2015—2018年江西省PM2.5污染時空變化特征及氣象成因分析

樊建勇，黃玲，李翔翔,

1.江西省氣象科學研究所，江西 南昌 330096；2.江西省農業氣象中心，江西 南昌 330096；3.江西省大氣探測技術中心，江西 南昌 330096

隨著中國工業化、城市化的快速發展，大氣污染日益嚴峻，嚴重威脅到人民群眾的身體健康（Li et al.，2014；孫志豪等，2013）。城市區域的大氣環境質量監測與評價已成為目前大氣環境研究領域關注的焦點（Fang et al.，2016；張小曳等，2013）。中華人民共和國生態環境部公布的數據顯示，在導致城市大氣污染的各項指標中，首要污染物是直徑≤2.5 μm的可吸入性細顆粒物PM2.5（中華人民共和國生態環境部，2019），PM2.5能導致大氣能見度顯著降低（尚倩等，2011；樊高峰等，2016），危害公共交通安全，還能誘發呼吸道系統疾病（戴海夏等，2001），關于PM2.5的研究成為大氣環境研究領域的熱點方向（羅毅等，2018；鄭保利等，2019）。目前國內外學者在 PM2.5的污染源和化學成分（杜榮光等，2013；張會濤等，2019）、衛星遙感估算PM2.5濃度（李成才等，2003；陳輝等，2019）、PM2.5濃度時空分布特征（趙晨曦等，2014；劉永林等，2016；齊夢溪等，2019）、PM2.5濃度影響因素（段杰雄等，2018；呂桅桅等，2018）等方面進行了有關研究。楊興川等（2017）對 2016年京津冀地區PM2.5時空變化格局及其與氣象要素的關系研究表明，京津冀地區 PM2.5質量濃度呈南高北低格局、冬季污染重夏季污染輕的特征，且與日照時長、相對濕度和風速相關性較強。蔣超等（2018）分析了2013—2016年珠江三角洲地區的PM2.5時空分布演變特征，得出珠江三角洲地區年均 PM2.5質量濃度呈下降趨勢，月均PM2.5質量濃度變化曲線成“U”型。徐建輝等（2015）利用衛星遙感數據估算了長江三角洲地區的 PM2.5質量濃度，研究表明城市區域 PM2.5質量濃度較高，而遠離城區的偏遠山地森林區域 PM2.5質量濃度偏低。黃亞林等（2015）研究了武漢市2013—2014年PM2.5時空分布特征，結果表明 PM2.5質量濃度表現出顯著的季節變化和空間差異，且與氣象條件具有一定的相關性。顧康康等（2018）對合肥市2016年PM2.5質量濃度時空分布特征進行了研究分析，結果表明主城區 PM2.5質量濃度季節差異明顯，空間分布格局與城市綠地、道路長度等關聯性較強。

江西省是國家生態文明試驗區的首批省份之一，生態文明建設對大氣環境監測與評價提出了更高的需求。蘇維等（2017）研究了 2013—2015年南昌市PM2.5和PM10質量濃度的時空變化規律及氣象要素對顆粒物濃度的影響，得出南昌市年均PM2.5、PM10質量濃度逐年降低的趨勢和冬季高夏季低的季節差異特征，在空間上呈現出城區高郊區低的分布格局，顆粒物濃度與氣象要素顯著相關。目前，從江西省域層面探討 PM2.5質量濃度時空變化的研究很少涉及。因此，本文利用江西省 60個國家環境監測站的觀測數據，研究分析了 11個主要城市 PM2.5質量濃度的時空變化特征以及其與主要氣象要素的相互關系，以期為江西省大氣污染治理和生態文明建設提供科學依據。

1 研究數據與方法

1.1 數據來源

江西省位于113°30′— 118°30′E ，24°24′—30°06′N之間，北臨長江，屬亞熱帶季風濕潤氣候，四季分明，雨量豐沛，全省各地年均氣溫 16.3—19.5 ℃，平均降水量為1400—1900 mm。地貌以山地、丘陵為主，東南西三面環山，北部為平原。2018年末，全省常住人口 4647.6萬，GDP為21984.8億元。全省下轄11個設區市：南昌市、九江市、景德鎮市、萍鄉市、新余市、鷹潭市、贛州市、上饒市、宜春市、吉安市和撫州市，每個市都布設有國控PM2.5質量濃度監測站。

PM2.5濃度觀測數據為2015年1月—2019年2月江西省60個國家環境監測站點發布的監測數據，來自于國家生態環境部的中國空氣質量在線監測分析平臺（https://www.aqistudy.cn/historydata/），PM2.5觀測站位置分布見圖1。

氣象觀測資料來自江西省氣象信息中心提供的地面氣象觀測資料，選取江西省11個氣象站2015年1月—2019年2月的相對濕度（%）、風速（m/s）、降水量（mm）和日照時數（h）等逐日觀測資料，地面氣象站分布見圖1。以上資料均經過質量控制，包括缺測檢驗和遷站合并等（李翔翔等，2019）。

1.2 研究方法

圖1 研究區域及站點分布圖Fig.1 The study region and the location of monitoring stations

地面PM2.5質量濃度數據每小時觀測一次，根據監測站小時濃度數據統計出 11個城市的小時平均濃度，然后計算出城市PM2.5質量濃度的日均值，再利用 PM2.5質量濃度的日均值求出 PM2.5質量濃度的月均值、季均值和年均值。其中，以 3月、4月和5月為春季，6月、7月和8月為夏季，9月、10月和11月為秋季，12月和次年的1月、2月為冬季。

根據《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》（HJ633—2012）（中華人民共和國環境保護部，2012），將PM2.5質量濃度劃分成6個等級，分別是一級標準（優，PM2.5質量濃度日均值≤35 μg?m-3），二級標準（良，35 μg?m-3＜PM2.5質量濃度日均值≤75 μg?m-3），三級標準（輕度污染，75 μg?m-3＜PM2.5質量濃度日均值≤115 μg?m-3），四級標準（中度污染，115 μg?m-3＜PM2.5質量濃度日均值≤150 μg?m-3），五級標準（重度污染，150 μg·m-3＜PM2.5質量濃度日均值≤250 μg?m-3），六級標準（嚴重污染，250 μg?m-3＜PM2.5質量濃度日均值≤500 μg?m-3）。

PM2.5質量濃度與氣象要素之間的相互關系采用Pearson相關分析法進行研究（楊興川等，2017；李翔翔等，2019）。

2 結果與討論

2.1 時間變化特征

2.1.1 PM2.5質量濃度年變化及污染等級比例

圖2 2015—2018江西主要城市PM2.5質量濃度年變化Fig.2 Changes in annual mean of PM2.5 concentration in major cities of Jiangxi Province from 2015 to 2018

從圖2中可以看出，2015—2018年江西省年平均PM2.5質量濃度分別為43.07、45.45、45.93、36.92 μg?m-3，呈先升后降的趨勢。全省各主要城市年平均 PM2.5質量濃度處于 29.9—57.1 μg?m-3之間，達到國家空氣質量二級標準（良），低于周邊城市的年平均 PM2.5質量濃度（黃亞林等，2015；顧康康等，2018）。其中，除景德鎮年平均PM2.5質量濃度處于逐年下降趨勢，從2015年的43.3 μg?m-3降至2018年的30.7 μg?m-3，降幅為29.09%，其他城市總體變化呈先升后降趨勢。2015年，以萍鄉市PM2.5質量濃度最高，為55.2 μg?m-3，新余市PM2.5質量濃度最低，為 35.5 μg?m-3。2016年大部分城市的PM2.5質量濃度較2015年出現不同幅度的升高，其中以宜春市增幅最大，達24.02%，而上饒市PM2.5質量濃度出現小幅下降，萍鄉市 PM2.5質量濃度仍然最高，為 57.1 μg?m-3。2017 年，各城市 PM2.5質量濃度變化趨勢出現分化，南昌、九江等6個城市呈現下降趨勢，而贛州、吉安等5個城市呈現上升趨勢并達到最高，其中以吉安市升幅最大，達7.4%。2018年江西各主要城市 PM2.5質量濃度均明顯下降，表明大氣環境質量得到改善。

PM2.5污染物濃度變化受氣象條件、能源結構調整、產業結構調整、大氣污染防治等綜合因素影響（黃亞林等，2015），但在不同時間尺度上，導致 PM2.5濃度變化的主導因素有差異。在短時間尺度上，PM2.5質量濃度受氣象要素影響較大（Batterman et al.，2016），風和降水有利于PM2.5污染物的快速擴散和沉降（蔣燕等，2016），而能源結構調整、產業結構調整以及大氣污染防治的影響具有一定滯后性，在較長時間尺度上才能產生明顯的效果（蘇維等，2017；Zhang et al.，2019）。江西省于 2017年開始全面實施《江西省大氣污染防治條例》（江西省人大常委會，2016），該條例系統制定了大氣污染防治措施，并將防治要求分解到各級政府和相關部門實施。相應地，2018年全省年均PM2.5質量濃度出現明顯下降。因此，2018年年均PM2.5質量濃度下降可能是該條例實施的直接結果。

根據《環境空氣質量指數 (AQI) 技術規定 (試行)》（HJ633—2012），逐年統計各城市不同污染等級的天數，制作出百分比堆積圖（見圖3）。由圖3可以看出，2015—2018年江西省PM2.5質量濃度優良（≤75 μg?m-3）天數所占比例總體較高，分別為91.8%、88.8%、88.9%和 94.4%，呈現先下降后升高的趨勢。分城市來說，2015年贛州、宜春、新余等8個城市PM2.5質量濃度優良天數超過90%，其中贛州市 PM2.5質量濃度優良天數達到 97.8%，而萍鄉、九江和南昌等城市的 PM2.5質量濃度優良天數比例則稍低，其中萍鄉市最低為79.5%。2016年，除南昌市、景德鎮市的優良天數比例卻略有升高外，大部分城市 PM2.5質量濃度優良天數比例有所下降，其中宜春市降幅最為明顯，由 2015年的96.7%下降到85.8%。2017年各城市PM2.5質量濃度優良天數比例變化趨勢不一致，撫州市、吉安市、新余市和上饒市較 2016年略有下降，其他城市優良天數比例則呈上升趨勢。到 2018年，江西省主要城市 PM2.5質量濃度優良天數比例明顯上升，除萍鄉市、九江市外，其他城市 PM2.5質量濃度優良天數比例均大于90%，其中景德鎮市最高達98.9%。

2.1.2 PM2.5質量濃度季變化

統計分析 2015—2018年江西省主要城市的PM2.5質量濃度的季節變化特征（見圖4），從圖中可以看出，江西省主要城市PM2.5質量濃度季節差異顯著，各城市之間的PM2.5質量濃度季節變化趨勢基本一致，呈現出冬季高夏季低的變化趨勢，這與中國其他地區PM2.5質量濃度的季節變化特征一致（李會霞等，2016；蔣超等，2018；顧康康等，2018）。全省冬季平均 PM2.5質量濃度達到 60.23 μg?m-3，明顯高于其他季節，其中萍鄉市冬季PM2.5質量濃度最高，達到 82.85 μg?m-3。夏季平均 PM2.5質量濃度最低，為28.75 μg?m-3，達到國家空氣質量一級標準（優），其中南昌市夏季 PM2.5質量濃度最低，為21.38 μg?m-3。江西省春季和秋季平均PM2.5質量濃度基本相同，分別為 41.52 μg?m-3和41.17 μg?m-3。

2.1.3 PM2.5質量濃度月變化

2015—2018年江西省PM2.5多年月平均質量濃度變化特征見圖 5。從圖中可以看出，江西省年際之間的 PM2.5質量濃度月變化趨勢基本一致，變化曲線總體呈“V”型。就全省平均來說，1月PM2.5質量濃度平均值最高達 64.41 μg?m-3，隨后逐月下降，到7月降至全年低谷為27.91 μg?m-3，然后又逐漸升高，到 12月達到年內的次高峰值為 60.64 μg?m-3。在不同的年份，最高峰值和最低谷值出現的月份又有差異，總體以12月或1月PM2.5質量濃度值最高，如2016年和2017年PM2.5質量濃度月均最高值出現在12月，而2015年和2018年的PM2.5質量濃度月均最高值出現在 1月。PM2.5質量濃度值最低谷值一般出現在6月、7月或8月，其中2016年和2018年的PM2.5質量濃度月均最低值出現在7月，而2015、2017年的PM2.5質量濃度月均最低值分別出現在6、8月。

圖3 2015—2018年江西省主城市不同等級污染天數比例Fig.3 The proportion of days with different levels of pollution in major cities of Jiangxi Province from 2015 to 2018

圖4 2015—2018年江西省主要城市PM2.5濃度季節變化特征Fig.4 Seasonal characteristics of PM2.5 concentration in major cities of Jiangxi Province from 2015 to 2018

圖5 2015—2018年江西省PM2.5質量濃度月變化Fig.5 Changes in monthly mean of PM2.5 concentration in Jiangxi Province from 2015 to 2018

圖6 2015—2018年江西省主要城市逐月PM2.5質量濃度變化Fig.6 Changes in monthly mean of PM2.5 concentration in major cities of Jiangxi Province from 2015 to 2018

從圖6中可以看出，2015—2018年江西全省和主要城市 PM2.5月平均質量濃度均呈現出高峰和低谷相互交替變化的曲線，變化趨勢基本一致。從全省平均狀況來看，PM2.5月平均質量濃度最高峰值出現在2016年12月，達到76.64 μg?m-3，而月均濃度最低值出現在2018年的7月，為22.36 μg?m-3。分城市來看，萍鄉市 PM2.5月平均質量濃度達到三級標準（輕度污染）的有9個月，在全省各城市中最多，其中2015年的1月PM2.5月平均質量濃度最高，達 108 μg?m-3。其次是九江市，PM2.5月平均質量濃度達到三級標準（輕度污染）的月份有3個。南昌市 PM2.5月平均質量濃度達到一級標準（優）的最多，達到28個月，其次分別是景德鎮市23個月、鷹潭市21個月，其中南昌市2018年的6月PM2.5月平均質量濃度最低，為12 μg?m-3，主要是由于6月是南昌市降雨集中期，大量雨水沖刷顯著降低了大氣中PM2.5濃度。

2.2 空間分布特征

按照季節劃分，統計分析江西省主要城市PM2.5污染物質量濃度空間分布見圖 7。從中可以看出，江西省 PM2.5質量濃度空間分布存在差異，總體呈現北部高南部低、西部高東部低的特征。春秋季，江西省 PM2.5物質量濃度表現為兩個大的區域，且空間分布特征基本一致，其中春季萍鄉市、九江市和宜春市的 PM2.5污染物質量濃度分別為 48.45、47.23、45.89 μg?m-3，其他市 PM2.5污染物質量濃度在 37.23—44.1 μg?m-3之間，而到秋季，PM2.5污染物質量濃度較高的區域為萍鄉市、宜春市和吉安市。相比其他季節，江西省夏季空氣質量狀況較好，各主要城市 PM2.5污染物質量濃度均達到一級標準，這與江西省在夏季降水充沛、大氣擴散條件有利有關，與蘇維等（2017）研究結果一致。冬季江西省PM2.5質量濃度的空間分布呈現為4個區域，其中西部的萍鄉市 PM2.5污染物質量濃度最高為82.85 μg?m-3，達到環境空氣質量三級標準，屬于PM2.5輕度污染地區，這與當地煤炭、陶瓷、水泥等污染排放較大的產業布局、四周地形有很大的關系。其次為北部的九江市，PM2.5污染物質量濃度為 71.72 μg?m-3，接近輕度污染，南部的贛州市和東北部的景德鎮市、上饒市空氣質量狀況較好，分別為 54.31、52.19、50.72 μg?m-3。

圖7 江西省各季節PM2.5質量濃度空間分布特征Fig.7 Spatial distribution of seasonal PM2.5 concentration in Jiangxi province

2.3 PM2.5質量濃度與氣象要素的相關性

氣象要素對顆粒物的影響主要表現為大氣擴散能力和降水沉降能力（宋連春等，2013；符傳博等，2016；Zhang et al.，2018），同時，隨著氣溶膠成分越來越復雜，日照和空氣水汽條件亦成為污染天氣的誘因之一（尹志聰等，2015）。因此，對江西省2015—2018年PM2.5濃度與以上氣象要素進行Pearson相關分析，結果見表1。從全年來看，氣象要素與江西省 PM2.5濃度的相關性排序平均風速＞降水量，這表明風速對江西省PM2.5的擴散作用強于降水的濕沉降作用，這種差異在春季最為明顯。此外，PM2.5濃度與相對濕度在各個季節均呈顯著負相關關系，這與華北地區的研究結論相反。尹志聰等（2015）和楊興川等（2017）指出，由于氣溶膠粒子吸濕性增加，華北地區 PM2.5濃度與相對濕度呈顯著正相關關系，水汽條件成為霾發生的控制因子之一。造成這種差異的主要原因一方面是由于江西省城市化水平較低，吸濕性氣溶膠排放較少；另一方面是江西省相對濕度本底值較華北地區高，顆粒物吸濕后易發生重力沉降。因此，江西省PM2.5濃度相對濕度表現為負相關關系。

表1 PM2.5與氣象要素之間相關性Table 1 Correlation coefficients between the PM2.5 concentration and the meteorological factors

同時，結果表明，PM2.5濃度與日照時數的關系并不顯著，而楊興川等（2017）指出冬春季節京津冀地區 PM2.5濃度與日照時數呈顯著負相關。這主要是由于江西省各季節降水條件和空氣水汽條件均好于京津冀地區，因此日照時數的作用則相對減弱。

3 結論

利用江西省主要城市 PM2.5監測站的實時觀測數據，開展了2015—2018年PM2.5質量濃度的時空變化特征研究，分析了 PM2.5質量濃度與氣象要素的相關性，得出以下結論：

（1）在年時間尺度上，江西省年均 PM2.5質量濃度呈先小幅上升后突然下降的趨勢，其突然下降的原因可能與大氣污染防治條例實施有關。2015—2018年各城市 PM2.5質量濃度優良天數占主導比例，到2018年大部分城市優良天數比例大于90%。江西省主要城市 PM2.5質量濃度季節差異明顯，表現為冬季 (60.23 μg?m-3)＞春季 (41.52 μg?m-3)≈秋季 (41.17 μg?m-3)＞夏季 (28.75 μg?m-3)。在月尺度上，PM2.5質量濃度變化曲線呈“V”型，PM2.5質量濃度最高峰值、最低谷值分別出現在 1月或 12月最高，6月、7月或8月。

（2）從空間分布來看，夏季江西省主要城市平均 PM2.5質量濃度指標達到優等級，在春秋季主要城市平均 PM2.5質量濃度呈西、北部高東、南部低的區域分布特征，而冬季 PM2.5質量濃度空間差異更明顯，其中萍鄉市達到輕度污染。

（3）江西省主要城市 PM2.5質量濃度與風速、相對濕度和降水量呈負相關（P＜0.01），與日照時數呈正相關但相關關系不顯著，其中風速、相對濕度和降雨量與PM2.5質量濃度之間相關性較高。PM2.5質量濃度與氣象要素的相關性季節差異不明顯。