詹慶明 戴文博，3 劉 穩(wěn)

1 武漢大學城市設(shè)計學院，湖北 武漢，430072

2 武漢大學數(shù)字城市研究中心，湖北武漢，430072

3 廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東廣州，510060

PM2.5是空氣污染物的主要成分之一，其對環(huán)境的影響范圍和人類健康危害程度遠大于其他空氣污染物。目前，對PM2.5的研究已從多方面展開，主要包括PM2.5的數(shù)據(jù)獲取、時空分析、來源解析、影響機制和健康影響等領(lǐng)域。而當前國內(nèi)關(guān)于PM2.5的時空分布研究多集中在全國［1，2］、城市群［3，4］和特大型城市［5?7］尺度上，對中小型城市的PM2.5污染研究較少。本文以襄陽市為研究區(qū)，分析其PM2.5污染總體水平及冬季典型月份的PM2.5污染時空分布特征，在此基礎(chǔ)上，分析各類氣象要素對襄陽市PM2.5濃度變化的影響，為空氣污染的防治和居民生活提供參考。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

襄陽市位于湖北省西北部，是湖北省第二大地級市，下轄三區(qū)三市三縣，本文研究區(qū)域為襄陽市中心城區(qū)。研究區(qū)域2015—2018年的PM2.5數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站，襄陽市共有4個國測站點；襄陽市在市區(qū)內(nèi)布設(shè)了180臺微觀空氣監(jiān)測站點設(shè)備（簡稱監(jiān)測微站），本文獲取到其中147個監(jiān)測微站2018?02?01—2018?02?28共計28天的逐時PM2.5濃度數(shù)據(jù)；獲取國家氣象觀測站襄樊站2015—2018年的氣象數(shù)據(jù)，包含氣溫、相對濕度、風速、氣壓、降水量、能見度等氣象要素。站點位置見圖1。

圖1 襄陽市站點空間分布Fig.1 Distribution of Sites in Xiangyang

1.2 研究方法

1.2.1 PM2.5濃度空間插值方法

本文采用交叉驗證法對比克里金法、反距離加權(quán)法、規(guī)則樣條函數(shù)法［8］的空間插值效果。在147個監(jiān)測點中隨機選取20個監(jiān)測點作為驗證點（抽樣點分布均勻），對余下的127個站點的PM2.5數(shù)據(jù)進行插值，統(tǒng)計其與20個驗證點空間對應的插值數(shù)據(jù)結(jié)果，用平均絕對誤差（mean absolute error，MAE）、均方根（root mean square，RMS）、平均相對誤差（mean relative error，MRE）進行評價。三者數(shù)值越小，空間插值效果越好。計算公式如下：

抽樣數(shù)量為20時，不同插值方法的指標結(jié)果見表1，克里金法的MAE、RMS和MRE數(shù)值均為最小，故本文使用克里金法進行插值計算。

表1 不同空間插值方法可靠性分析結(jié)果Tab.1 Reliability Analysis Results of Different Spatial Interpolation Methods

1.2.2 相關(guān)性分析方法

許多研究采用非參數(shù)相關(guān)分析法探究各類氣象要素對濃度的影響。最經(jīng)典的非參數(shù)分析法是斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)［9］，該方法對線性和非線性相關(guān)關(guān)系均適用。本文基于襄陽市2015—2018年共48個月的PM2.5數(shù)據(jù)和同期的氣象數(shù)據(jù)，采用該方法并使用SPSS 20.0軟件分析襄陽市PM2.5污染與多種氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系，分析它們在不同季節(jié)的相關(guān)性。

2 結(jié)果分析

2.1 襄陽市PM2.5污染總體水平

如圖2所示，襄陽市2015—2018年的PM2.5年均濃度值總體呈下降趨勢。其中，2016年和2018年與上一年相比下降幅度較大。PM2.5年均濃度顯著降低，說明襄陽市采取的揚塵污染整治、散煤和露天燒烤及噴涂整治、機動車柴油質(zhì)量抽檢、工業(yè)揮發(fā)性有機物治理、夏季秸稈禁燒、工業(yè)鍋爐污染整治和重點行業(yè)減排等一系列舉措，使空氣質(zhì)量持續(xù)改善。

圖2 2015—2018年襄陽市PM2.5年均濃度值Fig.2 Annual Average Concentration of PM2.5 in Xiangyang from 2015 to 2018

從圖3可以看出，PM2.5月均濃度值隨月份呈“U”型分布，具有明顯的季節(jié)性特征，各年份均表現(xiàn)為冬季高、夏季低，各季節(jié)月均值則表現(xiàn)為冬季（12月—次年2月）>秋季（9月—11月）>春季（3月—5月）>夏季（6月—8月）；PM2.5月均濃度最高值均出現(xiàn)在1月，最低值都出現(xiàn)在7月。襄陽市夏季高溫多雨，PM2.5在降雨作用下快速沉降到地面，使PM2.5濃度降低，而冬季降雨較少，且靜風、小風天氣頻繁，導致PM2.5不容易擴散和沉降，造成濃度升高。

圖3 2015—2018年襄陽市PM2.5月均濃度值Fig.3 Monthly Average Concentration of PM2.5 in Xiangyang from 2015 to 2018

根據(jù)PM2.5健康影響分級標準［10，11］統(tǒng) 計2015—2018年四季的各等級污染天數(shù)比例，見圖4。冬季超標天數(shù)比例最高，4年均超過69%，且嚴重污染情況均出現(xiàn)在冬季，說明襄陽市冬季PM2.5污染十分嚴峻，但襄陽市冬季超標天數(shù)比例在逐漸下降，說明采取的防控措施在冬季已取得明顯效果。而在其他3個季節(jié)，PM2.5濃度超標天數(shù)的比例都低于35%，夏季PM2.5濃度超標情況較少，其中2016年和2018年夏季100%為優(yōu)、良。襄陽市采取的措施使PM2.5污染情況持續(xù)改善，但冬季污染水平依然較高，居民受PM2.5污染影響不容忽視，應當采取措施進一步防控。

圖4 2015—2018年襄陽市各季節(jié)PM2.5污染等級分布Fig.4 Distribution of PM2.5 Pollution Levels in Xiang?yang in Each Season from 2015 to 2018

2.2 冬季典型月的PM2.5污染時空特征

針對襄陽市冬季PM2.5污染水平居高的情況，本文選取冬季典型月（2018年2月）進行時空分布特征分析。由圖5可知，全月PM2.5日均值均超過一級濃度限值35μg/m3，其中有20天超過了二級濃度限值75μg/m3，占全月的71%，PM2.5污染情況嚴重。

圖5 襄陽市2018年2月PM2.5日均濃度值統(tǒng)計Fig.5 Daily Average Concentration of PM2.5 in Xiangyang in February 2018

2018年2月共經(jīng)歷了4次明顯的污染過程，分別為7日—11日、13日—19日、21日—22日、26日—27日，其中13日—19日描繪出一個完整的、典型的、持久的PM2.5污染變化過程，PM2.5濃度在13日迅速增加，并持續(xù)升高，在19日達到峰值，直到20日才有所緩解，該污染階段正值春節(jié)假期，居民集中燃放煙花爆竹，以及過節(jié)期間高污染燃料的使用是PM2.5濃度飆升的主要原因。2018年2月，共在9日、16日、19日、21日、26日出現(xiàn)5次峰值，其中4次日均值最大值都發(fā)生在五洲國際監(jiān)測微站，已超過中度污染及重度污染水平，26日則是在中眾化學監(jiān)測微站。兩處微站分別位于深圳工業(yè)園和余家湖工業(yè)園，說明污染型工業(yè)企業(yè)對周邊地區(qū)空氣質(zhì)量影響嚴重。

圖6展示了襄陽市監(jiān)測微站2018年2月的全月、工作日、休息日（非春節(jié)假期）及春節(jié)假期的PM2.5月平均逐時濃度。工作日的日變化曲線有明顯的雙峰形態(tài)特征，峰值分別出現(xiàn)在8：00~10：00和20：00~22：00，均出現(xiàn)在上下班高峰期后，白天峰值高于夜晚，說明襄陽市PM2.5明顯受通勤高峰期機動車尾氣密集排放的影響，這與其他地區(qū)相關(guān)研究結(jié)果一致［4，12］。此外，休息日白天的PM2.5濃度相對較低，由于沒有了早晚集中出行高峰，沒有呈現(xiàn)雙峰形態(tài)曲線。工作日與休息日夜晚PM2.5濃度都較高，這可能與大氣邊界層風溫結(jié)構(gòu)有關(guān)［13］，襄陽市2018年2月以多云天氣為主，早晚逆溫現(xiàn)象時有發(fā)生，空氣污染物在垂直方向上交換能力較差，擴散被抑制。

圖6 2018年2月PM2.5月平均逐時濃度Fig.6 Monthly Average Hourly Concentration of PM2.5 in Xiangyang in February 2018

PM2.5逐時濃度在春節(jié)假期期間明顯高于其他時段，可能是因為在春節(jié)期間，大量煙花鞭炮的使用對PM2.5的瞬時影響很大，大年三十（2018年2月15日）晚上是燃放鞭炮和煙花的高峰期。如圖7所示，2018年2月15日晚上至2月16日上午，PM2.5逐時濃度持續(xù)上升，并在2月16日上午9：00達到最高值253μg/m3，步入嚴重污染等級，對居民健康產(chǎn)生嚴重威脅。

圖7 襄陽市春節(jié)假期（2018‐02‐15—2018‐02‐21）PM2.5逐時濃度均值Fig.7 Hourly Average of PM2.5 Concentration of Xiang?yang During Spring Festival（2018?02?15—2018?02?21）

相關(guān)研究表明，PM2.5在空間上的分布有顯著差異［14］。對襄陽市監(jiān)測微站2018年2月的PM2.5點數(shù)據(jù)進行空間插值，生成28天的250 m網(wǎng)格PM2.5濃度空間分布圖，見圖8?？梢钥闯?，2018年2月的4次污染過程展現(xiàn)出不同的PM2.5污染空間分布特征，2018年2月7日—11日受西北沙塵傳輸影響，顆粒物在西北風、北風、西風的作用下來到襄陽市中心城區(qū)，并由北向南逐漸擴散，在9日達到峰值，表現(xiàn)為全域PM2.5輕度或中度污染，東高西低。2018年2月16日—19日受節(jié)假日居民集中燃放煙花鞭炮影響，污染程度最重。在2018年春節(jié)期間，襄陽市的煙花爆竹限放區(qū)為襄陽市主要建成區(qū)范圍，農(nóng)村地區(qū)并不受煙花燃放限制，而其東部為平原地區(qū)，在東部農(nóng)村燃放煙花爆竹產(chǎn)生的顆粒物可以輕易地飄散到城市建成區(qū)上空，16日，中心城區(qū)周邊區(qū)域的污染物在西北風和東南風的交替作用下抵達城區(qū)，在中心城區(qū)西北部集聚，17日—18日，在西北風的作用下，污染物向城市東南方向擴散，在持續(xù)降雨作用下，19日后PM2.5污染有所緩解。2018年2月26日—27日，PM2.5濃度再次攀升，漢江和唐白河南岸的襄城區(qū)和襄州區(qū)的污染物濃度迅速升高，并在南風作用下向北側(cè)擴散，從污染熱點區(qū)域來看，南岸的PM2.5污染出現(xiàn)在人口密度較高的居住區(qū)。

圖8 襄陽市2018年2月PM2.5空間分布Fig.8 PM2.5 Daily Average Concentration Change of Xiangyang in February 2018

總體來看，襄陽市中心城區(qū)在2018年2月發(fā)生重度污染時，PM2.5污染空間分布差異明顯。在多個日期中，PM2.5濃度空間分布在漢江和唐白河兩岸存在明顯差異，以漢江與唐白河連線為界，出現(xiàn)高低分異明顯的情況，這可能是由于河流等自然要素對PM2.5有一定的消減作用，對PM2.5的空間擴散有阻擋。

2.3 PM2.5濃度與氣象要素的相關(guān)性

PM2.5濃度與污染物排放、氣象條件和治理措施等因素相關(guān)，污染源和治理措施變化不大時，氣象要素對PM2.5濃度影響起主要作用。利用2015—2018年氣象要素與PM2.5濃度月均數(shù)據(jù)（48個月）分析兩者的相關(guān)性，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，PM2.5濃度與氣溫和能見度呈顯著負相關(guān)，與氣壓呈顯著正相關(guān)，與降水、風速、相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系。從各個季節(jié)的相關(guān)性來看，PM2.5濃度在各個季節(jié)與氣溫、能見度依然是負相關(guān)，與氣壓呈顯著正相關(guān)，而與相對濕度、風速、降水量的相關(guān)性則在不同季節(jié)有所差別，說明在不同季節(jié)PM2.5濃度的主要影響因素有差異。較高的風速能顯著提升空氣污染物的擴散速度，而降水則能有效促進大氣顆粒物沉降，但在襄陽市，冬季的PM2.5濃度與這兩個氣象要素卻沒有呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)關(guān)系，這與襄陽市的地理環(huán)境和氣候特點密不可分，襄陽市冬季靜小風天氣頻繁、降雨較少，此時氣象要素對PM2.5濃度高低的影響較小。

表2 PM2.5濃度與氣象要素的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation Coefficients Between PM2.5 Concentration and Meteorological Parameters

3 結(jié)束語

1）襄陽市近年P(guān)M2.5污染情況逐漸好轉(zhuǎn)，但總體污染水平仍較高。襄陽市PM2.5濃度月均值具有明顯的季節(jié)性，隨月份呈“U”型分布，各年份均顯現(xiàn)出冬季高、夏季低的特征，而各季節(jié)月均值差異則表現(xiàn)為冬季（12月—次年2月）>秋季（9月—11月）>春季（3月—5月）>夏季（6月—8月），只在冬季出現(xiàn)嚴重污染等級，說明襄陽市冬季PM2.5污染情況十分嚴峻。

2）2018年2月PM2.5濃度超標20天，受爆竹煙花燃放、西北沙塵傳輸和工作日早晚出行高峰影響，PM2.5污染水平表現(xiàn)為春節(jié)假期>工作日>休息日（非春節(jié)假期），工業(yè)區(qū)污染水平較其他地區(qū)偏高。中心城區(qū)冬季發(fā)生重度污染時，PM2.5污染空間分布差異明顯，在多個日期中，PM2.5濃度空間分布在漢江和唐白河兩岸存在明顯差異。

3）襄陽市的PM2.5濃度與氣溫、能見度呈顯著負相關(guān)，與氣壓呈顯著正相關(guān)，與降水、風速、相對濕度等氣象要素呈負相關(guān)關(guān)系。PM2.5濃度與氣象要素的相關(guān)程度在不同季節(jié)存在較大差異。