《园林》学刊·专栏导读（2024.03）丨济南市大气PM10、PM2.5时空分布特征与城市街区形态关联分析

济南市大气PM₁₀、PM_2.5时空分布特征与城市街区形态关联分析

Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Atmospheric PM10 and PM2.5 and Correlation Analysis with Urban Block Morphology in Jinan City

肖华斌    许宇彤   王子康    张小平    李杰*

肖华斌

山东建筑大学建筑城规学院风景园林系主任、教授、硕士生导师，智慧韧性景观与低碳生态技术济南市工程研究中心主任，研究方向为国土景观保护与生态修复、健康人居环境数智化设计

许宇彤

山东建筑大学建筑城规学院在读硕士研究生，研究方向为国土景观保护与生态修复

王子康

山东建筑大学建筑城规学院在读硕士研究生，研究方向为健康人居环境数智化设计

• 全文刊登于《园林》2024-03期 P121-130.

• 全文引文格式：肖华斌, 许宇彤, 王子康, 等. 济南市大气PM₁₀、PM_2.5时空分布特征与城市街区形态关联分析[J]. 园林, 2024, 41(03): 121-130.

• 摘要：高密度城市空间的颗粒物浓度分布对居民健康和环境的可持续发展具有重要影响。然而，当前研究多集中在中宏观尺度，且不同季节背景对城市形态与颗粒物浓度之间定量关系的影响尚存争议。基于2021年济南市主城区65个空气质量监测站的PM_2.5和PM₁₀浓度实时观测数据，分析了不同季节下城市街区形态对颗粒物浓度（PM_2.5和PM₁₀）的影响。结果表明：（1）颗粒物浓度呈双峰型日变化，且具有显著的U形逐月变化规律，PM_2.5呈冬季高夏季低、春秋两季居中，PM₁₀呈春季高夏季低、秋冬两季居中的季节性变化特征，且呈东南低、西北高的空间分布格局，高污染区域集中于交通和建筑密集区域，低污染区域主要分布于大型城市绿地旁。（2）城市街区形态对颗粒物的影响具有明显的季节分异性。PM_2.5与绿色空间指标在4个季节的相关性均十分显著，与绿地覆盖率（GCR）、绿地斑块形状指数（MSI）和绿地最大斑块指数（LPI）呈负相关性，与绿地斑块密度（PD）呈正相关，并且PM_2.5仅在秋冬季与建筑形态指标相关关系显著，其中建筑密度（BD）、建筑平均高度（AHV）和建筑平均体积（AV）是最具影响力的指标。PM₁₀仅在春冬两季与绿色空间指标显著相关，GCR和MSI产生的影响较大，并且与BD、AHV和容积率（FAR）等建筑形态指标仅在秋冬季节相关性显著。

• 关键词：PM₁₀；PM_2.5；时空特征；街区形态；关联分析

城市建成环境的优化调控是从城市规划视角推进健康城市建设，降低居民空气污染暴露风险的重要途径。目前相关研究尺度多集中在城市、区域甚至国家等中宏观尺度，针对高密度建成环境下的街区尺度研究相对较少 ^[1-4]。鉴于此，本研究利用2021年济南市（国家、省、市、街道、交通）5级监测站点相结合的PM_2.5和PM₁₀小时浓度数据以及精细化街区空间形态数据，分析街区尺度下颗粒物污染变化的时空演变特征，探究不同季节背景下街区空间形态对颗粒物时空分布的影响。

   1 研究区概况   

济南市是京津冀大气污染传输通道“2+26”城市之一，划定济南市主城区作为研究范围，总面积约535km²。研究区内共分布75个监测站点，选取监测站点为圆心形成半径为500m的缓冲区作为后续研究的样本，共有65个有效样本（图1）。

图1  监测站点分布

   2 PM₁₀和PM_2.5的时空变化特征   

统计2021年各月份颗粒物浓度变化，可以看出，研究区域内PM₁₀和PM_2.5浓度总体上均低于二级标准——150μg/m³ 和75μg/m³（图2），仅有1月存在超出二级标准的情况。统计各季节不同时刻浓度的均值，发现PM₁₀与PM_2.5浓度在四季的日变化特征均呈现明显的双峰型分布特点（图3）。

图2  PM₁₀和PM_2.5月浓度变化

图3  PM₁₀和PM_2.5日浓度变化及峰值时刻

利用普通克里金法，对主城区各监测点四季的颗粒物浓度平均数据进行空间插值分析。选取最优模型绘制颗粒物浓度空间分布图，可以看出PM_2.5和PM₁₀浓度分布具有明显的空间差异性，整体均呈东南低西北高的变化趋势（图4）。为进一步探究精细尺度下颗粒物污染空间分布规律，选取位于济南市二环以内的监测点作精细尺度分析（图5）。

图4  济南市主城区PM₁₀、PM_2.5污染浓度空间分布差异图

图5  济南市二环以内PM₁₀、PM_2.5污染浓度空间分布差异图

3 城市街区形态与

   PM_2.5和PM₁₀的关联性分析   

研究选取关键监测站点所构成的缓冲区样本来说明不同缓冲区的街区城市形态模式（图6）。可以看出21号、22号、36号以及55号等监测站点颗粒物浓度在多数季节下均处于较低水平，这是因为监测点周围分布有大型绿色空间，且绿色空间多位于监测点盛行风上侧。同时，59号、60号、61号以及62号监测点颗粒物浓度水平明显高于其他区域，推测这与站点邻近交通密集区域有关。研究发现监测站点还受建筑密度、建筑体量等其他城市街区形态的共同影响。

图6  典型监测站点及其城市要素空间分布

为深入分析城市街区形态对颗粒物浓度变化的影响机制，基于各形态参数与颗粒物的相互作用，将各季节PM_2.5和PM₁₀日峰值时刻的平均浓度作为自变量，所选城市街区形态作为自变量，通过皮尔森（Pearson）双变量相关分析定量化分析形态参数与颗粒物的关联性。

3.1 城市街区形态与PM_2.5的关联性分析

根据相关性分析结果（图7），可以发现绿色空间指标与PM_2.5在4个季节均呈现出显著且一致的相关关系，与GCR、MSI、LPI呈负相关，与PD呈正相关。PM_2.5仅在秋冬两季与街区建筑形态指标相关关系显著。表征建设强度的BD、FAR与PM_2.5呈正相关，VAH、AV与PM_2.5呈负相关，在春夏两季PM_2.5与建筑形态指标相关关系并不显著。并且，一些街区形态指标与PM_2.5之间在任何季节都没有显著的相关关系，比如反映建筑三维布局的SCD和SVF。

图7  PM_2.5与城市街区形态指标相关性分析

3.2 城市街区形态与PM₁₀的关联性分析

PM₁₀与GCR在四季均呈负相关，与其余街区绿色空间指标仅在春冬两季相关性较为显著，与MSI和LPI呈负相关，与PD呈正相关（图8）。在夏秋两季，部分指标的相关性并不显著可能与PM₁₀污染程度相对较低有关，同时在冬季，PM₁₀与绿色空间指标的相关关系较为显著。此外，PM₁₀与街区建筑形态指标的相关关系仅在个别季节显著，与BD在秋冬两季呈正相关，与AHV在冬季呈负相关，与FAR在冬季呈正相关。并且与其他季节相比，夏季可能因为PM₁₀污染浓度相对较低，所以相关关系并不显著。RD与PM₁₀在冬季显呈显著负相关。

图8  PM₁₀ 城市形态指标相关性分析

   4 结论与讨论   

4.1 研究结论

本研究重点分析了济南市主城区PM₁₀和PM_2.5浓度的时空变化特征，并且探讨了城市街区形态对颗粒物浓度的影响。主要结论如下：

（1）颗粒物浓度具有明显的季节性时空分异特征。

（2）城市街区形态对颗粒物的影响在冬季最突显，而在夏季显著性最低。

（3）研究证实绿色空间的规模、布局和形态以及交通对颗粒物浓度有较大影响，其次是交通设施、建筑密度和建筑平均高度。

4.2 优化策略

根据研究结论，提出以下缓解颗粒物污染的策略：

（1）高污街区，重点调控。颗粒物浓度季节性空间分异特征明显，应优先对关键区域进行街区形态的优化提升。

（2）善用植物，高效消减。增大绿色空间的规模、布局紧凑度，以及形态复杂度是缓解颗粒物污染的核心策略^[5]。

（3）优化建筑，促进消散。优化建筑形态，有效促进颗粒污染物的消散。

   参考文献   

[1]戴菲, 陈明, 王敏, 等. 城市街区形态对PM₁₀、PM_2.5的影响研究——以武汉为例[J]. 中国园林, 2020, 36(03): 109-114.

[2]GAO G H, PUEPPKE S G, TAO Q, et al. Effect of Urban Form on PM_2.5 Concentrations in Urban Agglomerations of China: Insights from Different Urbanization Levels and Seasons[J]. Journal of Environmental Management, 2023, 327: 116953.

[3]MAO X L, WANG L C, PAN X, et al. A Study on the Dynamic Spatial Spillover Effect of Urban Form on PM_2.5 Concentration at County Scale in China[J]. Atmospheric Research, 2022, 269: 106046.

[4]PARK Y, SHIN J, LEE J Y. Spatial Association of Urban Form and Particulate Matter[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2021, 18(18): 9428.

[5]雷雅凯, 段彦博, 马格, 等. 城市绿地景观格局对PM_2.5、PM₁₀分布的影响及尺度效应[J]. 中国园林, 2018, 34(07): 98-103.

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编辑校对丨王丽娜排版设计丨戴嘉旻             内容审核丨钱秀苇  戴嘉旻

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