上海市PM2.5时空特征分析

论文总字数：17649字

目 录

1 引言 4

1.1 研究背景与意义 4

1.2 国内外研究现状 5

1.3 论文技术流程 5

2 研究区概况与数据来源 6

2.1研究区 6

2.2数据来源与处理 7

2.2.1 PM2.5数据 7

2.2.2 监测点图层数据 8

3 上海市PM2.5浓度时间特征分析 8

3.1 季度变化特征 8

3.2 年变化特征 11

3.3 PM2.5日数据质量等级特征 12

3.4 降水条件与PM2.5浓度变化关系 15

4 上海市PM2.5浓度空间特征分析 16

5 结论与讨论 18

5.1 上海市PM2.5污染评价 18

5.2 研究结论 18

5.3 研究不足 19

参考文献 19

致谢 21

上海市PM2.5时空特征分析

丁志健

，China

Abstract： In aerodynamics, PM2.5 refers to the Pneumatic particulate matter whose particle diameter is less than or equal to 2.5 μm .As a major center, Shanghai is located in the core of Yangtze River Delta Region,and the study of the spatial and temporal characteristics of PM2.5 in Shanghai is of practical significance for future urban planning and construction, energy conservation and emission reduction, and the creation of green cities.This paper uses the PM2 .5 mean daily data of ten meteorological monitoring stations in Shanghai in the three years from 2015 to 2017, Based on ArcGIS and other mathematical tools as an analytical method, and the three-years data is devided into both temporal and spatial perspectives,and make a discussion on the extent and change of PM2 .5 pollution in Shanghai,and the final purpose is make a conclusion and relevant environmental impact assessment.The study shows that in the 10 national controlled monitoring stations,The four seasons’ average concentration of QingPu station is 3-14μg/m³than other sites ,and the pollution is more serious.Pollution from serious to light in seasonal change is Winter Spring Autumn and Summer.From 2015 to 2017, PM2 .5 annual average concentration declined 4-10μg/m³per year, the air quality continues to improve.The daily change feature found that PM2 .5 pollution is especially serious during winter holidays such as Christmas and New Year's Day.In the spatial analysis,the concentration distribution of PM2 .5 in Shanghai has obvious spatial characteristics, which is represented by a slightly uniform oblique increase from East to West.

Key word：Shanghai; PM2.5; spatial and temporal characteristics ; GIS

引言

1.1研究背景与意义

PM2.5是指大气中空气动力学当量直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可吸入颗粒物。在我国，PM2.5的主要来源为工业、发电以及取暖等所燃烧的煤炭，其余主要来源于露天燃烧、室外农田、以及固体废弃物等的焚烧。

过去的几十年，随着经济的增速、工业化城市化进程不断地快速发展，由人类生产生活等活动随即产生的人为污染不断增加，其中在大气污染中，由PM2.5所导致的雾霾、灰霾现象尤其严重，这也进一步为我们调整产业结构、优化发展、整治颗粒物污染敲响了警钟。世界卫生组织（WHO）在2016年发表声明称全球95％的人生活在超过PM2.5浓度安全值（小于10μg/m³为安全值）的地区，并已导致超过410万人过早死亡；而中国是世界上因PM2.5浓度超标而导致死亡人数最多的国家，约占全球的26％。

PM2.5有很多危害，大量流行病学、毒理学的研究表明，大气颗粒物（包含主要污染物PM2.5）已成为导致死亡的第六大因素。从人体健康来说，PM2.5能够直接进入并且粘附在人体上下呼吸道和肺叶肺泡中，引起人体咳嗽、呼吸困难、喉咙发炎、支气管炎等病症。资料表明，人体若长期暴露在PM2.5大量存在的空气中，会诱发癌变。我国科学家研究发现，在灰霾天气频繁出现的年份后，七年之后便会出现肺癌的高发期，成为霾天气与癌症的“七年之痒 ”^[1] ；从区域的微气候来说，空气中的PM2.5能够与灰尘等其他颗粒物组成气溶胶系统，气溶胶颗粒对光线有很强的散射消光能力，在高浓度的PM2.5微环境中，在一定时间之内，PM2.5能使局部微环境中的气温值在一定时间段内相比较与正常情况会减少2℃-3℃^[2]。与此同时，这种气溶胶系统能够影响太阳辐射的收支平衡，进而间接改变着区域气候。从环境角度来说，PM2.5大量积聚导致灰霾天气，降低室外能见度，严重时容易引起交通事故，给人们的出行带来极大的不便^[3]；因此，不断深入探究PM2.5的时空分布变化特征，对于我们进一步实现绿色发展、节能减排具有重要的实际性意义。

而上海市作为长江三角洲的经济区域中心，地处我国东部沿海地区，属亚热带湿润季风性气候区。在过去的几十年当中，上海市经济得到快速发展，城市规模迅速扩大，城市人口急剧膨胀，已成为世界性人口超过2000万的特大型城市。截止2017年底，上海市常住人口数量达到2418.33万人；仅截至2016年末，上海地区汽车保有量（不含电车、农用车、挂车等）为320万辆，且这一数字还在不断上升（http://auto.hexun.com）。人口增加、城市发展、交通压力产生的大气环境人为污染，这都给环境和社会造成了许多不良影响。而PM2.5作为大气污染的主要因子，其浓度也在随着人类的生活生产活动不断增加。

因此为了揭示上海市PM2.5浓度变化的时空特征，本文利用上海市2015-2017年10个环境监测站点（虹口，静安监测站，浦东川沙，浦东新区监测站，浦东张江，普陀，青浦淀山湖，十五厂，徐汇上师大，杨浦四漂），根据国家环保统计部门统计得到的三年PM2.5日值浓度，基于ArcGIS以及其它数理工具作为分析手段，展开对其从时间和空间上的特征变化分析，为进一步的控制污染源、城市协调发展提供科学的依据和指导。

1.2 国内外研究现状

在国外研究中，对于PM2.5的时空特征分析开展的较早。20世纪国外震惊全球的八大公害事件，其中就包括伦敦烟雾和洛杉矶光化学烟雾这两大大气污染问题，这也更警醒着人们关注研究这一领域。

1997年，美国是第一个将PM2.5列为空气质量监测项的国家，而后其他发达国家也均制定了相关检测标准。Paatero等^[4]将PM2.5的空间分布与社会经济发展水平联系在一起，发现了美国东部地区PM2.5集聚的主要原因。而追溯至1999年，国外科学家YE B等^[5]在上海市完成了关于PM2.5浓度及其性质为期一年的研究，研究表明上海市主城区PM2.5浓度明显高于周边地区。Wang等^[6]以上海市主城区和东海花鸟岛作为研究对象，对上海市PM2.5的化学成分进行了分析，并发现在PM2.5中存在有10种蕾烷、12种当烷、16种多环芳烃和20种正构烷烃，对各组分中成分浓度进行探究，发现上海市PM2.5中的正构烷烃的主要来源为生物源，而其它三种成分主要来源于机动车等的交通排放。

1982年我国第一次发布了《大气环境质量标准》，随后进行了三次修改。国内少数有条件的城市在这之后也有相关研究，但起步较晚，监测点数量偏少，监测周期也比较短。2012年2月国家环保部修订发布了新的《环境空气质量标准》，将PM2.5作为增项进行监测。2013年1月，国家环境保护部门先后在114个城市进行了PM2.5监测并实时公布监测结果，这为相关研究提供了数据基础。

在国内研究当中，潘纯珍等^[7]对道路附近的PM2.5的水平和垂直微分布中的研究发现，PM2.5在水平轴上的变化程度并不直观，然而在垂直轴上，PM2.5浓度变化比较明显，表现为随高度上升，到30m时呈现出先上升的趋势。而当高度上升为大约90 m后，PM2.5浓度表现为明显的下降趋势。王勇^[8]等在PM2.5浓度时空演变分析当中，针对国内五大城市：北京、沈阳、上海、广州和成都，在处理好缺失数据时，选取了小波变换方法对数据进行小波分解与重构。刘君霞等^[9]针对北京近年来大气污染，进行了细颗粒物浓度的特征统计分析。在PM2.5的季节变化上发现，PM2.5浓度由重到轻依次为冬、春、秋、夏；同时，在日变化中，PM2.5浓度一般下午时最低，傍晚稍微增高，晚间至第二天清晨升高趋势更为显著。徐建辉^[10]等利用遥感数字处理手段，对上海市PM2.5进行了质量浓度的特征分析，但并未分析其时空特征。孙娴雯^[11]等在研究上海市居民患慢性阻塞性肺疾病（AECOPD）与患者生活工作区PM2.5浓度关系方面发现，该疾病患病人数越多，患者生存区域PM2.5的浓度也越高,PM2.5与AECOPD之间有很强的相关性。

1.3 论文技术流程

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