河南省PM2.5時空變化及其影響因素

韓 艷，董慧敏

（河南城建學院測繪與城市空間信息學院，河南 平頂山 467036）

隨著經濟快速發展和城市化進程快速推進，環境問題接踵而來，大氣污染成為全球重點關注的問題之一。PM2.5（顆粒物直徑≤2.5μm）易吸附有毒、有害物質，顆粒小、質量輕，能夠長時間懸浮于空氣中，易被人體吸入。研究表明呼吸系統疾病和心腦血管系統疾病與PM2.5濃度密切相關［1］，故PM2.5濃度變化引起很多學者關注。

PM2.5來源可分為自然源和人為源，其中自然源涵蓋了風揚塵土、森林火災等多種形式，人為源由一次顆粒物與二次顆粒物組成。一次顆粒物主要來源于燃煤煙塵、工業粉塵、建筑和道路揚塵等污染源向大氣中釋放的一系列顆粒污染物；二次顆粒物主要來源于汽車空調系統的冷凝液、汽車尾氣、燃油燃燒及生物質氣化過程產生的氣態污染物。二次顆粒物經過一系列復雜的化學反應，最終被釋放到大氣中，成為PM2.5的主要貢獻者。目前，對PM2.5的研究多以城市群、經濟帶和省域為研究對象［2－4］，主要關注其化學成分［5］、大氣環流背景［6］、時間和空間變化特征［7－8］、影響因素［9］、跨界輸送、環境污染和環境健康效應［10］等方面。

華北平原是我國四大大氣高污染地區之一，河南省處于華北平原的高濃度污染聚集區。已有學者對河南省特定站點、個別城市和城市帶的PM2.5濃度、重金屬污染來源及健康風險評價進行了研究［11－13］，但對整個河南省PM2.5濃度變化的研究還比較缺乏。本文以2017年1月1日至2022年12月31日河南省的18個觀測站逐小時PM2.5濃度數據為研究對象，采用數據統計、反距離權重和地理探測器等方法，探討河南省PM2.5濃度時間和空間變化特征及其影響因素。研究結果可為河南省治理大氣污染提供參考依據。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

河南省位于黃河中下游，是華北平原重要組成部分，面積為16.7萬km2，占全國總面積的1.73%。平原和盆地面積約占河南省總面積的55.7%；河南省西北部、西部及南部分別是太行山、伏牛山、桐柏山和大別山，山地面積約占總面積的44.3%。河南省季風氣候特征顯著（南部是亞熱帶季風氣候，中北部是溫帶季風氣候），夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年均溫為13.2～15.5℃，年均降水量為480.2～1 115.9 mm，降水量主要集中于夏季［14］（占全年降水量的52.4%）。此外，河南省是我國的人口大省、農業大省、經濟大省，人口總數位居全國第三，耕地面積位居全國第二，GDP位居全國第五。

1.2 數據來源

（1）PM2.5濃度數據：2017年1月1日至2022年12月31日河南省18個站點（南陽、商丘、鄭州、開封、駐馬店、周口、信陽、三門峽、漯河、洛陽、平頂山、安陽、鶴壁、新鄉、焦作、濮陽、許昌、濟源）逐小時的PM2.5濃度數據，來源于中國環境檢測總站（http：／／www.cnemc.cn／）。（2）氣象數據：2017年1月1日至2022年12月31日河南省17個氣象站點（西華、新鄉、三門峽、信陽、鄭州、駐馬店、固始、西峽、南陽、寶豐、安陽、桐柏、許昌、孟津、商丘、永城、開封）逐日氣溫和降水量數據，來源于美國國家海洋和大氣管理局；同期的平均風速數據來源于中國氣象數據網（http：／／data.cma.cn／）。（3）社會經濟數據：包括18個地級市的常住人口、建成區綠化覆蓋率、車輛擁有量、第二產業等指標，來源于河南省統計年鑒（2017—2022年）和18個地級市的統計資料（2017—2022年）。（4）基礎地理信息數據：行政邊界數據來源于國家基礎地理信息中心（http：／／www.ngcc.cn／ngcc／）。

2 研究方法

2.1 反距離權重法

反距離權重法是一種常用的空間插值方法，是基于距離加權插值法的改進和優化［15］。根據反距離權重法的假設，每個測量點均會受到一種局部效應的影響，隨著距離的增加，這種影響逐漸減弱。當一個測試點被分成幾個部分后，如果該區域中所有測點已知，則在每一部分里，用另一些相鄰的點求解未知點。該方法對接近預測位置的點賦予了較高的權重，但隨著距離的增加，權重逐漸降低，因此被稱為反距離權重法。其計算公式為

式中：n為特定區域內對未知點產生影響的已知數；zi為第i個已知點的值；di為第i個已知點到未知點的距離；指定的冪為k，默認為2。借助ArcGIS10.8軟件平臺，采用反距離權重法，繪制2017—2022年河南省PM2.5濃度空間變化圖。

2.2 地理探測器

空間異質性是地理現象的基本特征之一。地理探測器主要被應用于空間分異性影響因素的識別與作用機制研究。該探測器包括4個探測器，分別為生態探測、風險區探測、分異及因子探測和交互作用探測。本文所采用的方法主要是分異及因子探測［16］，探測Y的空間分異性，以及探測某因子X多大程度上解釋了屬性Y的空間分析，用q值度量，其計算公式為

式中：h＝1，…，L；L為變量Y或因子X的分層，即分類或分區；Nh和N分別為層h和全區的單元數；和σ2分別是層h和全區的Y值的方差。q值處于0和1之間，值越大說明Y的空間分異性越明顯；如果分層是由自變量X生成，則q值越大表示自變量X對屬性Y的解釋力越強，反之則越弱。

此外，在ArcGIS10.8軟件平臺上，加載基礎地理信息數據（行政邊界和數字高程模型），繪制研究區位置示意圖。

3 結果與分析

3.1 時間上的變化特征

3.1.1 年際變化特征

2017—2022年河南省18個地級市年均PM2.5濃度呈下降趨勢（見圖1），尤其是2019年以后，下降趨勢明顯（59.2±4.6μg／m3→43.8±3.8μg／m3（均值＋標準差，下文同））。其主要原因是：（1）2019年河南省有針對性地集中開展重點領域、重點行業和關鍵環節的治理，有效降低了污染物排放。（2）通過實施“三散”管理、引入“雙替代”措施，禁止銷售散煤、查扣燃煤散燒設施、整治和取締“散亂污”企業，新建和改造了集中供熱管網，有效地降低了PM2.5的濃度。（3）2020—2022年河南省部分地區實施了交通管制等措施，在一定程度上降低了PM2.5的濃度。

圖1 2017—2022年河南省PM2.5濃度年際變化

圖2 2017—2022年河南省PM2.5濃度季節變化

從分布地區來看，相較于其他城市，安陽市PM2.5濃度偏高。其主要原因是：（1）安陽擁有大量傳統工業，主要以煤炭為能源，排污企業數量多且規模大，即自身產生大量污染物。（2）冬季燃煤取暖，產生更多的大氣顆粒物，加重了污染程度。（3）在冬季，安陽大氣靜態穩定性持續，不利于污染物擴散，導致污染物集聚。（4）受太行山脈和京津冀大氣污染傳輸通道的影響，外來污染物導致污染加重。

在河南省的18個城市中，信陽市PM2.5濃度在觀測年份內均相對較低。其主要原因是：（1）信陽市位于河南省南部，屬亞熱帶季風氣候，年均降水量最高，降水過程對大氣污染物具有一定淋洗作用［17－18］。（2）信陽市污染性企業相對較少，排放至大氣中的污染物較少。（3）信陽市森林覆蓋率達42.3%，對大氣具有一定程度的凈化作用。（4）信陽市距離我國北方污染核心區相對較遠，受其影響相對較小。

3.1.2 季節變化特征

河南省四季PM2.5平均濃度由高到低依次為89.5±16.2μg／m3（冬季）、48.5±5.5μg／m3（秋季）、41.4±6.1μg／m3（春季）、28.8±7.3μg／m3（夏季）。冬季PM2.5平均濃度遠高于其他三季（見圖3）。在四季中冬季污染較重、夏季空氣質量最好。主要原因是：（1）冬季屬于采暖季節，煤炭消耗量增加，輸入至大氣中的顆粒污染物增多。同時，冬季大氣穩定性較好，不利于污染物擴散［19］，從而加重了污染程度。（2）河南省屬于季風氣候，降水量主要集中于夏季，降水過程對大氣污染物具有一定淋洗作用［17－18］，從而減少大氣中的顆粒物。

圖3 2017—2022年河南省PM2.5濃度月份變化

3.1.3 月份變化特征

由圖3可知，（1）2017—2022年河南省18個地級市PM2.5月均濃度呈“U”型變化特征，1～7月呈降低趨勢，其中1～3月降低速度較快，4～7月降低速度較慢；8～12月呈增加趨勢，其中8～9月增加速度較慢，10～12月增加速度較快。（2）10月至次年3月PM2.5濃度較高，即污染較嚴重；4～9月PM2.5濃度較低，空氣質量相對較好。（3）1月PM2.5濃度最高（107.9±12.2μg／m3），7月PM2.5濃度最低（27.0±10.6μg／m3），其原因詳見3.1.2季節變化特征分析。

由以上分析可知，月份分析結果與季節分析結果存在相似的地方：冬季（12月至次年2月）PM2.5濃度最高，污染最嚴重。也存在不一致的地方：（1）從季節尺度來看，夏季（6～8月）空氣質量最好；從月份尺度來看，7～9月PM2.5濃度最低。（2）從季節尺度來看，夏季和春季（3～8月）PM2.5平均濃度較低；從月份尺度來看，4～9月PM2.5平均濃度較低。不一致的主要原因是：季節劃分是按照傳統四季劃分，考慮的主要因素是氣溫和降水量；而月份尺度是以月為單位的PM2.5濃度平均變化。由此可知，PM2.5濃度變化不僅受氣候要素的影響，還具有自身特征。

3.2 空間上的變化特征

總體上，各個年份河南省PM2.5年均濃度呈“北高南低”的變化特征，高值或者低值中心在不同年份的位置不同（見圖4）。具體來講，北部的安陽、濮陽、焦作、濟源、洛陽、開封等地PM2.5年均濃度較高（55～70μg／m3），南部的信陽、駐馬店等地PM2.5年均濃度偏低（35～55μg／m3）。北部城市濃度較高的主要原因是：工業較發達，輸入至大氣中的固態顆粒物較多；冬季采暖燃料主要是煤炭，輸入至大氣中的粉塵顆粒物較多；冬季大氣層較穩定，易發生逆溫，不利于污染物擴散；距離京津冀污染區較近，受其影響較大。南部城市濃度較低的主要原因是：降水量較大，降水過程對空氣具有一定的凈化作用；與北部城市相比，南部城市工業不發達，輸入至大氣中的粉塵顆粒物較少；距離京津冀污染區較遠，受其影響較小。

圖4 2017—2022年河南省PM2.5濃度空間變化

從時空上來看，約以2019年為界，2017—2019年間PM2.5平均濃度值較高（濃度≥55μg／m3，區域面積較大），2020—2022年間濃度值較低，尤其是2021—2022年，絕大部分區域濃度＜50μg／m3。在觀測時間段內，2019年PM2.5平均濃度值最高，絕大部分區域（駐馬店和信陽除外）濃度≥55μg／m3，北部大部分地區（安陽、濮陽、鶴壁、新鄉、濟源、洛陽等）濃度≥60μg／m3；2021年PM2.5平均濃度值最低，絕大部分區域濃度＜45μg／m3，信陽和三門峽等地濃度＜40μg／m3。2020—2022年濃度值較低的原因詳見3.1.1年際變化特征分析。

3.3 影響因素分析

參考已有研究［20－22］，同時根據數據精度和可獲得性，選取7個影響因子（常住人口、建成區綠化覆蓋率、車輛擁有量、第二產業、氣溫、風速和年降水量）來探討河南省PM2.5濃度變化的影響因素。

利用地理探測器確定各影響因子對PM2.5濃度變化的影響，結果如表1所示?？傮w上，各因子對PM2.5濃度變化的解釋力為0.186～0.572。其中，解釋力最大的因子為年均降水量（0.572），其次為第二產業（0.502），第三為平均風速（0.383），第四為常住人口（0.367），解釋力度較小的因子是車輛擁有量、建成區綠化覆蓋率和年均溫，其中解釋力度最小的因子是車輛擁有量（0.186）。由此可知，年均降水量、第二產業、平均風速和常駐人口對河南省PM2.5濃度變化影響較大，車輛擁有量、建成區綠化覆蓋率和年均溫對河南省PM2.5濃度變化的影響較小。

表1 單因子探測結果

河南省屬于季風氣候，降水量主要集中于夏季［14］（占全年降水量52.4%）。PM2.5屬于大氣中的固態顆粒物，而降水能夠將大氣中顆粒物帶落至地面，起到淋洗作用［17－18］，PM2.5濃度季節和月份尺度變化特征給予證實（見圖2、圖3）：從季節來看，夏季PM2.5濃度最低；從月份尺度來看，7～9月PM2.5濃度最低。平均風速增加，促使大氣流動加速，導致污染物擴散，即稀釋了大氣PM2.5濃度。所以，年均降水量和年均風速均顯著影響PM2.5濃度，且年均降水量和年均風速與PM2.5濃度呈負相關，即年均降水量和年均風速增加，大氣PM2.5濃度降低。

第二產業指的是工業，河南省西北部的安陽、濮陽、鶴壁、新鄉、濟源、洛陽等地以機械制造、鋼鐵、煤電化材等為主導產業，而這些工業活動產生大量的固態顆粒物［23］，在所觀測時間段內，這些地區PM2.5濃度較高。而河南省南部地區（信陽、駐馬店等地）第二產業相對不發達，在所觀測時間段內，這些地區PM2.5濃度較低。第二產業顯著影響大氣中PM2.5濃度，且二者之間呈正相關關系，即第二產業愈發達，大氣中PM2.5濃度愈高。建議河南省北部地區進行合理工業布局，淘汰落后高耗能產業，進行產業升級，發展高新技術產業。

各影響因子對PM2.5濃度變化的解釋力中，常駐人口排第四位。隨著人口的聚集，生產和生活所消耗的能源逐漸增加，產生的細小固態顆粒物隨之增多。首先，居民生活方式和消費結構的改變將消耗大量資源能源，尤其是原煤，產生大量的粉塵顆粒。其次，住房和城市公共基礎設施需求會促進城市建設面積擴大，產生大量揚塵，導致大氣PM2.5濃度增加。再次，交通需求導致機動車數量增長，交通擁堵現象頻發，排放大量尾氣。同時，城市建筑密度與高度不斷上升，使得城市內部大氣循環不暢，為污染物集聚以及相互間的化學反應提供了有利條件。

4 結論

通過對河南省的18個觀測站逐小時PM2.5濃度數據研究，得出以下結論：（1）時間方面，2017—2022年河南省年均PM2.5濃度呈下降趨勢；冬季PM2.5濃度遠高于其他三季；PM2.5濃度月份變化呈“U”型，1月濃度最高，7月濃度最低。（2）空間方面，河南省北部PM2.5濃度較高，南部濃度較低。（3）年降水量、第二產業、年均風速和常駐人口等因素主導了河南省PM2.5濃度時間和空間變化，故建議河南省北部地區進行合理工業布局，淘汰落后高耗能產業，進行產業升級，發展高新技術產業。