2016-2020年河北省PM2.5浓度的时空分布研究

孙玉梅 娄泽生 赵 成

(石家庄铁路职业技术学院1)河北石家庄050041河北水电学院2) 河北沧州300384石家庄铁道大学3)…..河北石家庄050043）

河北省是雾霾气象发生最为频繁的地区之一，据2016年世界卫生组织统计，世界各个城市空气质量的最新监测数据显示，中国雾霾污染最为严重的地区是河北省地区，PM2.5浓度最高的城市前五位竟都在河北省境内，他们分别是邢台、保定、石家庄、邯郸和衡水。国内也有许多学者对PM2.5的时空分布和影响因素做了研究和讨论。例如郑晓霞[1]等分析北京市降雨前后的PM2.5情况结论为降雨对颗粒物的去除作用是明显的，降水作用能改变颗粒物的浓度值，但不会改变颗粒物的日变化规律。石静[2]分析了山东的雾霾时空特征得到山东各地市之间存在明显的区域差异性，同时自2013年至2015年期间山东雾霾污染浓度呈下降趋势，并且人类活动和静风等自然条件对山东省冬季雾霾影响很大。包振虎等[3]利用Arc GIS技术对全国大气环境进行时空分布分析，得出来空气质量有很强的季节性。钱俊屏等[4]对广东省雾霾的研究分析，得出雾受地形地貌的影响严重，而霾则没有明显地域特征。在空间分布上燃煤工厂周边和人类活动集中地区的PM2.5浓度明显偏高，并且降水，风等气象条件都会影响PM2.5浓度变化[5-10]。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

研究数据来源于河北省气象局各大气监测站点每小时发布的空气质量监测数据，数据包括自2016年至2020年的河北省各地市空气质量数据，监测数据的主要污染物为细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）等六种污染物。通过对河北省各地市空气质量指数AQI和其首要污染物统计分析表明，河北省11个地市2016~2020年空气质量数据中PM2.5作为首要污染物的天数占总天数的比例达70%以上。

1.2 研究方法

本文的原始数据是河北省11个地市各监测站点每天24小时观测平均数据，数据量巨大，首先对各监测站点原始数据进行异常值进行检测，剔除异常值数据后，计算得出河北省11个地市大气PM2.5浓度的日平均值，并根据日浓度平均值数据计算得到月浓度平均值和年均值。根据河北省的区域分布特征，对河北省11个地市的PM2.5的浓度进行分析，研究其空间分布特征；再分别研究了河北省不同空间区域的大气PM2.5浓度的时间变化规律。

2 PM2.5时空分布特征分析

2.1 空间分布特征

根据2016年—2020年河北省11个城市的空气质量监测数据，通过统计分析方法计算得出河北省的11个城市PM2.5的浓度平均值如下2016到2020年的五年平均值数据（表1）所示。

表1 2016～2020年河北省各市PM2.5浓度（ug/m3）年平均值

由于PM2.5监测数据是以离散数据形式记录，整个河北省内PM2.5浓度的分布状况难以直观反映出来，通过GIS的样条函数插值功能，将PM2.5的年平均离散点数据插值成连续面，得到河北省PM2.5浓度的空间分布图（见图1），图1中颜色深浅代表由轻到重的污染程度。根据河北省各市区PM2.5浓度分布情况，将河北省各地市按PM2.5年均浓度从大到小分为三个梯队，即邯郸、邢台、石家庄、保定、衡水为第一梯度地区；沧州、廊坊和唐山为第二梯度地区；河北省北部的张家口、承德、秦皇岛为第三梯度地区。

图1 河北省各地市PM2.5平均浓度

2.2 时间分布特征

根据河北省11个地市PM2.5浓度的空间分布规律，对三个不同梯度区域分别研究了其PM2.5浓度的时间分布特征。从月的时间轴进行分析，从图2可以看出第一梯度地区各月的PM2.5浓度高于河北省全省平均浓度，一年中一月PM2.5浓度最高，此后逐步下降，5月和6月基本稳定，7月份稍有上升，8月和9月浓度比较低，从10月份开始浓度上升，11月、12月浓度上升速度非常快，1月份会达到峰值。

图2 河北省PM2.5浓度第一梯度地区月平均浓度图

由图3可以看出，第二梯度地区各月PM2.5浓度与全省浓度基本持平，各月浓度变化趋势与第一梯度地区基本一致，12月或1月PM2.5达到最高值，1月份以后PM2.5浓度则会慢慢减少，到4月或5月到达一年的最低值而后会趋于平稳。到7月时会有一个较大的波动：浓度会快速上升到一个小高峰然后下降在9月达到低谷值继而快速上升，到12月为一个节点：12月以后PM2.5浓度上升速度达到一年的最高值。这也从侧面验证了冬季供暖燃煤排放PM2.5对空气质量的影响很大。

图3 河北省PM2.5浓度第二梯度地区平均月浓度

由图4可以看出，第三梯度地区各月PM2.5浓度普遍低于全省浓度，最高值出现在1月份，最大值60左右，远远低于全省平均浓度。各月的浓度变化趋势与第一、第二梯度地区类似，但浓度值非常小。

图4 河北省PM2.5浓度第三梯度地区平均月浓度

以日为单位来分析河北省各城市的PM2.5浓度数据会发现，各月内日均PM2.5浓度基本稳定，呈稳定上升、下降或不变趋势。但也会有许多个例引起这些变化的原因都与气象或人类活动相关。

表2所列城市为选取具有一定代表性城市举例说明但并非所有异常情况。在2020年1月1日数据中位于第一梯度的邢台、保定、邯郸PM2.5日平均值都低于其月平均值，且差距非常大，邯郸在2016年9月28日PM2.5浓度也远低于月平均值。根据气象资料显示2016年9月28日石家市有大风蓝色预警，是PM2.5浓度变化的关键；2020年1月1日邯郸有风影响当日的PM2.5浓度。

表2 PM2.5浓度异常日

表3能够清楚的反映除夕、春节两日和当月的PM2.5浓度情况，除2020年外，近4年每逢春节PM2.5浓度均有增加，且均高于或等于月平均值。造成这种情况的原因为除夕夜燃放烟花爆竹，烟花爆竹的燃放使得日PM2.5浓度大幅增高，19年数据反映的尤其明显，2020年因疫情影响减少了烟花爆竹的燃放，PM2.5浓度有所降低。

表3 石家庄除夕和春节日均PM2.5浓度分析

3 结论

通过对河北省11个地区的PM2.5浓度的时刻分析和影响因素分析可得以下结论。

河北省PM2.5浓度的空间分布受地形、空间位置影响，在整体上呈东高西低，南高北低状态，可以分为三个梯度地区，即：在相同的维度上西部地区明显高于东部地区，邯郸、邢台、石家庄、衡水、保定五市为第一梯度地区，PM2.5浓度高于相同纬度的第二梯度地区沧州、廊坊、唐山；在相同经度上北部地区则低于南部地区，张家口、承德、秦皇岛为第三梯度地区，PM2.5浓度最低，空气环境最好。

在时间分布上，河北省各地区一年中PM2.5的最高浓度经常出现在12月或1月，1月份以后PM2.5浓度则会慢慢减少，到4月或5月到达一年的最低值而后会趋于平稳。到7月时会有一个较大的波动，浓度会快速上升到一个小高峰然后下降在9月达到低谷值继而快速上升，到11月为一个节点，11月以后PM2.5浓度上升速度达到一年的最高值。