基于污染事件的閩三角城市群大氣顆粒物的時空特征

(福建師范大學地理科學學院，福建 福州 350007)

大氣顆粒物(Particulate Matter, PM)已經成為影響城市大氣質量和人體健康的主要污染物。懸浮在空氣中的空氣動力學當量直徑≤10μm的可吸入顆粒物，稱為PM10。大氣顆粒物濃度過高時會導致大氣能見度降低。它能與霧氣相結合，吸附空氣中的二氧化硫、氮氧化物等有機和無機化合物，甚至和有毒有害的重金屬[1]和微生物[2]相融合，增加懸浮大氣顆粒物的危害。

近年來，對閩三角城市群大氣顆粒物的研究不斷增加。閩三角城市群內污染源分布相對分散，即使在排放較少的條件下，大氣顆粒物濃度主要呈現波動性及周期性的特征：吳萍萍基于泉州市區2014年1、4、7、10月的空氣質量自動監測數據，分析了PM10與PM2.5污染水平并對其季節變化趨勢進行探討，結果表明：泉州市區大氣中的PM10與PM2.5濃度均呈現出明顯的季節變化，春冬兩季濃度高于夏秋兩季[3]。蘇萍對福廈泉三個城市國控站點的 PM10和 PM2.5的達標情況、變化趨勢等進行探討分析，結果表明：福廈泉的PM10和 PM2.5年內變化規律基本一致，大氣顆粒物質量水平夏秋要優于春冬，年際變化情況反映近幾年顆粒物污染有惡化趨勢[4]。

某些氣象條件會對大氣顆粒物產生大小不一的影響[5]。戴永利等開展2006—2009年北京、上海、廣州、成都的城市霾天氣頻率季節和年際變化特征及其主要影響因子研究，分析發現大氣總輻射、風速和降雨量是影響顆粒物濃度的關鍵氣象因子[6]。李丹等利用天津市環境監測資料及氣象觀測資料，對2016年12月中旬天津市重污染天氣過程污染特征進行分析，發現該次重污染天氣是在弱氣壓場、靜風及高濕等不利氣象條件下，污染物區域傳輸及本地污染物排放累積造成的[7]。在閩三角城市群中，臺風也是一個重要的氣候現象，經過模擬研究，表明在污染嚴重的情況下，臺風降水減少，外圍降水增多。氣候的多變使得大氣顆粒物與氣象因子的相關性不高[8]。

閩三角城市群大氣顆粒物濃度的研究多為短時段內單個站點大氣顆粒物濃度的變化，未能擴展至整個區域，也未能從污染事件的角度分析閩三角城市群大氣污染的時空特征及其影響因素。因此，本研究基于2010—2015年閩三角城市群大氣環境監測數據，根據世界衛生組織標準定義大氣污染事件，研究閩三角城市群發生大氣污染事件發生頻次及相應大氣顆粒物的時空特征，并進一步研究氣象條件對閩三角城市群大氣污染事件發生時大氣顆粒物濃度的影響。研究結果可以為深入了解閩三角城市群大氣污染特征及影響因素提供參考。

1 區域、數據與方法

1.1 研究區概況

閩三角城市群由廈門市、泉州市和漳州市3個設區市組成，本研究的區域為上述3個城市的建成區(不包括市屬縣或縣級市)。研究區域總面積25321.17km2。閩三角城市群屬典型的亞熱帶濕潤季風氣候, 夏季高溫多雨, 冬季溫和少雨, 年均降水量1000～2000 mm， 年均溫21℃。

廈門市地形以濱海平原臺地和低地為主，其中，廈門島地形主要為低山丘陵。廈門市流動人口超過200萬(2013年)，經濟以第三產業為主，旅游、空港、會展等居全國領先地位。城市內部交通體系發達，公共交通網層層推進。

漳州市地勢總體從西北向東南傾斜，九龍江穿城而過形成福建省最大的漳州平原。漳州市流動人口超過62萬(2015年)，產業以農業為主，工業主要分布于城市中心的西北天寶樞紐和東北藍田鎮附近，高速公路網和國省道路系統發達。

泉州市地勢呈西高東低，中東部為濱海平原，西部為中低山丘陵。山脈環抱狀，戴云山脈主干呈現出北東南西方向展，支脈和余脈向東南和南部延綿。泉州市的流動人口123萬(2015年)，其中主要流動人口集中于晉江市、南安市等GDP較為發達的地區。泉州市的鞋服產業、石材產業在全國名列前茅，其工業區在市區周圍零星分布。泉州高速路發展快,系統完整。

1.2 數據來源

大氣顆粒物的監測數據來源于研究區域內大氣環境監測的11個國控監測站點，數據收集了2011—2015年的日平均大氣顆粒物濃度。福建省于2013年陸續增加了對PM2.5的監測，站點監測起始時間不一，時間上缺乏連續性，無法定義大氣污染事件。研究區域內11個監測站點中PM10監測數據完備，時間上極少出現中斷，所以本研究將PM10質量濃度作為大氣顆粒物的指標。氣象觀測數據來自于研究區域內3個國家氣候基準站和基本站，包括廈門氣象站、漳州氣象站和崇武(泉州)氣象站。大氣環境監測站點和氣象站點見圖1。

1.3 研究方法

根據世界衛生組織發布的《空氣質量報告》，將PM10≥100μg/m3持續時間24h以上的大氣環境狀態定義為大氣污染事件。對收集的大氣顆粒物地面監測資料進行大氣污染事件篩選，通過篩選后的大氣污染事件發生頻次建立數據集和相應的時空數據集，分析大氣污染事件發生頻次及相應顆粒物濃度的時空特征。

應用Spearman秩相關方法分析閩三角城市群大氣污染事件發生時PM10質量濃度與氣象因子之間的關系。Spearman相關系數是在等級基礎上計算的、反映兩組變量之間聯系密切程度的統計指標[9]。

式中：ρ—Spearman相關系數；d—每一對樣本的等級之差；n—項數。

Spearman秩相關僅確定觀測序對單調增加或單調減少的關系，所以有相當好的穩健性[10]。Person相關系數是用來衡量定距變量之間的線形關系，但是其只適合描述線性相關關系。在氣象條件多變且對大氣顆粒物資料收集情況具有較高的要求，并不具有普遍適應性，并且在模型信息少、關系不明確的情況下，非參數分析方法能較好反映兩者的相關性[11]。

2 閩三角城市群大氣污染事件及其顆粒物的季節特征

將閩三角城市群的季節劃分標準統一為3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11為秋季，12—翌年2月為冬季，研究大氣污染事件及其顆粒物濃度的季節變化。

根據大氣污染事件的定義，以PM10為大氣顆粒物質量濃度的指標，篩選出2010—2015年閩三角城市群各大氣環境監測站點的大氣污染事件及其相對應的大氣顆粒物濃度，分析各站點和各城市大氣污染事件發生頻次及其大氣顆粒物濃度的季節特征。

2.1 閩三角城市群大氣污染事件的季節特征

在排除對照站點(廈門市溪東站和泉州市清源山站)后，對廈門市、漳州市和泉州市各個監測站點各個季節的大氣污染事件發生頻次進行統計，結果如圖2所示。漳州市的3個站點大氣污染事件發生頻次都是冬季較高，夏季最低；廈門市大氣污染事件發生頻次春季最高，夏季最低；泉州市大氣污染事件發生頻次也是春季最高，冬季次之，秋季最低。

閩三角城市群冬、春季節大氣污染事件發生頻次較高，可能與冬、春季節大氣溫度較低，大氣層結穩定，大氣顆粒物擴散條件較差，大量的大氣顆粒物長時間積聚形成污染事件有關。廈門市和泉州市春季污染事件發生頻次較高的可能原因還有，春節期間，大量流動人口返鄉，使得市區人數銳減，加上節后的返工潮、道路揚塵和工廠企業復工等導致了春季大氣污染發生頻次較高。

漳州市大氣污染事件發生頻次冬季大于春季的可能原因有，漳州市地形以平原為主，冬季更容易出現大霧天氣，風速較小，大氣層結相對穩定，不利于大氣顆粒物擴散；漳州市的流動人口相對較少，冬季本地污染源排放的增加極易導致大氣污染事件出現。夏季大氣污染事件發生頻次較少的可能原因有，夏季降水量增加，大氣顆粒物的濕沉降過程增強，導致夏季大氣污染事件較少發生。漳州市秋季秸稈燃燒，可能是漳州秋季大氣污染事件發生頻次增加的主要原因。

2.2 閩三角城市群大氣污染事件中大氣顆粒物的季節特征

2010—2015年閩三角城市群各大氣環境監測站點的大氣污染事件發生時相應大氣顆粒物濃度(PM10)的季節特征見表1。

表1 大氣污染事件中大氣顆粒物(PM10)濃度的季節特征 (μg/m3)

總體而言，閩三角城市群大氣污染事件中，PM10濃度的季節特征是：夏、秋季節PM10濃度低于春、冬季節，這一特征大體上與大氣污染事件發生頻次一致，即大氣污染事件發生頻率高的季節，PM10濃度也較高。廈門發生頻次和污染物濃度的情況相一致。漳州和泉州的冬春季頻次與濃度不一致。出現的高顆粒物濃度低發生頻次現象，表明大氣污染事件出現短歷時、高濃度爆發的跡象；低污染濃度高發生頻次的情況，說明污染事件相對長期但穩定。漳州的冬季大氣污染事件頻次高，PM10濃度較低。隨著冬季大氣穩定度的上升，不利于大氣顆粒物擴散，大氣顆粒物的不斷堆積導致污染事件發生；春季降水較多，大氣顆粒物污染頻次有所降低，但風向多變使城市內工業源大氣顆粒物增加。泉州市春季的大氣污染事件發生頻次較高，PM10濃度低；冬季頻次較低；PM10濃度卻較高。泉州市春季大氣顆粒物本地排放源相對增加，但污染強度較低，所以PM10濃度較低；冬季盛行東北風，東北風繞行后經過泉州的二類工業區，攜帶的高污染物在城區積累導致冬季PM10濃度較高。

總之，閩三角城市群大氣污染事件發生頻次及其相應大氣顆粒物濃度的季節特征為：春、冬季較高，夏、秋季較低。產生這種季節差異的可能原因有氣象條件、地形特征等自然地理條件和人口、交通和工業等社會經濟狀況。

3 閩三角城市群大氣污染事件及其顆粒物的空間特征

根據大氣污染事件的定義，篩選出2010—2015年閩三角城市群各大氣環境監測站點的大氣污染事件及其相對應的大氣顆粒物濃度(PM10)，進一步分析閩三角城市群大氣污染事件及其顆粒物的空間特征。

3.1 閩三角城市群大氣污染事件發生頻次的空間特征

總體而言，閩三角城市群大氣污染事件發生頻次為泉州最多，漳州次之，廈門最少。

這可能與三個城市的社會經濟特征、地理位置及地形特征等有關。廈門市位于濱海平原，PM10擴散條件好，且產業結構以文教、旅游等第三產業為主，污染物來源少，所以廈門大氣污染頻次最少。漳州市地勢均為西北高，東南低，東北部有中山和低山的阻擋，不利于大氣顆粒物的擴散。其污染源主要為生活和交通污染源，污染物排放強度不大。泉州地形與漳州相似，泉州經濟發達，產業以輕工業和鋼鐵工業為主，工業源污染物比重大，并且工廠分布集中于晉江，這是泉州市大氣污染事件發生頻次多的主要原因。

大氣污染事件發生頻次在3個城市的內部也存在較大的空間差異。閩三角城市群大氣污染事件發生頻次廈門市和泉州的清源山站點(本底站)較低；漳州市和泉州市其他站點發生頻次較高。

廈門市的大氣污染事件發生頻次為湖里中學站較少，鼓浪嶼和洪文較多。受流動人口的影響，湖里中學附近大多為居民區，而洪文站點附近為城市中心商業區，白天短時間內人口向城市中央商務區集聚，導致城市中央商務區的人口密度迅速上升。鼓浪嶼因其旅游業的發展，使其人流量短時間增大。因為人口快速流動集聚導致人口密度短時間內快速上升，超過城市生態環境自身對大氣的調節，所以呈現人口集聚顯著地區的污染事件頻次較大。

漳州市大氣污染事件發生頻次從西向東遞減。其原因有：一是漳州三中和藍田鎮站位于河漫灘入海口處，地勢低平，九湖站靠山，PM10擴散條件不如漳州三中和藍田鎮站；二是九湖站位于城市郊區，臨近工廠，容易發生大氣污染事件。

泉州市大氣污染事件發生頻次呈現南高北低的格局。在西北海拔較高山脈的阻隔下，大氣擴散能力降低，使PM10容易累積。泉州人口集中于山麓平原，人類活動造成的污染源排放增加。清源山站位于中低山，海拔相對較高，附近人口密度較小，使得清源山大氣污染事件發生頻次較低。

總之，就大氣污染事件發生頻次而言，泉州>漳州>廈門。3個城市內部空間差異也較大，漳州市大氣污染事件發生頻次從西向東遞減，泉州市大氣污染事件發生頻次呈現南高北低的格局，廈門市的大氣污染事件發生頻次為湖里中學站較少，鼓浪嶼和洪文較多。城市內部大氣污染事件發生的空間差異，主要與工、商業布局等社會經濟因素有關。

3.2 閩三角城市群大氣污染事件中大氣顆粒物濃度的空間特征

閩三角城市群大氣污染事件中PM10濃度空間特征如圖4。大氣污染事件中PM10濃度的總體特征是：泉州>漳州>廈門，這一特征大體上與大氣污染事件發生頻次的空間特征一致。

大氣污染事件中大氣顆粒物濃度在3個城市的內部也存在較大的空間差異，主要表現為：廈門地區總體為北高南低，即廈門島低，同安區和集美區略高。可能原因是廈門島地形平坦，海陸風有利于PM10的擴散。并且廈門島以科教文衛產業為主，而同安區和集美區主要為知識密集型和交通密集型產業，產業分布導致這個區域的大氣顆粒物來源較多。漳州市PM10濃度出現西高東低的情況，可能原因是漳州位于河漫灘平原，群山環繞。對于群山環繞的城市中心，西部濱海低地更加有利于PM10的遷移，所以出現西高東低的情況。泉州與漳州的地形相類似，基本呈現出西高東低的特征。產生這種特征的原因可能為：地形影響泉州大氣傳輸條件，越臨近海，擴散條件越好；泉州市區與晉江相鄰，晉江工業發達、人口集中，其污染物的排放也將對泉州的PM10濃度造成影響。

閩三角城市群發生頻次和PM10濃度空間分布基本一致，只有泉州清源山(本地站)出現了較大的差異，其可能原因為：清源山站位于海拔較高的地區，植被覆蓋率較高，并且遠離人口密度較高的城市。清源山(本地站)的PM10來源少，擴散條件較好，所以大氣污染事件的發生頻次較少。隨著旅游業的發展，清源山的交通路網的完善，基礎設施的建設，以及城市群體對優良生態環境的需求，高人流車流導致清源山地區污染事件發生時的PM10濃度較高、大氣污染的頻次與濃度不一致的情況。

總之，閩三角城市群大氣污染事件PM10濃度的空間分布總體上呈現出廈門、漳州、泉州依次增加，地形差異和人口分布情況對其空間分布為主要的影響。城市內部也存在一定差異：廈門地區大氣污染事件中PM10濃度總體為北高南低；漳州市PM10濃度呈現西高東低的情況；泉州市大氣污染事件PM10濃度為西高東低。城市內部大氣污染事件和PM10濃度的差異，受到地形、植被、人口、產業分布和城市布局的影響。

4 影響閩三角城市群大氣污染事件發生的主要氣象因素

Spearman秩相關系數是建立在等級基礎上的相關分析，計算能反映兩組隨機數據變量之間的關系密切程度。在大氣污染物與氣象條件關系復雜且動力因素不明朗的情況下，使用Spearman秩相關分析法能獲得較好的結果[12]。

依據最鄰近原則，選擇與廈門氣象站最鄰近的廈門鼓浪嶼站與廈門氣象站的數據形成數據對。廈門市大氣污染事件中PM10濃度與氣象因素的Spearman秩相關結果見表2。根據定義，廈門市秋季無大氣污染事件。

表2 廈門市大氣污染事件中PM10與氣象要素之間的Spearman秩相關系數

注：*顯著性P<0.05 ；**顯著性P<0.01 。下同。

夏季，廈門市大氣污染事件中PM10濃度與降水量呈現顯著的負相關。PM10濃度與降水量呈現為負相關關系，降水導致大氣顆粒物濕沉降，是大氣顆粒物濃度降低的重要原因。這與周彬和于彩霞等人的研究結果(隨著降水增加，PM10將減少)相一致[13-14]。夏季，廈門市大氣污染事件中PM10濃度與氣溫呈現極顯著的正相關。可能存在兩個原因：①廈門臨海，夏天受副高控制較為干旱，層結穩定，風速較小。在這個氣象條件下，地面揚塵增加，使得PM10濃度過高。②夏季暑期是廈門旅游的高峰季節，人口密度增加，人口增加導致生活污染和交通污染源增加，這也是PM10濃度高的原因。

依據上述的最鄰近原則，選擇九湖站和漳州市氣象站構成數據對。漳州市大氣污染事件中PM10濃度與氣象因素的Spearman秩相關結果見表3。PM10濃度與風速呈現正相關關系，這表明風速增大，漳州市大氣污染事件中PM10濃度增大。可以推斷，風從外地攜帶大氣顆粒物進入漳州市，是漳州市大氣污染事件發生的重要原因。其中漳州冬季的PM10濃度與降水量的負相關性顯著，需要強調的是，降水量較多的夏季，能夠定義的大氣污染事件較少，因此其他季節(夏春秋)漳州PM10濃度與降水量的負相關性都不顯著。總之，降水量增加，使得顆粒物濃度降低。但受風速的影響，大氣顆粒物濃度受外源排放的影響較大，外來高污染物的氣團使得PM10濃度增加。

泉州選擇與崇武氣象站最鄰近的萬安站建立數據對。泉州市大氣污染事件中PM10濃度與氣象因素的Spearman秩相關結果見表4。

表3 漳州市大氣污染事件中PM10與氣象要素之間的Spearman秩相關系數

表4 泉州市大氣污染事件中PM10與氣象要素之間的Spearman秩相關系數

泉州市大氣污染事件中PM10濃度與風向之間呈現正相關關系，其中春、夏季節的正相關系數均達到了極顯著的水平。夏秋季盛行東南季風，東南風帶來的外源排放的大氣污染物，使風向與PM10之間具有極為顯著的關聯性。同時這也是PM10污染頻次北部較低南部較高的原因。

泉州城市中春季降水和風向呈明顯正相關；夏季與風向呈明顯正相關；冬季與氣溫呈現明顯正相關；秋季氣象因素相關性不顯著，如表4所示。

泉州的春夏PM10濃度與風向有顯著的相關性，這主要與泉州城市的工業區分布有關：二類工業區零散分布于泉州市郊區，兩個三類工業區分布于泉州市區東北部。泉州城區東北部為清源山，部分東北風繞行后，以西北風進入泉州市區，帶來西北部重工業污染物，對泉州地區春冬大氣污染造成很大的影響。

總之，氣象因素是影響閩三角城市群大氣污染事件中顆粒物濃度的重要因素。比較而言，廈門市大氣污染事件中顆粒物濃度主要受到降水和氣溫的影響，其中，夏季PM10濃度與氣溫的相關性達到了極顯著水平，這與夏季廈門旅游人口劇增有關；漳州市大氣污染事件中顆粒物濃度受氣象因素的影響相對較小，僅冬季PM10濃度與降水量的相關性達到了顯著水平，因此，漳州市大氣污染事件及其顆粒物濃度的時空變化受本地排放源的影響較大；泉州市大氣污染事件中顆粒物濃度受風向和濕度的影響較大，在本地排放源穩定的情況下，風向變化攜帶的外來顆粒物伴隨大氣濕度增加，增大了大氣顆粒物的來源，減弱了大氣顆粒物的擴散條件，泉州受氣象因素的影響相對較大。

5 結論與討論

本研究基于2010—2015年閩三角城市群大氣環境監測數據，應用世界衛生組織的標準定義大氣污染事件，研究閩三角城市群發生大氣污染事件時，大氣顆粒物的時空特征及氣象條件對大氣顆粒物的影響。主要結論如下：

(1) 大氣污染事件及在此基礎上的PM10濃度的季節總體分布特征為：夏秋較低，春冬較高。這種季節變化主要與閩三角城市群中城市人口流動、氣象穩定性和污染源增減相關。

(2)大氣污染事件發生頻次和PM10空間分布總體呈現出泉州>漳州>廈門。城市內部也存在著空間差異，且發生頻次和PM10分布情況基本一致：廈門市大氣污染事件發生頻次的空間差異表現為北部較高南部較低；漳州市大氣污染事件發生頻次從西向東遞減；泉州市大氣污染事件發生頻次呈現南高北低的格局。城市內部大氣污染事件發生的空間差異、發生頻次主要與工、商業布局等社會經濟因素有關，PM10主要與地形、人口、植被、產業和城市布局結構相關。

(3)氣象因素是閩三角城市群大氣污染事件中顆粒物濃度的重要影響因素。影響廈門市PM10濃度的氣象因素主要為降水和氣溫；漳州市大氣污染事件中顆粒物濃度受氣象因素的影響相對較小，僅冬季污染事件中PM10濃度受降水量影響顯著；對泉州PM10濃度影響顯著的氣象因素是風向和濕度。

本研究數主要注重于大氣污染事件的時空分布情況和氣象因子在大氣污染事件的情況下對污染物濃度的影響程度，對氣象條件影響大氣顆粒物濃度的機制還是有待于進一步的分析。