2014－2016年北京市PM2.5污染時空分布特征

齊夢溪，趙文慧，孫 爽，劉軼軒，郭逍宇，趙文吉*

1. 首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048；2. 北京市環境保護監測中心，北京 100048

近年來，隨著中國工業化、城市化與現代化進程的推進，城市大氣污染已成為亟待解決的主要環境問題之一，其中霧霾作為一種典型災害性空氣污染現象，具有爆發頻率高、持續時間長、影響范圍廣等特點（錢峻屏等，2006）。PM2.5（粒徑≤2.5 μm）作為霧霾的主要組分，具有粒徑小、相對表面積大、易吸附有毒有害物質等特征，對人體健康與大氣環境具有顯著影響（吳兌等，2012；楊勇杰等，2008；楊新興等，2012）。此外，PM2.5及其組分通過消光作用和對可見光的強吸收作用，使大氣能見度顯著降低（Mues et al.，2012；王京麗等，2006；Pakkanen et al.，2001）。如何實現對大氣PM2.5及時有效的管控與防治，改善地區環境質量、提高人居生活水平、促進區域生態環境與社會經濟的協調發展，現已成為眾多學者關注與研究的焦點（楊復沫等，2000；徐敬，2003；任陣海等，2004）。

近年來，對PM2.5的研究主要集中在污染水平、時空分布、化學組成及污染來源等方面（吳健生等，2015；楊復沫等，2002；王振波等，2015；于娜等，2009）。在對北京市PM2.5污染的季節分布特征進行分析時發現，冬秋污染水平較高、春夏次之（Wang et al.，2015；王浩等，2016；王嫣然等，2016）。全市大氣 PM2.5污染高濃度區域主要集中在南部及西南部，東部及城區次之，北部和東北部為低值區，整體呈現由北向南逐步加重的空間分布特征，且其質量濃度變化與自然因素相關性較強，溫度、相對濕度、風速、降水和氣壓等是影響 PM2.5污染程度的重要因素（趙越等，2004；楊文濤等，2018；陳媛等，2010；王偉武等，2008；梅波等，2018）。在成因分析上，崔蓉等（2008）通過對 2006年北京采暖期PM2.5和PM10中元素的分析，得出主要污染源為供熱燃煤和機動車尾氣排放；毛小平等（2017）對北京市冬季大氣污染特征進行解析，發現本地源（無除塵設備的散戶燃煤排放及市內生活排放）是北京市大氣顆粒物污染的主要來源，異地搬運污染源對全市大氣污染的影響程度不具有決定性作用。經研究發現，北京市 PM2.5污染時空分布特征的長時間序列研究多集中在 2014年以前，對 2014年之后的研究相對較少，因此，本文對北京市 2014－2016年大氣細顆粒污染物時空分布特征進行探究，通過對比與分析近3年PM2.5的污染時空變化規律，進一步完善北京市大氣環境監測體系，從而為大氣污染治理政策的規劃與制定提供參考依據。

圖1 研究區監測站點分布圖Fig.1 Distribution map of monitoring point in research area

1 研究區域與方法

1.1 研究區概況

北京市位于華北平原北部，三面環山，地勢西北高，東南低，總面積約為1.64萬平方千米，其中約三分之二為山區，平均海拔山區為平原區的 25倍左右。全市共分為 16個市轄區，密云區面積最大，最小的為東城區，其氣候為典型的北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，春秋兩季時間較短。

1.2 數據來源與研究方法

本文選取2014－2016年北京市35個環境空氣監測站點小時數據進行研究，數據來源于北京市環境保護監測中心（http://www.china-jcw.cn/），北京市行政區劃矢量圖、交通環路數據來自國家基礎地理信息中心（http://ngcc.sbsm.gov.cn）。通常，北京市供暖開始于11月中旬，至次年3月中旬停止。本研究中，3月16日－11月14日為非采暖期，自11月15日至次年3月15日為采暖期。對24 h監測數據求日均值，基于日均值求采暖期與非采暖期均值及年均值，并應用ArcgGIS 10.3的空間分析手段，將具有空間坐標的35個監測站點的PM2.5濃度數據進行空間插值及統計分析。監測站點分布如圖1所示。

2 結果與討論

2.1 采暖與非采暖期PM2.5時間維度變化特征

從時間維度對 2014－2016年北京市采暖期（CN）與非采暖期（FCN）PM2.5污染特征規律進行分析，由圖2可知，采暖期（CN）PM2.5小時均值濃度顯著高于非采暖期（FCN）。且非采暖期污染水平整體波動較小，2014年污染較重，2015年污染程度略低于2016年；采暖期，PM2.5濃度小時均值變化幅度較大，白天污染顯著低于夜晚。

非采暖期，2014年與2015年整體呈“波浪”型波動，2016年變化趨勢最為平緩。從2:00開始小幅度下降，至7:00出現第一個小低谷，后污染逐漸加重，到11:00左右濃度達到峰值，持續到約13:00下降，至18:00濃度值降到另一個低谷，后污染濃度再次略有升高，全市 PM2.5污染小時均值污染變化規律表現出明顯的累積與滯后效應，其原因與人為源的排放和大氣層次結構變化相關，且人們外出活動和太陽輻射強弱也是造成該變化特征的主要因素之一（杜榮光等，2011；趙晨曦等，2014）。本研究中，非采暖期 PM2.5污染小時均值與人為源的關系存在明顯滯后效應。7:00之前市內車輛相對較少，經夜間沉降作用PM2.5濃度值逐漸下降，7:00－9:00與17:00－19:00為兩個出行高峰期，上路車輛較多，汽車尾氣排放量增加，大氣中顆粒物含量經累積效應逐漸升高，由于滯后效應分別在 11:00左右與22:00左右達到全天的兩個峰值，且隨出行高峰期的結束，大氣中細顆粒物呈逐漸降低趨勢顯著，在3:00－6:00期間PM2.5濃度相對較穩定，此時人為活動在一天中相對較少。因此，非采暖期人為活動（主要為機動車尾氣排放）對 PM2.5濃度有相對重要的影響（陶雙成等，2016）。

采暖期大氣 PM2.5小時均值變化趨勢兩年大體相同且整體波動較大，且在12:00之前2016年污染程度相對較低；12:00－18:00的 PM2.5濃度，2014年明顯低于其他年份，全市污染水平從16:00開始持續增長；在23:00至次日2:00到達峰值并保持相對穩定，后持續緩慢下降，10:00－12:00出現短暫抬升后，繼續緩慢降低，15:00降至全天最低值，波動趨勢大體呈“W”形。由于夜晚取暖需求，導致大氣細顆粒物濃度從18:00開始快速抬升，出現持續時間較長的峰值，因此在采暖期，燃煤仍是北京市大氣 PM2.5污染的主要貢獻源（韓力慧等，2016）。白天污染濃度波動相對較小，在11:00左右出現的峰值比其前后兩個波谷略高，整體變化相對穩定，該時間段太陽輻射較強，人為活動相對頻繁，處于上下班高峰期，車流量較大，導致大氣中汽車尾氣含量增加，但該污染源對大氣 PM2.5濃度的影響效應整體不顯著。

圖2 2014－2016年PM2.5逐小時質量濃度均值Fig.2 Average hourly concentration of PM2.5 in 2014-2016

圖3 2014－2016年PM2.5逐月質量濃度均值Fig.3 Average Monthly concentration of PM2.5 in 2014-2016

在 PM2.5月均濃度趨勢圖中（圖 3），以 15號為節點將每年3月與11月拆分為兩部分，分別歸屬于一年的采暖期與非采暖期，并將每年3月與11月全月均值濃度以散點圖的形式呈現。3年非采暖期 PM2.5濃度的月均值整體上均呈現明顯的“W”形波動，2015年變化趨勢近似于2016年，其最低值均出現在 8 月，2015 年（46.143 μg·m-3）略低于2016 年（46.624 μg·m-3），2014 年污染程度相對嚴重，月均污染濃度最低值出現在 11月上半旬，為50.985 μg·m-3。其中，每年月均濃度值自3月下旬開始下降，2014年在5月降至波谷，2015年和2016年波谷拐點出現在6月，后PM2.5月均值逐漸升高，并均于7月達到次波峰后開始下降。8－11月，2015年與2016年月均值呈持續增長，2014年PM2.5月均濃度增至 10月后明顯下降，經研究，由于該年10月出現多次重污染事件，頻發的沙塵天氣與秸稈焚燒是造成該月 PM2.5污染濃度顯著增高的主要原因（Yang et al.，2015）。采暖期的月均濃度值波動較大，規律性不明顯。其中，2015年與2016年污染波峰均出現在 12月，分別為 161.096、132.079 μg·m-3，而1月、2月污染濃度明顯降低，2015年的3月略有升高，受冬季采暖與正值春節易燃鞭炮的人為因素影響，2015年12月出現兩次空氣重污染紅色預警，因此該月污染濃度值明顯高于其他月份。2014年11月上半旬PM2.5污染質量濃度達到最高值，為148.309 μg·m-3，12月污染相對較低，但2014年11月前半月與后半月的濃度值差異性較大，這與11月3－11日舉行的APEC會議具有顯著相關關系，為保證APEC會議期間的空氣質量，北京及周邊5省遵循嚴格的減排措施，通過聯防聯控，使該時間段內北京市空氣質量得到極大地控制與改善。會議結束后，相關措施執行松懈也使細顆粒物污染的月均值驟然升高，這給我們進行區域大氣環境的聯合治理提供了較好的借鑒意義。

2014－2016年北京市大氣PM2.5年均質量濃度值變化顯著（圖 4），由 2014 年的 90.279 μg·m-3，降至2015年的82.261 μg·m-3，2016年再次下降至78.672 μg·m-3，城市大氣細顆粒物污染逐年好轉。非采暖期，2016年污染程度相較于2015年的65.051 μg·m-3略有抬升，整體污染水平顯著低于采暖期。2015年采暖期PM2.5平均濃度相較2014年下降幅度較小，2016年污染濃度較低，為 90.720 μg·m-3，冬季燃煤取暖仍是北京市大氣污染的主要貢獻源。因此，近年來政府出臺相應的管控措施，如節能減排政策的實施，對燃煤廠進行超低排放改造，加快淘汰不符合強制性標準燃煤鍋爐等，對采暖期大氣污染的改善已經初見成效，大氣污染控制向著越來越積極的方向發展（陳健鵬等，2013）。

圖4 2014－2016年PM2.5采暖期與非采暖期年均質量濃度Fig.4 Average annual concentration of PM2.5 during heating and non-heating periods in 2014-2016

2.2 采暖與非采暖期PM2.5空間分布特征

對北京市35個監測站點大氣PM2.5數據的空間分布特征進行分析，采用普通克里金插值法設置插值范圍及其半變異函數，分別對北京全市域、主城區和六環分區進行插值，得到 2014－2016年北京市采暖期與非采暖期大氣 PM2.5平均質量濃度空間分布圖（圖5－圖7）。

全市 PM2.5年均質量濃度空間插值結果如圖 5所示，在非采暖期，2014年 PM2.5濃度的最低值（63.914 μg·m-3）與最高值（92.302 μg·m-3）均明顯高于 2015 年（46.845－76.716 μg·m-3）和 2016 年（50.094－80.086 μg·m-3），3 年間 PM2.5年平均質量濃度范圍在 47－92 μg·m-3之間，高污染主要集中在研究區東南部，而以密云區為代表的北部區域大氣細顆粒物濃度污染相對較低。顯然，2014年PM2.5污染范圍較為集中，主要分布在市直轄區、大興和通州，呈現出“南高北低”的空間分布特征，2015年 PM2.5年均質量濃度值的最高值下降至 76.716 μg·m-3，全市PM2.5重污染范圍向北部偏移，昌平、順義與平谷相較于 2014年的污染狀況具有明顯升高，且全市各區域之間的污染差值以視覺可見程度減小。全市2016年大氣污染較2015年略有加重，除密云區污染濃度仍保持全市最低值以外，其余各區之間的污染差值進一步縮小，重污染區域仍集中在南部區域。對比全市采暖期 PM2.5均值濃度污染的空間分布，3年大氣污染質量濃度范圍分別為58.673－189.121 μg·m-3（2014年）、48.489－180.233 μg·m-3（2015 年）、48.818－143.705 μg·m-3（2016年），相較于非采暖期大氣污染程度較嚴重，在區域分布上呈現“南高北低”的空間污染分布特征，重污染范圍下移，主要集中在房山、大興與通州，與非采暖期相比主城區污染程度明顯降低。2015年采暖期，全市PM2.5污染呈現南部較重，其余區域污染水平差異較小、分布較均勻的空間特征，整體表現為西南部＞東南部＞中部＞東北部＞西北部。2016年重污染范圍在南部擴大，除大興外，通州污染程度相對較重。其中，采暖期與非采暖期的主城區污染差異性較大，非采暖期為全市重污染區域的組成部分，采暖期的主城區污染程度較周邊區域均衡，為進一步探究導致該污染特征的深層次原因，對主城區 PM2.5污染的空間分布特征進行分析（圖6）。

圖5 北京市大氣PM2.5年均質量濃度插值Fig.5 Interpolation of atmospheric PM2.5 average annual concentration in Beijing

圖6 北京市主城區大氣PM2.5年均質量濃度插值Fig.6 Interpolation of atmospheric PM2.5 average annual concentration in the urban center of Beijing

圖7 北京市六環路以內區域大氣PM2.5年均質量濃度插值圖Fig.7 Interpolation of atmospheric PM2.5 annual average concentration within the area of the sixth ring road in Beijing

對比主城區2014－2016年非采暖期PM2.5平均質量濃度空間演變特征（B1－B3），發現城區道路交通主線涵蓋區域的 PM2.5污染水平整體高于未分布交通主線的區域，即東南部污染程度顯著高于西北部，顯然非采暖期城市道路交通機動車尾氣排放對主城區大氣細顆粒物污染具有較大影響。就3年具體污染空間分布而言，南三環監測點以南污染濃度始終較為嚴重，門頭溝監測點污染濃度保持城區最低，變化較明顯的區域為北部新區與植物園兩個監測點，北部新區相對其他站點污染程度逐年加重，植物園監測點在2016年有明顯下降。采暖期，PM2.5污染濃度的空間分布呈南部與北部較高中部低的區域分布特征，以植物園與門頭溝兩個監測站點為中心屬于低值區，其余部分污染濃度較高，3年城區PM2.5污染空間分布差異性明顯；2014年的污染質量濃度范圍為 87.284－111.216 μg·m-3，最高值略低于2015年的115.496 μg·m-3，高濃度區域在空間上較為集中，沿著東南部呈條帶分布；至2015年與 2016年，城區大氣污染的高值區與低值區間的界限逐漸模糊，豐臺花園與南三環周邊大氣污染嚴重，低值區收縮至植物園周邊，3年污染差異縮小，呈現 2014年（85.091 μg·m-3）＞2015年（72.065 μg·m-3）＞2016 年（71.525 μg·m-3）的污染狀態，由此可以看出道路交通中機動車尾氣排放與道路揚塵在采暖期對大氣污染的影響作用相對較小。

分析六環區域內 PM2.5污染濃度的空間分布特征發現，非采暖期 PM2.5污染濃度空間分布整體呈東南高西北低的特點，2014年全市以南三環監測點起始向東南擴展至大興、亦莊與通州，在該研究區域內形成高污染集聚區，2015年西北部的低值集聚區范圍相對減小，東南部高污染區域范圍擴大，但各區域均值濃度趨于均衡，整體污染狀況好轉，2016年形成了以植物園為中心的小范圍低值區和以南三環為中心的小區域高值區，且房山監測點周邊大氣污染狀況有了明顯的改善。其中，大氣污染程度的空間分布狀況與城市道路交通線的分布具有明顯的相關關系。采暖期，PM2.5年均濃度空間分布形似四分之一西瓜橫切面，呈“皮紅（高值區）瓤藍（低值區）”的空間分布形態，其中，2014年的房山、大興、亦莊與通州4個監測站點大氣污染較為嚴重，以云崗、豐臺花園、南三環、東四環為邊界線的西北部區域整體濃度值均較低。2015年與2016年重污染區域向南部收縮，通州、亦莊監測點的 PM2.5污染濃度值降低，在空間上整體呈現北部低南部高的分布特征。

通過對 2014－2016年北京市全域、城區與六環路內3個區域大氣細顆粒物污染的空間分布特征進行分析，深入探討了采暖期與非采暖期北京市PM2.5污染的空間演變特征，同時，對全市 3年來PM2.5污染空間分布的同質性與異質性進行了總結（李小飛等，2012）。結合城區交通主線，對道路交通產生的污染物如機動車尾氣與道路揚塵等對PM2.5濃度的影響作用進行了簡要的分析，得出在非采暖期，道路交通污染物對 PM2.5空間分布的影響較明顯，采暖期影響作用相對較弱的結論。

3 結論

（1）北京市 PM2.5年均質量濃度污染 2014年＞2015年＞2016年，污染狀況逐年好轉，采暖期顯著高于非采暖期。非采暖期 PM2.5小時均值污染具有明顯的累積與滯后效應，月均值呈“W”形波動，每年5－6月、8－9月污染較輕。采暖期白天小時均值濃度顯著低于夜晚，每年 1－2月污染嚴重，且2014年11月為配合APEC會議順利召開，北京及周邊5省通過聯防聯控嚴格控制該時間段內區域大氣質量，效果顯著。

（2）2014－2016年北京市PM2.5污染呈南高北低的空間分布。非采暖期，全市東南部為高濃度集聚區，主城區 PM2.5污染的空間分布與交通線路契合度較高，受機動車尾氣排放影響明顯。采暖期，西南部為全市高污染區域，主城區內部呈南、北高中間低的空間分布特點；六環以內，采暖期與非采暖期均呈東南高西北低分布，非采暖期萬柳、云崗以東為污染重災區，采暖期的重污染范圍逐漸趨于邊緣化，向東、南方向集聚。

（3）影響北京市 PM2.5污染時空分布規律的主要因素，非采暖期主要為機動車尾氣排放，采暖期是冬季燃煤或燃氣取暖與機動車尾氣排放等人為因素的綜合作用。近年來，隨著空氣污染防治措施的施行、環保理念的大力推廣與公眾環保意識的提高，北京市大氣污染狀況改善明顯。