重慶市主城區(qū)PM2.5時(shí)空變化特征研究

劉小飛

(重慶財(cái)經(jīng)學(xué)院，重慶 401320)

0 引言

自全國(guó)爆發(fā)霧霾現(xiàn)象以來(lái)，PM2.5是最受政府和公眾關(guān)注的因子之一。重慶市具有我國(guó)一帶一路等戰(zhàn)略地位，為此，研究重慶市主城區(qū)特別是在時(shí)間、空間上的變化特征有實(shí)際意義。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)PM2.5研究較多集中在來(lái)源分析、分布特征、危害人類健康三個(gè)方面[1-5]；發(fā)現(xiàn)PM10中四成到八成左右為PM2.5[7，9]；PM2.5濃度的空間分布大部分呈現(xiàn)城市中心較高，郊區(qū)較低的現(xiàn)象[6，8，10]；季節(jié)變化表現(xiàn)為春季、冬季的濃度值較高，夏季、秋季的濃度值較低；月循環(huán)變化規(guī)律以及季節(jié)循環(huán)變化規(guī)律比較明顯[11-15]；日濃度變化呈現(xiàn)“駝峰式”的規(guī)律。

1 技術(shù)路線

1.1 分析內(nèi)容

包括兩部分：長(zhǎng)期趨勢(shì)和中短期規(guī)律：

(1)長(zhǎng)期趨勢(shì)分析：采用2013-2018年重慶市主城區(qū)各區(qū)連續(xù)6年年均值變化說(shuō)明整體時(shí)間趨勢(shì)；利用Excel自帶CORREL指數(shù)說(shuō)明九區(qū)之間的關(guān)聯(lián)性；VAR.P 函數(shù)計(jì)算基于整個(gè)樣本總體的方差；CR變化率指數(shù)，計(jì)算連續(xù)序列的變化程度；ArcGIS污染重心轉(zhuǎn)移分析，具體利用ArcGIS 10.2軟件對(duì)主城區(qū)PM2.5在地理二維空間內(nèi)近年來(lái)重心位移，揭示空間變化過(guò)程。重心計(jì)算模型為：

(1)

式中：Xk——k區(qū)重心X坐標(biāo)值，Yk——k區(qū)重心Y坐標(biāo)值，Aki——k區(qū)i污染因子的面積，Xki——k區(qū)i污染因子對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)X坐標(biāo)的平均值；Y同理。本次研究PM2.5一個(gè)污染因子故i取1。鑒于重心坐標(biāo)變化可以更好地說(shuō)明重心的移動(dòng)方向，在研究中，不同年際區(qū)域重心空間移動(dòng)方向采用下述公式予以確定：

(2)

式中，θ表示重心年際移動(dòng)的角度(-180°< θ<180°)，且規(guī)定正東方向?yàn)?°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)。假設(shè)d表示第i年重心移動(dòng)的距離(相對(duì)于第j年)，則：

(3)

式中，(xi，yi)、(xj，yj)分別表示第i年和第j年的區(qū)域重心的經(jīng)度值和緯度值；c為常數(shù)，取111.111，是把地球表面坐標(biāo)單位(度)轉(zhuǎn)化為平面距離(km)的系數(shù)；c×(xi-xj)、c×(yi-yj)分別表示重心經(jīng)緯方向上移動(dòng)的實(shí)際距離。

(2)中短期規(guī)律分析：利用Excel作連續(xù)數(shù)據(jù)分析周日均值、日小時(shí)變化的時(shí)間變化特征；利用Surfer軟件分析“冬季平均”、“周中最大值出現(xiàn)”、“周末最大值”出現(xiàn)3個(gè)場(chǎng)景的時(shí)空變化特征，采用kriging插值法。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)監(jiān)測(cè)總站和重慶市監(jiān)測(cè)站發(fā)布的實(shí)時(shí)小時(shí)值，應(yīng)搜集37 536條，實(shí)際搜集35 927條，缺失數(shù)據(jù)1 609，為監(jiān)測(cè)站點(diǎn)未發(fā)布數(shù)據(jù)所致，數(shù)據(jù)缺失率僅為4.5%。缺失數(shù)據(jù)按照同一時(shí)間段，距離最近的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值取算數(shù)平均處理。日均值、月均值則采用對(duì)時(shí)間尺度上的小時(shí)值取算數(shù)平均值。

2 分析結(jié)果及評(píng)估

2.1 長(zhǎng)期變化特征分析

①主城九區(qū)年均值逐年下降；②CORREL大于0.6，小于1，相關(guān)性好；VAR.P平均為0.23%，差異性較小，且逐漸變小，說(shuō)明震蕩幅度變小逐漸趨于平滑；說(shuō)明PM2.5變化一致性好。③CR平均為-11.29%，下降速率優(yōu)于全國(guó)平均水平。④年均值依然超標(biāo)。趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 重慶主城區(qū)PM2.5年均值變化趨勢(shì)圖Fig.1 Trend of annual average PM2.5in the main urban area of Chongqing

表1 重慶市PM2.5長(zhǎng)期變化趨勢(shì)分析

近年重慶主城區(qū)PM2.5重心在江北區(qū)移動(dòng)，整體呈“一路向北”特征，PM2.5歷年年均值重心轉(zhuǎn)移見(jiàn)圖2所示。

2.2 中短期變化特征分析

(1)日均值、周日均值和日小時(shí)變化特征

主城區(qū)冬季17個(gè)站點(diǎn)，92天，1 564個(gè)日均值，大于75 μg/m3(國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值)樣品數(shù)為315個(gè)，超標(biāo)率20.14%。

圖2 2013～2017年P(guān)M2.5歷年年均值重心轉(zhuǎn)移圖Fig.2 Diagram of annual average PM2.5 center shift from 2013 to 2017

PM2.5一周整體變化趨勢(shì)呈“U”字型，即周末高，周中低，濃度在50～65 μg/m3。冬季PM2.5周間日均值變化見(jiàn)圖3。

PM2.5每天小時(shí)變化呈“W”字型，出現(xiàn)三個(gè)峰值，兩個(gè)谷值。6∶00的濃度值最低，為52.46 μg/m3，21∶00的濃度值最高，為62.9 μg/m3，相差10.44 μg/m3。冬季PM2.5日間小時(shí)值變化見(jiàn)圖4。

圖3 冬季PM2.5周間日均值Fig.3 Weekly average PM2.5 in winter

圖4 冬季PM2.5日間小時(shí)值Fig.4 Hourly average PM2.5 duringthe daytime in winter

(3)典型情景分析

三個(gè)典型情景：冬季(連續(xù)三個(gè)月)、周中(以周三為例)、周末(以周日為例)，分布見(jiàn)圖5～7。色階選取：顏色越淺，濃度值越高。結(jié)論：①不同情景下，PM2.5濃度呈“西北高、東南低”的特征；②三種情景區(qū)域空間分布特征趨同，說(shuō)明重慶市主城區(qū)各區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量區(qū)域穩(wěn)態(tài)；③冬季濃度區(qū)間45～60 μg/m3，周三濃度區(qū)間45～55 μg/m3，周末濃度區(qū)間50～65 μg/m3；④符合中心區(qū)域高、郊區(qū)低的整體特征。

2.3 成因簡(jiǎn)析

重慶近年來(lái)，堅(jiān)持“退二進(jìn)三”、主推“藍(lán)天行動(dòng)”，使得重慶市主城區(qū)范圍內(nèi)主要大氣污染排放的工況企業(yè)大量減少；此外，對(duì)餐飲、施工場(chǎng)地、交通控制等專項(xiàng)行動(dòng)都有助于整體水平改善。冬季受北方冷空氣影響，攜帶大量顆粒物入境，加之重慶冬季風(fēng)速較低，造成冬季污染明顯；此外，周變化明顯受工作和生活特征影響，通常周末以及工作日頭兩天使用私家車(chē)頻率較高；24小時(shí)以內(nèi)的小時(shí)變化與其他城市情況類似，早晚兩個(gè)上下班高峰期會(huì)逐步拉高污染水平且會(huì)延續(xù)3個(gè)小時(shí)左右。以上為成因需進(jìn)一步結(jié)合污染物源解析、汽車(chē)排放核算、地表植被和粗糙度、氣象數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合論證，也是進(jìn)一步深入研究的思路。

圖5 冬季PM2.5平均濃度分布圖Fig.5 Distribution of average PM2.5concentration in Winter

圖6 周三PM2.5小時(shí)平均濃度分布Fig.6 Distribution of hourly average PM2.5concentration on Wednesdays

圖7 周末PM2.5小時(shí)平均濃度分布Fig.7 Distribution of hourly average PM2.5concentration on weekends

3 結(jié)論

時(shí)間上，PM2.5年均值逐年呈下降趨勢(shì)，平均值水平和遞減速率優(yōu)于全國(guó)平均；主城各區(qū)變化趨勢(shì)一致性較好；典型污染季集中在冬季，冬季11月-次年1月，PM2.5整體呈上升趨勢(shì)。周循環(huán)變化特征呈“U”字型，周三到周五濃度較低，周六到周二濃度較高；日循環(huán)小時(shí)變化特征呈“W”字型，出現(xiàn)三個(gè)峰值，兩個(gè)谷值。

空間上，呈“西北高、東南低”、“核心區(qū)高、郊區(qū)低”的整體特征，形成了一條東北-西南走向的分界線；為高濃度區(qū)域集中在主城區(qū)中心西部偏北地區(qū)，該地區(qū)屬于重慶老城區(qū)中心兩江交匯河谷地區(qū)逐漸向外拓展區(qū)域。2013～2018年重慶主城區(qū)PM2.5重心一直在江北區(qū)移動(dòng)。