重庆市主城区PM2.5时空变化特征研究

刘小飞

(重庆财经学院，重庆 401320)

0 引言

自全国爆发雾霾现象以来，PM2.5是最受政府和公众关注的因子之一。重庆市具有我国一带一路等战略地位，为此，研究重庆市主城区特别是在时间、空间上的变化特征有实际意义。

近年来国内对PM2.5研究较多集中在来源分析、分布特征、危害人类健康三个方面[1-5]；发现PM10中四成到八成左右为PM2.5[7，9]；PM2.5浓度的空间分布大部分呈现城市中心较高，郊区较低的现象[6，8，10]；季节变化表现为春季、冬季的浓度值较高，夏季、秋季的浓度值较低；月循环变化规律以及季节循环变化规律比较明显[11-15]；日浓度变化呈现“驼峰式”的规律。

1 技术路线

1.1 分析内容

包括两部分：长期趋势和中短期规律：

(1)长期趋势分析：采用2013-2018年重庆市主城区各区连续6年年均值变化说明整体时间趋势；利用Excel自带CORREL指数说明九区之间的关联性；VAR.P 函数计算基于整个样本总体的方差；CR变化率指数，计算连续序列的变化程度；ArcGIS污染重心转移分析，具体利用ArcGIS 10.2软件对主城区PM2.5在地理二维空间内近年来重心位移，揭示空间变化过程。重心计算模型为：

(1)

式中：Xk——k区重心X坐标值，Yk——k区重心Y坐标值，Aki——k区i污染因子的面积，Xki——k区i污染因子对应范围内X坐标的平均值；Y同理。本次研究PM2.5一个污染因子故i取1。鉴于重心坐标变化可以更好地说明重心的移动方向，在研究中，不同年际区域重心空间移动方向采用下述公式予以确定：

(2)

式中，θ表示重心年际移动的角度(-180°< θ<180°)，且规定正东方向为0°，逆时针旋转为正，顺时针旋转为负。假设d表示第i年重心移动的距离(相对于第j年)，则：

(3)

式中，(xi，yi)、(xj，yj)分别表示第i年和第j年的区域重心的经度值和纬度值；c为常数，取111.111，是把地球表面坐标单位(度)转化为平面距离(km)的系数；c×(xi-xj)、c×(yi-yj)分别表示重心经纬方向上移动的实际距离。

(2)中短期规律分析：利用Excel作连续数据分析周日均值、日小时变化的时间变化特征；利用Surfer软件分析“冬季平均”、“周中最大值出现”、“周末最大值”出现3个场景的时空变化特征，采用kriging插值法。

1.2 数据来源与预处理

数据来源于中国监测总站和重庆市监测站发布的实时小时值，应搜集37 536条，实际搜集35 927条，缺失数据1 609，为监测站点未发布数据所致，数据缺失率仅为4.5%。缺失数据按照同一时间段，距离最近的三个监测点的监测值取算数平均处理。日均值、月均值则采用对时间尺度上的小时值取算数平均值。

2 分析结果及评估

2.1 长期变化特征分析

①主城九区年均值逐年下降；②CORREL大于0.6，小于1，相关性好；VAR.P平均为0.23%，差异性较小，且逐渐变小，说明震荡幅度变小逐渐趋于平滑；说明PM2.5变化一致性好。③CR平均为-11.29%，下降速率优于全国平均水平。④年均值依然超标。趋势见图1。

图1 重庆主城区PM2.5年均值变化趋势图Fig.1 Trend of annual average PM2.5in the main urban area of Chongqing

表1 重庆市PM2.5长期变化趋势分析

近年重庆主城区PM2.5重心在江北区移动，整体呈“一路向北”特征，PM2.5历年年均值重心转移见图2所示。

2.2 中短期变化特征分析

(1)日均值、周日均值和日小时变化特征

主城区冬季17个站点，92天，1 564个日均值，大于75 μg/m3(国家二级标准值)样品数为315个，超标率20.14%。

图2 2013～2017年PM2.5历年年均值重心转移图Fig.2 Diagram of annual average PM2.5 center shift from 2013 to 2017

PM2.5一周整体变化趋势呈“U”字型，即周末高，周中低，浓度在50～65 μg/m3。冬季PM2.5周间日均值变化见图3。

PM2.5每天小时变化呈“W”字型，出现三个峰值，两个谷值。6∶00的浓度值最低，为52.46 μg/m3，21∶00的浓度值最高，为62.9 μg/m3，相差10.44 μg/m3。冬季PM2.5日间小时值变化见图4。

图3 冬季PM2.5周间日均值Fig.3 Weekly average PM2.5 in winter

图4 冬季PM2.5日间小时值Fig.4 Hourly average PM2.5 duringthe daytime in winter

(3)典型情景分析

三个典型情景：冬季(连续三个月)、周中(以周三为例)、周末(以周日为例)，分布见图5～7。色阶选取：颜色越浅，浓度值越高。结论：①不同情景下，PM2.5浓度呈“西北高、东南低”的特征；②三种情景区域空间分布特征趋同，说明重庆市主城区各区的环境空气质量区域稳态；③冬季浓度区间45～60 μg/m3，周三浓度区间45～55 μg/m3，周末浓度区间50～65 μg/m3；④符合中心区域高、郊区低的整体特征。

2.3 成因简析

重庆近年来，坚持“退二进三”、主推“蓝天行动”，使得重庆市主城区范围内主要大气污染排放的工况企业大量减少；此外，对餐饮、施工场地、交通控制等专项行动都有助于整体水平改善。冬季受北方冷空气影响，携带大量颗粒物入境，加之重庆冬季风速较低，造成冬季污染明显；此外，周变化明显受工作和生活特征影响，通常周末以及工作日头两天使用私家车频率较高；24小时以内的小时变化与其他城市情况类似，早晚两个上下班高峰期会逐步拉高污染水平且会延续3个小时左右。以上为成因需进一步结合污染物源解析、汽车排放核算、地表植被和粗糙度、气象数据等进行综合论证，也是进一步深入研究的思路。

图5 冬季PM2.5平均浓度分布图Fig.5 Distribution of average PM2.5concentration in Winter

图6 周三PM2.5小时平均浓度分布Fig.6 Distribution of hourly average PM2.5concentration on Wednesdays

图7 周末PM2.5小时平均浓度分布Fig.7 Distribution of hourly average PM2.5concentration on weekends

3 结论

时间上，PM2.5年均值逐年呈下降趋势，平均值水平和递减速率优于全国平均；主城各区变化趋势一致性较好；典型污染季集中在冬季，冬季11月-次年1月，PM2.5整体呈上升趋势。周循环变化特征呈“U”字型，周三到周五浓度较低，周六到周二浓度较高；日循环小时变化特征呈“W”字型，出现三个峰值，两个谷值。

空间上，呈“西北高、东南低”、“核心区高、郊区低”的整体特征，形成了一条东北-西南走向的分界线；为高浓度区域集中在主城区中心西部偏北地区，该地区属于重庆老城区中心两江交汇河谷地区逐渐向外拓展区域。2013～2018年重庆主城区PM2.5重心一直在江北区移动。