內(nèi)容提要：國外大量的流行病學(xué)研究已經(jīng)證明了PM_2.5與許多負(fù)面的健康效應(yīng)有關(guān)。由于我國2012年底才建成了PM_2.5地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，大范圍、長時(shí)間的PM_2.5歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺失使得我國PM_2.5的環(huán)境流行病學(xué)與健康效應(yīng)研究較為薄弱。而利用衛(wèi)星遙感反演的氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）估算地面PM_2.5濃度是近年來國際上快速發(fā)展起來一項(xiàng)新的研究領(lǐng)域，可以有效彌補(bǔ)地面PM_2.5監(jiān)測站點(diǎn)在時(shí)間和空間上觀測的不足。近日，南京環(huán)境學(xué)院畢軍教授課題組與美國Emory大學(xué)劉陽教授課題組合作在我國衛(wèi)星遙感反演PM_2.5研究方面取得進(jìn)展，該項(xiàng)研究論文于2016年2月發(fā)表于環(huán)境與健康領(lǐng)域國際頂級期刊Environmental Health Perspectives (EHP)上。

1 引言

近三十年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，灰霾的污染已逐漸發(fā)展為我國的一個突出環(huán)境問題，但近幾年我國才逐漸意識到PM_2.5污染問題的嚴(yán)重性，直到2012年底才初步建成了PM_2.5地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。大范圍、長時(shí)間的PM_2.5歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺失，使得我國PM_2.5的環(huán)境流行病學(xué)與健康效應(yīng)研究較為薄弱，也使得我國PM_2.5的污染控制及環(huán)境管理缺乏科學(xué)支撐?；谝陨媳尘?，本研究基于衛(wèi)星遙感反演的氣溶膠光學(xué)厚度（AOD），開發(fā)適合于我國的高精度PM_2.5-AOD高級統(tǒng)計(jì)模型，估算歷史PM_2.5的時(shí)空分布，為我國PM_2.5環(huán)境管理和健康研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

2 研究方法

本研究采用了搭載于美國Aqua衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀（MODIS）第六版（C6）暗目標(biāo)算法（DT）和深藍(lán)算法（DB）AOD數(shù)據(jù)。為最大限度提高數(shù)據(jù)的時(shí)空覆蓋率，基于逆方差加權(quán)（IVW）平均對DT和DBAOD數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合?；?013年的PM2.5地面監(jiān)測數(shù)據(jù)、IVW融合AOD數(shù)據(jù)，以及氣象、土地利用參數(shù)，構(gòu)建了能反映PM_2.5-AOD時(shí)間和空間變異的兩層級統(tǒng)計(jì)模型。第一級分省建立了線性混合效應(yīng)模型（LME）以反映各省PM_2.5-AOD關(guān)系的時(shí)間變異，第二級采用廣義加和模型（GAM），建立了第一級模型的殘差與地理坐標(biāo)、土地利用參數(shù)間的平滑函數(shù)關(guān)系，以反映模型的空間變異。然后基于所構(gòu)建的2013年PM_2.5-AOD統(tǒng)計(jì)模型，估算了我國2004-2013年的PM_2.5濃度數(shù)據(jù)。

3 研究結(jié)果

3.1 我國PM_2.5的空間分布特征

圖1和圖2是我國及四個重點(diǎn)區(qū)域PM_2.5的10年平均濃度分布圖和地表高程分布圖?？梢?，我國PM_2.5污染的空間分布特征與地形分布特征之間有著密切的聯(lián)系。高污染地區(qū)主要出現(xiàn)在華北平原（平均105μg/m³以上）、長江中下游平原（約85-105μg/m³）、四川盆地以及關(guān)中平原（均為約75-95μg/m³）等區(qū)域，并且污染邊界與平原/盆地的邊界基本吻合。主要原因是這些地區(qū)地勢平坦人口集中，社會經(jīng)濟(jì)活動密度高，污染物排放強(qiáng)度大，加上地勢和氣象等原因造成污染物不易擴(kuò)散，從而造成了這幾個地區(qū)的高污染。而西藏、海南、臺灣、云南等四個省區(qū)以及內(nèi)蒙古自治區(qū)的北部區(qū)域是我國PM_2.5污染最輕的區(qū)域。

圖1 我國2004年-2013年PM_2.5濃度的10年平均分布圖

圖2 我國地表高程分布圖

3.2 我國PM_2.5的人口暴露特征

PM_2.5污染的人口暴露特征（圖3）顯示我國人群存在較高的PM_2.5暴露健康風(fēng)險(xiǎn)，我國GB3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級年均濃度標(biāo)準(zhǔn)35 μg/m3（即世界衛(wèi)生組織WHO過渡時(shí)期目標(biāo)-1標(biāo)準(zhǔn)值）的超標(biāo)人口比重為96.0%，GB3095-2012一級年均濃度標(biāo)準(zhǔn)15 μg/m3（即WHO過渡時(shí)期目標(biāo)-3標(biāo)準(zhǔn)值）的超標(biāo)人口比重高于99%。研究還表明，我國PM2.5算術(shù)平均濃度為50.8 μg/m3，而人口加權(quán)平均濃度則高達(dá)71.7μg/m3，顯示我國存在人口集中分布在PM2.5高濃度地區(qū)的空間特征。

圖3 我國居住于大于某一PM_2.5濃度值區(qū)域的人口占比曲線

3.3 PM_2.5長期平均濃度的季節(jié)與月份變化特征

圖4反映了我國各季節(jié)PM_2.5的10年平均濃度分布。從圖中可以看出，各季節(jié)的PM2.5濃度空間分布均與圖1的長期平均濃度空間分布特征類似，高污染地區(qū)均出現(xiàn)在地勢較低的平原、盆地區(qū)域。從總體季節(jié)特征來看，冬季是我國PM2.5污染最嚴(yán)重的季節(jié)，全國平均濃度高達(dá)72.24μg/m3，尤其是在我國華北地區(qū)，PM2.5濃度最高可達(dá)150μg/m3以上。我國冬季是逆溫現(xiàn)象頻發(fā)的一個季節(jié)，混合層厚度較低，加上地形因素致使污染物不易擴(kuò)散而在近地表累積，從而導(dǎo)致了我國尤其是北方地區(qū)冬季霧霾天氣頻發(fā)。夏季則是最干凈的季節(jié)，PM2.5平均濃度為32.90μg/m3。春秋季節(jié)的污染程度則介于冬夏之間，PM2.5平均濃度分別為57.13μg/m3和47.76μg/m3。

圖4 我國各季節(jié)PM_2.5的10年平均濃度分布圖(2004-2013)

圖5反映了我國各月份PM_2.5的10年平均濃度分布。從圖中可以看出，我國6-9月份是PM_2.5污染相對較低的幾個月份，又以7、8月份污染最輕；從10月份開始顯示出了比較明顯的污染加重趨勢；12-2月份則是污染最為嚴(yán)重的幾個月份，其中重污染區(qū)域范圍又以1月份達(dá)到最大；從3月份開始PM_2.5污染呈現(xiàn)了逐步減輕的趨勢。對于我國西北部地區(qū)，從11月-次年4月份是沙塵PM_2.5污染較為嚴(yán)重的時(shí)段。

圖5 我國各月份PM_2.5的10年平均濃度分布圖(2004-2013)

3.4 我國PM_2.5的污染時(shí)間變化趨勢特征

研究基于所反演的PM_2.5數(shù)據(jù)，計(jì)算了PM_2.5月均濃度的距平值，在此基礎(chǔ)上對PM_2.5月均濃度距平值時(shí)間序列進(jìn)行趨勢分析。圖6是我國2004-2013、2004-2007以及2008-2013年的PM_2.5總體變化趨勢圖。從圖中可以看出，我國2004-2013這10年間PM_2.5濃度總體趨勢為輕微增長。而分階段研究結(jié)果表明，2004-2007年全國PM_2.5呈現(xiàn)顯著增長趨勢，而2008年之后則呈現(xiàn)出輕微的下降趨勢。

圖6 我國2004-2007、2008-2013和2004-2013的PM_2.5總體變化趨勢圖。統(tǒng)計(jì)顯著性水平：*p<>p<>p<0.005。括號內(nèi)數(shù)字為95%>

圖7是我國PM_2.5變化趨勢及其統(tǒng)計(jì)顯著性水平空間分布圖。2004-2013年10年整體趨勢中，主要在華北、華中地區(qū)呈現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)顯著的上升趨勢，而在華南地區(qū)則是呈現(xiàn)顯著下降趨勢。而分階段的趨勢分布圖顯示，2004-2007年間我國大面積地區(qū)呈現(xiàn)了PM_2.5顯著上升的趨勢（最高甚至在8.00μg/m³/year以上）；而2008-2013年間，除了山西和陜西省南部、河南省北部、河北省南部、以及四川省南部呈現(xiàn)了顯著的輕微上升趨勢外，其余地區(qū)都呈現(xiàn)了下降趨勢。

圖7 我國2004-2007、2008-2013和2004-2013的PM2.5變化趨勢及其統(tǒng)計(jì)顯著性水平的空間分布

我國PM_2.5污染在2007-2008年前后發(fā)生的這個轉(zhuǎn)折可能在一定程度上與我國在“十一五”期間的節(jié)能減排政策的實(shí)施有一定的關(guān)聯(lián)。從圖8可以看出我國二氧化硫、煙塵、工業(yè)粉塵等大氣污染物排放總量在“十一五”期間出現(xiàn)了顯著的下降。雖然在“十一五”期間我國大氣污染控制只涉及了二氧化硫、煙粉塵等，但從本研究PM2.5的變化趨勢來看，我國“十一五”的節(jié)能減排措施可能對PM2.5產(chǎn)生了一定的協(xié)同控制的效果，如二氧化硫的減排會減少PM2.5硫酸鹽組分的形成，而減排的煙塵中也會含有部分細(xì)顆粒物。

圖8 我國2000-2012年主要大氣污染物排放量(來源：中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒)