基于GIS的福州市PM2.5時空分布研究

林雅逢

摘要：為更好地了解福州市細顆粒物（PM2.5）的時空分布狀況，應用地理信息技術軟件，基于2016年福州市21個監測站點的大氣小時PM2.5數據，進行了插值反演連續空間的大氣分布。結果表明：時間分布上，福州市夏秋季節PM2.5濃度較低，春冬季節濃度較高。空間分布上，羅源縣、永泰縣、福清市PM2.5濃度較低；福州市區、長樂市及閩侯縣PM2.5污染較嚴重；五城區中，臺江、倉山PM2.5濃度較高。

關鍵詞：地理信息系統；空氣細顆料物；大氣污染

中圖分類號：X831

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10006903

1 引言

人類的生活品質需要持續提升，所依賴的是工業水平的迅猛發展，同時，伴隨而來的是工業發展的負面產物，包括大量的廢水、廢物、廢氣。尤其在高速發展的城市之中，汽車尾氣、城市開發建筑工地揚塵、企業排放廢氣等不斷增加，導致我國霧霾天氣的出現越來越頻繁[1]。

PM2.5是指空氣動力學直徑小于等于 2.5 μm的顆粒物細粒、細顆粒物。其特點是粒徑小，分布面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大[2]。

CHE 等 [3]對 31 個省會城市 1981～2005年的霾特征變化進行了研究，指出我國東部和東南部城市霾天氣呈顯著上升趨勢。呂守軍、沈星遲、張曉敏等通過多元回歸分析分析了多年數據，基本驗證了PM2.5治理困局產生的主要原因，且提出了對策。陳巧俊利用 CALPUFF 大氣擴散模型模擬了福州市氣象場和二氧化硫、二氧化氮和可吸入顆粒物濃度場，采用監測值對模擬結果進行驗證表明了模型的適用性[4]。尹宏偉利用GIS實現了濟南市的大氣污染源的可視化和污染監測數據的空間化，根據相關的實測資料，分析了研究區內不同時間、空間的大氣污染分布情況，利用GIS的插值與地統計分析，對濟南市具有代表性的大氣污染氣體的空間分布進行研究[5]。

2 研究區域概況

福州市位于閩江下游，氣候類型屬中、南亞熱帶過渡的海洋性季風氣候，全年氣候暖熱濕潤，冬季短暫且溫和，夏季漫長而無酷暑。福州市區年平均溫度為20.3℃，2月為最冷月，平均溫度10.5℃，8月為最熱月，平均溫度28.7℃。福州市區所在地屬于典型的河口盆地，盆地四周被群山峻嶺所環抱，境內地勢自西向東傾斜，地形閉塞，閩江口沿江通道的大氣流動是福州市的主要大氣擴散動力來源，空氣擴散條件較差，大氣環境的承載力較弱[6]。

福州市大氣自動監測站點較多，基本上覆蓋福州各個縣市區，市區分布較為密集。近來來，福州市城市建設力度加大，顆粒物污染成為影響福州市環境質量的重要因素，其中PM2.5是造成環境空氣質量污染的主要污染物[7]。

3 研究方法與原理

目前，環境現狀監測的方法主要有三類：資料收集法、地理信息技術及方法、現場調查法[8]。在環保工作者的環境現狀監測實際應用中，從人力、物力以及可行性上考慮，我們不可能對研究區內或者無法實現大量位置的布設監測點、收集資料及取樣。地理信息技術及地理統計數學方法在這種情況下發揮了巨大的作用，比較常用的就是通過布設一定數量、一定分布的監測點或者監測斷面，應用點差值面的估計方法，研究區域目標的分布狀態，供研究者使用[9]。

空間插值是我們假設空間分布的研究對象具有空間相關性，也就是說，彼此接近的對象往往具有相似的特征，空間插值是通過已知的空間數據來推算未知空間數據值的數學方法[10]。本文采用反距離權重插值法進行空間插值。

4 數據獲取

對福州市所有站點中的21個典型空氣質量監測站點PM2.5數據進行分析（圖1），其中包括5個國控監測站點， 16個區縣監測站點。具體數據為2016年PM2.5濃度數據（小時），運用相關數理統計方法進行時間及空間上的研究探討。

5 分析與結論

5.1 福州市PM2.5濃度時間變化分析

5.1.1 日數據分析

對分布在福州市內的各個站點PM2.5值進行加和

由圖2可以看出，PM2.5的濃度在7∶00與19∶00之后開始升高。分析原因包括：從氣象學角度上分析，每日貼地逆溫層厚度的峰值一般出現在7∶00與19∶00，逆溫導致大氣穩定度升高，不利于污染物擴散。此外，PM2.5濃度最高的兩個波峰也恰好處于交通高峰期間，交通運輸中尾氣的排放量的增高，也是一個重要的影響因素。

5.1.2 年數據分析

根據鹿世瑾等[11]對福建氣候的研究將一年中3、4、5月定為春季，6、7、8月份夏季，9、10、11月份定為秋季， 12、1、2月份定為冬季進行季節性分析。由圖3結論表明，福州市春冬季節空氣質量較差，夏秋季節較好。

福州市屬于亞熱帶海洋性季風氣候，干濕與盛行風向因季節而異。春季低緯暖濕氣流活躍，受其控制大氣層結相對穩定、風速小、局部易形成逆溫，不利于污染物擴散。冬季北霾南下，導致局地污染濃度升高，春冬季節在冷空氣來臨前受暖濕氣流控制，或受入海高壓控制，大氣層結相對穩定，不利于污染物擴散，若本地污染排放累積，易造成大氣污染物濃度升高。

5.2 福州市PM2.5濃度空間分布分析

取用2016年福州市21個區縣監測點的日均PM2.5數據，利用反距離權重插值法進行分析，得到PM2.5時空分布如圖4。

2.5污染嚴重的地方主要存在于福州市區、長樂及閩侯，空氣較好的地方主要是羅源、永泰、福清；福州市區中，臺江、倉山較差。分析原因具體如下。

（1）福州市目前處于快速建設發展時期，全市有大量地鐵、道路、樓宇建設等施工工地，帶來的揚塵污染問題突出，導致PM2.5濃度居高不下；另一方面，城市機動車保有量不斷增加，機動車尾氣排放到空氣中的NOx、VOCs等前體物通過化學反應生成硝酸鹽和二次氣溶膠等造成PM2.5升高；此外，市內建筑物較多，區域性的氣流動相對穩定，地面風力較小，導致空氣質量下降。五城區中臺江、倉山機動車保有量較大，建筑密集，道路擁擠，導致顆粒物濃度較高。長樂市鋼鐵企業較多，對PM2.5排放貢獻較大。

（2） 羅源、永泰山區植被分布較為廣泛，大量植被可以吸附粉塵，減低粉塵顆粒物擴散；永泰工業經濟及交通發展較緩慢，沒有大量的工業廢氣及交通尾氣的排放，而羅源、福清的海洋季候風帶來的潔凈空氣對空氣污染有較強的稀釋作用，因此PM2.5濃度較低。

（3） 從時空對比圖分析可知，福州市夏秋季節PM2.5濃度較低，春冬季節污染濃度較高，原因可能福州市冬、春季灰霾天氣主要與鋒前暖區、高壓后部、高壓底部、地面倒槽等天氣系統影響有關。還與冬、春季冷空氣南下，大陸冷高壓前部出現偏北大風，引導北方高濃度氣溶膠顆粒隨風輸送至福州，造成福州出現浮塵、揚沙或灰霾天氣。

6 建議

2017年5月綠 色 科 技第10期

通過得到的結論及分析，福州市整體PM2.5濃度保持在一個較好的水平，但依然面對著城市快速發展過程中存在的風險。應該從以下幾個方面進行預防與整治。

（1）持續加強對縣市區機動車尾氣的治理；持續加強淘汰“黃標車”，促進交通清潔能源的使用；加強公共交通的建立，減小私家車的出行，鼓勵市民綠色出行，如共享單車等。

（2）加大顆粒物污染防治力度。繼續深化工業煙粉塵治理，開展燃煤鍋爐專項整治，實施火電行業脫硝除塵整治，加強鋼鐵行業粉塵治理力度等。

（3）做好福州市施工建筑單位的環境監控工作，確保施工過程中大量揚塵；人工噴灑應該注重科學統籌安排，最大化的發揮其作用。

參考文獻：

[1]

李澎昶. 淺談霧霾天氣的成因與加強環境保護的有關措施[J]. 教育， 2016（12）：306.

[2]徐 敬. 北京城區單點氣溶膠細粒子（PM2.5）觀測分析與研究[D]. 北京：中國氣象科學研究院， 2003.

[3]Che H， Zhang X， Li Y， et al. Haze trends over the capital cities of 31 provinces in China， 1981～2005[J]. Theoretical and Applied Climatology， 2009， 97（3）：235～242.

[4]呂守軍， 沈星遲， 張曉敏. 中國PM2.5治理困局及對策研究：基于環境規制理論視角的分析[J]. 上海交通大學學報（哲學社會科學版）， 2015， 23（6）：50～59.

[5]尹宏偉. 基于GIS的濟南市大氣污染時空分析[J]. 河南科技， 2015（15）：146～148.

[6]李 巖， 鄭東旗， 龔振斌，等. 福州大氣污染日與氣象條件關系[J]. 亞熱帶農業研究， 2014， 10（3）：194～198.

[7]謝冠君. 福州市大氣污染現狀分析及其防治對策[J]. 海峽科學， 2014（6）：67～69.

[8]朱欣娟， 石美紅， 薛惠鋒，等. 基于GIS的空間分析及其發展研究[J]. 計算機工程與應用， 2002， 38（18）：62～63.

[9]李曉軍. GIS空間分析方法研究[D]. 杭州：浙江大學， 2007.

[10] 陳彬彬， 林長城， 蔡義勇，等. 福州市大氣污染物時空變化特征分析[C]//中國氣象學會.中國氣象學會2008年年會大氣環境監測、預報與污染物控制分會場論文集. 青島：中國氣象學會，2008.

[11]鹿世瑾， 王 巖. 福建氣候 ： The climate of Fujian[M]. 北京：氣象出版社， 2012.