北京大气颗粒物污染特征及空间分布插值分析

第36卷第9期 北京科技大学学报 Vol.36 No.9 2014年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2014 北京大气颗粒物污染特征及空间分布插值分析 刘 杰)，杨鹏2)回，吕文生) 1)北京科技大学土术与环境工程学院，北京1000832)北京联合大学北京市信息服务工程重点实验室，北京100101 ☒通信作者，E-mail:yangpeng@buu.edu.cn 摘要为较好地表征当前北京整个区域大气颗粒物质量浓度随时间尺度的变化及区域分布污染特征，根据北京市35个监 测站点获得的2013年35月颗粒物质量浓度1h均值，分析和研究PM2,和PM。质量浓度的季节性变化并提高其空间分辨 率，在此基础上探讨颗粒物可能的影响因素及污染来源。结果表明，3一5月颗粒物质量浓度具有周期性变化规律和显著相关 性，应用MATLAB空间插值算法实现的颗粒物质量浓度区域分布图具有一定精度，可外推并揭示颗粒物区域污染特征.分析 表明当前北京颗粒物污染的影响因素有冬末的冷锋和降雪、春季的沙尘和大风、夏初的降雨和湿热等：污染区域则呈现南高 北低的特征，污染来源除了本地人为源以外，周边区域传输也有较大影响.通过颗粒物污染的时间序列和空间插值的结合分 析，可为进一步研究颗粒物时空关系及草握区域污染特征提供方法， 关键词大气污染；颗粒物；质量浓度；季节变化；区域分布；插值 分类号X831 Pollution characteristics of particulate matter and interpolation analysis of its spatial distribution in the Beijing area LIU Jie,YANG Peng),LU Wen-sheng) 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory of Information Service Engineering,Beijing Union University,Beijing 100101,China Corresponding author,E-mail:yangpeng@buu.edu.cn ABSTRACT The 1-hour average mass concentration of particulate matter from March to May 2013 obtained from monitoring stations was used to characterize the concentration variation of particulate matter with time scale and its regional distribution in the Beijing area. The mass concentrations of PM and PM were studied to find out their seasonal variation characteristics,and their spatial resolution was improved.Based on that,the possible factors and pollution sources of particulate matter were then preliminary discussed.The re- sults show that there are a periodical variation and a significant correlation on the average mass concentration of particulate matter from March to May in the Beijing area.Interpolation results on the particulate concentration distribution by using MATLAB spatial interpola- tion tools have certain precision to extrapolate and reveal the regional pollution characteristics.According to analysis,the main factors affected particulate concentration in the Beijing area are cold front and snowfall in late winter,dust and wind in spring,rainfall and hot- humid weather in early summer,and so on.The particulate concentration distribution shows an overall trend of high in the south and low in the north,and the pollution sources are very likely caused by local anthropogenic sources as well as the transmission of surround- ing area.The conjoint analysis on time series and spatial interpolation of particulate concentration has significance for further research of the time-space relationship of particulate matter,and it also provides a method for understanding regional pollution characteristics. KEY WORDS atmospheric pollution;particulate matter;mass concentration;seasonal variation;regional distribution;interpolation 收稿日期：2013-09-17 基金项目：北京市属高等学校高层次人才引进与培养一“长城学者”培养计划（基于无线传惑器网络的城市空气质量实时监测系统研究）资 助项目(CT&T℃D20130320) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.020;http://jourals.ustb.edu.cn

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 年 月 北 京 大气颗粒物 污染特征 及 空 间 分布 插值 分析 刘 杰、 杨 鹏⑶ , 吕 文 生” 北京科技大学土木与 环境工程学院 , 北京 北 京联合大学 北京 市信息服务工程重点 实验 室 , 北京 通信作者 摘 要 为较好地表 征当前北京整 个区 域大气 颗粒物质量浓度 随时 间尺度 的 变化及 区域 分布污染 特征 , 根据 北京 市 个监 测站点获得的 年 — 月 颗粒 物质量浓度 均 值, 分析和 研究 和 质量 浓度 的季 节性变化并提高 其 空 间分辨 率 在此基础上探讨颗粒物可能 的影 响因 素及 污染来 源 结果表 明 — 月 颗粒物 质量 浓度具有周 期 性变化 规律和显 著相关 性 应用 空 间插值算法实现 的颗粒物 质量浓 度区域 分布图 具有一定精度 可外 推并揭示颗 粒物区 域污染特征 分析 表 明 当 前北 京颗粒物污染的 影响因 素有 冬末 的 冷锋和 降雪 、 春季 的 沙尘和大 风 、 夏初 的 降 雨和湿 热等 污染 区域则呈 现南高 北低的 特征 污染来源除 了本地人 为源 以外 周边区域传输也有较大 影响 通过 颗粒物污染 的 时间 序列和空 间 插值的 结合分 析 , 可 为进一 步研究颗粒 物时空关系及掌握 区域污染 特征提供 方法 关键词 大气污染 ； 颗粒物 ； 质量浓度 ； 季节变化 ； 区域分布 ； 插值 分类号 ’ ’ ： , , ； ； ； ； ； 收稿 日 期 ： 基金项 目 ： 北京市属 高等学校高层次人才引 进与 培养 — “ 长 城学 者 ” 培养计划 ( 基 于无线 传感器网 络的 城市空气 质量 实 时监测 系 统研究 ) 资 助项 目 ( 〉 ；

·1270· 北京科技大学学报 第36卷 近年来经济的快速发展造成环境污染加剧，北 浓度的区域分布图，描述颗粒物的空间分布及局部 京及周边地区的大气污染呈现出显著的区域性和复 污染特征，拟合出地理区域面内每个经纬度网格对 合型特征，大气颗粒物则是导致这种污染特征的关 应的颗粒物平均质量浓度值，最终通过检验拟合值 键因素).其中，以PM2,和PM。为主的颗粒污染物 与实际值的差异，验证了其可行性与准确性，并在此 不仅直接影响人体健康，还会在传输和转化过程中 基础上分析和探讨颗粒物可能的影响因素及污染来 造成区域尺度的能见度降低，甚至影响气候变 源.通过以上手段，可了解颗粒污染物在不同时间 化2-)，对颗粒物的污染特征及空间分布进行研 段的平均质量浓度变化，并实现颗粒物污染特征由 究，可提供颗粒物污染的宏观变化趋势，对了解各区 点到面的转变，为颗粒物空间分布的预测及可视化 域的颗粒物分布情况提供参考.整体而言，目前主 提供一种手段. 要从空间尺度和时间尺度出发对颗粒物的污染特征 1数据资料及处理 进行研究.空间尺度的研究通常是利用MODS卫 星遥感反演进行模拟[6-刀.该方法空间分辨率高， 1.1监测数据 但时间序列不完整，且往往由于地理高程、云层、光 为了解和评判北京市空气质量，由北京市环境 反射等因素造成难以确定的误差.时间尺度的研究 保护监测中心建立的城市空气质量实时监测网络共 则通过设立一定数量的监测，点进行观测和采样并进 包括35个自动监测站点，按功能分为城市及郊区评 一步分析研究，)，其中，通过建立空气质量实时监 价点、对照点、交通污染控制点三类监测点.其中， 测点位，可连续观测某一点位的颗粒物浓度.这种 评价点用于监测各环境质量功能区的空气质量趋势 方法能获得污染物浓度的完整时间序列，但空间分 或代表性质量浓度；对照点用于监测不受当地城市 辨率较低，无法准确掌握除监测点以外的其他区域 污染影响地区的空气质量状况：交通污染控制点用 的污染物浓度.此外，研究者大多通过单监测点来 于监测交通污染对周围环境的影响.35个监测点 分析颗粒物的空间分布特征，但测点浓度是否能代 分别遍布北京城六区及十郊县，其覆盖范围基本可 表区域浓度以及所代表的范围有多大，则难以提供 以反映整个北京地区的空气质量状况.自动监测站 充分、有效的证据 点分布如图1所示，站点编号及功能类型如表1所示. 对此，通过有限的地面监测点来反映整体区域 污染情况，空间插值法仍然是一种快捷有效的手段， 在环境领域也得到了广泛应用9]，但研究对象多 以土壤元素[2-3]和气象要素451居多，针对大气 颗粒物的空间插值方法则研究较少.这主要是因为 空间插值需要具备一定的监测样本基础，而长期以 来，由于监测体系不完善、大气监测设备成本高等客 观原因，很难获得包含同一完整时间序列、多点位同 时监测的大气颗粒物质量浓度.至2013年1月1 20 日，北京市已建成覆盖全市的城市空气质量实时监 测网络，可连续实时监测包括颗粒物(PM25和 PM1。)和气态污染物(C0、S02、0,和N02)在内的六 类污染物，获取的监测数据和时间序列较为完整，使 得研究大气颗粒物的污染及分布特征具有了大量的 样本基础.由于颗粒物在各区域的污染都不是相互 独立的，通过分析各监测点之间颗粒物质量浓度的 图1北京地区空气质量自动监测站布点 规律，即可探素并预测整个区域面的平均质量浓度 Fig.I Air quality automatic monitoring sites in Beijing 及分布规律.本研究根据2013年3一5月北京城市 空气质量实时监测网络获得的颗粒物质量浓度1h 1.2数据处理 均值，分析该段期间颗粒物质量浓度随时间尺度的 空气质量自动监测站点所获取的数据结果是表 变化规律及显著相关性，应用MATLAB高维空间插 征近地面某处污染物质量浓度的时间统计值，为研 值的方法，绘制出北京地区PM2,和PM。平均质量 究颗粒污染物污染特征及空间分布，共收集了35个

? 1 2 7 0 ? 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 近年 来经济的 快速发 展造 成环 境 污染 加 剧 北 浓度 的 区 域分布 图 , 描 述颗粒物的 空 间 分 布及局 部 京及周边 地区 的大气污 染呈现出 显 著 的 区 域性和 复 污染 特征 拟 合 出 地理 区 域面 内 每 个经纬 度 网 格 对 合型特征 , 大气颗粒物 则 是 导 致这 种污 染 特征 的 关 应 的 颗粒物平均 质量 浓度 值 , 最终 通 过检验拟 合值 键因 素 其 中 , 以 和 为主 的 颗粒污 染物 与实 际值的 差异 验证了 其可 行性与准确性 , 并在 此 不仅直接 影响 人体健康 , 还 会在传 输 和转 化过 程 中 基础 上分析和探讨颗粒物 可能 的影 响 因 素 及污染 来 造 成 区 域 尺 度 的 能 见 度 降 低 , 甚 至 影 响 气 候 变 源 通 过 以 上 手段 , 可 了 解 颗粒污 染 物在 不 同 时 间 化 对颗 粒物 的 污 染 特征 及 空 间 分 布 进 行 研 段 的 平均 质量浓度 变 化 , 并实 现颗粒物 污染特征 由 究 , 可 提供颗粒物污 染 的 宏 观 变化趋势 , 对 了 解 各 区 点 到面 的 转变 , 为 颗粒物 空 间 分布 的 预 测 及可 视 化 域 的 颗 粒物分 布 情况 提供参 考 整 体 而 言 , 目 前 主 提供 一 种 手段 要 从空 间 尺度 和时 间 尺 度 出 发对 颗粒物 的污染 特征 进 行研究 空 间 尺 度 的 研究 通 常 是 糊 卫 星 遥感反演 进 行模拟 该 方 法 空 间 分辨 率高 , 监测 数 据 但时 间 序列不 完整 , 且往往 由 于地理高 程 、 云 层 、 光 为 了 解 和评判 北 京 市 空气 质量 , 由 北 京 市 环境 反 射等 因素造 成难 以 确 定 的 误差 时 间 尺度 的 研究 保护监测 中心 建立 的 城 市空 气质量实 时监测 网 络共 则 通 过设立一 定数量 的监测 点进 行观测和 采样并进 包括 个 自 动监测 站点 按功能分为 城市及郊区 评 一 步 分析研 究 其中 通 过建立空 气质量实 时监 价点 、 对照点 、 交通 污 染 控制 点 三类 监 测 点 其 中 , 测 点 位 , 可 连续 观测 某 一 点 位 的 颗粒 物浓 度 这 种 评价点用 于监测 各 环境 质量功能 区 的 空气 质量趋势 方法能获 得污染 物浓 度 的 完 整 时 间 序 列 , 但 空 间 分 或代表性质量浓度 ； 对 照点 用 于 监 测不 受 当 地城 市 辨率较低 无法准确 掌握除 监 测点 以 外 的 其他区 域 污染 影 响地 区 的空 气 质 量 状况 ； 交 通 污 染 控制 点 用 的 污 染 物浓 度 此 外 , 研究 者 大 多 通 过单监 测 点来 于监测 交通 污染 对周 围 环 境 的 影 响 个 监测 点 分析 颗粒物的 空 间 分 布 特征 , 但测 点 浓 度 是否 能代 分别遍 布北京 城六 区 及 十郊 县 , 其 覆 盖 范 围 基本 可 表 区 域浓度 以及 所代 表的 范 围 有 多 大 , 则 难以 提 供 以 反映 整个北 京地 区 的 空 气 质量状 况 自 动 监测 站 充分 、 有 效 的证据 点分布如图 所示 , 站点编号及功能类型如表 所示 对此 , 通过有 限 的 地面 监测 点 来 反 映整 体区 域 污 染情况 空 间插值法仍然是 一 种快捷有 效 的 手段 , 、 在环境领域也得到 了 广 泛 应 用 … , 但研究 对 象 多 以 土 壤元素 和 气象要 素 ⑴ 居 多 , 针 对大 气 义 颗 粒物的 空 间 插 值方法则研究较少 这 主 要是 因 为 空 间 插值需要具备 一 定 的 监测 样 本 基 础 , 而 长 期 以 《 来 , 由 于监 测体系 不 完 善 、 大 气监测设备成本 高等 客 观原 因 很难 获得包含同 一 完 整 时间序 列 、 多点位 同 时监测 的 大 气 颗粒 物质 量 浓 度 至 年 月 日 , 北京市 已 建成 覆盖全市 的 城市 空 气 质量实 时 监 测 网 络 , 可 连 续 实 时 监 测 包 括 颗 粒 物 ( 和 卩 和气 态 污染物 ( ： 、 、 和 在 内 的 六 一“ 类 污染物 , 获取的 监测 数据和 时间 序 列 较 为完 整 , 使 得研究大气 颗粒物 的 污染 及分 布特征具有 了 大 量的 样本基础 由 于颗粒物 在各 区 域的 污染 都不 是 相互 独 立 的 , 通过分析各监 测 点 之 间 颗粒物 质量 浓度 的 出 — 仏 《 曰 图 北京 地 区空 气 质量 自 动监测 站 布 点 规律 即 可探索并 预测 整 个区 域 面 的平 均 质量浓 度 「 及分布 规律 本研究根 据 年 — 月 北京 城市 空 气质量实时监测 网 络 获 得 的 颗粒 物 质 量浓 度 数据 处 理 均 值 , 分析该段期 间 颗 粒物 质 量浓度 随 时 间 尺 度 的 空气质 量 自 动 监测站点 所获取的 数据结果是表 变 化规律及 显著相关性 , 应 用 高维空 间 插 征近地面某 处污染 物 质 量浓 度 的 时 间 统计值 , 为 研 值的 方法 , 绘制 出 北京 地 区 和 平 均质 量 究颗粒污染 物污染 特征及空 间 分布 共收集 了 个

第9期 刘杰等：北京大气颗粒物污染特征及空间分布插值分析 ·1271· 监测站点2013-03-10一2013-05-31颗粒物质量浓 为每个站点1972组.对数据作如下处理：①计算每 度1h均值的实时监测值，每个站点每天分别取得 个监测站点的PM2,和PM。质量浓度日均值和月均 24组PM25和PMo的1h均值，由于无线传输故障等 值；②计算35个监测站点所表征的北京地区PM25 问题导致部分数据缺失，最终研究时段有效数据均 和PM。质量浓度日均值和月均值. 表1站点编号及功能类型 Table 1 Sites and their function types 编号 站点名称 功能 编号 站点名称 功能 编号 站点名称 功能 东四 评价点 13 房山 评价点 25 八达岭 对照点 2 天坛 评价点 14 大兴 评价点 26 密云水库 对照点 3 官园 评价点 公 亦庄 评价点 27 东高村 对照点 万寿西官 评价点 16 通州 评价点 永乐店 对照点 J 奥体中心 评价点 17 顺义 评价点 29 榆垡 对照点 6 农展馆 评价点 18 昌平 评价点 琉璃河 对照点 7 万柳 评价点 19 门头沟 评价点 分 前门东 交通点 8 北部新区 评价点 20 平谷 评价点 永定门内 交通点 9 植物园 评价点 21 怀柔 评价点 33 西直门北 交通点 10 丰台花园 评价点 22 密云 评价点 34 南三环西 交通点 11 云冈 评价点 23 延庆 评价点 35 东四环北 交通点 12 古城 评价点 24 定陵 对照点 注：编号1-12为城区评价点，13~23为郊区评价点 2 颗粒物质量浓度的时间变化特征及相关性 传输所造成的沙尘和阴霾影响.2013-03-18颗粒 物质量浓度明显下降，可能与18日以后出现的降雪 2.1质量浓度的时间变化特征 天气有关，降雪天气带来的冷空气活动会导致空气 从2013-03-10一2013-05-31，PM25和PM1。日 中相对湿度明显下降而使空气扩散条件较好】，这 平均质量浓度分月变化如图2所示.从图中可以看 对颗粒物有一定的稀释和消减作用.3月底出现的 出，颗粒物的质量浓度日均值变化具有一定的周期 第二次高峰可能也与该段时间出现的沙尘天气有 性，平均周期约为5~7d,类似于双峰抛物线形式. 关.4月春季气候呈现后，颗粒物扩散条件相对较 这种周期性本质上由周期性的天气系统所决定(6]， 好，PM25的质量浓度值出现明显下降，与3月相比 如华北地区周期性冷锋过境前的区域颗粒物聚集及 平均质量浓度值下降了40.7%，PMo的质量浓度值 过境后颗粒物质量浓度的突降，均与此种天气系统 虽略有下降但整体上仍然保持较高水平，如图2(b) 的活动尺度有关.大量的研究认为，气象条件是影 所示，这主要是受长期持续的大风天气影响.根据 响颗粒物质量浓度的主要因素，温度的升降、风速的 北京市气象局发布的气象资料显示，从2013-04- 高低和太阳辐射的强弱都有可能导致颗粒物质量浓 01-2013-04-31,风力达到4级及以上(3.4~5.4 度的变化7-1).由2013年实际气象情况可知，3月 ms1)的有18d,达到5级及以上(8.0~10.7ms1) 具有冬季和春季的复合气候特征，而持续低温使其 的有7d,气象因素中大风天气对颗粒物尤其是 主要以冬季气候为主，这种冬季稳定型气候不利于 PM2,有较好的净化效果[2]，但当风力大于2级时， 颗粒物的扩散[2o].由图2(a)可见，PM2和PM1o的 PM。将随风速的增加而迅速增加1】.这种变化趋 质量浓度值在3月份均呈现较高水平，且二者日均 势与Dolislager和Motallebi最早在美国加州沙漠 值与变化趋势基本一致.其中，2013-03-17和 地区对PM2s和PMo所做的变化趋势研究所得结果 2013-03-26出现了幅度较大的波峰，均达到了M级 类似，也与杨复沫等[23]在2002年对北京大气颗粒 严重污染，这除了与冷锋过境前后造成的颗粒物质 物浓度的变化特征研究所得出的结果一致.5月颗 量浓度急剧变化有关外，还与3月部分时间出现的 粒物的质量浓度变化趋势与4月相似但整体有所升 沙尘天气所带来的大量尘粒积聚有关.如美国国家 高，PM25和PM。平均质量浓度值分别比4月升高 宇航局应用Agua卫星上搭载的中分辨率成像光谱 24.4%和21.5%，由图2(c)所示，这与5月后京津 仪(M0DIS)传感器在2013-03-14获得的中国东部 冀地区受到的湿热、风力下降等不利扩散气候有 地区真彩图像显示，整个京津冀地区都受到了区域 关.此外，根据实际监测情况，5月S02、NO2、O,等

第 期 刘 杰等 ： 北京大气 颗粒 物污染特征及 空 间 分布插值分析 监测站点 — 颗粒物 质量 浓 为 每个站点 组 对数据作如 下 处理 ： ①计算 每 度 均值的 实时监测 值 每 个站 点 每天 分 别取得 个监测站点 的 和 质量浓度 日 均值和月 均 组 和 。 的 均值 , 由 于 无线传输故障等 值 ②计算 个监测 站点 所表征 的 北 京地 区 问 题导致部分数据缺失 , 最终研究 时段有 效数据 均 和 。 质量浓度 日 均值和月 均值 表 站 点 编号 及功 能类 型 — 编号 站点 名 称 功 能 编号 站点 名 称 功 能 编号 站 点名 称 功 能 评价点 评价 点 八达岭 对照点 天坛 评价点 大兴 评 价点 密云水库 对 照 点 官园 评价点 亦庄 评价点 东高村 对 照点 万寿 西宫 评价点 通州 评 价点 永乐 店 对照点 奥体 中 心 评价点 顺义 评价点 榆垡 对照 点 农展馆 评价点 昌 平 评价 点 琉璃河 对照 点 万柳 评价点 门头沟 评价点 前门 东 交通 点 北部新区 评价点 平谷 评价点 永定 门 内 交 通 点 植物园 评价点 怀柔 评价 点 西直门 北 交通 点 丰 台 花园 评价点 密云 评价 点 南三环 西 交通 点 云 冈 评价点 延庆 评价点 东 四环 北 交通 点 评价点 对照点 注 ： 编 号 为 城 区评价点 为郊区 评价 点 颗粒物质量浓度 的 时间变化特征及相关性 物 质量 浓度 明 显下 降 可能 与 日 以后 出现 的降雪 质量浓 度的 时间 变化 特征 天气有关 , 降雪天 气带来 的 冷空 气 活 动会 导致 空 气 从 — 和 。 日 中相对湿度 明 显下 降而使 空气扩散条件较好 ⑴ , 这 平均质量浓度分月 变化如 图 所示 从图 中 可 以 看 对 颗粒物有 一 定 的 稀释 和 消 减作用 月 底 出 现 的 出 颗粒物的 质量浓 度 日 均 值变化具有 一 定的 周 期 第 二次 高 峰 可 能也 与 该段 时 间 出 现 的 沙尘天 气 有 性 平均 周期 约 为 类 似 于 双峰抛物 线形式 关 月 春 季气候呈 现后 颗粒物 扩散条件 相对 较 这种周期 性本质上由 周期 性的 天气系 统所决定 , 好 的 质量浓 度值 出 现 明 显下 降 , 与 月 相 比 如华北地区 周期性冷锋过境前的 区域颗粒物聚集及 平均质量浓度 值下 降 了 , 。 的 质量浓 度值 过境后颗粒物质量浓度 的突 降 , 均与 此种 天气 系 统 虽 略有下降但整体上仍然保持较高 水平 , 如 图 的活 动尺度 有关 大量 的 研究认 为 气 象条件 是影 所示 , 这 主要是受 长期 持续 的 大风 天气影响 根 据 响颗粒物质量浓度 的 主要因素 温度 的升降 、 风速的 北京市 气象局 发布 的气 象资料显 示 , 从 高低和太阳 辐射的 强弱都有可 能导致颗粒物质量浓 — 风力 达到 级及 以 上 ( 度的 变化 由 年实际气象情 况可 知 月 ‘ 一 的 有 , 达到 级及以 上 — 具有 冬季和春季的 复合气候特征 , 而 持续低 温使其 的 有 , 气象 因 素 中 大 风 天 气 对 颗粒 物 尤 其是 主要 以冬季气候为 主 , 这种 冬季稳 定型气候不 利 于 有较好的 净化效果 , 但 当 风力 大于 级 时 , 颗粒物 的扩散 由 图 可见 和 ？ 。 的 。 将随风速 的增 加 而迅速增 加 这种变 化趋 质量浓度值在 月 份均呈 现较 高 水 平 , 且二 者 日 均 势与 和 最早在 美 国 加州 沙漠 值与 变 化 趋 势 基 本 一 致 其 中 , 和 地区对 和 所做 的 变化趋势研究所得 结果 出 现了 幅度较 大 的波 峰 , 均 达到 了 级 类 似 也与杨复沫 等 在 年对北京大气 颗粒 严重污染 , 这除了 与 冷锋 过境 前后 造成 的 颗粒物质 物 浓度的 变化特征研究 所得 出 的 结果一 致 月 颗 量浓度急剧 变化有 关外 还 与 月 部分时间 出 现 的 粒物的质量浓 度变化趋势与 月 相似但整体有所升 沙尘天气所带来 的大量尘粒积聚 有关 如美 国 国 家 高 , 和 。 平均质 量浓度 值分别 比 月 升 高 宇航局应用 卫星上搭载 的 中 分辨率成像光谱 和 , 由 图 所示 这 与 月 后 京津 仪 ( 传感器在 获得的 中 国东部 冀地 区受到 的 湿热 、 风力 下 降等不利 扩散气候有 地 区真彩图 像显示 , 整个京津冀地 区 都受 到 了 区 域 关 此外 根据实 际监 测情 况 月 、 、 等

·1272· 北京科技大学学报 第36卷 300-a -PM. 200 -PM. 250 200 150 100 50 1 -20-102 0-t102 SI-E0-E100 -0-t10 12-20-t102 E0-E10Z -0-10 S0-EI0Z Z0--E10Z PO-P-EIOZ --02 -0-t102 81-0-E10Z -10-t10 -O-S10 -10-2102 日期 日期 300 PM 250 PM, 20 50 00 9 0-t0 日期 图2PM2s和PM1a质量浓度随时间尺度的变化规律 Fig.2 Concentration variations of PM2s and PMo with time seale 气态污染物质量浓度比4月明显升高，随着日照时 扬尘、建筑尘、燃煤、生物质燃烧、机动车排放、工 间的增强及温度的不断升高，这可能导致部分气态 业过程、二次转化等诸多人为源，而影响因 污染物发生转化成为二次颗粒物.其中，2013-05- 素20-212则包括风速、温度、气压等气象条件和地 06达到了V级重度污染，实际的气象情况也显示该 势等地理条件等，且不同的污染源和影响因素也 日遭遇高温雾霾天气；2013-05-07开始PM25和 随着季节的变化而发生不同程度的变化8-29]，这 PM。的质量浓度则有所下降，这可能与该段时间 些来源和影响因素都共同影响着颗粒物质量浓度 持续的降雨天气有关，降雨对PM2s的去除效率可 的变化. 达45.6%~67.1%[21.降雨前后较高的空气相对 表2为颗粒污染物质量浓度限值对应的空气质 湿度则会导致大气扩散条件差，进而造成颗粒物 量分指数级别.新国标对居民区等二类环境功能区 质量浓度的升高，5月下旬颗粒物质量浓度的起伏 规定的PM2.s日均质量浓度限值为75g·m3,PM。 变化，可能也与该期间频繁出现的降雨过程有关. 日均质量浓度限值为150g·m-3130).经分析，2013- 事实上，颗粒物的来源广泛，影响因素也较为复 03-10一—2013-05-31共83d的时间，PM2,的质量浓 杂，而对于北京大气颗粒物的来源和影响因素认 度日均值变化范围为12.1~289.8gm3,平均值 识，目前仍未完全统一，因为实际情况显示可能仍 为85.7gm3,分别有35d的日均值及42.3%的1 有诸多暂未发现或难以确定的颗粒物来源和影响 h均值在75g·m3以上，日均质量浓度限值达标率 因素，且已确定的污染来源和影响因素可能也随 为57.8%；PM。的质量浓度日均值变化范围为28.8~ 着城市及社会的发展在不断变化.已有研究通常 23.3gm3,平均值为120.9μgm3,分别有17d 认为北京大气颗粒物的主要来源[0,25-26]包括地面 的日均值及28.1%的1h均值在150g·m-3以上

‘ 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 — — ― 厂八 一 — 卜— — 卜 — 寸 ‘ 寸‘ ― — — ； ‘ 对 寸 寸 寸 寸 寸 寸 寸 寸 分 ■ 寸 — 七 ■ ‘ 日 期 日 期 — — — 『 ： 寸 々 ： — — — — — ； ‘ 曰 期 图 丨 和 质 量 浓度 随时 间 尺 度 的 变化规律 气态 污染物 质量 浓度 比 月 明 显 升 高 , 随着 日 照 时 扬 尘 、 建筑 尘 、 燃 煤 、 生 物 质 燃 烧 、 机 动 车 排 放 、 工 间 的增 强及 温度 的 不 断升 高 , 这 可 能导致 部 分气态 业 过 程 、 二 次 转 化 等 诸 多 人 为 源 , 而 影 响 因 污染 物发生 转化成 为 二 次 颗粒物 其 中 , 素 ° — ’ 则包括风速 、 温 度 、 气压等气 象条 件和地 达到 了 级重度 污 染 实 际 的气 象情 况也显 示该 势 等地 理 条 件 等 , 且 不 同 的 污 染 源 和 影 响 因 素 也 日 遭 遇 高 温 雾 霾天 气 丨 开 始 和 随着 季节 的 变化 而发 生 不 同 程 度 的 变化 这 。 的 质量 浓 度 则 有 所 下 降 , 这 可 能 与 该段 时 间 些 来 源和 影 响 因 素都 共 同 影 响 着 颗粒 物 质 量 浓 度 持续 的 降 雨天 气有 关 , 降雨 对 的 去 除 效 率可 的 变 化 达 降雨 前后 较高 的 空 气相 对 表 为颗粒污 染物质量浓度 限 值对应 的 空气质 湿 度 则会 导 致 大气 扩 散 条 件 差 , 进 而 造 成 颗粒物 量 分指数级别 新国 标对居 民 区 等 二类 环境功 能 区 质 量浓 度 的 升高 , 月 下 旬 颗粒物 质 量 浓 度 的 起伏 规定 的 日 均 质 量浓 度 限 值为 呢 。 变 化 , 可 能也 与该 期 间 频 繁 出 现 的 降雨 过 程 有 关 日 均质量浓度 限 值为 经分析 事 实 上 , 颗 粒 物 的 来 源 广 泛 , 影 响 因 素 也 较 为 复 — 共 的 时间 , 的质 量浓 杂 , 而对 于 北京 大 气 颗 粒 物 的 来 源 和 影 响 因 素 认 度 日 均值变化 范围 为 , 平 均 值 识 , 目 前仍未 完全统一 , 因 为 实 际情况 显 示 可 能 仍 为 问 ‘ 分 别 有 的 日 均值及 的 有 诸 多暂 未 发 现或 难 以 确 定 的 颗 粒 物 来 源 和 影 响 均 值在 吨 以上 , 日 均 质量浓度限 值达标率 因 素 , 且 已 确 定 的 污 染 来 源 和 影 响 因 素 可 能 也 随 为 ； 的 质量浓度 日 均 值变 化范围 为 着 城 市及 社会 的 发 展在 不 断 变化 已 有 研究 通 常 盹 , 平 均值为 分别有 认为 北 京大气 颗粒物的 主要 来 源 ’ 包括地 面 的 日 均值及 的 均值 在 以 上

第9期 刘杰等：北京大气颗粒物污染特征及空间分布插值分析 .1273· 日均质量浓度限值达标率为79.5%.PM2s和PM。 值3月份最高，PMo的月均值5月份最高，二者的月 的质量浓度最高日均值均出现在2013-03-17，而次 均值均为4月份偏低.颗粒物质量浓度变化及污染 高日均值均出现在2013-05-06，其中PM25的月均 级别见表3. 表2颗粒污染物质量浓度限值对应的空气质量分指数及相关信息 Table 2 Concentration limits of particulate matter and their corresponding individual air quality indexes 24h平均浓度/(gmJ) 空气质量 级别 对健康人群影响情况 PM2.5 PM1o 分指数 0-35 0~50 0-50 I级/优 空气质量令人满意，基本无空气污染 36-75 51150 51-100 Ⅱ级/良 空气质量可接受，但某些污染物可能对极少数异常敏感人群有较弱影响 76-115 151-250 101150 Ⅲ级/轻度污染 易感人群症状有轻度加刷，鰱康人群出现刺激症状 116-150 251-350 151-200 V级/中度污染 进一步加剧易惑人群症状，可能对健康人群心脏、呼吸系统有影响 151-250 351-420 201-300 V级/重度污染 心脏病和肺病患者症状显著加剧，运动耐受力降低，健康人群普遍出现症状 251-500 421-600 >300 T级/严重污染健康人运动耐受力降低，有明显强烈症状，提前出现某些疾病 表3颗粒物质量浓度变化及污染级别 Table 3 Concentration variation and pollution level of particulate matter 最小日均值/ 最大日均值/ 月均值/ 月份 PM2s与PMo月均 颗粒物 污染级别 （gm3) (gm3) （gm3) 质量浓度比% PM25 18.3 289.8 105.4 轻度污染 3月 83.3 PMjo 28.8 293.3 126.5 良 PM2.5 12.1 185.7 62.5 良 4月 60.2 PM1o 30 203.5 103.8 代 PM2.5 16.8 227 82.7 轻度污染 5月 62.5 PMio 54.9 259.5 132.3 2.2相关性分析 关性分析如表4所示.经分析，3一5月颗粒物质量 结合图2并由以上分析可知，PM2,和PMo的质 浓度的相关系数R依次为0.97、0.87和0.82，由于 量浓度具有明显的相关特征.分别对35个监测点 0<1R1<1,在显著性水平a=0.01的条件下，均存 3一5月PM2s和PMo的质量浓度1h均值作相关性 在R≥Ro1,故PM2.5和PMo的质量浓度存在特别显 分析，结果如图3所示.由图可见PM2,和PM。的1 著的线性相关关系. h质量浓度均值呈线性关系，其线性回归及显著相 表4PM25关于PM1o的质量浓度线性回归及相关性分析(y=ax+b) Table 4 Regression and correlation analysis on the concentrations of PM2 and PM(y=x+) 显著性水平： 月份 斜率a 截距b 相关系数R 拟合优度R2 自由度n-2 Ro.0s Ro.01 3月 0.94 -12.75 0.97 0.93 514 0.098 0.128 4月 0.74 -13.72 0.87 0.75 716 0.062 0.081 5月 0.70 -10.10 0.82 0.68 736 0.062 0.081 注：显著性水平α由查表取得.由于400<n-2<1000,根据拟合时的实际自由度，3月份按自由度n-2=400进行显著性检验，4、5月份 按自由度m-2=1000进行显著性检验 各监测点得到的颗粒物质量浓度均值进行空间插 3颗粒物污染区域分布特征 值，可进一步可视化整个北京的颗粒物污染特征，并 3.1空间插值算法的实现 预测出整个插值面上的颗粒物质量浓度月均值.空 根据表3中由35个空气质量监测站点获取的 间插值法是一种通过已知点或分区数据，外推求任 颗粒物质量浓度月均值，可知3一5月北京的颗粒物 意点或分区数据的方法)，通过该方法可以拟合出 的整体污染级别.为掌握其空间分布情况，通过对 区域面上某一具体经纬度对应的颗粒物质量浓度

第 期 刘 杰等 ： 北 京大气颗粒 物污染特征及 空间 分 布插值 分析 ‘ 日 均质量浓 度 限值 达标率为 和 ？ 。 值 月 份最高 , 。 的 月 均值 月 份最高 , 二者 的 月 的质量 浓度最高 日 均值均出 现 在 而次 均值均为 月 份偏低 颗粒物质量浓 度 变 化及污染 高 日 均值均 出 现在 , 其 中 的 月 均 级别见表 表 颗粒污 染物 质量浓度 限 值对应 的 空 气质 量分 指数及相关 信息 平均 浓度 空 气质量 级别 对健康人群影 响情况 分指数 级 优 空 气质量 令人 满意 , 基本 无空 气污染 级 良 空 气 质量 可 接受 但某些 污染 物 可 能对极 少数异常 敏感人群有 较弱 影响 级 轻度污染 易 感 人群 症状有轻 度加 剧 , 健康人群 出 现刺 激症 状 级 中 度 污染 进一 步加 剧 易 感人群症状 , 可 能对健康 人群 心脏 、 呼 吸系 统有影 响 级 重度 污 染 心 脏病 和肺病患 者 症状显 著加 剧 运 动 耐 受力降 低 , 健康 人群普 遍 出 现 症状 级 严重 污 染 健康 人运 动 耐受力 降低 有明 显强 烈症 状 , 提前 出现某些疾病 表 颗粒物质量浓 度 变 化及 污染级 别 最小 日 均 值 最大 日 均值 月 均 值 月 份 颗粒物 , ‘ ‘ 污染级 别 质 量浓 度 比 ％ 轻 度 污染 月 良 良 月 良 轻度 污染 月 良 相关 性分析 关性分析如 表 所 示 经分析 , — 月 颗粒物 质 量 结合图 并由 以上分析可知 , 和 的 质 浓度 的相关系 数 依次 为 、 和 , 由 于 量浓 度具有 明 显 的 相关特征 分别对 个监 测 点 丨 ？ 丨 在显 著性水平 的 条件下 均存 月 和 。 的 质量浓度 均值作相关性 在 , 故 和 。 的 质量浓 度存在特 别显 分析 结果如 图 所示 由 图 可 见 和 。 的 著 旳线性相关关系 质量浓度 均 值呈线 性关系 , 其线性 回 归 及显 著 相 表 关于 的质量浓 度线 性 回 归 及 相关性分析 似 显 著性水 平 月 份 斜 率 截距 相关系数 拟合 优度 炉 自 由 度 尺 尺。 月 月 月 注 ： 显 著性水平 由 查 表取得 由 于 根据拟合 时 的 实际 自 由 度 , 月 份按 自 由 度 《 进 行 显著 性检 验 , 、 月 份 按 自 由 度 迸行 显 著性检验 名 监测点得到 的 颗 粒物 质量： 浓 度 均 值进行 空 间 插 值 可进 步可视化整个北京 的 颗粒物污染特征 , 并 空 间插值算法的实现 预测 出 整个插值面上的 颗粒物 质 量浓度月 均值 空 根据表 中 由 个空气质量监测 站点 获取 的 间插值法是一 种通 过 已 知 点或 分区 数据 外推 求任 颗粒物质 量浓度月 均值, 可 知 — 月 北京 的 颗粒物 意点 或分 区数据的方法 通 过该方法可 以 拟合出 的 整 体污染级别 为 掌握其空 间 分布情况 , 通 过 对 区域面上某一 具体经纬 度 对应 的 颗粒物 质量浓度