2000—2015年中國PM2.5濃度時空分布特征及其城鄉差異

韓 婧,李元征,李 鋒

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049 3 河南財經政法大學資源與環境學院, 鄭州 450046 4 清華大學建筑學院，北京 100084

PM2.5指大氣中空氣動力學直徑小于或等于2.5 μm的細顆粒物,由于PM2.5的比表面積比PM10大,可以吸附更多的細菌、病毒和多環芳烴、過渡金屬等有毒有害物質,且PM2.5可以通過呼吸道,沉積于人體的肺泡,對人體健康的危害更為嚴重,因此引起了廣泛關注[1]。近年來,PM2.5污染尤為嚴重,掌握中國PM2.5分布特征及變化情況,是對其開展防治工作的重要前提。

關于PM2.5時空分布特征方面的研究,研究尺度包括城市尺度[2- 3]、區域尺度[4]及全國尺度[5- 7]。從數據源來看,研究分為兩大類。一類是利用監測站點的數據,研究全國城市PM2.5濃度的時間變化規律及PM2.5年均值、年均值超標率和日均值超標率的空間分異規律[5- 6]；南京市三年平均PM2.5濃度值空間分布及每年的季節變化、月變化、周變化和日變化規律[2]等。另一類是利用遙感反演數據,如利用van Donkelaar等基于MODIS、MISR和SeaWIFS AOD(Aerosol Optical depth)產品用GEOS-Chem全球化學傳輸模型反演出的0.1°分辨率全球1998—2012年三年移動平均的PM2.5濃度柵格數據集,分析中國大陸PM2.5濃度年均值的空間分布變化及不同等級面積比例的年際變化[8]；利用從哥倫比亞大學獲取的0.5°分辨率全球2001—2010年每年平均PM2.5柵格數據,研究中國PM2.5濃度年均值空間格局變化及各PM2.5濃度水平所占面積的時間分布[9]；基于2000—2015年MODIS AOD產品反演得到的10 km分辨率日均地表PM2.5質量濃度數據,分析中國東部每年平均PM2.5濃度值空間分布年際變化、季節平均PM2.5分布對比及區域PM2.5年變化速率空間分布[4]等。如今對PM2.5城鄉梯度分布差異的研究日趨重要,城區具有明顯的混濁島效應[10],PM2.5濃度在城鄉梯度上分布具有明顯的差異性[11-12],研究多基于建成區及鄉村的監測站數據。

然而PM2.5監測數據源于的臺站數量有限,分布不均,且觀測時間短,在大尺度全國范圍內長時間序列估算PM2.5濃度時空分布特征及變化趨勢存在一定的局限性,此外,以往研究采用的遙感反演數據分辨率較粗,城鄉差異研究以地級市為基本單元,沒有具體到更細的研究單位。因此,本文1)基于目前大尺度精度最高的遙感反演數據分析2000—2015年中國PM2.5濃度的時空分布特征及變化。2)分析中國1376個城鎮2000—2015年PM2.5濃度變化的趨勢及變化速率。3)研究中國城鎮城區和周圍鄉村地區PM2.5濃度的差異,以期揭示城市化導致的生態環境效應,為政府相應的霧霾治理對策提供一定的科學依據。

1 數據及方法

1.1 數據來源

1.1.1PM2.5數據

全球年均0.01°×0.01°分辨率(赤道處約為1 km×1 km)PM2.5數據來源于戴爾豪斯大學大氣成分分析組網站(http://fizz.phys.dal.ca/～atmos/martin/?page_id=140)[13]。地面細顆粒物(PM2.5)通過NASA MODIS、MISR、和SeaWIFS傳感器的氣溶膠光學厚度AOD(Aerosol Optical Depth)反演值與GEOS-Chem化學輸送模式模擬值結合估計得到。為了匹配常用的標準化測量程序,在35%相對濕度的情況下估計,隨后用地理加權回歸模型(GWR)校正到全球PM2.5的地面觀察值。精度驗證結果顯示交叉驗證點地理加權回歸模型校正的估計值與地面監測值高度一致(R2=0.81),具有很好的精度。

1.1.2土地利用數據

2000年1 km分辨率的中國土地利用現狀遙感監測數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn),是以Landsat TM/ETM遙感影像作為主要的數據源,通過人工目視解譯生成,土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型[14]。2015年中國土地利用現狀遙感監測數據同樣來源于中國科學院資源環境科學數據中心,是在2010年數據基礎上,基于landsat8遙感影像,通過目視解譯生成,土地利用類型與2000年相一致。

1.1.3DEM數據

中國1 km分辨率數字高程模型數據集來源于“黑河計劃數據管理中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)[15]。

1.2 研究方法

1.2.1中國PM2.5濃度的時空分布特征

世界衛生組織的空氣質量指南制定的PM2.5空氣質量準則值年平均濃度為10 μg/m3,過渡時期目標值- 1(IT- 1)年平均濃度為35 μg/m3,過渡時期目標值- 2(IT- 2)為25 μg/m3,過渡時期目標值- 3(IT- 3)為15 μg/m3[16]。國內的環境空氣質量標準最新版本(GB 3095—2012)規定,顆粒物(粒徑小于等于2.5 μm)年平均一級濃度限值為15 μg/m3,二級濃度限值為35 μg/m3[17]。此外,一些研究中用到70 μg/m3和100 μg/m3作為分類值[8,10]。因此,基于上述依據并結合本文全國PM2.5柵格數據集的最大值最小值,將年均PM2.5濃度分為七個等級,等級一：1—10 μg/m3,等級二：10—15 μg/m3,等級三：15—25 μg/m3,等級四：25—35 μg/m3,等級五：35—70 μg/m3,等級六：70—100 μg/m3,等級七：100—130 μg/m3,對全國PM2.5柵格數據集重分類,每一類別對應每一等級,分別統計各等級占全國面積的比例,繪制百分比堆積柱形圖,進而宏觀層次上分析全國各處的空氣污染物的年際變化規律。

1.2.2中國PM2.5濃度的城鄉差異

1)城鄉范圍的界定

城區范圍是利用ArcGIS 10.2軟件采用1 km的搜索半徑對2015年土地利用圖分類體系中的城鎮用地(指大、中、小城市及縣鎮以上建成區用地)進行聚合操作得出的[18]。這樣既使得與主城區相近的離散城鎮用地與主城區合并為同一城鎮的城區,又使得較大的城市與其衛星城分離為不同的城鎮[18]。然后,僅保留面積大于6 km2的斑塊,它們可以包含中國東部人口密集且經濟發達地區的絕大部分縣城[18]。最后,將2015年提取出的城鎮用地與2000年進行疊合分析得到兩個時期均為建成區的不變像元作為研究2000—2015年年際變化的城鎮城區范圍。

與這些城鎮城區對應的鄉村被定義為距離2015年提取出的城鎮城區5—10 km的環形緩沖區中排除掉城鎮用地、水體及數字高程高于城區高程最大值或低于其最小值50 m的部分[18- 19]?？紤]到水體和高程的限制主要是因為它們對PM2.5濃度均有負向的影響[8,20]。同樣提取出2000年的鄉村區域,并選定兩個年份中同為鄉村的不變像元作為用于分析2000—2015年年際變化的鄉村區域。由上述城鄉定義,提取得到1376個城鎮城區及其對應的鄉村,如圖1所示。

2)城鄉PM2.5濃度的年際變化的對比

首先計算各個年份各個城鄉處PM2.5濃度的面積加權后的均值,及其城鄉差值。然后,采用線性趨勢分析法計算1376個城鎮城區及對應鄉村處PM2.5濃度在2000—2015年期間的變化速率及其顯著性。

圖1 1376個城鎮的區位圖Fig.1 The location of 1376 towns

2 結果與分析

2.1 不同PM2.5濃度等級的面積比例及空間分布年際變化

圖2顯示所有PM2.5濃度等級所占面積比例的年際變化。結果表明,2000—2015年期間,PM2.5低濃度區域面積比例顯著減少,等級一從2000年的26.97%減少到2015年的16.50%,等級二從2000年的16.95%降低到8.62%。與此相反,PM2.5高濃度區域的面積比例顯著增加,如等級五的面積比例從2000年的15.13%增加到2015年的24.39%,等級六的面積比例從2000年的3.45%上升到2015年的6.93%,等級七的面積比例從2000年的0變為2015年的0.71%,比例最高值為2010年的1.35%。總體來說,等級六和等級七面積比例變化較小,增加幅度較小,是因為這兩個等級代表極其嚴重的空氣污染區,主要為塔克拉瑪干沙漠及中東部華北平原部分地區,占整個國土面積的比例小,因此變化幅度相對其他等級來說也較小。此外,中等濃度的面積比例也發生了顯著的變化,等級三面積比例減小,從2000年的24.97%到2015年的18.87%,等級四面積比例增加,從2000年的12.53%到2015年的23.98%。PM2.5濃度超過國家二級標準(35 μg/m3)的面積范圍從18.58%增加到32.03%,約等于國土面積的三分之一,濃度介于國家一級標準與二級標準之間的面積范圍在40%左右波動,而濃度值小于國家一級標準(15 μg/m3)的面積范圍從43.92%減少到25.12%。上述所有等級年際變化均為波動式,其中有的年份值較高或較低,但總體的趨勢為等級一、二、三面積比例減少,等級四、五、六、七面積比例增加,表明全國2000—2015年PM2.5污染加劇,中高濃度范圍擴大。

圖2 2000—2015年中國不同PM2.5濃度等級的面積比例Fig.2 Area proportion of different PM2.5concentration grades in China from 2000 to 2015

圖3顯示研究期內中國不同PM2.5濃度等級的空間分布。全國PM2.5濃度的平均值顯著上升,從22.31 μg/m3增加到31.78 μg/m3。高濃度區域主要分布在華北平原上的河北南部、河南北部和山東西部,以及西部的塔里木盆地。等級六(70—100 μg/m3)常年分布在塔里木盆地、華北平原河北東南部、山東西北部、河南省北部,除此之外,部分年份會分布在四川省成都市、湖北省武漢市和孝感市、江蘇省長江兩岸及甘肅省蘭州市附近地區,2015年在東北平原地區和江蘇省有大范圍成片分布。此等級在華北平原的分布范圍變化過程為：從2000年僅在一些城市零星點狀分布,到2001、2002年在河北東南部小范圍面狀分布,然后分布范圍逐年增加,到2007年分布范圍達到最大,幾乎涵蓋了整個華北平原,繼而范圍縮小、波動,在2010年又相對增加,后又減少,2013年又增加,然后又繼續縮小。等級七超高濃度(100—130 μg/m3)僅在部分年份有分布,2006年在河北省東南部分布較廣,2010、2011、2013、2015年在塔里木盆地分布較廣。在研究期內,等級五的分布范圍整體呈現擴大的趨勢,2000年主要分布在三個區域,即(I)塔里木盆地外圍和柴達木盆地(II)甘肅寧夏內蒙陜西交界處(巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、毛烏素沙地和黃土高原)(III)中國中東部華北平原長江中下游平原部分區域(河北南部、山東西部、河南省、湖北省、江蘇省及安徽省北部)。隨后,除了II區域在多數年份范圍縮小外,其余各區域的范圍都不斷擴大,中東部囊括了河北省南部、山東河南江蘇安徽湖南全境以及湖北東部、江西浙江北部、貴州廣西東部、廣東西部地區,再納入山西和陜西的汾渭平原、四川省東部和重慶及東北平原地區,整體幾乎連成一片呈Y字形分布。低濃度區域主要分布在內蒙古高原北部大興安嶺山脈周圍、青藏高原南部、新疆北部阿爾泰山脈附近區域及臺灣地區,同時這幾個區域在研究期內變化很小,中等濃度如等級三和四主要分布在高濃度區域外圍,值得一提的是內蒙古自治區陰山山脈以北、福建省、云南省和海南省濃度相對較低,空氣質量較好。

2.2 PM2.5濃度在城區及鄉村的變化趨勢

圖4顯示,總體來看,城區和鄉村PM2.5濃度的變化趨勢非常類似。經統計,城區2000—2015年PM2.5濃度有顯著性變化趨勢(P<0.05)的城鎮有873個,占總數的63.44%,變化速率的最小值為-1.32 μg m-3a-1,最大值為2.27 μg m-3a-1,平均為(1.12±0.49) μg m-3a-1。與之相對應的,PM2.5濃度有顯著性變化的鄉村有873個,顯著變化速率的最小值為-1.33 μg m-3a-1,最大值為2.26 μg m-3a-1,平均為(1.12±0.48) μg m-3a-1。結果表明,僅有少數幾個城鎮表現為顯著的負向趨勢,分布較為零散,主要位于寧夏、陜西、內蒙的交界處和臺灣。相反,顯著正向趨勢廣泛分布在全國各地城鎮的城區及鄉村,變化速率最快的地區為東北平原哈爾濱—長春-沈陽連線沿線,并以此為核心向四周擴散,速率逐漸降低。變化次快的為華北平原上太行山以東的河北省西南部、燕山以南的北京天津及河北唐山、魯中南山地丘陵及周圍平原地區、華北平原江蘇省北部、長江中下游平原巢湖周邊,再其次為華北平原河南省東部、安徽省北部、長江中下游平原位于湖北湖南安徽江蘇上海的地區及廣西盆地,然后是河南省西部、江西鄱陽湖平原、杭州灣周邊地區、廣東省中西部、山西內蒙與河北三省交界處及新疆北部吐魯番盆地、準噶爾盆地的綠洲等地區。

圖4 2000—2015年中國1376個城鎮的城區及鄉村的PM2.5濃度變化趨勢Fig.4 Variation trend of PM2.5concentration of 1376 towns’ urban areas and rural areas in China from 2000 to 2015

2.3 PM2.5濃度的城鄉差異

圖5顯示,2000—2015年中國1376個城鎮PM2.5濃度城鄉差值的年際變化很小,每年全國城鄉差值的平均值在4.5 μg/m3上下波動,最小值為4.41 μg/m3,最大值為4.64 μg/m3。絕大部分城鎮的PM2.5濃度城鄉差值分布在-5—0 μg/m3、0—5 μg/m3、5—10 μg/m3區間,占城鎮總數約83%—85%,在全國各地都有分布,沒有特定的明顯的分布規律。僅少數一兩個城鎮在部分年份差值小于-5,具體原因尚待進一步研究分析。差值超過10 μg/m3的城鎮占15%—17%,等級越高,分布范圍越小,主要分布在(I)華北平原沿燕山、太行山延伸的從河北遵化到河南鄭州的東北-西南向S形條帶(II)從河北張家口沿大同盆地、忻州盆地、太原盆地、臨汾盆地、運城盆地到關中平原的東北-西南向S形條帶(III)天山北部準噶爾盆地南部的綠洲(IV)浙江省-福建省條帶,以及海峽對岸的臺灣環島城鎮。

圖5 2000—2015年中國1376個城鎮PM2.5濃度城鄉差值的空間分布Fig.5 Spatial pattern of PM2.5concentration difference between urban areas and rural areas of 1376 towns in China from 2000 to 2015

3 結論

本文基于長時間序列PM2.5濃度遙感反演數據分析了中國2000—2015年PM2.5濃度的時空分布特征,且比較了1376個城鎮的城區和周圍鄉村地區PM2.5濃度的差異,得出了以下幾條結論：

1)PM2.5污染較嚴重的地區為華北平原的河北南部、河南北部和山東西部,以及中國西部的塔里木盆地,而低濃度區域主要分布在內蒙古高原北部大興安嶺山脈周圍、青藏高原南部、新疆北部阿爾泰山脈附近區域及臺灣。

2)2000—2015年等級一、二、三面積比例減少,等級四、五、六、七面積比例增加,中高濃度范圍擴大,全國PM2.5污染狀況惡化。

3)PM2.5濃度顯著的強正向變化趨勢主要位于東北平原、太行山以東的河北省西南部、燕山以南的北京天津及河北唐山、魯中南山地丘陵及周圍平原地區、華北平原江蘇省北部、長江中下游平原巢湖周邊。

4)PM2.5濃度城鄉差值較大區域主要包括河北省、山西省兩條東北-西南向S形條帶、浙江省-福建省條帶及天山北部綠洲區域。

4 討論

前人研究大多表明PM2.5高濃度區域分布在中國東部平原、四川省及塔克拉瑪干沙漠[21- 23],本研究結果顯示PM2.5污染較嚴重的地區為華北平原的河北南部、河南北部和山東西部,以及中國西部的塔里木盆地,其中華北平原和塔里木盆地與前人結果一致,原因分別是人類活動排放及沙塵天氣頻發。而四川省存在分歧,本文顯示四川東部的污染水平由2000年絕大部分區域為25—35 μg/m3演變為35—70 μg/m3,僅在2005、2006、2010年部分年份在成都市附近有70—100 μg/m3等級的分布,整體污染程度與中國中東部長江中游平原的污染水平類似,并沒有華北平原高。此外,PM2.5濃度超過國家二級標準(35 μg/m3)的面積范圍從2000年的18.58%增加到2015年的32.03%,約等于國土面積的三分之一,佐證了前人研究[24]。

PM2.5濃度變化趨勢分析中,變化速率范圍為-1.5—2.5 μg m-3a-1,與前人研究中快速增長類的增長速率2.21 μg m-3a-1,慢增長類的濃度變化速率1.10 μg m-3a-1基本吻合[22]。顯著的負向趨勢出現在寧夏回族自治區和陜西省的交界處,顯著的強正向趨勢分布在中國東部平原、河北省南部和山東省[22]也相一致。但本研究發現東北地區也是顯著的強正向趨勢分布區,甚至哈爾濱—長春—沈陽連線沿線是PM2.5濃度變化速率最大的地區。盡管在研究期內東北地區PM2.5濃度基本都低于華北平原地區,但2015年東北平原附近地區PM2.5濃度已達到70—100 μg/m3,與華北平原持平,相關研究也指出2014年哈長城市群是PM2.5高污染城市聚集地之一[5]。原因可能是農作物秸稈的焚燒[25],中國2002—2016年露天農作物秸稈和生物質燃燒產生的空氣污染物排放的時空分布特征研究結果顯示,2002—2016年期間來源于露天農作物秸稈燃燒的PM2.5年平均排放量最大的地區為華東,隨后便是中國東北,且中國東北PM2.5年平均排放量從2012年到2016年顯著增加了245.7%。因此國家和地方政府應該對此給予高度重視來控制此地區逐漸加重的霧霾污染。

華北平原的河北、山東不僅PM2.5濃度高,而且具有強的增長趨勢,變化速率快,如果這些地區的空氣污染得不到控制將會繼續不斷惡化,因此國家和地方政府應該迫切關注這些地區PM2.5污染的治理。此外,整個華北平原污染均很嚴重,許多研究也表明,PM2.5污染具有顯著的空間溢出效應[26],因此每個省或市不能僅依靠將重污染工業轉移到鄰近省來控制PM2.5污染,區域性的聯防聯控、協同監管來治理污染極為重要。

本研究識別出的城鄉差值較大地區與前人研究識別出的北京-四川條帶和上海-廣西條帶[21]部分一致,反映了城市化導致的城區PM2.5污染較周圍鄉村地區更為嚴重,部分結果不同的原因可能在于研究方法不同。