”, 偏离方向指向PM2.5浓度大的区域, 偏离的距离则指示了不均衡程度. 假设dt+1表示第t+1 时刻相较于t 时刻的重心移动距离, 则

式中, 常数K=111.111, 表示由地球表面坐标单位(° ) 转化为平面距离(km) 的系数;K(xt+1-xt) , K(yt+1-yt) , 表示污染重心在经度、纬度方向上移动的距离, 实际上也就是污染重心在东西方向和南北方向上的移动距离, 两者的比值决定了污染重心移动的方向.

2 结果分析

2.1 PM2.5 浓度的年际变化

2016—2018 年福建省PM2.5年均浓度分别 为26.36、25.55、22.68 μg·m-3, 呈 下 降趋势. 从图2(a) 可以看出, 各年份9 个地级市PM2.5年均浓度均低于《环境空气质量标准》(GB 3095-2012) 二级标准, 即35 μg·m-3, 但也都高于15 μg·m-3( 国家一级标准), 在20 -3 0 μg·m-3之间, 其中三明市的年均浓度相对较小, 而泉州、莆田的PM2.5浓度相对较高. 从年份变化来看, 除福州和南平外, 其他7 个地级市PM2.5年均浓度呈下降趋势.

综上所述，基于当前证据，在临床疗效方面，针刺治疗效果优于中成药、西药疗法、中药坐浴和微波疗法，而与服用中药汤剂治疗比较疗效差异不具有显著性；在降低NIH-CPSI评分方面，针刺治疗均较服用西药治疗、微波疗法与假针刺治疗效果好；在白细胞降低有效率方面，针刺治疗较中药坐浴疗法的治疗效果好，但与服用西药治疗的疗效相同。

图2 福建省PM2.5 年均浓度分布

图2 (b) 显示出福建省PM2.5状况总体上良好, 相比较而言, 东部沿海地区比西部内陆地区污染略重一些. 2016—2018 年最低浓度分别出现在三明建宁县(14.54 μg·m-3)、宁德周宁县 (13.92 μg·m-3) 和三明将乐县(13.25 μg·m-3), 最高值则分别出现在泉州南安市(46.74 μg·m-3)、漳州龙海市(33.36 μg·m-3) 和泉州南安市(34.00 μg·m-3), 最小值和最大值都出现下降趋势, 与福建省整体状况改善趋势一致. 2016年年均浓度低于15 μg·m-3的县区有2 个, 2017 年仅1 个, 2018 年则增加至5 个.2016 年有3 个县区的年均浓度大于35 μg·m-3,2017年、2018 年均未出现年均浓度超过国家二级标准的县区. 由图2(c) 可知, 虽然大部分城市PM2.5浓度呈逐年下降趋势, 但2017 年有27 个县区PM2.5浓度较2016 年升高, 这些反弹城市分布于福建西北部, 其中有8 个县区PM2.5浓度明显升高(＞3 μg·m-3), 最显著的是建宁县(5.51 μg·m-3);2018 年有17 个城市PM2.5浓度较上年上升, 这些县区分布较为分散, 其中3个反弹较为明显的县区均位于福建省南部, 反弹最为明显的是南靖县, 达4.52 μg·m-3.

2.2 PM2.5 浓度的季节变化

从图3 可以看出, 福建省各县区PM2.5浓度均表现出明显的季节性特征, 冬季高于春季, 秋季次之, 夏季最低. 春季PM2.5浓度变化范 围为15.26- 43.63 μg·m-3, 平 均 值 为28.30 μg·m-3, 高值区集中于东南沿海地带;夏季PM2.5浓度变化范围为7.69-29.68 μg·m-3,平均值为18.47 μg·m-3, 以西南地区空气质量最优; 秋季PM2.5浓度变化范围为11.21-34.32 μg·m-3, 平 均 值 为22.98 μg·m-3; 冬 季PM2.5浓度变化范围为13.09-43.47 μg·m-3, 平均值为32.05 μg·m-3, 县区间差异较为明显, 高值区散布于东南部和西北部地区.

2.3 PM2.5 浓度的月份变化

图3 福建省PM2.5 季均浓度分布

图4 福建省PM2.5 月均浓度变化

图4 显示了福建省PM2.5月均浓度呈 “U” 型变化特征, 这种特征在2016—2018 年三年期间都很明显, 且 “U” 型的幅度在逐渐减小. 其中2016 年最高值出现在莆田市的3月(45.45 μg·m-3);2017 年最高值出现在南平市的12 月(42.00 μg·m-3);2018 年最高值出现在莆田市的2 月(43.04 μg·m-3).2016 年和2017 年最低值均出现在6 月, 分别为厦门市(13.95 μg·m-3) 和三明市(11.72 μg·m-3);2018年最低值出现在三明市的7 月(11.92 μg·m-3).每年5—10 月各地市的PM2.5浓度基本都低于25 μg·m-3, 为空气质量优良阶段, 其他月份的污染特征各年份略有不同. 2016 年3 月福建省污染最重, 污染区域空间范围最大, 特别是东部地区和南部地区, 以莆田市和泉州市污染最重;1 月、2 月和12 月污染范围次之, 闽北地区污染较重. 2017 年则以12 月为污染最为严重的月份, 污染范围最广, 特别是闽西北地区, 以南平市污染最重;1 月和3 月污染范围次之; 同样地, 5—11 月各地市环境质量优良. 2018 年2月污染范围最大, 主要集中在福建省东部地区,其中莆田市污染最重; 4 月污染范围次之; 其余月份各地市环境质量优良. 特别引人注意的是,自2018 年10 月开始, 各地市的PM2.5平均水平并没有如往年一样快速上升, 使得11 月份、12月份各地市的PM2.5平均水平远低于往年同期水平.

PM2.5的季节性变化与气候环境的季节性变化呈现出同步性. 根据福建省2016—2018 年的气候公报, 福建省2016 年降水空间分布不均,强降水集中在闽西北, 闽东南地区PM2.5浓度值高于闽西北地区.3—5 月雨多又强,PM2.5浓度值不断降低;7 月受台风 “尼伯特” 登陆影响, 全省大部分县区出现暴雨, 全省PM2.5浓度普遍较低; 9 月受台风 “莫兰蒂” 和 “鲇鱼” 登陆影响,全省出现大范围暴雨, 强风暴雨促进污染物扩散, 使得该时段PM2.5浓度值居于全年低值, 且各地市PM2.5浓度值相近.2017 年1—2 月气温异常偏高, 降水少, 导致PM2.5浓度值偏高;3—4 月低温阴雨,PM2.5浓度下降;5 月大部分县区出现气象干旱;6 月出现两次降水高峰,PM2.5浓度值居于全年最低;9—10 月气温显著偏高,PM2.5浓度升高.2018 年1 月出现暴雨天气,PM2.5浓度值相比前两年较低;2 月出现持续低温,PM2.5浓度值居于全年最高;3—4 月发生强气象干旱, 主要旱区在南部沿海和内陆地区, 该地区PM2.5浓度值升高;7 月受台风 “玛莉亚” 登陆影响, 我省中北部沿海出现强风暴雨, 中北部地区PM2.5浓度明显高于其他地区;10—11 月降水异常偏多,PM2.5浓度值下降. 这同样表明气候条件的变化与PM2.5浓度的变化具有较强的相关性.

2.4 PM2.5 日浓度超标率分析

图5 福建省PM2.5 日均浓度超标率分布

从图5 可以看出, 福建省2016—2018 年各县区空气质量较好,2016—2018 年81 个县区平均超标天数为4 天, 超标率为1.13% .2016 年闽清县和东山县全年日均浓度均未超标, 而南安市超标率达15.57%为全省最高;2017 年有21 个县区全年日均浓度均未超标, 达标县区比2016年增加19 个, 南安市超标率达3.05%为全省最高, 但超标率相比于2016 年下降了;2018 年有9个县区全年日均浓度均未超标, 比2017 年减少12 个, 南安市超标率达2.84%为全省最高, 与2017 年比超标率也降低了.

从整体上看, 有40 个县区超标率从2016 年开始逐年下降; 有35 个县区超标率在2017 年降低, 却在2018 年升高, 但上升幅度不大. 其中闽清县连续三年无超标天数; 东山县2016 年和2018 年均无超标天数, 但在2017 年出现1 天超标 ; 而南安市连续三年均为全省超标率最高, 但其超标率在逐年下降.PM2.5的日浓度超标率的年际变化也反映了福建省空气质量在逐年改善.

2.5 基于重心模型的福建省PM2.5空间分布不均衡性分析

为避免数据缺失带来的计算偏差, 在本小节中剔除数据不完整的平和县、新罗区、上杭县、武平县, 因此本小节空间分布不均衡性分析基于福建省77 个县区. 福建省77 个县区的城市几何重心位于泉州市德化县(118.34°E,25.86°N).需要特别说明的是, 在本小节中, 东西部县区、南北部县区都是相对于该城市几何重心而言.

2.5.1 2016—2018 年PM2.5污染重心年际迁移特征

图6 显示, 2016 年的污染重心（118.37°E ,25.80 °N）(118.37°E,25.80°N)、2017 年 的 污 染重心(118.36°E,25.83°N) 以及2018 年的污染重心(118.36°E,25.79°N) 都位于城市几何重心的东部, 表明福建省东部地区污染稳定地比西部严重. 东部县区2016—2018 年PM2.5年均浓度分别为27.19 、25.69 、22.69 μg·m-3, 而西部县区分别为25.82、25.49、22.68 μg·m-3, 皆低于东部县区. 三年污染重心相对几何重心东向偏移量分别为3.29、2.89 、2.11 km, 偏移变化量变化不大, 表明东部与西部县区的差异相对稳定, 2016—2018 年东西部县区PM2.5的年浓度差异分别为1.37、0.20、0.01 μg·m-3, 平均值为0.53 μg·m-3. 图2(b) 显示了位于东部的南安市浓度一直处在较高水平, 对东西部的差异贡献明显.2017 年重心相对于2016 年东向偏移更为明显, 其中福州市2017 年PM2.5浓度大幅反弹对2017 年的重心东向偏移影响明显.2018 年的污染重心相较2017 年向西移动, 这是由于东部大多数县区空气改善, 如泉港区PM2.5浓度降低了10.10 μg·m-3. 从南北向看, 3 年污染重心相对城市几何重心的南向偏移量分别为6.82、3.26、7.84 km, 偏移变化量变化大, 表明北部与南部县区的差异不稳定.2016—2018年北部县区的PM2.5年均浓度为24.92、24.89、21.56 μg·m-3,而南部县区的年均浓度为27.69、26.20、24.01 μg·m-3, 2016—2018 年南北部县区PM2.5年浓度差异分别为2.77、1.31、2.45 μg·m-3, 平均值为2.18 μg·m-3, 其中南部的泉港区对这一差异贡献明显. 2016 年因南安市PM2.5浓度远远高于其他县区, 使得2016 年重心南向偏移明显.2017 年南部县区大多空气改善, 特别是南安市浓度下降14.51 μg·m-3, 使得2017 年重心相较2016 年北移, 略微南移于城市几何重心,说明2017 年南部县区和北部县区的差异很稳定.2018 年重心相对于前两年南向偏移则更为明显, 这是由于南靖县和长泰县PM2.5浓度大幅反弹对2018 年重心南移影响显著.

图6 福建省PM2.5 重心分布

从整体上说,PM2.5年污染重心2017 年较2016 年向东北向偏移了3.71 km, 表明2017 年福建省东北部县区的污染比重加大;2018 年较2017 年污染重心向西南方向偏移了6.60 km,说明2018 年福建省西南方向的县区污染比重增大, 2018 年的偏移距离大于了2017 年, 表明2018 年间县区间的相对变化比2017 年明显.

2.5.2 PM2.5污染重心季节迁移特征

图6 同时显示了污染重心的季节迁移特点. 从3 年季节平均状况看, 春季的污染重心(118.34°E,25.76°N) 和夏季的污染重心(118.41°E,25.79°N) 位于城市几何重心的东南部、秋季的污染重心(118.33°E,25.81°N) 和冬季的污染重心(118.34°E,25.84°N) 位于城市几何重心的西南部, 且均位于泉州市的德化县. 从东西向看, 夏季重心相对于春季东向偏移更为明显, 东部的南安市因PM2.5浓度最大对夏季的重心东向偏移贡献最大; 秋季重心较夏季向西移动, 这是由于建瓯市秋季PM2.5浓度大幅反弹对秋季的重心西向偏移影响显著; 冬季又因漳浦县PM2.5浓度大幅反弹使冬季的重心再次向东偏移. 从南北向看, 春季因南部的南安市PM2.5浓度大幅高于其他县区, 且居于全年最高值, 导致春季的污染重心南移显著; 此后污染重心逐渐北移, 但仍处于城市几何重心的南部.

夏季污染重心较春季向东北方向偏移了3.67 km, 说明夏季福建省东北部县区污染比重加大 ; 秋季污染重心较夏季往西北方向偏移了8.52 km, 说明秋季福建省西北部的污染比重在增大; 冬季污染重心相对于秋季又往东北方向偏移了3.22 km, 说明冬季福建省东北部县区污染又加重. 福建省上半年东部污染严重, 下半年西部污染严重. 从春季开始污染重心一直往西北方迁移, 是因为随着季节变化, 夏季到冬季温度不断降低, 主导风由海洋季风转为内陆风, 空气变得污浊和干燥, 再加上温度低、风速小, 污染物易堆积, 导致西北部地区PM2.5浓度升高,从而污染重心向西北迁移. 由于所有污染重心均位于城市几何重心的南部, 故说明福建省南部的污染比北部严重.

图7 则更为细致地表述了各年份污染重心的月份迁移路线. 从南北向偏移量来看, 每年的5—8 月都处于南北差异稳定时期.2016 年除9 月和12 月污染重心北移, 其余月份重心均南移, 其中4 月偏移显著.2017 年1—3 月, 污染重心一路南移,3—8 月南北不平衡改善;9 月开始, 污染重心逐渐向北偏移,10—12 月重心则偏移到城市几何重心北部.2018 年全年污染重心均位于城市几何重心的南部, 其中1 月、2 月重心略微南移,3 月南移最显著. 从东西偏移量来看, 每年3—8 月污染重心发生东向偏移, 每年12 月发生西向偏移. 具体地,2016 年除2 月、9 月和12 月重心略微西移, 其余月份重心均东移, 其中4—7 月偏移较明显.2017 年1—4 月,东偏移量逐渐增大, 东西不平衡状态加剧;4—5月是东西不平衡改善时期;5—6 月, 东偏移量再次增大, 东西不平衡状态加剧;6—12 月, 污染重心开始逐渐向西偏移, 东西不平衡改善.2018年1—7 月, 东偏移量逐渐增大, 东西不平衡状态加剧;7—10 月, 污染重心开始逐渐向西偏移,东西不平衡改善.

总体来说, 福建省PM2.5的空气分布格局呈现明显的季节变化,2016 年表现出明显的南北空气污染速度变化,2017 年各个地区不同月份中所表现的空气污染速度变化相对较大.2016—2018 年各季节和月份的迁移路径说明福建省PM2.5空间不平衡是以南北向的差异为主的.

3 结论

图7 福建省PM2.5 重心月份变化

文章利用福建省81 个县区174 个监测站点2016—2018 年的PM2.5地面监测数据, 对福建省PM2.5时空特征进行系统分析, 结果表明, 福建省整体空气质量较好.2016—2018 年福建省PM2.5年均浓度分别为26.36、25.55、22.68 μg·m-3, 大多数县区PM2.5年均浓度呈逐年下降趋势. 从2017 年开始, 所有县区PM2.5浓度均达国家二级标准;PM2.5季均浓度表现出冬季＞春季＞秋季＞夏季的季节性变化规律;PM2.5月均浓度呈现 “U” 型的变化特征, 峰值一般出现在3 月份, 而低值一般出现在6 月份.

利用重心模型对福建省PM2.5时空分布特征进行图示化表达.2016—2018 年期间,PM2.5年污染重心都在城市几何重心东部, 表明福建省东部污染稳定地高于西部地区, 同时污染重心东移程度逐年降低, 说明东、西部差异在逐年减小; 从南北向看, 年污染重心位于城市几何重心的南部, 并呈震荡之势, 说明福建省近三年南部区县PM2.5状况起伏变化, 在改善同时亦存在污染反弹, 应引起关注. 从季节看, 从春季到冬季PM2.5季节污染重心不断向北迁移, 北向迁移量春季＞夏季＞秋季＞冬季, 春季、夏季的东向迁移量大于秋季和冬季. 从具体月份看, 从1—12 月份呈现 “南移—北移—振荡” 的周期循环之势. 与传统的描述性分析相比, 重心模型更能形象地表达出时空变化特征.