自貢市PM2.5濃度時空特征分析

王玲玲 何巍 朱玉璘

摘要：基于四川省自貢市2014—2018年逐日平均國控站點空氣質量監測數據，對自貢市PM2.5濃度時間和空間變化特征進行多尺度分析。結果表明，自貢市PM2.5濃度逐小時變化趨勢主要與人類活動規律及太陽照射時間有關;逐日PM2.5的濃度達到國家空氣質量標準天數比率為73.5%，其中一級標準的天數比率為27.5%;PM2.5濃度大值期主要在1、2和12月;且呈春秋冬季高、夏季低的分布特征，冬季超標天數占比高達69.02%;PM2.5濃度空間分布特征不僅受監測點位及地形、氣候、城市結構等的影響，還與風向及周圍其他城市污染源的貢獻密切相關，整體表現為工業生產總值高、交通運輸頻繁、人口較為密集的大安區、高新區和貢井區PM2.5濃度水平較高。

關鍵詞：監測數據;PM2.5濃度;時空特征;自貢市

中圖分類號：X513;X831 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）06-0068-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.06.013 ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis on the spatial-temporal feature of PM2.5 concentration in Zigong city

WANG Ling-ling1，2，HE Wei1，ZHU Yu-lin1，LUO Wei1，HUANG De-gang1，DUAN Xiu-rong1

（1.Zigong Meteorological Bureau，Zigong 643000，Sichuan，China;2.Heavy Rain and Drought-Flood Disasters in Plateau and Basin Key Laboratory of Sichuan Province，Chengdu 610000，China）

Abstract： Based on the daily average air quality monitoring data of national control stations in Zigong area from 2014 to 2018， the temporal and spatial variations of PM2.5 concentration in Zigong city were analyzed by using multi-scale data. The results showed that the hourly variation trend of PM2.5 concentration in Zigong area was mainly related to human activities and solar irradiation time; The ratio of days of PM2.5 concentration per day reaching the first-class national air quality standard was 27.5%， and the ratio of days reaching the second-class standard was 73.5%; The period of high PM2.5 concentration was mainly in January， February and December; And it had the distribution characteristics of high in spring， autumn， winter and low in summer， and the proportion of days exceeding the standard in winter was as high as 69.02%. The spatial distribution characteristics of PM2.5 concentration were not only affected by the location of monitoring sites， topography， climate and urban structure， but also closely related to the contribution of wind direction and other pollution sources in surrounding cities. Overall， PM2.5 concentration levels were higher in Da'an， Gaoxin and Gongjing district with high industrial output， frequent transportation and dense population.

Key words： monitoring data; PM2.5 concentration; spatial-temporal feature; Zigong city

自貢市是一座老工業城市，隨著工業發展、能源消耗、機動車和人口數量日益增加，加之氣候和地理等自然條件限制，給大氣環境質量帶來了重大壓力[1-3]，近年PM2.5首要空氣污染物濃度增幅多位于全省前列，并且污染源復雜[4，5]。中央第五環境保護督察組向四川省反饋督察意見中明確指出自貢市2016年未完成PM10、PM2.5優良天數考核目標，2017年上半年二氧化硫、二氧化氮平均濃度分別同比上升32.5%、20.8%，增幅居全省前列。自貢市地處四川盆地東南部，東亞季風環流控制范圍，為亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，雖然雨量充沛，但年內分配不均勻。西北部為低山集中分布區，地勢較高，東南部地勢低，地形地貌以低山丘陵為主，呈條帶狀分布在西北和東南，溝谷縱橫交錯在丘間。故研究自貢市環境空氣中細顆粒物PM2.5的污染特征規律等迫在眉睫，并結合地形、氣候和發展貢獻等多方面因素定性分析自貢市的大氣PM2.5濃度時空分布特征及其大氣污染物來源及擴散的成因，對掌握自貢市及周邊城市環境空氣質量狀況、大氣污染防治、評估和應對提供一定的科學指導。

1 ?數據與方法

獲取自貢市4個國控站點2014—2018年PM2.5逐小時和日均值數據，站點位置分別為代表近郊地區的大塘山站、居住區的春華路站、商業交通居民混合的青杠林路站和文化區的檀木林站。

2 ?自貢市PM2.5濃度時空特征

2.1 ?PM2.5濃度時間變化特征

在污染源一定的情況下，PM2.5濃度取決于研究區氣象條件等外在因素[6]，且各類型站點的濃度存在一定差異并且隨時間變化而變化，本研究選擇逐小時、日、月、季時間尺度進行PM2.5濃度時間變化特征分析。

2.1.1 ?PM2.5濃度日變化

1）逐日PM2.5濃度變化。2017—2018年4個國控站點監測自貢市PM2.5的濃度日均值達到國家空氣質量標準（GB3095-2012）中規定的二級及以上的標準天數的比率為73.5%，其中一級標準天數的比率為27.5%，超標天數比率為26.5%。由圖1可知，2017年1月28日和12月27日的PM2.5的濃度日均峰值分別為206.75和202.25 μg/m3，2018年1月12日和2月16日PM2.5的濃度日均峰值分別為202.00和202.75 μg/m3，大氣環境污染嚴重。

2）PM2.5濃度逐小時變化。受氣象條件和人類活動的影響，大氣污染物在一天中各時次的濃度存在一定的變化，若沒有明顯天氣過程影響，污染物濃度的日變化有一定的規律[7]。本研究選取自貢市2018年冬季（2018年12月至2019年2月）每日逐小時PM2.5濃度均值分析日變化特征，如圖2所示。PM2.5濃度日變化曲線較平滑，由于自貢市冬季天氣形式較穩定，氣象條件變化較慢，PM2.5濃度增長高峰分別出現在8：00—12：00和18：00—22：00，這主要與人類活動規律及太陽照射時間有關。有研究表明，汽車尾氣與大氣光化學反應活躍[8]，8：00開始，正遇出行高峰期，人類和機動車等活動頻繁，PM2.5濃度開始迅速上升;下午地面溫度上升，受熱力對流影響，空氣的擴散能力較強，PM2.5濃度降低;18：00以后又逢下班高峰期，產生大量可吸入顆粒，且地面開始降溫大氣產生逆溫層，不利于污染物擴散，導致PM2.5顆粒越積越多[9]。

2.1.2 ?PM2.5濃度月變化 ?自貢市4個國控站點2014年1月至2018年12月PM2.5濃度月均值基本呈“V”型分布趨勢，由圖3可以看出，PM2.5濃度大值期主要在1、2和12月，其中，最大出現在高新區春華路站，為128.83 μg/m3;5月4個國控站點均有小幅度上升趨勢，但總體呈下降趨勢至6—7月，最小PM2.5的濃度出現在自流井文化區檀木林站，僅為25.03 μg/m3，而后呈波動性上升狀態。

2.1.3 ?PM2.5濃度季節變化 ?本研究按照氣候學分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月至次年2月）分別獲取2014—2018年自貢市PM2.5濃度季均值。由圖4可知，自貢市PM2.5濃度季均值趨勢呈“√”形分布，4個國控站點冬季均超過國家二級標準，春夏秋季PM2.5濃度基本為二級標準范圍內，其中，夏季PM2.5濃度最低，貢井生活區青杠林路站和自流井文化區檀木林站為國家空氣質量一級范圍內。

由表1可知，2014—2018年自貢市PM2.5濃度呈春秋冬季高、夏季低的分布特征，其中，冬季的PM2.5濃度最高，達標天數占比為30.98%，其中達到國家空氣質量一級標準的天數占比僅有5.68%，超標天數占比高達69.02%;而后依次為春季和秋季，達標天數占比分別為71.78%和72.68%，其中達一級標準的天數占比分別為16.12%和27.83%，超標天數占比分別為28.22%和27.32%。

自貢市為亞熱帶濕潤季風氣候，冬、春季盛行西風氣流，降雨較少[10]，太陽輻射弱，易出現逆溫，從而影響PM2.5擴散，使得自貢市冬春季PM2.5濃度始終處于較高水平;夏季孟加拉灣和南海帶來暖濕氣流，降雨量增大，加之自貢市城區植被覆蓋率較高，夏季午后地面太陽輻射強烈，地表或近地面溫度較高時，地表蒸發量較大，空氣中的水汽量也會增大，加上西高東低的地勢抬升作用，夏季午后易產生局地熱對流天氣[4，11]，使得大氣水平輸送和垂直擴散運動增強，對PM2.5的沖刷及濕沉降作用明顯，故夏季PM2.5濃度全年最低。

2.2 ?PM2.5濃度空間特征

監測站點分別代表近郊地區、居住區、商業交通居民混合區和文化區，同一時間PM2.5濃度卻又不同。因此，利用ArcGIS進行空間插值，分別獲取自貢市各個站點季節和逐月空間分布特征。

基于ArcGIS徑向基函數（RBF，Radial basis function）的三角網格補洞方法進行空間插值，從多年季節PM2.5平均濃度（圖5）來看，自貢市多年PM2.5濃度四季分布呈春秋冬季高，夏季低的季節分布特征，其中冬季最為嚴重，PM2.5濃度高達110.3 μg/m3，且高濃度覆蓋區域面積最大，雖然各站點間的PM2.5濃度存在一定差異，但其濃度整體水平處于相對較穩定的高濃度狀態。四季均表現出大安近郊區大塘山站和高新區的春華路站PM2.5濃度高于青杠林路站、檀木林站，而自流井文化區檀木林站的污染濃度多呈低濃度水平分布，而植被覆蓋條件較好、具有一定自凈能力的自流井區PM2.5濃度水平均低于工業生產總值較高、交通運輸頻繁、人口較為密集的大安區、高新區和貢井區。

從月均值（圖6）可知，自貢市2014—2018年1月PM2.5濃度全年最高，污染最嚴重，到了每年5—10月，自貢市降雨量較大[12]，對空氣凈化作用明顯，大范圍PM2.5濃度較低;10月開始PM2.5濃度開始升高，這與時間變化特征結果一致。且大塘山站和高新區的春華路站PM2.5濃度多高于青杠林路站、檀木林站，僅有11月青杠林路站PM2.5濃度高于其余3個監測站，11月多受地面冷空氣影響[13]，降水增多、風速較大，對空氣中的顆粒物擴散作用明顯，而青杠林路站點位于商業交通居民混合區，人為活動頻繁，故該站點污染較為嚴重。

各個站點污染濃度分布不僅與監測點位及地形特點、氣候條件、城市結構等的影響有關，還與風向及周圍其他城市污染源的貢獻密切相關[14]，自貢市常年盛行東北和西南風，總體地勢由西北向東南呈階梯狀逐漸降低，水平方向污染物的擴散受到山脈的阻擋，當不利的氣象擴散條件出現時，空氣中的污染物無法得到及時的擴散[4]，近郊大安區大塘山站和高新春華路站主要受到上風向威遠縣等工業生產大氣污染源由西北向東南的分布趨勢近距離傳輸影響[15]，連續堆積后導致PM2.5濃度處于較高水平。

3 ?小結

1）自貢市PM2.5濃度逐小時變化趨勢主要與人類活動規律及太陽照射時間有關;逐日PM2.5濃度達國家空氣質量標準天數比率為73.5%，其中一級標準的天數比率為27.5%;月尺度PM2.5濃度大值期主要在1、2和12月，6、7月濃度最低;且濃度呈春秋冬季高、夏季低的分布特征，冬季超標天數占比高達69.02%。

2）PM2.5濃度空間分布特征不僅與監測點位及地形特點、氣候條件等有關，還與風向及周圍其他污染源的貢獻密切相關，整體表現為植被覆蓋條件較好、具有一定自凈能力的自流井文化區PM2.5濃度水平均低于工業生產總值較高、交通運輸頻繁、人口較為密集的大安區、高新區和貢井區。

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