重慶市主城區PM2.5時空變化特征研究

劉小飛

(重慶財經學院，重慶 401320)

0 引言

自全國爆發霧霾現象以來，PM2.5是最受政府和公眾關注的因子之一。重慶市具有我國一帶一路等戰略地位，為此，研究重慶市主城區特別是在時間、空間上的變化特征有實際意義。

近年來國內對PM2.5研究較多集中在來源分析、分布特征、危害人類健康三個方面[1-5]；發現PM10中四成到八成左右為PM2.5[7，9]；PM2.5濃度的空間分布大部分呈現城市中心較高，郊區較低的現象[6，8，10]；季節變化表現為春季、冬季的濃度值較高，夏季、秋季的濃度值較低；月循環變化規律以及季節循環變化規律比較明顯[11-15]；日濃度變化呈現“駝峰式”的規律。

1 技術路線

1.1 分析內容

包括兩部分：長期趨勢和中短期規律：

(1)長期趨勢分析：采用2013-2018年重慶市主城區各區連續6年年均值變化說明整體時間趨勢；利用Excel自帶CORREL指數說明九區之間的關聯性；VAR.P 函數計算基于整個樣本總體的方差；CR變化率指數，計算連續序列的變化程度；ArcGIS污染重心轉移分析，具體利用ArcGIS 10.2軟件對主城區PM2.5在地理二維空間內近年來重心位移，揭示空間變化過程。重心計算模型為：

(1)

式中：Xk——k區重心X坐標值，Yk——k區重心Y坐標值，Aki——k區i污染因子的面積，Xki——k區i污染因子對應范圍內X坐標的平均值；Y同理。本次研究PM2.5一個污染因子故i取1。鑒于重心坐標變化可以更好地說明重心的移動方向，在研究中，不同年際區域重心空間移動方向采用下述公式予以確定：

(2)

式中，θ表示重心年際移動的角度(-180°< θ<180°)，且規定正東方向為0°，逆時針旋轉為正，順時針旋轉為負。假設d表示第i年重心移動的距離(相對于第j年)，則：

(3)

式中，(xi，yi)、(xj，yj)分別表示第i年和第j年的區域重心的經度值和緯度值；c為常數，取111.111，是把地球表面坐標單位(度)轉化為平面距離(km)的系數；c×(xi-xj)、c×(yi-yj)分別表示重心經緯方向上移動的實際距離。

(2)中短期規律分析：利用Excel作連續數據分析周日均值、日小時變化的時間變化特征；利用Surfer軟件分析“冬季平均”、“周中最大值出現”、“周末最大值”出現3個場景的時空變化特征，采用kriging插值法。

1.2 數據來源與預處理

數據來源于中國監測總站和重慶市監測站發布的實時小時值，應搜集37 536條，實際搜集35 927條，缺失數據1 609，為監測站點未發布數據所致，數據缺失率僅為4.5%。缺失數據按照同一時間段，距離最近的三個監測點的監測值取算數平均處理。日均值、月均值則采用對時間尺度上的小時值取算數平均值。

2 分析結果及評估

2.1 長期變化特征分析

①主城九區年均值逐年下降；②CORREL大于0.6，小于1，相關性好；VAR.P平均為0.23%，差異性較小，且逐漸變小，說明震蕩幅度變小逐漸趨于平滑；說明PM2.5變化一致性好。③CR平均為-11.29%，下降速率優于全國平均水平。④年均值依然超標。趨勢見圖1。

圖1 重慶主城區PM2.5年均值變化趨勢圖Fig.1 Trend of annual average PM2.5in the main urban area of Chongqing

表1 重慶市PM2.5長期變化趨勢分析

近年重慶主城區PM2.5重心在江北區移動，整體呈“一路向北”特征，PM2.5歷年年均值重心轉移見圖2所示。

2.2 中短期變化特征分析

(1)日均值、周日均值和日小時變化特征

主城區冬季17個站點，92天，1 564個日均值，大于75 μg/m3(國家二級標準值)樣品數為315個，超標率20.14%。

圖2 2013～2017年PM2.5歷年年均值重心轉移圖Fig.2 Diagram of annual average PM2.5 center shift from 2013 to 2017

PM2.5一周整體變化趨勢呈“U”字型，即周末高，周中低，濃度在50～65 μg/m3。冬季PM2.5周間日均值變化見圖3。

PM2.5每天小時變化呈“W”字型，出現三個峰值，兩個谷值。6∶00的濃度值最低，為52.46 μg/m3，21∶00的濃度值最高，為62.9 μg/m3，相差10.44 μg/m3。冬季PM2.5日間小時值變化見圖4。

圖3 冬季PM2.5周間日均值Fig.3 Weekly average PM2.5 in winter

圖4 冬季PM2.5日間小時值Fig.4 Hourly average PM2.5 duringthe daytime in winter

(3)典型情景分析

三個典型情景：冬季(連續三個月)、周中(以周三為例)、周末(以周日為例)，分布見圖5～7。色階選取：顏色越淺，濃度值越高。結論：①不同情景下，PM2.5濃度呈“西北高、東南低”的特征；②三種情景區域空間分布特征趨同，說明重慶市主城區各區的環境空氣質量區域穩態；③冬季濃度區間45～60 μg/m3，周三濃度區間45～55 μg/m3，周末濃度區間50～65 μg/m3；④符合中心區域高、郊區低的整體特征。

2.3 成因簡析

重慶近年來，堅持“退二進三”、主推“藍天行動”，使得重慶市主城區范圍內主要大氣污染排放的工況企業大量減少；此外，對餐飲、施工場地、交通控制等專項行動都有助于整體水平改善。冬季受北方冷空氣影響，攜帶大量顆粒物入境，加之重慶冬季風速較低，造成冬季污染明顯；此外，周變化明顯受工作和生活特征影響，通常周末以及工作日頭兩天使用私家車頻率較高；24小時以內的小時變化與其他城市情況類似，早晚兩個上下班高峰期會逐步拉高污染水平且會延續3個小時左右。以上為成因需進一步結合污染物源解析、汽車排放核算、地表植被和粗糙度、氣象數據等進行綜合論證，也是進一步深入研究的思路。

圖5 冬季PM2.5平均濃度分布圖Fig.5 Distribution of average PM2.5concentration in Winter

圖6 周三PM2.5小時平均濃度分布Fig.6 Distribution of hourly average PM2.5concentration on Wednesdays

圖7 周末PM2.5小時平均濃度分布Fig.7 Distribution of hourly average PM2.5concentration on weekends

3 結論

時間上，PM2.5年均值逐年呈下降趨勢，平均值水平和遞減速率優于全國平均；主城各區變化趨勢一致性較好；典型污染季集中在冬季，冬季11月-次年1月，PM2.5整體呈上升趨勢。周循環變化特征呈“U”字型，周三到周五濃度較低，周六到周二濃度較高；日循環小時變化特征呈“W”字型，出現三個峰值，兩個谷值。

空間上，呈“西北高、東南低”、“核心區高、郊區低”的整體特征，形成了一條東北-西南走向的分界線；為高濃度區域集中在主城區中心西部偏北地區，該地區屬于重慶老城區中心兩江交匯河谷地區逐漸向外拓展區域。2013～2018年重慶主城區PM2.5重心一直在江北區移動。