基于GIS的中國PM2.5濃度的空間分布及影響因素分析

李 松， 羅緒強， 李 戀， 萬紅燕

(1.貴州師范學(xué)院 資源環(huán)境與災(zāi)害研究所, 貴州 貴陽 550018; 2.中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所, 北京 100101)

基于GIS的中國PM2.5濃度的空間分布及影響因素分析

李 松1,2， 羅緒強1， 李 戀1， 萬紅燕1

(1.貴州師范學(xué)院 資源環(huán)境與災(zāi)害研究所, 貴州 貴陽 550018; 2.中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所, 北京 100101)

摘要：[目的] 研究中國PM2.5的空間分布特征及其影響因素，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 利用2014年2月25日上午9時和3月23日9時來自國家環(huán)保部的PM2.5時均濃度值，以GIS為平臺利用雙三次B樣條方法，以中國陸疆國界為內(nèi)插區(qū)域，模擬兩個時相PM2.5濃度的空間分布，并在此基礎(chǔ)上對比分析了中國和美國PM2.5濃度標(biāo)準(zhǔn)的差異，進一步分析荒漠化、降水、風(fēng)速和經(jīng)濟增長水平對PM2.5濃度空間分異的影響。 [結(jié)果] 模擬結(jié)果表明，京、津為中心的華北地區(qū)是中國PM2.5污染嚴(yán)重的區(qū)域，珠三角是另一個污染較嚴(yán)重的區(qū)域，西藏、新疆和貴州等西部省區(qū)是中國PM2.5濃度較低，空氣質(zhì)量較好的區(qū)域。 [結(jié)論] 我國各地區(qū)PM2.5濃度與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：空間分布； PM2.5； 空間內(nèi)插； 影響因素； GIS

近些年來，經(jīng)常出現(xiàn)的大范圍持續(xù)空氣霧霾污染，成為影響人類社會生活和身體健康的重大難題，引發(fā)人們廣泛的關(guān)注，曾成為百度搜索引擎關(guān)注度最高的搜索熱詞。由于經(jīng)濟的快速增長，煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，以及粗放的經(jīng)濟增長模式，致使中國大氣質(zhì)量出現(xiàn)日益惡化的趨勢，嚴(yán)重的空氣污染從發(fā)達(dá)地區(qū)尤其是東部發(fā)達(dá)省份蔓延至全國，霧霾天氣產(chǎn)生的頻率，呈現(xiàn)顯著的上升趨勢[1]，對人類的生存環(huán)境和身體健康造成嚴(yán)重的影響。大氣污染尤其是空氣動力學(xué)直徑≤2.5 μm的大氣污染細(xì)顆粒物，也即PM2.5引起更廣泛的關(guān)注，成為世界各國環(huán)境污染防控最重要的對象之一[2]。PM2.5主要物質(zhì)來源是人類生產(chǎn)和生活中排放的廢棄物，它的物質(zhì)組成復(fù)雜，主要包括有機化合物、銨鹽、硝酸鹽、硫酸鹽，以及鈉、鎂、鋁、鐵等金屬，也包括鉛、鋅、砷、鎘、銅等重金屬元素。目前關(guān)于PM2.5的研究，主要集中在北京、上海、廣州和深圳市等發(fā)達(dá)地區(qū)城市，研究內(nèi)容主要集中在污染特征和影響因素[3-7]、污染物質(zhì)構(gòu)成和來源解析[8-11]、污染誘發(fā)的疾病和健康影響[12-16]等方面。對大氣污染的監(jiān)測，目前國際通行的方法是通過定點的自動監(jiān)測進行，有限的監(jiān)測點只能觀測較小范圍內(nèi)的空氣污染水平，每個監(jiān)測點觀測值只在一定半徑內(nèi)有效。中國有限的PM2.5監(jiān)測點，主要集中在華北，其次是華東和珠三角，其他中西部地區(qū)監(jiān)測點群分布較少，分散的監(jiān)測點群，不能揭示空氣污染在區(qū)域內(nèi)的空間分布。因此，空氣污染物在空間的連續(xù)分布是公眾健康和社會經(jīng)濟健康發(fā)展所必須解決的問題。本研究試圖通過中國PM2.5國控監(jiān)測點，分析B樣條插值在PM2.5空間分布模擬中的應(yīng)用，并選取空氣質(zhì)量優(yōu)、劣兩個典型案例，結(jié)合GIS分析全國PM2.5空間分布和演變特征。

1研究方法

1.1　數(shù)據(jù)源

最近幾年來，中國PM2.5迅速為國內(nèi)外所熟悉和關(guān)注。在這樣的背景下，2011年底中國制定了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(二次征求意見稿)》以及《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)日報技術(shù)規(guī)定(三次征求意見稿)》，在征求公眾意見基礎(chǔ)上，于2012年2月29日正式公布，將PM2.5納入常規(guī)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)體系。目前，中國的實時環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點主要設(shè)立在城市區(qū)域，本研究數(shù)據(jù)來自國家環(huán)保部PM2.5國控監(jiān)測點，覆蓋了每個省級行政區(qū)包括新疆、西藏、青海，以及香港、澳門和臺灣，超過200個城市，898個監(jiān)測點。監(jiān)測點的布局反映一定區(qū)域內(nèi)空氣污染水平和變化規(guī)律，監(jiān)測點間設(shè)置條件盡可能一致，確保數(shù)據(jù)具有可比性。監(jiān)測點覆蓋各種污染水平區(qū)域。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測規(guī)范(2007)》，對于高污染區(qū)域，為避免污染源直接影響監(jiān)測結(jié)果，監(jiān)測點與污染源應(yīng)保持合適的距離。監(jiān)測點密度呈現(xiàn)由東部沿海向西部內(nèi)陸降低的趨勢。每個監(jiān)測點平均覆蓋的國土面積，東部的海南、廣東、福建、浙江、臺灣、江蘇、天津、北京、河北、遼寧是2 300 km2；西部的新疆、西藏、內(nèi)蒙古、青海和甘肅是9.63×104km2；其他中部省區(qū)為9 500 km2。

1.2　研究方法

各國廣泛采用的PM2.5監(jiān)測方法包括：β射線吸收法、重量法和微量振蕩天平法，2008年歐盟成員國使用β射線吸收法和重量法的PM2.5點占監(jiān)測點的62%。本研究的PM2.5濃度為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的濃度，污染物單位μg/m3，監(jiān)測方法以β射線吸收法和重量法為主，并在內(nèi)插基礎(chǔ)上，比較中國(HJ633—2012)和美國PM2.5的濃度標(biāo)準(zhǔn)(national ambient air quality Standards， NAAQS)差異(表1)。由于有限監(jiān)測點只能反映一定范圍內(nèi)(0.1～100 km)的區(qū)域水平，基于GIS平臺，對其進行雙三次B樣條插值，模擬中國PM2.5濃度的空間分布。

表1　中美PM2.5濃度標(biāo)準(zhǔn)對比　μg/m3

2　結(jié)果與分析

中國國界和省界來自國家基礎(chǔ)地理信息中心，投影為UTM投影。監(jiān)測點經(jīng)過UTM投影后，生成GIS點文件，構(gòu)建PM2.5字段，將PM2.5時均濃度值與GIS點文件PM2.5關(guān)聯(lián)。利用監(jiān)測點2014年2月25日上午9時和3月23日9時的PM2.5時均濃度，以中國陸疆為內(nèi)插區(qū)域，模擬兩個時相PM2.5濃度的空間分布(圖1)。監(jiān)測結(jié)果表明，3月23日9時的全國空氣質(zhì)量總體上明顯優(yōu)于2月25日上午9時。3月23日中國標(biāo)準(zhǔn)下，PM2.5符合優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域1.37×106km2，分布在西藏和上海大部，福建、浙江、廣東沿海，黃土高原和內(nèi)蒙古地區(qū)局部，貴州地區(qū)西南部。PM2.5良好區(qū)域4.79×106km2，占中國總面積的近50%。輕度污染區(qū)域2.39×106km2，集中分布在新疆、華中、華北和東北沿邊沿海區(qū)域。中度以上污染區(qū)域9.46×105km2。其中，中度污染主要集中在河北、山東和沈陽為中心的華北、東北地區(qū)和新疆，在湖北和珠三角地區(qū)也有較為集中的分布。重度污染區(qū)域分布在新疆自治區(qū)庫爾勒、廣東省清遠(yuǎn)、北京、天津、山東省濱州和淄博、遼寧省瓦房店和本溪等地區(qū)。同期美國標(biāo)準(zhǔn)下，優(yōu)秀區(qū)域2.53×104km2，僅在西藏南部和內(nèi)蒙古東部地區(qū)有零星分布。良好區(qū)域1.59×106km2，分布區(qū)與中國標(biāo)準(zhǔn)下的優(yōu)秀區(qū)域相似。輕度污染3.02×106km2，分布在四川、青海、甘肅和內(nèi)蒙古大部。中度污染4.39×106km2，分布在新疆，以及湖南、湖北、河南、河北和東北三省的東北—西南向的帶狀區(qū)域。重度以上污染2.39×106km2。2014年2月25日，中國PM2.5優(yōu)秀和嚴(yán)重污染的區(qū)域都很廣，呈現(xiàn)以京津為核心的近同心圓狀分布，優(yōu)秀區(qū)域3.60×106km2，主要分布在同心圓最外側(cè)的西藏、新疆大部，云南、廣西、江西、貴州局部。同心圓內(nèi)側(cè)是良好區(qū)域，面積2.00×106km2。輕度污染1.20×106km2，主要分布在在四川、重慶、青海地區(qū)。中度以上污染區(qū)域3.00×106km2，集中分布在華中、華北、華東和東北地區(qū)，其中北京、天津、吉林和黑龍江地區(qū)為嚴(yán)重污染。美國標(biāo)準(zhǔn)中，優(yōu)秀的區(qū)域縮減到3.50×105km2，分布在西藏和云南南部、新疆北部和海南地區(qū)。中度污染區(qū)域擴大到四川、重慶和青海大部、甘肅東部和內(nèi)蒙古西部地區(qū)。為了分析PM2.5的變化，對2月25日、3月23日的濃度做減法運算，結(jié)果如圖2—3所示。濃度增加0～50 μg/m3的主要有西藏和新疆地區(qū)，增加≥50 μg/m3的主要有新疆庫爾勒區(qū)域。其余區(qū)域的濃度降低，降低的幅度由外向京津地區(qū)逐步增加。分別從東北(46.985°E，133.14°N)到西南(28.758°E，90.786°N)、西北(43.147°E，80.827°N)到東南(28.3°E，120.615°N)兩條直線切割3月23日和2月25日的PM2.5濃度圖，得到兩個時相的PM2.5濃度剖面圖。東北—西南切割線上每隔500 km的地名分別是(起點)黑龍江佳木斯富錦市建雞高速—黑龍江五常市—吉林彰武縣—北京平谷縣—山西古交市—甘肅鎮(zhèn)原縣—西藏瑪曲縣—昌都縣—桑日縣—浪卡子縣(終點)，結(jié)果表明，在中國東北—西南方向上，2月25日的濃度顯著高于3月23日的濃度。同樣在西北—東南向的(起點)新疆昭蘇縣卡拉烏提克力—新疆尉犁縣—新疆若羌縣—青海德令哈市—青海澤庫縣—陜西勉縣—彭澤縣—浙江永嘉縣巖頭鎮(zhèn)(終點)方向上，PM2.5濃度變化趨勢較為復(fù)雜，2月25日的濃度與3月23日相比，出現(xiàn)了“高—低—高—相似”的變化趨勢，交替點出現(xiàn)在青海北部和湖北東部，東南沿海地區(qū)濃度趨于相近。

圖1　中國PM2.5濃度空間模擬及與美國標(biāo)準(zhǔn)比較結(jié)果

圖2　PM2.5東北-西南向濃度曲線和PM2.5西北-東南向濃度曲線

圖3　中國2月25日至3月23日PM2.5濃度變化

3PM2.5濃度影響因素分析

3.1　經(jīng)濟水平對PM2.5濃度的影響

選擇的兩個時相，2月25日的空氣質(zhì)量明顯好于3月23日。但兩個時相都表現(xiàn)出相似的空間分布特征。總體上，PM2.5濃度和經(jīng)濟發(fā)展水平有明顯的相關(guān)性。在宏觀地域上，中國北方大于南部，東部沿海大于西部內(nèi)陸。中國PM2.5濃度最高的3個區(qū)域都是中國經(jīng)濟發(fā)達(dá)程度最高的：廣州、深圳為中心的珠江三角洲地區(qū)，上海為中心的長江三角洲地區(qū)，北京天津為中心的華北地區(qū)。經(jīng)濟落后地區(qū)的貴州、新疆、西藏、云南是全國PM2.5濃度較低，空氣質(zhì)量較好的區(qū)域。

3.2　氣象因素對PM2.5濃度的影響

利用來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的全國2月和3月份平均風(fēng)速和年均降水量，分析風(fēng)速、降水量對PM2.5濃度變化的影響。在中國東南部，1 000 mm等降水線東南部，是中國PM2.5濃度最低的區(qū)域。在1 000 mm等降水線北部，PM2.5濃度分異特征和風(fēng)速的地區(qū)差異相關(guān)，平均風(fēng)速較高的西部，PM2.5濃度總體上低于東部地區(qū)。由于中國溫度和降水表現(xiàn)出類似的地區(qū)分異特征，對PM2.5的影響與降水類似，在平均氣溫最高的中國南部，尤其16 ℃等溫線南部，是中國PM2.5濃度總體最低的區(qū)域。

3.3　荒漠化對PM2.5的影響

荒漠化對PM2.5有著重要的影響，尤其伴隨著氣象條件的變化，表現(xiàn)得更為明顯。2014年3月23日9：00，在中國PM2.5總體濃度較低，空氣質(zhì)量較好的背景下，以庫爾勒為中心的新疆地區(qū)，塔克拉瑪干大沙漠影響區(qū)域，卻是PM2.5濃度最高的最大的連續(xù)分布區(qū)之一。相比之下，2月25日該地區(qū)的PM2.5濃度卻是全國最優(yōu)的區(qū)域。

4結(jié) 論

研究區(qū)監(jiān)測點有污染監(jiān)控點、空氣質(zhì)量評價點、空氣質(zhì)量對照點和空氣質(zhì)量背景點4類，后兩類監(jiān)測點遠(yuǎn)離污染源和建成區(qū)20～50 km以上，空氣質(zhì)量對照點代表性范圍為幾十千米。空氣質(zhì)量背景點的布置考慮了區(qū)域大氣環(huán)境特征并遠(yuǎn)離污染源，不受局地環(huán)境的影響，代表性范圍超過100 km。西部的新疆、青海、西藏的監(jiān)測點過于稀疏，而中、東部地區(qū)的布點滿足空間內(nèi)插的需要，因此，基于GIS的雙三次B樣條插方法在本次研究取得良好的效果。總體上，經(jīng)濟發(fā)展水平對PM2.5濃度分異的影響還疊加了氣象要素的作用，PM2.5濃度與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，3月23日和2月25日的模擬結(jié)果表明，京、津為中心的華北地區(qū)是中國PM2.5污染嚴(yán)重的區(qū)域，珠三角地區(qū)是另一個污染較嚴(yán)重的區(qū)域。西藏、新疆和貴州等西部省區(qū)是中國PM2.5濃度較低，空氣質(zhì)量較好的區(qū)域。

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Spatial Distribution Model of Countrywide PM2.5Concentration and Influence Factors Using Geographical Information System

LI Song1,2, Luo Xuqiang1, LI Lian1, WANG Hongyan1

(1.InstituteofResourcesEnvironmentandDisaster，GuizhouNormalCollege,Guiyang,Guizhou550018,China; 2.InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)

Abstract：[Objective] The characteristics of spatial distribution of PM2.5in China and the influence factors were studied to provide scientific basis for environment monitoring. [Methods] This paper collected hourly concentrations of PM2.5pollutant at 9：00 on February 25 th and 9：00 on March 23 th, 2014. Consequentially, the countrywide spatial distribution of PM2.5concentration was simulated within national boundaries using bicubic B-spline method in GIS. The concentration distribution was compared with that of USA spatially atdifferent standard. [Results] The most serious polluted region is Beijing and Tianjin-centered north China, and another is Pearl River Delta. The western provinces, including Tibet, Xinjiang and Guizhou area are good-air regions with low concentration. [Conclusion] There is a stable relationship between economic growth and PM2.5concentration.

Keywords:spatial distribution; PM2.5; spatial interpolation; influence factors; GIS

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0202-04

中圖分類號：X51， X831

收稿日期：2014-05-06修回日期：2014-06-17

資助項目：國家自然科學(xué)基金項目“喀斯特植物磷、鈣脅迫的生態(tài)適應(yīng)性調(diào)控機制研究”(31100187)； 貴州教育廳科技項目(13GH069)； 烏當(dāng)科技局科研項目([2012]烏科技合同字48號)

第一作者：李松(1980—)，男(漢族)，貴州省織金縣人，博士，副教授，主要從事地質(zhì)災(zāi)害遙感研究。E-mail：zhijinese@163.com。