近10年中国大气PM_10_污染时空格局演变_李名升
地理学报ACTA GEOGRAPHICA SINICA 第68卷第11期
2013年11月V ol.68,No.11Nov.,2013
收稿日期：2013-05-28；修订日期：2013-07-26
基金项目：林业公益性行业科研专项经费项目(201304301)；教育部人文社会科学研究基金项目(10YJCZH130;
11YJA630008)[Foundation:The Forestry Public Welfare Project of China,No.201304301;The Research Projects of the Social Science and Humanity of the Ministry of Education,No.10YJCZH130;No.11YJA630008)]
作者简介：李名升(1981-)，男，山东安丘人，博士，高级工程师，主要从事环境质量综合分析与评价研究。
E-mail:lims@cnemc
1504-1512页
近10年中国大气PM 10污染时空格局演变
李名升，张建辉，张殷俊，周磊，李茜，陈远航
(中国环境监测总站，北京100012)
摘要：为分析近10年来中国PM 10污染时空格局演变，运用统计学和GIS 方法对2002-2012年PM 10监测数据进行分析，结果表明：①地级及以上城市ρ(PM 10)年均值由0.130mg ·m -3下降至0.076mg ·m -3，达标城市比例由37.6%上升至92.0%；环保重点城市ρ(PM 10)日均值超标天数比例由24.7%下降至7.0%。②12月份PM 10污染最重，其次为1月和11月；8月份污染最轻，其次为7月和9月。③PM 10的重污染区域明显减小，由集中连片分布变为零星点状分布。但空间格局未发生明显变化，北方尤其是西北、华北地区及山东、江苏、湖北一直是PM 10污染相对严重地区。④北方地区PM 10污染重于南方地区，两者的差异主要发生在北方采暖期(1-4月及11-12月)。⑤PM 10污染的改善主要体现在重污染城市的改善，1/10左右的重污染城市对降低全国PM 10平均浓度的贡献约占1/3，而清洁城市PM 10污染则有加重趋势。⑥环保重点城市污染天气以轻度污染为主，占全部污染天数的80.4%。受沙尘天气影响，3、4月份发生严重污染天气的比例较高。
关键词：可吸入颗粒物；PM 10；时空格局；空间分异；空气质量
DOI:10.11821/dlxb201311006
随着工业化、城市化快速发展及机动车保有量的大幅增加，环境空气质量尤其是城市空气质量受到不同程度污染，已成为威胁可持续发展和人类健康的重要挑战。影响环境空气质量的主要污染物包括二氧化硫(SO 2)、氮氧化物(NO x )、臭氧(O 3)、颗粒物(PM)及有机物等。其中，颗粒物是空气污染中较为普遍且危害较大的污染物之一[1]。颗粒物中空气动力学直径小于或等于10μm 的称为可吸入颗粒物(PM 10)。由于PM 10能够进入人体的呼吸系统甚至深入肺泡进入人体的血液循环[2-3]，对人体健康的危害更大。有研究表明：空气中可吸入颗粒物的浓度与呼吸统统疾病、心脑血管疾病等的发病率、死亡率有很强的正相关关系[4-5]，此外，颗粒物浓度对大气能见度[6]和全球气候变化[7]也有重要影响。因此，围绕污染分布[8]、健康风险评价[9]、污染来源[10]、影响因素[11]、预测与模拟[12-13]等方面，PM 10的研究已经成为国际大气环境研究的热点之一。
PM 10是影响我国环境空气质量的首要污染物[14]，开展对PM 10的相关研究对我国更具有重要意义。自2000年以来，众多学者在PM 10的污染特征[15-16]、健康评价[17-19]、源解析[20]、跨界污染[21]等方面取得了可喜的成果，分析气象因素[22-23]、沙尘[24]等条件对PM 10污染的影响，试图建立颗粒物的排放源清单[25]，尝试应用遥感手段进行PM 10监测[26-27]。但这些研究多针对某一城市，且时间序列较短[15-16,18-20]，缺乏大尺度长时间序列的研究，对PM 10空间分布规律的探讨更少。
本文利用地级及以上城市2002年以来的监测数据对PM 10污染时空格局进行分析，以
11期李名升等：近10年中国大气PM10污染时空格局演变
期为我国PM10污染防控提供科学依据。
1数据处理与说明
本文中所称地级及以上城市含地级地区、自治州、盟及部分省辖县级市，环境保护重点城市是指原国家环保总局于2002年划定的大气污染防治重点城市。由于监测条件、数据传输等原因，每年地级及以上城市和环保重点城市所包含的城市数量略有差别，其中地级及以上城市自2008年起保持在325个，环保重点城市自2006年起保持在113个。城市名单参见《中国环境质量报告2011》[14]。
我国颗粒物监测经历了降尘—总悬浮颗粒物(TSP)—可吸入颗粒物(PM10)—细颗粒物(PM2.5)的过程。2000年开始，部分城市开始开展PM10监测，大部分城市仍然监测TSP；2002年，监测PM10和TSP的城市各约占1/2；至2006年，地级及以上城市基本实现PM10监测。
由于部分城市在研究初期未开展PM10监测，根据《环境空气质量标准》[28](GB 3095-1996，以下所称《环境空气质量标准》均为此标准)中PM10和TSP的标准限值，将监测TSP城市的TSP监测数据按下式进行统一换算，换算后的数值作为本研究中PM10的浓度值：
ρ
iPM
10=
S
PM
10
S
TSP
⋅ρ
iTSP
式中，i为第i个城市，S为《环境空气质量标准》中PM10或TSP的年均值二级标准限值，ρTSP为TSP的实际监测值，ρPM10为PM10的换算浓度值。
2PM10污染时空格局演变
2.1时间变化趋势
2.1.1地级及以上城市年均值变化2002年以来，全国地级及以上城市ρ(PM10)年均浓度的平均值呈下降趋势，由2002年的0.130mg·m-3下降至2012年的0.076mg·m-3，降幅为41.5%。并且自2005年起，年均浓度平均值已优于《环境空气质量标准》中PM10年均浓度二级标准限值(0.10mg·m-3)。
在全国PM10平均浓度下降的同时，地级及以上城市中ρ(PM10)年均值达到或好于《环境空气质量标准》中二级标准限值的城市
全球十大污染城市
(简称达标城市)逐年增多，达标城市占全
部地级及以上城市的比例由2002年的
37.6%上升至2012年的92.0%。即，11a
来，平均每年约有18个地级及以上城市
PM10污染程度由超标变为达标。
利用Spearman秩相关系数法对地级及
以上城市PM10的变化趋势及统计学显著性
特征进行分析，结果显示：有11a完整监测
数据的306个城市中，ρ(PM10)年均值呈下
降趋势的265个，占86.6%，其中180个呈显著下降趋势(p=0.05)；呈上升趋势的41个，占13.4%，其中仅8个呈显著上升趋势(p=0.05)。图12002-2012年中国地级及以上城市ρ(PM10)年均值与达标城市比例变化趋势
Fig.1The PM10concentration and ratio of reaching standard cities at county level or above in China from2002to2012
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地理学报分析历年各城市ρ(PM 10)年均值分布直方图(图2)可看出：①浓度分布区间在逐年缩小。2002年浓度分布区间为0.012~0.728mg ·m -3，2012年已缩小至0.021~0.262mg ·m -3。②城市集中分布趋势明显。2002年分布于区间0.04~0.10mg ·m -3的城市数量仅为110个(占全部城市数的35.0%)，至2007年已增长至217个，2012年则增长至285个(占全部城市数的87.7%)。③高浓度区和低浓度区城市分布变
化趋势不一致。低浓度区(0~0.04mg ·m -3)城市数量11a 来保持在10个左右，而高浓度区(>0.2mg ·m -3)城市数量由2002年的32个减少至2012年的4个。2.1.2环保重点城市日均值变化根据环保重点
城市空气质量日报监测系统，环保重点城市ρ(PM 10)日均值超过《环境空气质量标准》中二级标准限值(0.15mg ·m -3)的天数(超标天数)占监测总天数的比例呈逐年下降趋势(图
3)。2002年，超标天数比例为24.7%，此后逐年下降，至2008年超标比例已降至10%以下。2012年，超标比例进一步降低至7.0%，较2002年降低14.4个百分点。因此，11a 图2主要年份中国地级及以上城市ρ(PM 10)年均值分布直方图
Fig.2PM 10concentration distribution histogram at county level or above in China in 2002,2007and
2012
图3中国环保重点城市超标天数比例年际变化Fig.3Ratio of daily PM 10
concentration exceeding standard in the key environmental protection cities in China from 2002to
2012图4中国环保重点城市ρ(PM 10)日均值总体超标天数比例
Fig.4Ratio of daily PM 10concentration exceeding standard of key environmental protection cities in China
2002年2007年2012年1506
11期李名升等：近10年中国大气PM 10污染时空格局演变来，每个城市平均每年有6.4天PM 10污染等级由污染变为优或良。分城市看，城市间PM 10污染差异较大。珠海、湛江、海口3市11a 中均未发生PM 10超标现象，而徐州、临汾、包头3市2002年超标天数比例在80%以上。总体而言，30个城市超标天数比例低于5%，主要分布在东部沿海地区；有26个城市11a 中超标天数比例超过20%，其中兰州、临汾、包
头、北京4个城市超过30%。分月份看，12月份超标比例最高，为26.0%，其次为1月和11月；8月份超标比例最低，为3.0%，其次为7月和9月。按季
度看，春、夏、秋、冬季超标比例分别为12.0%、4.5%、12.2%、21.6%，夏季PM 10污染较轻，冬季最重。2.2空间变化趋势
以地级及以上城市2002年、2007年和2012年份ρ(PM 10)年均值数据在ArcGIS 中进行空间插值，得到相
应年份我国PM 10污染的空间格局分布图(图6)。
2002-2012年，全国PM 10污染有较大程度减轻，重污染区域也明显减小，且由集中连片分布变为零星点状分布。但从区域分布看，PM 10污染空间格局未发生明显变化，北方地区尤其是西北、华北地区及山东、江苏、湖北是我国PM 10污染相对严重地区。
2002年，全国PM 10污染极其严重，除东南沿海、两广地区、海南、云南等地外，其
图5中国环保重点城市超标天数月度分布Fig.5Monthly days which daily PM10concentration exceeding standard in the key environmental protection cities in China 图6主要年份中国PM 10污染程度空间分布
Fig.6Spatial distribution of PM 10pollution level
in China in 2002,2007and 20121507
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地理学报余地区呈现大范围连片超标现象。其中，华北、西北地区大部分城市，吉林、河南、四川、山东等省的部分城市污染最为严重，空气中ρ(PM 10)年均值劣于
中三级标准限值。2007年与2002年相比，全国PM 10污染区域明显减少：西北地区的新疆、甘肃部分地区，华北地区的内蒙古、河北部分地区，华东地区大部地区，西南地区四川、贵州大部地区，中南地区湖北、湖南大部地区ρ(PM 10)年均值已达标；污染程度明显减轻：超标现象多为超过二级标准，仅新疆部分地区和宁夏固原地区劣于三级标准。2012年，仅新疆部分地区PM 10污染呈连片分布，其他超标地区呈零星分布状态。3PM 10污染空间分异分析3.1南方地区与北方地区变化状况将大陆地区31个省(自治区、直辖市)划分为南方地区和北方地区①进行分析，结果表明：(1)与全国ρ(PM 10)变化趋势一致，南方和北方地区ρ(PM 10)也均呈下降趋势，但北方地区
降低幅度(48.4%)明显大于南方地区(31.5%)。(2)北方地区气温相对较低，冬季普遍燃煤取暖，气候条件也有利于颗粒物的生成与堆积，且受沙尘天气影响明显。因此，北方地区
PM 10污染明显重于南方地区，ρ(PM 10)平均高出南方地区0.29mg ·m -3。
(3)南北方地区PM 10污染差异在逐年缩小，两者ρ(PM 10)年均值的极差已由2002年的0.067mg ·m -3缩小至2012年的0.018mg ·m -3。
(4)南、北方地区PM 10污染差异主要发生在1-4月及11-12月。5-10月，虽然北方地区PM 10污染重于南方地区，但两者相差不大，ρ(PM 10)日均值超标天数比例仅相差2个百分点。在其余6个月份，ρ(PM 10)日均值超标天数比例相差12个百分点。
(5)南方地区10月份污染程度在12个月份中居第4位，而北方地区10月份污染程度居第7位；北方地区
2月份污染程度居第4位，南方地区2月份污染程度居第6位。其余10个月份按污染程度所排位次基本相同。3.2重污染城市与清洁城市变化状况3.2.1重污染城市2006年，PM 10污染最重的30个地级及以上城市依次为：和田、阿克苏、吕梁、忻州、固原、兰州、阿图什、临汾、喀什、北京、大同、达州、乌鲁木齐、中卫、兴安、运城、库尔勒、石家庄、太原、平顶山、白银、渭南、包头、邢台、赤峰、西宁、西安、延安、长治、乌海，ρ(PM 10)年均值分布区间为0.128~0.274mg ·m -3，平均值为0.161mg ·m -3。其中，14个城市年均浓度大于0.150mg ·m -3，劣于三级标准限值。30个①本文北方地区指华北、东北、西北诸省及山东、河南，其余省份为南方地区。图7南方与北方地区地级及以上城市ρ(PM 10)年均值变化趋势Fig.7Annual average PM 10concentration of southern and northern China 图8南方与北方地区环保重点城市ρ(PM 10)日均值逐月超标比例Fig.8Monthly ratio of daily PM 10concentration exceeding standard of southern and northern China 1508

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