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中国特大型城市空气污染指数的时空变化*
任婉侠摇薛摇冰
1
1**
(1中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016;2西北师范大学地理与环境科学学院,兰州730070;3中国科学院大学,北京100049)
摇张摇琳摇马志孝摇耿摇涌
2
1,3
1
摘摇要摇城市空气污染已成为制约中国可持续发展的核心环境问题,探索特大型城市空气污染的时空变化规律,对制定区域环境管理政策具有重要指导意义。以北京、上海、天津和重庆4个特大型城市为例,以2000年7月—2012年6月累计4382d的日空气污染指数(API)为数据源,分析中国特大型城市空气质量的时空变化特征及区域分异规律。2000—2012年北京、上海、天津和重庆4个特大型城市空气质量逐年改善,2011/12年度大气优良天数比2000/01年度分别提升了60%、9%、112%和80%。但局部时段大气污染反弹并趋于严重现象频次较高;城市空气质量季节性变化明显,年度空气质量呈现“V冶型规律;城市首要大气污染物已由SO2转变为可吸入颗粒物即PM10,表明城市大气污染源越来越复杂;城市间API季节性变化特征有趋于同步的变化趋势,大气污染已成为区域性环境问题;4个城市API变化周期均呈现300和150d的尺度;除重庆外,北京、上海、天津的API呈现周末效应,城市API受到自然与人文因素的双重影响。
关键词摇人地关系;环境政策;城市生态;空气污染指数(API);小波变换
SpatiotemporalvariationsofairpollutionindexinChina爷smegacities.RENWan鄄xia1,XUEBing1**,ZHANGLin2,MAZhi鄄xiao1,3,GENGYong1(1InstituteofAppliedEcology,Chi鄄neseAcademyofSciences,Shenyang110016,China;2CollegeofGeography&EnvironmentalSci鄄ence,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China;3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China).ChineseJournalofEcology,2013,32(10):2788-2796.Abstract:UrbanairpollutionhasbeenoneofthekeyenvironmentalproblemsrestrictingChina爷ssustainabledevelopment.ItisofsignificancetoapproachthespatiotemporalpatternsofairpollutioninmegacitiesfortheestablishmentofregionalenvironmentalmanagementpoliciesinChina.TakingBeijing,Shanghai,Tianjin,andChongqingasthestudycases,andbasedonthedatabaseofairpollutionindex(API)fromJuly2000toJune2012,atotalof4382days,thispa鄄peranalyzedthespatiotemporalvariationcharacteristicsandregionaldifferentiationpatternsofairqualityinChina爷smegacities.During2000-2012,theairqualityinBeijing,Shanghai,Tian鄄jin,andChongqinghadbeenimprovedgradually,inwhich,thetotaldayswiththeairqualityoverNationalgradesIandIIin2011/12increasedby60%,9%,112%,and80%,respective鄄ly,ascomparedtothosein2000/01.However,indefiniteperiodsoftime,thereexistedthere鄄boundofairpollution,withahigherfrequencyofseriouspollution.ThedailyaverageAPIinthefourmegacitieshadadistinctseasonalvariation,withthepollutionaccumulationtypeof“V冶.ThePM10hadreplacedSO2intotheprimaryairpollutant,indicatingthattheairpollutionsourcesinthemegacitiesweremoreandmorecomplicated.Duetothesynchronizationtrendinthesea鄄sonalvariationofAPIamongthemegacities,urbanairpollutionhadbecomearegionalenviron鄄mentalproblem.Inthefourmegacities,theprimaryperiodofthedailyAPIvariationwasaround300days,andthesecondaryperiodwasaround150days.ExceptthatinChongqing,theAPIinBeijing,Shanghai,andTianjinpresentedthe‘weekendeffect爷.ItwassuggestedtheurbanAPI中图分类号摇S963摇文献标识码摇A摇文章编号摇1000-4890(2013)10-2788-09
*国家自然科学基金项目(71303230、41101126、41261112和71033004)、国家科技支撑计划项目(2011BAJ06B01)、科技部国际合作项目(2011DFA91810)、联合国大学UrbanCo鄄benefits项目和日本国立环境研究所UrbanAirQuality项目资助。**通讯作者E鄄mail:[email protected]
收稿日期:2013鄄03鄄17摇摇接受日期:2013鄄06鄄08
:中国特大型城市空气污染指数的时空变化2789
wasduallyaffectedbythenaturalandhumanelements.
Keywords:human鄄naturalrelationship;environmentalpolicy;urbanecology;airpollutionindex(API);wavelettransform.
摇摇我国城市化与工业化进程持续加快,在历史环境问题积累日益凸显与现代环境意识逐渐提升的双重驱动下,城市空气污染问题逐渐成为制约中国可2011)。我国城市大气污染类型已经从煤烟型污染转化为煤烟型与机动车尾气污染共存的复合型污染持续发展的核心问题(徐祥德等,2005;王海鹏等,
资料,揭示了中国沿海城市API的变化特征,并认为其具有季节性变化趋势;段玉森等(2008)利用经验正交函数方法对中国47个环保重点城市2004年7月—2006年6月的API进行时空划分,并结合Mor鄄let小波对各时空分布型进行时间序列周期性分析,建立了全国环保重点城市API指数时空模态区域分2013),(高申,2012;Wang&Hao,2012;Duan&Tan,
的不合理排放增加同时在快速城市化与工业化背景下污染物,城市大气氧化性增强,细粒子污
2004)。染严重,对公众健康产生了深远影响(任阵海等,
大气颗粒物的质量浓度与人体健康状况显著相关近年来,流行病学和毒理学研究已经证实,2002;Gong(Jones,1999;Panyacosit,2000;Brunekreef&Holgate,
可吸入颗粒物etal.(PM,2012;Nowaketal.,2013)。例如,亡以及由呼吸性疾病和心血管疾病引起的死亡存在10)与由肺功能衰竭所引起的死明显的相关性,而细颗粒物(PM癌的相关性更为明显(2012)(Bericoet2.al.5)与心肺疾病和肺,1997)。Zhu等氧化硫(SO以兰州市为案例区开展的研究表明),氮氧化合物(NO,空气二2x)以及PM10等污染物浓度与下呼吸道疾病存着明显的对应关系。由于我国绝大部分可以公开获取的空气环境监测数据均为年报或者季节性报告,因此,以日报为主要特征的空气污染指数(airpollutionindex,API)成为研究城市空气污染的重要资料源(段玉森等,2008)。API是将常规监测的几种空气污染物的浓度简化成为单一的概念性数值形式,并分级表征空气质量状况与空气污染的程度,适用于表示城市的短期空气质量状况的变化趋势。中国空气质量日报的监测项目由国家统一规定为二氧化硫(SO和可吸入颗粒物(PM2)、二氧化氮(NO2)染物的污染分指数,取其中最大者为该城市的空气10)3项,每天分别计算各种污污染指数,当API>50时,其对应的污染物为当天首要污染物。需要指出的是,API仅体现主要污染物污染程度(Cheng,不能体现多种污染物同时超标的特点在城市空气污染的时空分布特征上etal.,2004)。
,王斌和高会旺(2008)利用聚类分析和时间序列方法基于沿海23个城市2001年6月—2005年6月4年的API
异体系;孙丹等(2012)则利用2001—2010年京津冀、长三角和珠三角三大城市群的9个代表性城市的日API数据,研究了城市群和城市API年际和季节变化,认为大气污染呈现一定的区域同质化特征。在空气污染的具体关联要素上,王海鹏等(2011)则采用一维连续小波变化分析了兰州大气污染的多尺度变化特征,认为其主要受地形条件的影响导致大气污染呈现“冬重夏轻冶的格局,同时因为河西走廊沙尘活动的影响导致春季污染次高峰的发生;李小飞等(2012)分析中国42个城市的空气质量变化特征,认为API与降水量、风速、逆温线性相关,李文杰等(2012)研究了北京、天津和石家庄3市的API与气象要素之间的关系,认为API与气温、最高气压、水汽压和最大风速存在一致的相关关系。
综上所述,城市的API变化普遍具有季节性周期变化规律,而其主要影响机制主要是气象、地形等自然因素。在工业化初期阶段,传统的经济发展模式使得环境问题日趋严重,但其累积显现效应仍不突出,而随着城市进入工业化中后期,其所积累的历史环境问题将会逐步显现(Gongetal.,2012)。因而对于现时期的城市API分布特征及其关联要素挖掘,也需要进一步从时空耦合与对比角度开展综合性探索研究,以分析阐明不同类型城市API的大尺度时空变化特征,并根据城市发展特点分析其潜在的人文影响要素API,实现自然与人文双重角度对城市提供更为科学的决策依据变化进行客观解释,以期为城市环境政策制定。因此,本文以北京、上海、天津和重庆4个特大型城市为案例,利用小波分析方法,基于2000年7月—2012年6月的逐日API数据资料,开展特大型城市API周期特征和异变特征的比较研究,旨在探索特大型城市空气污染的变化规律,为大气环境质量管理提供参考。
center.mep.gov.cn/report/air_daily/air_dairy.jsp
以中国环保部网站数据中心(http://data鄄
2004;陈克龙等,2007;王海鹏等,2011)。相比于奇异谱分析(SSA)及傅里叶(Fourier)分析,小波变换能够更好地表达信号的局域频谱特征(严银汉等,特征的研究方法,所谓多时间尺度,指系统变化并不存在真正意义上的周期性,而是时而以这种周期变2012)。多时间尺度分析是一种针对研究对象变化化特征,对信号具有多尺度分析功能(许月卿等,
[2012鄄09鄄29])提供的北京、上海、天津和重庆空气质量日报为数据源,以每日的API表征每日最主要污染物浓度的日均值。数据起止时间是2000年74382),为了数据分析中的可比较性,将当年7月1月1日(序号为1)—2012年6月30日(序号为日1日——2001次年6月年306月日定义为年度30日记为“2000,例如/01,2000年度年冶。7月过周期法对数据进行边界效应消除处理,主要的数通据处理和小波变换在1郾2摇案例区
Matlab7.0中实现。
北京是全国的政治和文化中心,地处华北中部,是内陆北方地区大都市气候的典型,2010年常住人口约1962万人,城市化率77.31%;因为2008年奥运会的缘故,北京的产业结构经历了较大幅度的调整,重大工业区的搬迁、城市公共交通体系完善、周边省份环境的联动治理共同促进了北京空气质量的改善,但对于2000—2012年的整体空气环境质量及其周期变化规律,仍然需要进一步开展研究,特别是阐明(Ma理政策et2008,al.具有较大的指导意义,2011),年后的空气质量变化是否存在反弹效应对进一步规范和反思区域环境治。上海是中国最具现代特色的商业化国际大都市,是长江三角洲冲击平原的一部分,地势低平,属于亚热带季风气候,2010年常住人口约2303万人,城市化率88.86%。天津是我国北方最大的沿海开放城市,2006年3月国务院常务会议将天津完整定位为“中国环渤海地区经济中心、国际港口城市、北方经济中心、生态城市冶,并设立为国家综合配套改革试验区,2010年常住人口约1290万人,城市化率61.11%。重庆地处西南,位于长江上游地区巴蜀盆地东部,是西南地区代表性城市,2010年常住人口2885万人,是4个案例3城市中人口最多个案例城市而言、土地面积最大的城市,,相对于其他
化进程当中,城市化率为重庆正处于快速城市化与工业53.02%,比全国平均水平高出3.34个百分点。而4个城市的不同发展特征及其经济地理区位,对这些典型特大型城市的研究具有一定的普遍意义,可为中国其他地区城市化发展过程中大气污染控制及其管理提供经验借鉴。化,时而以另一种周期变化,并且同一时段中又包含各种时间尺度的周期变化(Kumar,1993)。通过采用复数小波(complexMorletwavelet)对北京、上海、天津和重庆的API指数进行多时间尺度分析,以比窗口Fourier分析能更好地反映出信号的局部特征。不同尺度随时间变化的小波特征通过沿平行于横坐标的方向截取分析,不同时间随尺度变化的小波特征沿平行于纵坐标的方向截取分析,不同时间尺度下的小波系数可以反映系统在该时间尺度下的演变特性和突变特征(冯奇等,2011)。正的小波系数对应于API偏高时间段,负的小波系数对应于API偏低的时间段,其为0对应于突变点,小波系数绝对值越大,表明该时间尺度变化越显著(冯奇等,2011)。2摇结果与分析
2郾1摇重庆空气质量明显改善2000城市总体空气质量变化及关联机制
年7月—2012年,20116月/,12北京年度大气优良天、上海、天津和数分别达到274、342、314和320d,比2000/01年分别提高了60%、9%、112%和80%(图1)。由此可见,天津大气质量改善最为显著,其次是重庆和北京。虽然上海优良天数变化最小,却是空气质量持续最佳的城市。另外,重庆市从05/06年度后空气质量未见明显改善(图1),这与重庆市地处四川盆地东部,作为河谷型城市较易形成大气汇聚带和静风汇,使大气污染物不易输出(杨永春等,2007);北京市空气质量反复最为明显,04/05年度和08/09年度空气质量最佳,这主要得益于重污染企业外迁及举办北京奥运会(Schleicheretal.,2012),00/01和05/06年度北京市空气质量最差,除了与燃煤和机动车尾气排放加剧影响有关外,还与频繁的沙尘天气有关(Guoetal.,2004;Wangetal.,2006),因为同步记录的气象数据可知2000、2005和2006年北
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燥、少雨或逆温天气,污染物难于扩散有关,也和采暖、消耗化石燃料多有关(潘虹梅等,2008)。夏季污染较轻是由于夏季多雨,雨水对颗粒物等有吸附清除作用(王斌和高会旺,2008;孙丹等,2012)。
2000—2012年4个城市API月均值(图2)基本
表现出“V冶形变化规律,年变化趋势与周期服从夏季偏低,其他季节偏高的规律,特别是冬季和春季的API值最高。但随着污染来源逐渐由工矿企业、冬转变(中华人民共和国环境保护部等,2012),近年来,城市API的季节性变化特征正在逐年减弱,API
图1摇2000—2012年四大城市年均值API变化
Fig.1摇ChangeofaverageannualAPIofthemegacitiesofBeijing(BJ),Shanghai(SH),Chongqing(CQ)andTianjin(TJ)from2000to2012
季取暖向以机动车尾气排放和沙尘为代表的复合型
有趋于同步的变化趋势,这表明随着新型工业化的推进和区域产业结构的调整,特别是随着环境友好型社会的建设,区域大气环境污染影响要素已经逐步从传统的生产活动影响为主转向生产活动与消费活动并重,而由于城市内部交通以及城际交通的便2004;Shaoetal.,2006),需要积极强化区域联防联2郾2摇城市空气质量多时间尺度分析控,实施多污染物协同控制。
捷化,大气环境质量呈现大区域特征(任阵海等,
京市分别出现了14次、4次和15次沙尘天气,而沙尘天气对总悬浮颗粒物浓度增加有绝对贡献,同时也表明自然和人文两大要素对城市空气质量都产生显著影响。
2000—2012年,北京、上海、天津和重庆这4个
200)及以上的天数占总天数的比例分别为33%、12%、22%和26%,可吸入颗粒物(PM10)作为污染物出现的频率最高,取代SO2成为我国特大型城市首要大气污染物,表明引起我国特大型城市大气污染的因素越来越复杂。北京、上海、天津和重庆4个城市污染指数达到国家芋级及以上的污染天数中出60%、75%、71%和76%,表明城市大气污染存在着现在当年11月—次年4月污染天数的比例分别为明显的季节变化,冬、春季污染最重,秋季次之,而夏季相对较轻。冬、春季污染重主要与这些季节较干
案例城市的空气污染指数达到国家芋级(101~
同时间尺度上呈现周期性震荡特征(图3)。震荡信号的强弱通过小波系数的大小表示:灰度图中灰度值越小表示小波系数越大,API值越大,大气污染越严重,反之亦然。图3上半部分(250d以上)表示较长时间尺度的周期性震荡,且其灰度值呈现较为明显的周期性震荡,下半部分表示较短时间尺度的周期性震荡。图3显示每年冬季对应的灰度值相对较低,夏季对应的灰度值较高,总体上灰度值有逐年增大的趋势,表明在较大时间尺度上4个特大型城市的大气污染呈现出一定的周期性,且大气环境逐年改善
。
4个特大型城市近十多年来日均API指数在不
图2摇四大城市2000—2012年API月均值时间序列变化
Fig.2摇TimeseriesformonthlyaverageAPIinBJ,SH,CQandTJfrom2000to2012
2792摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇生态学杂志摇第32卷摇第10期摇
图3摇2000—2012年4大城市日均API时间鄄尺度分布
Fig.3摇Time鄄scaledistributionofdailyaverageAPIinthefourmegacitiesfrom2000to2012
摇摇为了确定对API指数时间序列变化起主要作用的周期,对4大城市日均API序列进行小波方差检验(图4)。结果表明,研究期内的4个特大型城市大气污染状况具有300d左右主周期和150d左右的次周期。北京存在70和30d左右的波峰,上海和重庆存在30d左右波峰。北京在150d尺度上方差峰值也较高,与上海和重庆300d左右的小波方差峰值相当,表明北京是4个特大型城市中空气质量最差的城市,其次是天津,这与两者产业性质及地
理位置临近紧密相关,也进一步证实大气污染已成为区域性环境问题,必须采取联防联控措施。
为了更详尽地考察4个特大型城市近些年大气污染状况的变化规律,结合日均API小波变换分析的主周期和次周期,选择了1年(365d)、主周期(300d)、次周期(150d)和1个月(30d)这4个时间尺度分析小波系数的变化过程(图5—图8)。
在1年(365d)的时间尺度上,4个特大型城市的API指数均表现出“高鄄低冶反复的周期性震荡,
波
图4摇空气污染指数时间序列小波方差
Fig.4摇WaveletvarianceofAPItimeseries
:中国特大型城市空气污染指数的时空变化2793
图5摇4个特征尺度下北京日均API小波变化曲线
Fig.5摇FourtimescalescharacterfordailyaverageAPIwavelettransformationin
Beijing
图6摇4个特征尺度下上海日均API小波变化曲线
Fig.6摇FourtimescalescharacterfordailyaverageAPIwavelettransformationinShanghai
峰出现在每年11月—次年1月左右,冬季污染最为突出,波谷出现在每年7—9月附近,夏季大气质量最佳。北京震荡反复最为明显,2002年7月—2005年7月波峰值较低,后有所升高,直到2008年又有所降低;00/01年度和05/06年度振幅较大,大气污染较其他年份严重。以300d主周期为例,对4个城市来说,在主周期尺度上小波系数曲线均呈周期性震荡,且其周期性最为明显。在遇到波峰时,空气污染指数明显增加,但遇到波谷时,其数值明显降低,且总体上振幅逐渐减小,但4个城市之间还存在
明显的差异,北京和天津振幅变小趋势明显,而上海和重庆振幅变化平缓,而且重庆2003年7月后的小周系数曲线振幅加大,直到2011年7月后方有降低趋势,因此近些年重庆大气质量改善不如其他3个城市明显,表明中国城市大气污染程度有从东部沿海向西部地区逐渐加大的趋势。
在次周期尺度上(150d),小波系数曲线具有更为明显的波动性,震荡周期变短,频率变高,除了冬季出现振幅较高的波动外,春季也出现了振幅加大的现象,对应春季污染与冬季污染引起的小波系数
2794摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇生态学杂志摇第32卷摇第10期摇
图7摇4个特征尺度下重庆日均API小波变化曲线
Fig.7摇FourtimescalescharacterfordailyaverageAPIwavelettransformationin
Chongqing
图8摇4个特征尺度下天津日均API小波变化曲线
Fig.8摇FourtimescalescharacterfordailyaverageAPIwavelettransformationinTianjin
波动较为吻合。在1个月(30d)尺度上,震荡加剧,频率更高,规律性更为显著,均呈冬季振幅最大,春季鄄秋季次之,而夏季振幅最低的趋势。因此,冬季污染高峰期过后,这些城市往往伴随着春季污染的次高峰,说明特大型城市大气环境质量具有过程性。在这个过程期间,污染源没有变化,却出现持续污染的环境过程,这是大气环境需要探索的科学问题(任阵海等,2004)。
摇摇大气物理条件在周末(星期六到下星期一)和工作日(主要是周三到周五)表现出明显的差异,这
种1周时间尺度的循环被称为周末效应(丁一汇等,2009),该现象在世界许多地区尤其是一些大都2006;Choi&Kim,2012)。近20年来中国地区的温2007),例如,环北京地区API表现出明显的“周三2012)。
市都观测到(Beaney&Gough,2002;Gongetal.,度和降水的周末效应明显(Gongetal.,2006,最大,周日最小冶的周循环特征(侯灵和姚展予,
对2000—2012年北京、上海、天津和重庆4个
特大型城市每年1周各日API平均值的分析结果表
:中国特大型城市空气污染指数的时空变化2795
图9摇4大城市2000—2012年周一至周日API均值变化
Fig.9摇APImeansofeverydayinaweekforthefourmegacitiesfrom2000to2012
明,北京、上海和天津1周各日API指数基本上呈现周三和周六比其他时间略高的规律,其中北京和上海市趋势最为明显,存在周末效应,而重庆是4个城市中周末效应最不显著的区域(图9)。综合分析表明,“周末效应冶似乎在经济更为发达、城市内部人员流动更为频繁的国际化城市更加明显。这是因为周末效应主要与1周内空气污染物(气溶胶污染物)的浓度变化密切相关,而气溶胶浓度变化又与1周内人类活动造成的污染物排放强度和时空分布有关(丁一汇等,2009),由于目前并未发现任何自然过程能够产生周期为7d左右的长时间天气变化,所以有学者认为这种周期过程的存在是人类对气候影响的一种表现(B覿umer&Vogel,2007)。本文的分析也证实了工业化和城市化程度高的城市如北京、上海和天津API存在1周周期循环,而同为特大型城市的重庆因为其工业化与城市化进程相对滞后未存在明显的周末效应。3摇结摇论
2000—2012年北京、上海、天津和重庆4个特
虽然上海市是4个城市中优良天数提升最慢的城市,但却是这些城市中大气质量保持最好的城市。另外,近年局部时段这4个城市大气污染存在反弹现象并有愈发严重的趋势,特别是北京市大气质量反复最严重。城市空气质量季节性变化明显,冬、春季污染最重,秋季次之,而夏季相对较轻,全年空气质量呈现明显的“V冶型规律,冬季污染高峰期过后,往往伴随着春季污染的次高,特大型城市大气质量显示出明显的过程性。城市API的季节性变化特征正在逐年减弱,有趋于同步的变化趋势,大气污染已成为区域性环境问题。
通过运用复Morlet小波对4个特大型城市API指数的时间序列进行小波变换分析,反映出城市API变化周期均有300和150d的尺度,而除天津以上海和天津API变化呈现周末效应,尤以北京和上海效应显著,而重庆未出现明显的周末效应,说明API变化同时受人类活动影响,尤其是工业化和城市化进程已经较为成熟的特大型城市。
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ZhangWY,etalbyairpollutiononlowerrespiratory.2012.diseasesShort鄄termandforecastingeffects
mentthe,51group:29-38.methodofdatahandling.AtmosphericEnviron鄄作者简介摇任婉侠,1977年生,博士,助理研究员,主要研究方向为环境技术政策评估与应对气wanxia@候变化。E鄄mail:ren鄄责任编辑iae.摇魏中青
ac.cn
摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇
中国特大型城市空气污染指数的时空变化*
任婉侠摇薛摇冰
1
1**
(1中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016;2西北师范大学地理与环境科学学院,兰州730070;3中国科学院大学,北京100049)
摇张摇琳摇马志孝摇耿摇涌
2
1,3
1
摘摇要摇城市空气污染已成为制约中国可持续发展的核心环境问题,探索特大型城市空气污染的时空变化规律,对制定区域环境管理政策具有重要指导意义。以北京、上海、天津和重庆4个特大型城市为例,以2000年7月—2012年6月累计4382d的日空气污染指数(API)为数据源,分析中国特大型城市空气质量的时空变化特征及区域分异规律。2000—2012年北京、上海、天津和重庆4个特大型城市空气质量逐年改善,2011/12年度大气优良天数比2000/01年度分别提升了60%、9%、112%和80%。但局部时段大气污染反弹并趋于严重现象频次较高;城市空气质量季节性变化明显,年度空气质量呈现“V冶型规律;城市首要大气污染物已由SO2转变为可吸入颗粒物即PM10,表明城市大气污染源越来越复杂;城市间API季节性变化特征有趋于同步的变化趋势,大气污染已成为区域性环境问题;4个城市API变化周期均呈现300和150d的尺度;除重庆外,北京、上海、天津的API呈现周末效应,城市API受到自然与人文因素的双重影响。
关键词摇人地关系;环境政策;城市生态;空气污染指数(API);小波变换
SpatiotemporalvariationsofairpollutionindexinChina爷smegacities.RENWan鄄xia1,XUEBing1**,ZHANGLin2,MAZhi鄄xiao1,3,GENGYong1(1InstituteofAppliedEcology,Chi鄄neseAcademyofSciences,Shenyang110016,China;2CollegeofGeography&EnvironmentalSci鄄ence,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China;3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China).ChineseJournalofEcology,2013,32(10):2788-2796.Abstract:UrbanairpollutionhasbeenoneofthekeyenvironmentalproblemsrestrictingChina爷ssustainabledevelopment.ItisofsignificancetoapproachthespatiotemporalpatternsofairpollutioninmegacitiesfortheestablishmentofregionalenvironmentalmanagementpoliciesinChina.TakingBeijing,Shanghai,Tianjin,andChongqingasthestudycases,andbasedonthedatabaseofairpollutionindex(API)fromJuly2000toJune2012,atotalof4382days,thispa鄄peranalyzedthespatiotemporalvariationcharacteristicsandregionaldifferentiationpatternsofairqualityinChina爷smegacities.During2000-2012,theairqualityinBeijing,Shanghai,Tian鄄jin,andChongqinghadbeenimprovedgradually,inwhich,thetotaldayswiththeairqualityoverNationalgradesIandIIin2011/12increasedby60%,9%,112%,and80%,respective鄄ly,ascomparedtothosein2000/01.However,indefiniteperiodsoftime,thereexistedthere鄄boundofairpollution,withahigherfrequencyofseriouspollution.ThedailyaverageAPIinthefourmegacitieshadadistinctseasonalvariation,withthepollutionaccumulationtypeof“V冶.ThePM10hadreplacedSO2intotheprimaryairpollutant,indicatingthattheairpollutionsourcesinthemegacitiesweremoreandmorecomplicated.Duetothesynchronizationtrendinthesea鄄sonalvariationofAPIamongthemegacities,urbanairpollutionhadbecomearegionalenviron鄄mentalproblem.Inthefourmegacities,theprimaryperiodofthedailyAPIvariationwasaround300days,andthesecondaryperiodwasaround150days.ExceptthatinChongqing,theAPIinBeijing,Shanghai,andTianjinpresentedthe‘weekendeffect爷.ItwassuggestedtheurbanAPI中图分类号摇S963摇文献标识码摇A摇文章编号摇1000-4890(2013)10-2788-09
*国家自然科学基金项目(71303230、41101126、41261112和71033004)、国家科技支撑计划项目(2011BAJ06B01)、科技部国际合作项目(2011DFA91810)、联合国大学UrbanCo鄄benefits项目和日本国立环境研究所UrbanAirQuality项目资助。**通讯作者E鄄mail:[email protected]
收稿日期:2013鄄03鄄17摇摇接受日期:2013鄄06鄄08
:中国特大型城市空气污染指数的时空变化2789
wasduallyaffectedbythenaturalandhumanelements.
Keywords:human鄄naturalrelationship;environmentalpolicy;urbanecology;airpollutionindex(API);wavelettransform.
摇摇我国城市化与工业化进程持续加快,在历史环境问题积累日益凸显与现代环境意识逐渐提升的双重驱动下,城市空气污染问题逐渐成为制约中国可2011)。我国城市大气污染类型已经从煤烟型污染转化为煤烟型与机动车尾气污染共存的复合型污染持续发展的核心问题(徐祥德等,2005;王海鹏等,
资料,揭示了中国沿海城市API的变化特征,并认为其具有季节性变化趋势;段玉森等(2008)利用经验正交函数方法对中国47个环保重点城市2004年7月—2006年6月的API进行时空划分,并结合Mor鄄let小波对各时空分布型进行时间序列周期性分析,建立了全国环保重点城市API指数时空模态区域分2013),(高申,2012;Wang&Hao,2012;Duan&Tan,
的不合理排放增加同时在快速城市化与工业化背景下污染物,城市大气氧化性增强,细粒子污
2004)。染严重,对公众健康产生了深远影响(任阵海等,
大气颗粒物的质量浓度与人体健康状况显著相关近年来,流行病学和毒理学研究已经证实,2002;Gong(Jones,1999;Panyacosit,2000;Brunekreef&Holgate,
可吸入颗粒物etal.(PM,2012;Nowaketal.,2013)。例如,亡以及由呼吸性疾病和心血管疾病引起的死亡存在10)与由肺功能衰竭所引起的死明显的相关性,而细颗粒物(PM癌的相关性更为明显(2012)(Bericoet2.al.5)与心肺疾病和肺,1997)。Zhu等氧化硫(SO以兰州市为案例区开展的研究表明),氮氧化合物(NO,空气二2x)以及PM10等污染物浓度与下呼吸道疾病存着明显的对应关系。由于我国绝大部分可以公开获取的空气环境监测数据均为年报或者季节性报告,因此,以日报为主要特征的空气污染指数(airpollutionindex,API)成为研究城市空气污染的重要资料源(段玉森等,2008)。API是将常规监测的几种空气污染物的浓度简化成为单一的概念性数值形式,并分级表征空气质量状况与空气污染的程度,适用于表示城市的短期空气质量状况的变化趋势。中国空气质量日报的监测项目由国家统一规定为二氧化硫(SO和可吸入颗粒物(PM2)、二氧化氮(NO2)染物的污染分指数,取其中最大者为该城市的空气10)3项,每天分别计算各种污污染指数,当API>50时,其对应的污染物为当天首要污染物。需要指出的是,API仅体现主要污染物污染程度(Cheng,不能体现多种污染物同时超标的特点在城市空气污染的时空分布特征上etal.,2004)。
,王斌和高会旺(2008)利用聚类分析和时间序列方法基于沿海23个城市2001年6月—2005年6月4年的API
异体系;孙丹等(2012)则利用2001—2010年京津冀、长三角和珠三角三大城市群的9个代表性城市的日API数据,研究了城市群和城市API年际和季节变化,认为大气污染呈现一定的区域同质化特征。在空气污染的具体关联要素上,王海鹏等(2011)则采用一维连续小波变化分析了兰州大气污染的多尺度变化特征,认为其主要受地形条件的影响导致大气污染呈现“冬重夏轻冶的格局,同时因为河西走廊沙尘活动的影响导致春季污染次高峰的发生;李小飞等(2012)分析中国42个城市的空气质量变化特征,认为API与降水量、风速、逆温线性相关,李文杰等(2012)研究了北京、天津和石家庄3市的API与气象要素之间的关系,认为API与气温、最高气压、水汽压和最大风速存在一致的相关关系。
综上所述,城市的API变化普遍具有季节性周期变化规律,而其主要影响机制主要是气象、地形等自然因素。在工业化初期阶段,传统的经济发展模式使得环境问题日趋严重,但其累积显现效应仍不突出,而随着城市进入工业化中后期,其所积累的历史环境问题将会逐步显现(Gongetal.,2012)。因而对于现时期的城市API分布特征及其关联要素挖掘,也需要进一步从时空耦合与对比角度开展综合性探索研究,以分析阐明不同类型城市API的大尺度时空变化特征,并根据城市发展特点分析其潜在的人文影响要素API,实现自然与人文双重角度对城市提供更为科学的决策依据变化进行客观解释,以期为城市环境政策制定。因此,本文以北京、上海、天津和重庆4个特大型城市为案例,利用小波分析方法,基于2000年7月—2012年6月的逐日API数据资料,开展特大型城市API周期特征和异变特征的比较研究,旨在探索特大型城市空气污染的变化规律,为大气环境质量管理提供参考。
center.mep.gov.cn/report/air_daily/air_dairy.jsp
以中国环保部网站数据中心(http://data鄄
2004;陈克龙等,2007;王海鹏等,2011)。相比于奇异谱分析(SSA)及傅里叶(Fourier)分析,小波变换能够更好地表达信号的局域频谱特征(严银汉等,特征的研究方法,所谓多时间尺度,指系统变化并不存在真正意义上的周期性,而是时而以这种周期变2012)。多时间尺度分析是一种针对研究对象变化化特征,对信号具有多尺度分析功能(许月卿等,
[2012鄄09鄄29])提供的北京、上海、天津和重庆空气质量日报为数据源,以每日的API表征每日最主要污染物浓度的日均值。数据起止时间是2000年74382),为了数据分析中的可比较性,将当年7月1月1日(序号为1)—2012年6月30日(序号为日1日——2001次年6月年306月日定义为年度30日记为“2000,例如/01,2000年度年冶。7月过周期法对数据进行边界效应消除处理,主要的数通据处理和小波变换在1郾2摇案例区
Matlab7.0中实现。
北京是全国的政治和文化中心,地处华北中部,是内陆北方地区大都市气候的典型,2010年常住人口约1962万人,城市化率77.31%;因为2008年奥运会的缘故,北京的产业结构经历了较大幅度的调整,重大工业区的搬迁、城市公共交通体系完善、周边省份环境的联动治理共同促进了北京空气质量的改善,但对于2000—2012年的整体空气环境质量及其周期变化规律,仍然需要进一步开展研究,特别是阐明(Ma理政策et2008,al.具有较大的指导意义,2011),年后的空气质量变化是否存在反弹效应对进一步规范和反思区域环境治。上海是中国最具现代特色的商业化国际大都市,是长江三角洲冲击平原的一部分,地势低平,属于亚热带季风气候,2010年常住人口约2303万人,城市化率88.86%。天津是我国北方最大的沿海开放城市,2006年3月国务院常务会议将天津完整定位为“中国环渤海地区经济中心、国际港口城市、北方经济中心、生态城市冶,并设立为国家综合配套改革试验区,2010年常住人口约1290万人,城市化率61.11%。重庆地处西南,位于长江上游地区巴蜀盆地东部,是西南地区代表性城市,2010年常住人口2885万人,是4个案例3城市中人口最多个案例城市而言、土地面积最大的城市,,相对于其他
化进程当中,城市化率为重庆正处于快速城市化与工业53.02%,比全国平均水平高出3.34个百分点。而4个城市的不同发展特征及其经济地理区位,对这些典型特大型城市的研究具有一定的普遍意义,可为中国其他地区城市化发展过程中大气污染控制及其管理提供经验借鉴。化,时而以另一种周期变化,并且同一时段中又包含各种时间尺度的周期变化(Kumar,1993)。通过采用复数小波(complexMorletwavelet)对北京、上海、天津和重庆的API指数进行多时间尺度分析,以比窗口Fourier分析能更好地反映出信号的局部特征。不同尺度随时间变化的小波特征通过沿平行于横坐标的方向截取分析,不同时间随尺度变化的小波特征沿平行于纵坐标的方向截取分析,不同时间尺度下的小波系数可以反映系统在该时间尺度下的演变特性和突变特征(冯奇等,2011)。正的小波系数对应于API偏高时间段,负的小波系数对应于API偏低的时间段,其为0对应于突变点,小波系数绝对值越大,表明该时间尺度变化越显著(冯奇等,2011)。2摇结果与分析
2郾1摇重庆空气质量明显改善2000城市总体空气质量变化及关联机制
年7月—2012年,20116月/,12北京年度大气优良天、上海、天津和数分别达到274、342、314和320d,比2000/01年分别提高了60%、9%、112%和80%(图1)。由此可见,天津大气质量改善最为显著,其次是重庆和北京。虽然上海优良天数变化最小,却是空气质量持续最佳的城市。另外,重庆市从05/06年度后空气质量未见明显改善(图1),这与重庆市地处四川盆地东部,作为河谷型城市较易形成大气汇聚带和静风汇,使大气污染物不易输出(杨永春等,2007);北京市空气质量反复最为明显,04/05年度和08/09年度空气质量最佳,这主要得益于重污染企业外迁及举办北京奥运会(Schleicheretal.,2012),00/01和05/06年度北京市空气质量最差,除了与燃煤和机动车尾气排放加剧影响有关外,还与频繁的沙尘天气有关(Guoetal.,2004;Wangetal.,2006),因为同步记录的气象数据可知2000、2005和2006年北
:中国特大型城市空气污染指数的时空变化2791
燥、少雨或逆温天气,污染物难于扩散有关,也和采暖、消耗化石燃料多有关(潘虹梅等,2008)。夏季污染较轻是由于夏季多雨,雨水对颗粒物等有吸附清除作用(王斌和高会旺,2008;孙丹等,2012)。
2000—2012年4个城市API月均值(图2)基本
表现出“V冶形变化规律,年变化趋势与周期服从夏季偏低,其他季节偏高的规律,特别是冬季和春季的API值最高。但随着污染来源逐渐由工矿企业、冬转变(中华人民共和国环境保护部等,2012),近年来,城市API的季节性变化特征正在逐年减弱,API
图1摇2000—2012年四大城市年均值API变化
Fig.1摇ChangeofaverageannualAPIofthemegacitiesofBeijing(BJ),Shanghai(SH),Chongqing(CQ)andTianjin(TJ)from2000to2012
季取暖向以机动车尾气排放和沙尘为代表的复合型
有趋于同步的变化趋势,这表明随着新型工业化的推进和区域产业结构的调整,特别是随着环境友好型社会的建设,区域大气环境污染影响要素已经逐步从传统的生产活动影响为主转向生产活动与消费活动并重,而由于城市内部交通以及城际交通的便2004;Shaoetal.,2006),需要积极强化区域联防联2郾2摇城市空气质量多时间尺度分析控,实施多污染物协同控制。
捷化,大气环境质量呈现大区域特征(任阵海等,
京市分别出现了14次、4次和15次沙尘天气,而沙尘天气对总悬浮颗粒物浓度增加有绝对贡献,同时也表明自然和人文两大要素对城市空气质量都产生显著影响。
2000—2012年,北京、上海、天津和重庆这4个
200)及以上的天数占总天数的比例分别为33%、12%、22%和26%,可吸入颗粒物(PM10)作为污染物出现的频率最高,取代SO2成为我国特大型城市首要大气污染物,表明引起我国特大型城市大气污染的因素越来越复杂。北京、上海、天津和重庆4个城市污染指数达到国家芋级及以上的污染天数中出60%、75%、71%和76%,表明城市大气污染存在着现在当年11月—次年4月污染天数的比例分别为明显的季节变化,冬、春季污染最重,秋季次之,而夏季相对较轻。冬、春季污染重主要与这些季节较干
案例城市的空气污染指数达到国家芋级(101~
同时间尺度上呈现周期性震荡特征(图3)。震荡信号的强弱通过小波系数的大小表示:灰度图中灰度值越小表示小波系数越大,API值越大,大气污染越严重,反之亦然。图3上半部分(250d以上)表示较长时间尺度的周期性震荡,且其灰度值呈现较为明显的周期性震荡,下半部分表示较短时间尺度的周期性震荡。图3显示每年冬季对应的灰度值相对较低,夏季对应的灰度值较高,总体上灰度值有逐年增大的趋势,表明在较大时间尺度上4个特大型城市的大气污染呈现出一定的周期性,且大气环境逐年改善
。
4个特大型城市近十多年来日均API指数在不
图2摇四大城市2000—2012年API月均值时间序列变化
Fig.2摇TimeseriesformonthlyaverageAPIinBJ,SH,CQandTJfrom2000to2012
2792摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇生态学杂志摇第32卷摇第10期摇
图3摇2000—2012年4大城市日均API时间鄄尺度分布
Fig.3摇Time鄄scaledistributionofdailyaverageAPIinthefourmegacitiesfrom2000to2012
摇摇为了确定对API指数时间序列变化起主要作用的周期,对4大城市日均API序列进行小波方差检验(图4)。结果表明,研究期内的4个特大型城市大气污染状况具有300d左右主周期和150d左右的次周期。北京存在70和30d左右的波峰,上海和重庆存在30d左右波峰。北京在150d尺度上方差峰值也较高,与上海和重庆300d左右的小波方差峰值相当,表明北京是4个特大型城市中空气质量最差的城市,其次是天津,这与两者产业性质及地
理位置临近紧密相关,也进一步证实大气污染已成为区域性环境问题,必须采取联防联控措施。
为了更详尽地考察4个特大型城市近些年大气污染状况的变化规律,结合日均API小波变换分析的主周期和次周期,选择了1年(365d)、主周期(300d)、次周期(150d)和1个月(30d)这4个时间尺度分析小波系数的变化过程(图5—图8)。
在1年(365d)的时间尺度上,4个特大型城市的API指数均表现出“高鄄低冶反复的周期性震荡,
波
图4摇空气污染指数时间序列小波方差
Fig.4摇WaveletvarianceofAPItimeseries
:中国特大型城市空气污染指数的时空变化2793
图5摇4个特征尺度下北京日均API小波变化曲线
Fig.5摇FourtimescalescharacterfordailyaverageAPIwavelettransformationin
Beijing
图6摇4个特征尺度下上海日均API小波变化曲线
Fig.6摇FourtimescalescharacterfordailyaverageAPIwavelettransformationinShanghai
峰出现在每年11月—次年1月左右,冬季污染最为突出,波谷出现在每年7—9月附近,夏季大气质量最佳。北京震荡反复最为明显,2002年7月—2005年7月波峰值较低,后有所升高,直到2008年又有所降低;00/01年度和05/06年度振幅较大,大气污染较其他年份严重。以300d主周期为例,对4个城市来说,在主周期尺度上小波系数曲线均呈周期性震荡,且其周期性最为明显。在遇到波峰时,空气污染指数明显增加,但遇到波谷时,其数值明显降低,且总体上振幅逐渐减小,但4个城市之间还存在
明显的差异,北京和天津振幅变小趋势明显,而上海和重庆振幅变化平缓,而且重庆2003年7月后的小周系数曲线振幅加大,直到2011年7月后方有降低趋势,因此近些年重庆大气质量改善不如其他3个城市明显,表明中国城市大气污染程度有从东部沿海向西部地区逐渐加大的趋势。
在次周期尺度上(150d),小波系数曲线具有更为明显的波动性,震荡周期变短,频率变高,除了冬季出现振幅较高的波动外,春季也出现了振幅加大的现象,对应春季污染与冬季污染引起的小波系数
2794摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇生态学杂志摇第32卷摇第10期摇
图7摇4个特征尺度下重庆日均API小波变化曲线
Fig.7摇FourtimescalescharacterfordailyaverageAPIwavelettransformationin
Chongqing
图8摇4个特征尺度下天津日均API小波变化曲线
Fig.8摇FourtimescalescharacterfordailyaverageAPIwavelettransformationinTianjin
波动较为吻合。在1个月(30d)尺度上,震荡加剧,频率更高,规律性更为显著,均呈冬季振幅最大,春季鄄秋季次之,而夏季振幅最低的趋势。因此,冬季污染高峰期过后,这些城市往往伴随着春季污染的次高峰,说明特大型城市大气环境质量具有过程性。在这个过程期间,污染源没有变化,却出现持续污染的环境过程,这是大气环境需要探索的科学问题(任阵海等,2004)。
摇摇大气物理条件在周末(星期六到下星期一)和工作日(主要是周三到周五)表现出明显的差异,这
种1周时间尺度的循环被称为周末效应(丁一汇等,2009),该现象在世界许多地区尤其是一些大都2006;Choi&Kim,2012)。近20年来中国地区的温2007),例如,环北京地区API表现出明显的“周三2012)。
市都观测到(Beaney&Gough,2002;Gongetal.,度和降水的周末效应明显(Gongetal.,2006,最大,周日最小冶的周循环特征(侯灵和姚展予,
对2000—2012年北京、上海、天津和重庆4个
特大型城市每年1周各日API平均值的分析结果表
:中国特大型城市空气污染指数的时空变化2795
图9摇4大城市2000—2012年周一至周日API均值变化
Fig.9摇APImeansofeverydayinaweekforthefourmegacitiesfrom2000to2012
明,北京、上海和天津1周各日API指数基本上呈现周三和周六比其他时间略高的规律,其中北京和上海市趋势最为明显,存在周末效应,而重庆是4个城市中周末效应最不显著的区域(图9)。综合分析表明,“周末效应冶似乎在经济更为发达、城市内部人员流动更为频繁的国际化城市更加明显。这是因为周末效应主要与1周内空气污染物(气溶胶污染物)的浓度变化密切相关,而气溶胶浓度变化又与1周内人类活动造成的污染物排放强度和时空分布有关(丁一汇等,2009),由于目前并未发现任何自然过程能够产生周期为7d左右的长时间天气变化,所以有学者认为这种周期过程的存在是人类对气候影响的一种表现(B覿umer&Vogel,2007)。本文的分析也证实了工业化和城市化程度高的城市如北京、上海和天津API存在1周周期循环,而同为特大型城市的重庆因为其工业化与城市化进程相对滞后未存在明显的周末效应。3摇结摇论
2000—2012年北京、上海、天津和重庆4个特
虽然上海市是4个城市中优良天数提升最慢的城市,但却是这些城市中大气质量保持最好的城市。另外,近年局部时段这4个城市大气污染存在反弹现象并有愈发严重的趋势,特别是北京市大气质量反复最严重。城市空气质量季节性变化明显,冬、春季污染最重,秋季次之,而夏季相对较轻,全年空气质量呈现明显的“V冶型规律,冬季污染高峰期过后,往往伴随着春季污染的次高,特大型城市大气质量显示出明显的过程性。城市API的季节性变化特征正在逐年减弱,有趋于同步的变化趋势,大气污染已成为区域性环境问题。
通过运用复Morlet小波对4个特大型城市API指数的时间序列进行小波变换分析,反映出城市API变化周期均有300和150d的尺度,而除天津以上海和天津API变化呈现周末效应,尤以北京和上海效应显著,而重庆未出现明显的周末效应,说明API变化同时受人类活动影响,尤其是工业化和城市化进程已经较为成熟的特大型城市。
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