2013年北京市PM2.5重污染日時空分布特征研究

程念亮，李云婷，邱啟鴻，董 欣，孫瑞雯

北京市環境保護監測中心，北京 100048

近年來，隨著國家經濟的高速發展、城市化進程的加快和工業規模的擴大，大氣污染形勢較為嚴重，特別是環境保護重點地區和城市，環境問題已成為制約城市可持續發展的重要因素［1－2］。近年來以細顆粒物PM2.5為主導因素的灰霾現象日趨嚴重，對公眾健康和城市景觀構成較大威脅［3］。PM2.5是指環境空氣中空氣動力學粒徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為細顆粒物。它的直徑還不到人的頭發絲直徑的二十分之一［4］，PM2.5由一次微粒和二次微粒組成。新《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)［5］將PM2.5納入常規空氣質量評價，這也是中國首次制定PM2.5標準。

北京是中國的首都，地處華北平原西北端，三面環山，地形呈典型的“簸箕狀”特征，大氣污染物擴散條件偏差;全市2 000多萬人口、500多萬輛機動車以及大量的生產、服務活動又造成污染物排放總量較大。隨著城市的發展，使得大氣污染呈較重的態勢［6-8］。特別是2013年1月，中東部、西南10省、自治區、直轄市，100多萬平方公里區域出現持續嚴重PM2.5污染天氣;北京也不例外，1月北京共發生4次連續重污染過程。為應對重污染局面，2013年10月市政府重點推出了《北京市空氣重污染應急預案(試行)》［9］，完善了應急管理機制，將空氣重污染應急納入全市應急體系統一管理。

本文利用2013年北京市環境保護監測中心監測的 PM2.5濃度數據，針對北京市重污染日PM2.5的污染問題，從基本污染水平、時間分布、空間分布等多個側面展開分析研究，較為全面系統地認識北京市重污染日PM2.5的濃度水平、逐月變化，空間分布特征。為更好開展城市PM2.5濃度預測預報工作，為管理部門提供準確、及時、全面的信息，同時配合目前正在進行全國范圍的PM2.5監測工作，對改善區域大氣環境質量具有十分重要的意義。

1 監測布點和監測方法

1.1 監測布點

北京市空氣質量監測網絡由35個站點(圖1)組成，包括1個城市清潔對照點，23個城市環境評價點，6個區域背景傳輸點，5個交通污染監控點;覆蓋所有區縣，包括區域背景、郊區、城鎮、交通干道、居住區等不同的環境類型，所有站點全部經過GPS定位［10-11］;細顆粒物監測數據為35個站點 2013年1—12月的逐日平均濃度資料。

1.2 監測方法

35個空氣質量自動監測子站PM2.5質量濃度的監測均采用微量振蕩天平(TEOM)方法的Thermo 1405F系列儀器，操作流程嚴格按照文獻［12］中有關技術規范進行，每天24 h連續采樣，設備定期檢查并及時維護保養，在1 a的監測時間內有效數據捕獲率超過95%，數據樣本量充足。

圖1 觀測站點分布和分類

2 重污染日PM2.5逐月分布

《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》(HJ 633—2012)分級方法中規定，200＜AQI≤300 即150 μg/m3＜ PM2.5日均值≤250 μg/m3為重度污染，300 ＜AQI≤500 即 250 μg/m3＜PM2.5日均值≤600 μg/m3為嚴重污染。依據國家標準，結合2013年北京市逐日AQI變化情況，計算了北京市重污染日天數的逐月分布，見圖2。

圖2 2013年北京PM2.5濃度和重污染天數逐月分布

由圖2可見，2013年重度污染日累計58 d，占到全年天數的15.9%。重污染日細顆粒物24小時平均濃度為218 μg/m3。1月份重污染日最多，其次是2、3月份，8月份沒有重污染日。整體來說，重污染日冬季最多，其次是春、秋季，夏季最少;夏季比冬季次數明顯較少是因為夏季大氣垂直運動活躍，氣旋活動頻繁，降水較多，污染物擴散條件較好;而冬季大氣垂直擴散條件較差加之采暖季燃燒更多燃料，重污染日較多［13-15］。

1—2、12月重污染日PM2.5平均濃度與該月月均濃度相比差別最大，比年均值高出110 μg/m3以上，7月重污染日PM2.5平均濃度高出該月月均濃度幅度最小，為 93.7 μg/m3。

3 重污染日PM2.5空間分布

由圖3可見，空間分布上，PM2.5年均濃度呈現明顯的南北梯度分布特征，西北和東北地區污染程度最輕，東南地區污染程度最重，城六區濃度水平總體好于西南地區，年均濃度水平空間分布按升序排列:西北＜東北＜城六區＜西南＜東南;重污染期間各地區平均濃度分布情況與年均濃度一致，平均濃度水平空間分布按升序排列:西北＜東北＜城六區＜西南＜東南。空氣質量較好的北部地區，重污染期間細顆粒物平均濃度與該地區全年平均濃度差異較小，為100 μg/m3左右，空氣質量較差的南部地區差異較大，特別是東南部地區，達到 140 μg/m3。

圖3 不同方位PM2.5濃度變化

全市35個站的監測結果顯示，全市PM2.5年均濃度的空間分布差異顯著。各監測點PM2.5年均濃度范圍為59～123 μg/m3，最低濃度出現在區域背景傳輸點密云水庫，最高濃度出現在區域背景傳輸點房山琉璃河;而重污染期間各監測點PM2.5平均濃度范圍為138 ～257 μg/m3，最低濃度出現在區域背景傳輸點京西北八達嶺，最高濃度出現在區域背景傳輸點房山琉璃河。

如圖4所示，不同環境功能站點PM2.5年均濃度水平分布按升序排列:城市清潔對照點＜城市環境評價點＜區域背景傳輸點＜交通污染控制點;而重污染期間平均濃度水平分布按升序排列:城市清潔對照點＜區域背景傳輸點＜城市環境評價點＜交通污染控制點;不同環境功能站點年均濃度水平分布與季節特征有關，冬季燃煤量較大，逆溫頻繁，混合層高度較低，區域空氣污染狀況較重，大氣污染跨界傳輸作用明顯［16-21］，而重污染期間污染物經過一定的污染傳輸及積累，空間分布比較均勻，一定程度上導致城市環境評價點濃度整體略高于背景傳輸點。由于交通環境監控點靠近道路兩側，污染物排放量相對較大，而6個區域背景傳輸點分布在北京周邊，南北站點濃度差異較大，造成區域背景傳輸點的平均濃度低于交通污染監控點。此外6站點平均濃度不能充分體現出背景傳輸點濃度分布的特點，需要進一步對每個站點詳細分析，這里不過多論述。

圖4 不同功能站點PM2.5濃度變化

采用克里格(Kriging)插值法對北京市PM2.5年均濃度和重污染日平均濃度進行空間插值，克里格插值法建立在半變異函數理論分析基礎上，是對有限區域內變量取值進行無偏最優估計并應用廣泛的一種方法，插值準確性取決于點的分布及個數［22］。北京市全市國土面積約16 000 km2，用克里格插值將其最優化分為4 537個網格(約1.9 km一個網格)，統計不同濃度段所占的網格數即可計算出其對應的國土面積。圖5為插值后該市PM2.5的空間分布，年均PM2.5空間分布與監測結果大體一致;北部的密云、懷柔、昌平定陵以南地區，濃度均在70 μg/m3左右，中心城區濃度水平在90 μg/m3左右，而南部的豐臺、房山、大興、亦莊、通州等區縣濃度升高到100 μg/m3以上;這些空間分布特征與模擬及衛星反演研究成果基本一致［23-24］，PM2.5在太行山以東呈現區域性特征，存在大范圍 PM2.5高值區(PM2.5＞100 μg/m3)，特別是河北中南部、北京南部地區。重污染日北京市PM2.5相對均勻，西北的延慶、懷柔、昌平定陵以南地區，濃度均在120 μg/m3左右，中心城區濃度水平在180 μg/m3左右，而南部的豐臺、房山、大興、亦莊、通州等區縣濃度升高到190 μg/m3以上，南部及城六區存在明顯的高污染區。

圖5 PM2.5的年均值及重污染日分布

在PM2.5濃度插值的基礎上，初步統計了不同濃度段北京市國土面積分布，見表1。可以看出，重污染日PM2.5平均濃度為75～115 μg/m3所對應的國土面積比全年PM2.5平均濃度在75～115 μg/m3時的國土面積減少8 055 km2，PM2.5平均濃度為115～150 μg/m3的國土面積比全年增加2 611 km2，PM2.5平均濃度在 150 ～250 μg/m3時所對應的國土面積為12 656 km2，PM2.5平均濃度在250 μg/m3以上所對應的國土面積為883 km2(全年PM2.5平均濃度在150 μg/m3以上對應的國土面積為零)。由于35個點位較集中分布在城六區，郊區點位數較少，且空氣質量級別對應的PM2.5濃度段差別較大，插值后統計的面積結果肯定存在一定的不確定性，需要進一步分析研究［25-26］。

表1 北京市2013年不同濃度區間的國土面積初步統計 km2

4 結論

1)2013 年全市PM2.5年均濃度為89.5 μg/m3，重污染日PM2.5平均濃度為218 μg/m3，重污染日主要集中在冬季;

2)PM2.5年均濃度呈現明顯的南北梯度分布特征，重污染日空間分布較均勻，南部及城六區存在明顯的高污染區，平均濃度在180 μg/m3以上;

3)重污染日 PM2.5平均濃度在150～250 μg/m3的國土面積約為 12 656 km2，PM2.5平均濃度在250 μg/m3以上所對應的國土面積約為883 km2，而全年 PM2.5平均濃度在 150 μg/m3以上對應的國土面積為零。

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