2016-2020年河北省PM2.5濃度的時空分布研究

孫玉梅 婁澤生 趙 成

(石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1)河北石家莊050041河北水電學(xué)院2) 河北滄州300384石家莊鐵道大學(xué)3)…..河北石家莊050043）

河北省是霧霾氣象發(fā)生最為頻繁的地區(qū)之一，據(jù)2016年世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，世界各個城市空氣質(zhì)量的最新監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，中國霧霾污染最為嚴重的地區(qū)是河北省地區(qū)，PM2.5濃度最高的城市前五位竟都在河北省境內(nèi)，他們分別是邢臺、保定、石家莊、邯鄲和衡水。國內(nèi)也有許多學(xué)者對PM2.5的時空分布和影響因素做了研究和討論。例如鄭曉霞[1]等分析北京市降雨前后的PM2.5情況結(jié)論為降雨對顆粒物的去除作用是明顯的，降水作用能改變顆粒物的濃度值，但不會改變顆粒物的日變化規(guī)律。石靜[2]分析了山東的霧霾時空特征得到山東各地市之間存在明顯的區(qū)域差異性，同時自2013年至2015年期間山東霧霾污染濃度呈下降趨勢，并且人類活動和靜風(fēng)等自然條件對山東省冬季霧霾影響很大。包振虎等[3]利用Arc GIS技術(shù)對全國大氣環(huán)境進行時空分布分析，得出來空氣質(zhì)量有很強的季節(jié)性。錢俊屏等[4]對廣東省霧霾的研究分析，得出霧受地形地貌的影響嚴重，而霾則沒有明顯地域特征。在空間分布上燃煤工廠周邊和人類活動集中地區(qū)的PM2.5濃度明顯偏高，并且降水，風(fēng)等氣象條件都會影響PM2.5濃度變化[5-10]。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于河北省氣象局各大氣監(jiān)測站點每小時發(fā)布的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括自2016年至2020年的河北省各地市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)的主要污染物為細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）等六種污染物。通過對河北省各地市空氣質(zhì)量指數(shù)AQI和其首要污染物統(tǒng)計分析表明，河北省11個地市2016~2020年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)中PM2.5作為首要污染物的天數(shù)占總天數(shù)的比例達70%以上。

1.2 研究方法

本文的原始數(shù)據(jù)是河北省11個地市各監(jiān)測站點每天24小時觀測平均數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量巨大，首先對各監(jiān)測站點原始數(shù)據(jù)進行異常值進行檢測，剔除異常值數(shù)據(jù)后，計算得出河北省11個地市大氣PM2.5濃度的日平均值，并根據(jù)日濃度平均值數(shù)據(jù)計算得到月濃度平均值和年均值。根據(jù)河北省的區(qū)域分布特征，對河北省11個地市的PM2.5的濃度進行分析，研究其空間分布特征；再分別研究了河北省不同空間區(qū)域的大氣PM2.5濃度的時間變化規(guī)律。

2 PM2.5時空分布特征分析

2.1 空間分布特征

根據(jù)2016年—2020年河北省11個城市的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析方法計算得出河北省的11個城市PM2.5的濃度平均值如下2016到2020年的五年平均值數(shù)據(jù)（表1）所示。

表1 2016～2020年河北省各市PM2.5濃度（ug/m3）年平均值

由于PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)是以離散數(shù)據(jù)形式記錄，整個河北省內(nèi)PM2.5濃度的分布狀況難以直觀反映出來，通過GIS的樣條函數(shù)插值功能，將PM2.5的年平均離散點數(shù)據(jù)插值成連續(xù)面，得到河北省PM2.5濃度的空間分布圖（見圖1），圖1中顏色深淺代表由輕到重的污染程度。根據(jù)河北省各市區(qū)PM2.5濃度分布情況，將河北省各地市按PM2.5年均濃度從大到小分為三個梯隊，即邯鄲、邢臺、石家莊、保定、衡水為第一梯度地區(qū)；滄州、廊坊和唐山為第二梯度地區(qū)；河北省北部的張家口、承德、秦皇島為第三梯度地區(qū)。

圖1 河北省各地市PM2.5平均濃度

2.2 時間分布特征

根據(jù)河北省11個地市PM2.5濃度的空間分布規(guī)律，對三個不同梯度區(qū)域分別研究了其PM2.5濃度的時間分布特征。從月的時間軸進行分析，從圖2可以看出第一梯度地區(qū)各月的PM2.5濃度高于河北省全省平均濃度，一年中一月PM2.5濃度最高，此后逐步下降，5月和6月基本穩(wěn)定，7月份稍有上升，8月和9月濃度比較低，從10月份開始濃度上升，11月、12月濃度上升速度非常快，1月份會達到峰值。

圖2 河北省PM2.5濃度第一梯度地區(qū)月平均濃度圖

由圖3可以看出，第二梯度地區(qū)各月PM2.5濃度與全省濃度基本持平，各月濃度變化趨勢與第一梯度地區(qū)基本一致，12月或1月PM2.5達到最高值，1月份以后PM2.5濃度則會慢慢減少，到4月或5月到達一年的最低值而后會趨于平穩(wěn)。到7月時會有一個較大的波動：濃度會快速上升到一個小高峰然后下降在9月達到低谷值繼而快速上升，到12月為一個節(jié)點：12月以后PM2.5濃度上升速度達到一年的最高值。這也從側(cè)面驗證了冬季供暖燃煤排放PM2.5對空氣質(zhì)量的影響很大。

圖3 河北省PM2.5濃度第二梯度地區(qū)平均月濃度

由圖4可以看出，第三梯度地區(qū)各月PM2.5濃度普遍低于全省濃度，最高值出現(xiàn)在1月份，最大值60左右，遠遠低于全省平均濃度。各月的濃度變化趨勢與第一、第二梯度地區(qū)類似，但濃度值非常小。

圖4 河北省PM2.5濃度第三梯度地區(qū)平均月濃度

以日為單位來分析河北省各城市的PM2.5濃度數(shù)據(jù)會發(fā)現(xiàn)，各月內(nèi)日均PM2.5濃度基本穩(wěn)定，呈穩(wěn)定上升、下降或不變趨勢。但也會有許多個例引起這些變化的原因都與氣象或人類活動相關(guān)。

表2所列城市為選取具有一定代表性城市舉例說明但并非所有異常情況。在2020年1月1日數(shù)據(jù)中位于第一梯度的邢臺、保定、邯鄲PM2.5日平均值都低于其月平均值，且差距非常大，邯鄲在2016年9月28日PM2.5濃度也遠低于月平均值。根據(jù)氣象資料顯示2016年9月28日石家市有大風(fēng)藍色預(yù)警，是PM2.5濃度變化的關(guān)鍵；2020年1月1日邯鄲有風(fēng)影響當(dāng)日的PM2.5濃度。

表2 PM2.5濃度異常日

表3能夠清楚的反映除夕、春節(jié)兩日和當(dāng)月的PM2.5濃度情況，除2020年外，近4年每逢春節(jié)PM2.5濃度均有增加，且均高于或等于月平均值。造成這種情況的原因為除夕夜燃放煙花爆竹，煙花爆竹的燃放使得日PM2.5濃度大幅增高，19年數(shù)據(jù)反映的尤其明顯，2020年因疫情影響減少了煙花爆竹的燃放，PM2.5濃度有所降低。

表3 石家莊除夕和春節(jié)日均PM2.5濃度分析

3 結(jié)論

通過對河北省11個地區(qū)的PM2.5濃度的時刻分析和影響因素分析可得以下結(jié)論。

河北省PM2.5濃度的空間分布受地形、空間位置影響，在整體上呈東高西低，南高北低狀態(tài)，可以分為三個梯度地區(qū)，即：在相同的維度上西部地區(qū)明顯高于東部地區(qū)，邯鄲、邢臺、石家莊、衡水、保定五市為第一梯度地區(qū)，PM2.5濃度高于相同緯度的第二梯度地區(qū)滄州、廊坊、唐山；在相同經(jīng)度上北部地區(qū)則低于南部地區(qū)，張家口、承德、秦皇島為第三梯度地區(qū)，PM2.5濃度最低，空氣環(huán)境最好。

在時間分布上，河北省各地區(qū)一年中PM2.5的最高濃度經(jīng)常出現(xiàn)在12月或1月，1月份以后PM2.5濃度則會慢慢減少，到4月或5月到達一年的最低值而后會趨于平穩(wěn)。到7月時會有一個較大的波動，濃度會快速上升到一個小高峰然后下降在9月達到低谷值繼而快速上升，到11月為一個節(jié)點，11月以后PM2.5濃度上升速度達到一年的最高值。