武漢的PM2.5
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作者：鄭曉蒙
武漢是湖北省會，地處江漢平原東部，是重要工業(yè)城市和區(qū)域交通樞紐。2012年城市建成區(qū)面積506 km2，城區(qū)人口622.7萬，汽車保有量突破122萬量。PM2.5源解析結(jié)果顯示工業(yè)排放和機動車尾氣是武漢PM2.5最主要來源。本研究采用武漢2013年P(guān)M2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計方法和GIS空間分析技術(shù)分析武漢PM2.5時間變化特征和空間分布特征。
1數(shù)據(jù)及方法
1.1 PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)
武漢市現(xiàn)有10個空氣質(zhì)量國家控制監(jiān)測點，監(jiān)測點空間分布如圖l所示，其中沉湖七壕為清潔對照點，距離主城區(qū)約50 km。本研究從武漢市環(huán)境空氣質(zhì)量實時發(fā)布系統(tǒng)(http：//ft.whepb.gov.cn：8090/Default.aspx)獲取武漢市2013-01-01至2013-12-31全年10個PM2.5監(jiān)測點實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。
1.2 時空特征分析方法
時間變化特征采用對照統(tǒng)計分析，將10個監(jiān)測點分為2組：對照點（沉湖七壕）和城區(qū)（其余9個點）。首先計算各監(jiān)測點日均值、月均值、季度均值和年均值，在此基礎(chǔ)上分析PM2.5季節(jié)變化規(guī)律（月度變化規(guī)律）；然后統(tǒng)計各監(jiān)測點不同日期同一時間PM2.5實時監(jiān)測值（小時均值）的平均值，分析日變化規(guī)律。
空間變異一方面體現(xiàn)在相同時間不同地點污染物濃度的不同（空間分布差異），另一方面體現(xiàn)在同一時間序列不同地點污染物濃度變化差異的不同（空間變化差異）�？紤]到對照點離城區(qū)太遠，在空間特征分析時，只利用城區(qū)9個監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析城區(qū)PM2.5濃度空間變異。統(tǒng)計相同時間段（年度和季度）不同監(jiān)測點PM2.5濃度均值，以此分析空間分布差異；統(tǒng)計同一時間序列（全年和夏、冬兩季）兩兩監(jiān)測點間PM2.5日均值濃度的相關(guān)性并分析與空間距離的關(guān)系，以此來分析空間變化差異。值得說明的是，雖然單獨分析時空特征，但時空變化是相互影響相互滲透的，如時間特征分析中的城鄉(xiāng)對比也是空間分布差異的反映。
2結(jié)果與討論
2.1時間變化特征
2 .1.1季節(jié)變化
按照春季（3-5月），夏季（6-8月），秋季（9-11月），冬季（12 -2月）分別統(tǒng)計城區(qū)和對照點PM2.5濃度季度均值和年均值，結(jié)果如表1所示。
由表l知，2013年武漢城區(qū)PM2.5年均值89.0ug/m3，比對照點(75.2ug/m3)高18.4%，比全國年均值(72.0ug/m3)高23.6%，遠遠超過了WHO最低要求的目標準則值(年均值35uLg/m3)。對照點年均濃度也有75.2 ug/m3，這反映武漢PM2.5背景濃度較高。季節(jié)變化上，夏季PM2.5濃度最低，冬季最高，這與氣候氣象密切有關(guān)。受溫帶季風氣候影響，武漢夏季濕潤多風，冬季干燥少雨，降水和風對PM2.5分別產(chǎn)生沉降和擴散作用，有效降低PMzs濃度；此外，夏季高溫，大氣邊界層高度較冬季高，相同質(zhì)量PM2.5可活動體積增大，所以夏季PM2.5質(zhì)量濃度偏低。城鄉(xiāng)差異上，冬季差值最大，夏季差值最小，這反映夏季PM2.5濃度城鄉(xiāng)空間分布差異更小，而冬季城鄉(xiāng)空間分布絕對差異更大。從城區(qū)比對照點高出百分比來看，春季相對差異最大。
月度變化是季節(jié)變化更細致的反映，由城區(qū)和對照點PM2.5日均值濃度得到其月變化如圖2所示，圖中誤差線是城區(qū)9個監(jiān)測點各月PM2.5日均值的l倍正負標準差。
就全年來看，1月份城區(qū)PM2.5濃度最高(196.0ug/m3)；7月份最低（29.0 ug/m3），最高月濃度是最低月濃度6.8倍。從1月至7月，PM2.5濃度逐月下降；從7月至12月，濃度逐漸升高。10月份PM2.5陡升，主要原因是天氣異常干燥（9 -11月份平均相對濕度分別為83.1%，75.6%和80.9%）。從日均值標準差來看，冬季各監(jiān)測點日均值波動較大，夏季波動較小。城鄉(xiāng)差異上，6 -10月PM2.5濃度差值較小，11-5月差值較大；其中11月份差值最大，10月份差值最小。
2 .1.2日變化
依次計算城區(qū)9個監(jiān)測點和對照點每一天同一小時PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值，得到城區(qū)和對照點PM2.5濃度日變化曲線圖（圖3）。
從城鄉(xiāng)對比來看，城區(qū)和對照點PM2.5濃度日變化規(guī)律高度一致且污染程度差異明顯。城鄉(xiāng)差異上，上午9:00-12:00差異最大(16.5 ug/m3)，下午16:00-18:00差異最小（8.8 ug/m3），這反映出上午PM2.5濃度空間差異大于下午。
日變化趨勢呈明顯的雙峰特征，日出后，PM2.5濃度逐漸上升，至上午9:00達到日間峰值；接著，PM2.5濃度逐漸下降，至下午16：00達到一天中最低；此后，PM2.5濃度再次回升，至夜間22:00達到夜間峰值；再后，PM2.5濃度有所降低但基本穩(wěn)定在較高水平。
整體上，夜間濃度高于日間濃度且變化幅度小于日間。這是因為白天氣溫迅速回升，局部溫差增大，空氣擴散條件有利，濃度水平相對較低；而夜間地表溫度降低且產(chǎn)生逆溫，污染物被壓縮，不利于擴散，污染更加嚴重。
Matthew Russell等指出美國德州東南部PM2.5濃度一天中在上午7:00達到最大值，日變化幅度很��；不同研究發(fā)現(xiàn)北京市2004和2014年P(guān)M2.5濃度日變化規(guī)律有所不同。這說明PM2.5濃度日變化規(guī)律存在明顯的地區(qū)差異和時間差異，即使同一城市不同季節(jié)其日變化規(guī)律也會有不同。
2.2空間分布特征
2.2.1空間分布差異
武漢城區(qū)9個監(jiān)測點PM2.5季度均值和年均值如表2所示。
各監(jiān)測點2013年P(guān)M2.5年均值濃度空間分布如圖4所示。
整體上，武漢北部監(jiān)測點PM2.5濃度高于南部監(jiān)測點。從表2、圖4可以看出，青山鋼花、吳家山、漢口花橋為污染最嚴重區(qū)域；青山鋼花是武漢重工業(yè)集中區(qū)，吳家山和漢口花橋為人口集中區(qū)；前者主要是由于工業(yè)排放而后者主要受汽車尾氣和空氣擴散條件差等影響所致。沌口新區(qū)是武漢市新興工業(yè)集中地，PM2.5污染嚴重，但由于距離主城區(qū)較遠，人口較少，污染程度相對青山工業(yè)區(qū)輕微。武昌紫陽位于商住區(qū)，人口密集，污染相對嚴重。漢口江灘位于公園且瀕臨長江，空氣擴散條件優(yōu)良，污染相對輕微。漢陽月湖和東湖梨園為污染較輕區(qū)域，這兩處都是城市綠地且臨近水域，區(qū)域空氣質(zhì)量較好。東湖高新區(qū)是高新技術(shù)集中區(qū)，排污較少，距離主城區(qū)較遠，PM2.5濃度較低。
2.2.2空間變化差異
利用SPSS雙變量相關(guān)分析功能，計算武漢城區(qū)9個監(jiān)測點間PM2.5日均值濃度相關(guān)性系數(shù)如表3，其中包括3個時間序列，分別為全年，夏季（6-8月）和冬季（12-2月）。
結(jié)果顯示，各監(jiān)測點間PM2.5日均值濃度相關(guān)系數(shù)R2很高(全年0.78—0.97，夏季0.38—0.92，冬季0.78—0.97)，這表明城市內(nèi)部監(jiān)測點間PM2.5濃度變化一致性很高，但這并不表示PM2.5濃度空間異質(zhì)性很弱，因為可能是同升同降。此外，冬季監(jiān)測點間相關(guān)系數(shù)普遍高于夏季，說明冬季PM2.5濃度變化一致性高于夏季，這也說明城市內(nèi)部冬季PM2.5污染空間異質(zhì)性弱于夏季，盡管冬季污染程度明顯比夏季嚴重；這是因為冬季氣象條件穩(wěn)定，不利于城市內(nèi)部污染物擴散，而夏季局部空氣擴散條件差異明顯，導致城市內(nèi)部污染異質(zhì)性更強。
空間距離是影響監(jiān)測點間日均值濃度變化差異的重要因素，將監(jiān)測點間日均值濃度相關(guān)系數(shù)與空間距離做相關(guān)分析，散點圖如圖5（全年）。
監(jiān)測點間PM2.5日均值濃度變化的一致性與監(jiān)測點的空間距離之間相關(guān)性較弱（R2全年=0.20，R2夏季=0.39，R2冬季=0.20）。江灘和花橋監(jiān)測點（實線框內(nèi)點）雖然空間距離只有3.3 km(所有監(jiān)測點間距離最近)，但日均值濃度變化差異相對較大(R2_0.87)；江灘監(jiān)測點位于漢口江灘公園，綠化率高且因臨近長江空氣流通性好；花橋監(jiān)測點位于漢口人口集中區(qū)，機動車尾氣排放多且空氣流通性差。沌口新區(qū)和青山鋼花監(jiān)測點（虛線框內(nèi)點）雖然空間距離較遠(25.3 km)但日均值變化情況高度一致（R-0.92），兩處均為工業(yè)集中區(qū)，污染物主要來自本地。這說明2個監(jiān)測點之間PM2.5日均值濃度的相關(guān)性不僅與距離有關(guān)，更重要的是受監(jiān)測點周邊區(qū)域環(huán)境的影響，包括區(qū)域工業(yè)和汽車尾氣排放、土地利用、人口密度等。
3結(jié)論
2013年武漢城區(qū)PM2.5濃度年均值89.0 ug/m3，清潔對照點年均值75.2ug/m3，城區(qū)比對照點高18.4%。
夏季PM2.5污染輕微，冬季污染最嚴重；1月份城區(qū)PM2.5濃度最高(196.0 ug/m3)，7月份最低(29.0ug/m3)，由于天氣干燥的原因10月份PM2_5污染嚴重。一天中，PM2.5濃度上午9:00最高，下午16:00最低；夜間濃度高于日間濃度且夜間變化幅度更小。
武漢城區(qū)內(nèi)部PM2.5污染空間差異明顯，工業(yè)區(qū)和人口集中區(qū)表現(xiàn)為區(qū)域污染高值中心，城市綠地或公園以及大型水域周邊表現(xiàn)為低值中心。PM2.5濃度的空間分布不僅受空間距離影響，監(jiān)測點周邊環(huán)境發(fā)揮更重要作用；夏季PM2.5濃度空間分布相對差異高于冬季。4摘要：
獲取武漢市2013年全年10個監(jiān)測點PM2.5測數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計方法和GIS空間分析方法分析其時間變化特征干Ⅱ空間分布特征。2013年武漢市城區(qū)PM2.5年均值為89.0 u,g/m。，清潔對照點年均值75.2 ug/m3。月變化上，1-7月，濃度逐月下降至7月份達到最低；7-12月，濃度整體上升，10月份濃度上升明顯以至11月份有明顯回落。日變化上，上午9：00為日間濃度峰值-下午16：00達到低谷；夜間濃度高于日間濃度且夜間變化幅度較小。城區(qū)內(nèi)部污染差異明顯，夏季PM2:.濃度空間異質(zhì)性相對冬季更強；工業(yè)區(qū)和人口集中區(qū)污染最嚴重，城市綠地和公園局部污染相對較輕；污染程度變化的一致性不僅與距離有關(guān)，受周邊環(huán)境影響更明顯。
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