莆田市空气污染物时空特征分析

蒋 健

(莆田市环境宣教中心，福建 莆田 351100)

0 引言

随着工业化、城镇化进程的不断加快，空气污染成为我国亟待解决的一大环境问题[1]。颗粒物(PM)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、氮氧化合物(NOx)和挥发性有机化合物(VOCs)等是主要的空气污染物[2]，它们不仅会使空气质量恶化、能见度降低，引发安全问题，还对人类的身体健康产生巨大的威胁。研究表明，空气污染是呼吸系统、神经系统、心脑血管等疾病的重要诱因之一[3]。不仅如此，空气污染还严重破坏生态环境，大大制约社会和经济的可持续发展[4]。因此，很有必要开展针对空气污染物排放规律的研究。

近几十年，我国一直致力于空气质量的监测与防治[5]，1982年首次发布了《环境空气质量标准》，并在1996年和2000年对该标准进行了两次修订。随着空气污染不断加剧，为了更好地评价当前的污染状况，2012年对该标准再次修订[6]。同时，全国空气质量监测站的建设也在不断完善中，相关研究也越来越多。许多学者或分析污染物的时空变化规律[7-9]，或对污染物进行源解析[10]， 或从区域传输[11]、气象[12]、 交通[13]、工业[14]等对空气污染的影响进行广泛的研究。如Liu等研究了气象对加拿大安大略省南部细颗粒物(PM2.5)季节变化的影响[15]；史海琪等从日变化及月变化尺度分析了四川盆地3个区域6种污染物的时空分布特征[16]；盛涛等探讨了上海3种交通环境空气污染物的昼夜分布特征以及工作日、非工作日对交通环境空气质量的影响[17]。这些研究从不同时空尺度揭示了空气污染物的变化规律以及影响机制，对制定空气污染防治策略具有重要的参考意义。

莆田市空气质量较好，环境污染问题总体上不算严重[18]。但与国际标准还存在一定差距，相关研究也较少[19-20]。本文基于莆田市环境监测中心站发布的空气污染物质量浓度监测数据，选取2019年3月1日—2020年2月29日莆田市四区一县NO2、O3和PM2.5这3种空气污染物为研究对象，利用ArcGIS对监测站数据进行空间插值，对各污染物质量浓度空间变化特征进行分析，并从季、月尺度分析各污染物的时间变化规律，从而揭示莆田市3种空气污染物的时空变化特征，对制定莆田市空气污染防治策略具有一定的理论及现实意义。

1 研究方法

1.1 研究区概况

莆田市地处北纬25°2′—25°46′，东经118°27′—119°2′，位于福建沿海中部，北连福州市，南接泉州市，东西向背山面海。地势西北高、东南低，西北部多为中低山，中部为低山与丘陵，东南部为沿海低丘陵带和岛屿。现辖一县四区两个管委会，总面积4 200 km2，2019年底常住人口291万人。莆田日照充足，年均日照时数约1 995.9 h，气候温暖多雨，属典型的亚热带海洋性季风气候，冬季多为偏北风，夏季多为东南风，年均降水量为1 000～2 300 mm，年均温度为16～21℃，主城区森林覆盖率达59.8%。[21]

1.2 数据来源及预处理

选取2019年3月1日—2020年2月29日莆田市3种空气污染物(NO2、O3、PM2.5)的逐时质量浓度监测数据进行分析，数据来源于莆田市环境监测中心站，共计43个站点。其中，城厢区7个、涵江区12个、荔城区13个、秀屿区8个、仙游县3个，具体分布见图1。

受各种因素的影响，监测数据存在部分异常和缺失的情况。为了使结果更具准确性，对原数据进行预处理:剔除原数据中的异常值及缺失值，若某站点数据缺失过多，则认为该站点全年数据无效并将其剔除。计算各站点污染物质量浓度的月均值及季均值，并以每个区(县)所有站点污染物质量浓度的月均值及季均值的平均值作为该区(县)污染物质量浓度的月均值及季均值。按照气象学标准划分四季，即春季(3、4、5月)、夏季(6、7、8月)、秋季(9、10、11月)和冬季(12月及来年1、2月)。

图1 研究区及监测点位置分布

1.3 克里金(Kriging)插值法

为了具体地描述莆田市空气污染物质量浓度的空间变化情况，采用克里金插值法对43个监测站空气污染物质量浓度数据进行空间插值。

克里金插值法是以结构分析和变异函数理论为基础，对区域变量进行无偏最优估计的方法，[22]有普通克里金、泛克里金、协同克里金和析取克里金等多种类型。克里金插值法在计算权重上考虑了空间变量的相关性，同时能计算出估计误差，插值精度较高。本文采用普通克里金插值法进行空间插值计算，变异函数为:

式(1)中，γ(h)为采样间隔为h时的变异函数值，Z(x)为x处的区域变化量，Z(x+h)为x+h处的区域变化量，为采样间隔为h的采样值方差的数学期望。

普通克里金插值法的插值公式如下:

式(2)中，Z*(x)为采样点的估计值，λi为权重系数，Z(xi)为采样点的样本值。

2 结果与分析

2.1 莆田空气污染物空间分布特征

莆田市3种空气污染物质量浓度低于国家环境空气质量标准二级浓度限值，说明莆田空气污染状况较轻。这主要是由于莆田处于南方沿海地区，气候适宜，燃煤少，且空气流动性强，有利于污染物扩散。由图2可见，3种空气污染物在空间上总体呈现东南高、西北低的分布特征，这可能与莆田西北高东南低，且西北部多为山地的地势特点有关。此外，3种空气污染物的空间分布有明显的季节差异，具体来看，NO2质量浓度在夏、秋季较低，但空间差异不会很大，呈现中部向四周升高的趋势；在春、冬季较高，有明显的空间分布差异，春季由东南向西北递减，质量浓度高值主要集中在秀屿区，冬季东部沿海区域较高，呈现从东到西递减的趋势。O3质量浓度在夏、冬季较低，夏季从南到北呈现高-低-高的趋势，冬季由东到西递减；在春、秋两季较高，但春季空间差异明显，仙游县较高，秀屿区较低；而秋季则无明显空间差异。PM2.5质量浓度春季最高，且南部地区高于北部地区；冬季次之，秀屿区及荔城区东南部高于其他地区；夏、秋季较低，夏季西南部地区高于东北部地区，秋季则为东南部地区高于西北部地区。

2.2 莆田空气污染物时间变化规律

2.2.1 季变化规律

图2 莆田市空气污染物质量浓度空间插值

图3 莆田市空气污染物质量浓度季变化

莆田市空气污染物季变化规律同气候条件有密切的关系，如图3所示:NO2质量浓度夏、秋季较低，区域间差异较小；春、冬季较高，且春季秀屿区NO2质量浓度远高于其他区域，冬季涵江区较高。O3质量浓度春、秋季较高，且秋季区域间几乎无差异，而春季仙游县最高、秀屿区最低；冬季次之，夏季最低，且夏、冬两季区域间差异很小。PM2.5质量浓度春季最高，冬季次之，夏、秋季最低，各区县之间的差异较小。这些现象可能是因为莆田属于亚热带海洋性季风气候，冬季多为偏北风，夏季多为东南风，加上莆田西北高东南低的地势特点，夏季东南风更有利于污染物的扩散。并且空气污染物主要依靠空气的活动达到清洁与扩散的效果，夏季雨水充沛，温度较高，空气清洁扩散能力强，而春季和冬季降水量相对较少，温度低，不利于污染物的清洁和扩散。

2.2.2 月变化规律

从月变化上看，3种空气污染物有较大的区别，见图4。NO2质量浓度呈现“U”字型变化，高值出现在3月、12月及1月，5—11月较低且变化平缓，这主要是因为这段时间雨水充沛，降水的冲刷作用使得空气中的NO2沉降至地表、水体或冠层，导致NO2质量浓度维持在低值。总体上涵江区NO2质量浓度最高，而仙游县较低。O3质量浓度呈明显的“W”字型变化，3月、4月、5月及10月出现高值，低值在7月和12月，7—11月各区(县)之间几乎无差异。近地层O3是NOx和VOCs等前体物通过强烈的光化学反应生成的二次污染物，其质量浓度受气温、光照等气象条件以及前体物质量浓度的影响。5—11月NO2质量浓度较低，但夏季较高的温度以及较强光线有利于O3的生成，因此O3质量浓度从7月开始上升。而秋、冬季温度较低，且PM质量浓度较高，削弱了地表的太阳辐射强度，抑制了O3的生成，因此11月O3质量浓度有所下降。PM2.5质量浓度呈现先下降再上升的“V”字型变化趋势，从4月开始下降，在9月达到最低值后开始波动上升，总体上秀屿区最高，涵江区最低。这是由于冬、春季气温低，降水少，不利于PM2.5的扩散，夏季多为雨季，且气温较高，有利于PM2.5扩散。

图4 莆田市空气污染物质量浓度月变化曲线

3 结论与讨论

3.1 结论

(1)莆田市空气污染状况较轻，NO2、O3和PM2.5质量浓度均低于国家环境空气质量标准二级浓度限值，但还需针对个别区域和特殊时间段进行污染防控，以进一步优化空气质量。

(2)在空间变化特征上，3种污染物质量浓度总体呈现东南高、西北低的分布特征，高值区主要分布在秀屿区，因此应加强秀屿区一带的空气污染防控力度。同时3种空气污染物的空间分布有明显的季节差异，春季污染最为严重。

(3)从季节变化来看，NO2质量浓度夏、秋季较低，春、冬季较高；O3质量浓度春、秋季较高，冬季次之，夏季最低；PM2.5质量浓度春季最高，冬季次之，夏、秋季最低。从月变化来看，NO2质量浓度呈现“U”字型变化，O3质量浓度呈明显的“W”字型变化，PM2.5质量浓度呈现先下降再上升的“V”字型变化趋势。故应对空气污染物质量浓度较高的月份或季节采取适当的减排措施。

3.2 讨论

(1)本研究选取的时间序列较短，且所分析的时间尺度较大，因此对莆田市空气污染物时间变化规律的分析还不够细致深入。今后可以扩大研究周期，并对更小的时间尺度进行分析，如日变化、小时变化等，以期能更全面地掌握莆田市空气污染物质量浓度随时间变化的规律，为分时段进行当地空气污染防治提供科学依据。

(2)由于监测站点分布不均，且多集中于莆田市东南部，西北部几乎无站点分布。因此，利用站点数据进行空间插值绘制的结果，可能存在一定的偏差，无法准确反映莆田市空气污染物质量浓度的空间分布，特别是西北部的仙游县和涵江区。今后可以增加这两个区域监测站点的设置，以期能更加全面、准确地掌握莆田市空气污染的空间分布情况。还可根据周边环境对站点类型进行细分，如工业或交通污染监测点、对照点等，能在一定程度上对污染物进行溯源分析。