2013—2017年京津冀區域PM2.5濃度變化特征

孟曉艷，張 霞，侯玉婧，李婧妍，賈國山，葉春霞，宮正宇

1.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012 2.興義市環境保護局，貴州 興義 562400 3.萊州市環保局，山東 萊州 261400

隨著社會經濟的高速發展和化石燃料(如煤、石油、天然氣等)的過度消耗，區域環境空氣質量惡化，空氣污染問題引起高度關注[1]。城市空氣污染物排放和空氣質量改善問題，尤其PM2.5污染已成為人們普遍關注的熱點問題[2]。研究表明，PM2.5對人體健康、能見度和氣候變化[3-5]均具有重要影響，其相關研究是環境科學領域的研究熱點。2012年我國頒布了《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)[6]，標準中增加PM2.5濃度限值。京津冀、長三角、珠三角地區及直轄市、省會城市和計劃單列市共計74個地級及以上城市率先于2013年1月1日起開展了PM2.5監測，監測結果表明，PM2.5是當前困擾城市環境空氣質量改善和達標管理的重要二次污染物[7]。在2013年以前，中國尚未開展全國范圍PM2.5常規監測，因此國內外學者開展的相關研究大多基于某城市或城市群的實驗監測[8-12]，時間尺度也較短，缺乏大尺度長時間序列PM2.5濃度變化特征及趨勢研究。

2013年9月10日，為切實改善我國空氣質量，國務院印發《大氣污染防治行動計劃》(國發〔2013〕37號，簡稱《氣十條》)。《氣十條》對2017年前大氣污染治理給出了詳細治理藍圖，明確經過2013—2017年5年努力，全國空氣質量總體改善，重污染天氣較大幅度減少。其中大氣污染嚴重的京津冀區域降低目標最嚴格，要求京津冀區域PM2.5濃度下降25%左右，北京市PM2.5年均質量濃度控制在60 μg/m3左右。

本文利用2013—2017年京津冀區域13個城市PM2.5監測數據，系統分析京津冀區域PM2.5濃度時空變化特征、變化趨勢，展示2013—2017年區域PM2.5治理成效，為PM2.5污染防治工作提供科學依據。

1 數據來源和評價方法

1.1 數據來源

本文使用的基礎數據為2013—2017 年京津冀區域13個城市PM2.5日均濃度數據。數據來源于國控城市環境空氣質量自動監測點位的監測結果(圖1，共計80個點位，其中4個清潔對照點不參與統計)，參與統計的數據均為審核后數據，數據有效性滿足《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)和《環境空氣質量評價技術規范(試行)》(HJ 663—2013)[13]要求。監測設備運行期間按照《環境空氣質量自動監測技術規范》(HJ/T 193—2005)[14]進行運行維護和質量控制。

1.2 評價方法

本文PM2.5濃度達標情況根據《環境空氣質量標準》(GB 3195—2012)中PM2.5日均濃度和年均濃度進行評價。其中，PM2.5日均質量濃度二級標準是75 μg/m3，年均質量濃度二級標準是35 μg/m3。《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633—2012)[15]中明確空氣質量分指數(IAQI)為單項污染物的空氣質量指數，本文將PM2.5日均濃度分為6個質量級別：優、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染，將PM2.5日均濃度重度污染和嚴重污染簡稱為PM2.5重度污染。

注:底圖源自國家測繪地理信息局網站(http://www.sbsm.gov.cn/)(http://219.238.166.215/mcp/Default.html)1∶400萬基本要素版《中華人民共和國地圖》(2008年6月國家測繪局制)，審圖號GS(2008)1 400號，下載日期2017-07-16。圖1 京津冀區域13個城市PM2.5監測點位分布示意圖Fig.1 Distributions of PM2.5monitoring sites in 13 cities of Beijing-Tianjin-Hebei region

2 結果與討論

2.1 PM2.5濃度分布特征

2.1.1 PM2.5日均濃度統計

以京津冀區域13個城市PM2.5日均濃度為基礎，統計PM2.5不同濃度區間出現的天數。從圖2可以看出，PM2.5日均質量濃度主要集中在15～150 μg/m3。2013—2017年，京津冀區域PM2.5譜峰區間逐漸向低濃度范圍偏移且譜寬變窄；歷年PM2.5日均濃度分別超標2 563、2 254、1 845、1 505、1 239 d，PM2.5重度污染分別發生945、780、449、427、333 d，京津冀區域PM2.5污染明顯改善。

圖2 京津冀區域PM2.5日均濃度分布Fig.2 Distributions of daily average PM2.5concentration in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.1.2 PM2.5年均濃度水平

2013—2017年，京津冀區域13個城市PM2.5年均質量濃度的平均值分別為106、93、77、71、64 μg/m3，區域PM2.5年均質量濃度嚴重超標(圖3)。城市PM2.5年均質量濃度的最大值分別為160、130、107、99、86 μg/m3，出現在邢臺、保定、石家莊和邯鄲(石家莊)市；最小值分別為40、35、34、32、32 μg/m3，均出現在張家口市。京津冀區域PM2.5日均濃度超標天數比例逐年下降，已由2013年的54.1%降至2017年的26.1%。

圖3 京津冀區域PM2.5年均質量濃度和PM2.5日均值超標天數比例Fig.3 Statistics of annual average PM2.5concentrations and PM2.5nonattainment days in Beijing-Tianjin-Hebei region

表1給出了京津冀區域13個城市2013—2017年PM2.5年均質量濃度變化特征。與2013年相比，2017年13個城市PM2.5年均濃度呈現不同程度下降，降幅為20.0%～50.0%，平均下降39.6%，超額完成《氣十條》既定目標25%。其中，邢臺市PM2.5年均質量濃度降幅最大，從160 μg/m3降至80 μg/m3；2017年北京市PM2.5年均質量濃度為58 μg/m3，實現了《氣十條》中規定的“到2017年，北京市細顆粒物年均質量濃度控制在60 μg/m3左右”目標。2013—2017年13個城市PM2.5年下降濃度情況顯示：張家口、承德、秦皇島3個城市平均每年下降1.9～5.7 μg/m3；北京、天津、滄州3個城市降7.5～9.1 μg/m3；其他城市PM2.5年均下降質量濃度超過10 μg/m3，其中邢臺市2013—2017年平均每年下降20.3 μg/m3。結合圖1可以看出，PM2.5年均濃度最高的區域主要分布于太行山前的河北南部地區，包括保定、石家莊、邢臺等城市；而太行山、燕山西部及北部的張家口、承德等城市PM2.5濃度相對較低。

表1 京津冀區域13個城市2013—2017年PM2.5質量濃度逐年變化Table 1 Variations of PM2.5 annual concentrationsof 13 cities in Beijing-Tianjin-Hebei area

2.1.3 各百分位數濃度變化

為進一步分析京津冀區域13個城市PM2.5濃度變化特征，對2013—2017 年13個城市PM2.5最小值、第20～95百分位數及平均值、最大值進行統計分析。計算方法參考《環境空氣質量評價技術規范(試行)》，利用PM2.5有效日均濃度分別求取13個城市的各百分位數統計結果，京津冀區域則為13個城市統計結果的算術平均值。從表2可以看出，2013—2017年PM2.5質量濃度在各百分位數(第20～95百分位數)均呈現一致性下降趨勢，且隨著百分位數增大而下降率加大。其中，PM2.5年均質量濃度平均每年下降10.6 μg/m3。

表2 2013—2017年京津冀區域PM2.5質量濃度各百分位數年平均降低值Table 2 Yearly variation of PM2.5 percentileconcentrations in Beijing-Tianjin-Hebeiregion from 2013 to 2017 μg/m3

2.2 PM2.5時間變化特征

2.2.1 PM2.5日均濃度各質量級別比例逐月變化

2013—2017年京津冀區域13個城市PM2.5日均濃度優良級別比例分別為45.9%、52.2%、61.0%、68.4%和73.9%，空氣質量持續改善；PM2.5日均濃度重度污染天數比例分別為19.9%、16.6%、9.5%、9.0%和7.0%，呈不斷下降趨勢。由于京津冀區域冬季空氣擴散條件較差，進入采暖期后易出現PM2.5日均濃度重污染。從圖4可以看出，2016年12月PM2.5日均濃度優良級別比例僅為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日均濃度優良級別比例分別為40.4%、48.9%、36.0%和65.4%。

圖4 京津冀區域PM2.5日均濃度各質量級別比例逐月變化Fig.4 Monthly variations of proportion of PM2.5 quality levels in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.2.2 PM2.5月均濃度及重污染天數

圖5為2013—2017年京津冀區域13個城市PM2.5濃度、PM2.5重度污染天數的逐月分布，城市PM2.5最高月均質量濃度出現在2013年1月(石家莊，333 μg/m3)，其次為2016年12月(石家莊，277 μg/m3)。總體來看，京津冀區域PM2.5濃度呈明顯下降趨勢，并具有明顯的季節變化規律，呈現出冬季(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)，歷年4—10月京津冀區域PM2.5質量濃度平均值分別為83、73、57、53、51 μg/m3。

由于冬季靜穩天氣頻繁出現、降水少等不利氣象擴散條件以及京津冀區域燃煤污染物排放總量增加等原因，京津冀區域冬季PM2.5污染形勢嚴峻，PM2.5重度污染天數增加明顯拉升PM2.5濃度。PM2.5月均濃度和PM2.5重度污染天數呈明顯正相關，相關系數是0.98。2016年12月京津冀區域共計出現PM2.5重度污染170 d，頻繁出現的重污染過程造成該月PM2.5平均質量濃度為150 μg/m3，僅次于2013年1月、2014年2月；2017年1—2月共發生222 d重度污染，PM2.5平均質量濃度為111 μg/m3，明顯高于2015、2016年同期的163 d(106 μg/m3)和91 d(76 μg/m3)。

圖5 京津冀區域PM2.5月均濃度和重污染及以上天數統計Fig.5 Statistics of PM2.5monthly concentrations and PM2.5heavy pollution days in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.3 重污染對PM2.5濃度影響分析

2.3.1 PM2.5重污染頻次

2013—2017年，京津冀區域13個城市累計發生PM2.5重度污染945、780、449、427、333 d，2013—2017年3個城市PM2.5重度污染天數呈下降趨勢,詳見表3。

表3 2013—2017年京津冀區域13個城市PM2.5重度污染天數統計Table 2 Statistics of PM2.5heavy pollution daysof 13 cities in Beijing-Tianjin-Hebeiregion from 2013 to 2017 d

北京2013—2017年分別出現PM2.5重度污染58、45、42、38、22 d；天津分別為50、34、25、28、25 d；石家莊分別為134、95、48、71、48 d。2017年3個城市發生的PM2.5重度污染天數較2013年下降50%及以上。2016年石家莊PM2.5重度污染天數反彈，較2015年增加23 d。從逐年PM2.5累計重度污染天數(圖6)可以看出，北京以持續3～5 d重度污染為主，2013—2017年累計出現87 d；天津則以持續1～2 d重度污染為主，2013—2017年累計出現72 d；石家莊PM2.5重度污染較北京、天津嚴重，持續1～2 d、3～5 d及5 d以上分別累計發生106、152、138 d。

圖6 北京、天津、石家莊市PM2.5重度污染持續時間及天數統計Fig.6 Statistics of PM2.5heavy pollution days durationin Beijing, Tianjin and Shijiazhuang

2.3.2 重度污染對PM2.5年均濃度影響

從圖7可見，京津冀區域13個城市2013—2017年PM2.5平均質量濃度為35～112 μg/m3，區域平均質量濃度為82 μg/m3；PM2.5非重度污染天的平均質量濃度為33～77 μg/m3，區域平均質量濃度為63 μg/m3。2013—2017年京津冀區域PM2.5平均質量濃度與非重度污染天相比升高19 μg/m3；PM2.5重度污染天的平均質量濃度為157～248 μg/m3，區域平均質量濃度為217 μg/m3，較非重度污染天時高244.4%。

圖7 2013—2017年PM2.5年均濃度對比圖Fig.7 Comparison of PM2.5annual concentration in the last 5 years

3 結論

1)2013—2017年，京津冀區域PM2.5污染整體較重，但治理成效顯著，區域歷年PM2.5年均質量濃度為106、93、77、71、64 μg/m3，完成《大氣污染防治行動計劃》PM2.5濃度下降25%左右的目標，但仍超過國家PM2.5年均濃度二級標準的2.03、1.66、1.20、1.03、0.83倍，達標城市僅有張家口市。

2)京津冀區域13個城市PM2.5濃度在各百分位數(第20～95百分位數)上均呈現一致性下降趨勢，且隨百分位數增大而下降速率加大。其中，區域PM2.5年均質量濃度平均每年下降10.6 μg/m3，污染嚴重的太行山沿線城市邢臺、石家莊、邯鄲3個城市年下降率位于區域前三名，平均每年分別下降20.3、16.1、13.9 μg/m3。

3)2013—2017年京津冀區域PM2.5重度污染天數比例分別為19.9%、16.6%、9.5%、9.0%、7.0%，呈下降趨勢。京津冀區域大范圍重污染過程主要集中發生在秋、冬季，2013—2017年區域PM2.5平均質量濃度相比不計入重度污染天升高19 μg/m3，PM2.5重度污染天的平均質量濃度較非重污染時高244.4%，重度污染過程直接推高PM2.5年均濃度。