我国城市大气污染周末效应研究现状与方法

摘 要：本文概述了我国城市大气污染周末效应的发展概况、研究现状，分析了城市大气污染周末效应的成因及其影响因素，总结了其数据收集、处理、分析的方法，阐述了与节假日效应间的关系及其对大气污染预测和防治的重要意义。

关键词：周末效应 环境要素 浓度变化 数学模型 节假日效应

大气污染已日趋成为一个全球性的环境问题。大气污染与人类活动及其节律性、规律性有密切关系。现代人类活动以周为单位的工作-休息模式对环境具有显著的周期性影响，这种影响与当地自然要素、人文要素共同作用，并在区域环境要素的变化规律上体现出来，即为周末效应（Weekend Effect）。周末效应最早由Frank在研究美国股市价格时提出，后来在大气污染领域也发现工作日与周末有差异，即大气污染的周末效应。我国自1995年5月1日将工作日制度由周末单休日改为周末双休日，几十年来的周循环生产模式下的人类活动已经对地区人们的生产和生活（证券交易、医疗服务、交通物流、饮食娱乐等）、生态环境条件（气象要素、大气污染）有着重大影响。

一、我国城市大气污染周末效应的研究现状

1.周末效应探究的历程：早在20世纪70年代，已有大气污染物浓度值在工作日和周末的比较研究，21世纪以来，国内外学者在、气温、降水、大气颗粒污染物和气态污染物等方面开展了大量相关研究。这些研究表明环境要素的周末效应广泛存在于社会环境的方方面面，且因时因地存在着一定差异。研究表明降水频次和气温存在一定的周循环规律，后来周末效应研究也逐步拓展到了其他气象要素（如降水量、雾的持续时长）、大气污染气体（如臭氧、氮氧化物、硫化物、一氧化碳等）和悬浮颗粒物质（如PM2.5、PM10、总颗粒物等）以及基于前体物浓度得出的空气质量指数、空气污染指数。

2.城市大气污染周末效应的成因： 周末效应的源于现代人们工作和休息模式的节律性。城市大气污染物（O3、NOX、SO2、CO、PM2.5、PM10等）的主要来源是人为汽车尾气排放以及矿物质的燃烧，上下班时段汽车出行数量、工厂企业的生产排放情况、餐飲活动所用燃料量、城市私家车限行政策等在周末与工作日都存在明显差异，这对区域大气污染的周末效应具有一定影响。此外，周末人们活动较工作日会有相应的延迟，如出行的延迟会使得气体污染物的浓度的波动趋势（波峰），往后推移。

由于大气污染除受人为的前体污染物排放（具有显著周末效应）影响外，很大程度上还受光照、植被、地形等自然环境要素和光化学反应等二次反应的影响（不具有明显周末效应），这在一定程度上会削弱周末效应，表现出非严格的周末效应。因此，对于大气污染而言污染物浓度的工作日和周末与现实生活相比会有一定的偏移。

一般来说社会生活中，工作日定义为周一到周五，周末定义为周六、周日，称之为自然周。相应地，在大气污染的节律性研究中，存在“污染周”。由于大气污染现象特别是其二次反应相对于人为源排放具有一定的时滞，有学者将大气污染物方面的工作日——污染周定义为周二到周六，周末定义为周日和周一。人类活动的周循环模式，会通过系统反馈的形式对原有的大气污染过程起到加强或减弱的作用，即城市大气污染周末效应的正负性，人类活动对城市大气环境在工作日与周末的影响程度差异越显著，周末效应的强度越大。

二、城市大气污染周末效应的研究方法

对于城市大气污染周末效应的研究主要在于检验其存在与否，分析其显著性，揭示其与环境的相互作用三个方面。其表现主要在于环境要素的变化规律在周末和工作日的差别，如污染物浓度在24小时变化规律上体现出周末比工作日低，或有明显的位移现象，或周末段与分析时间段的平均值差值的大小或正负性差异等。若周末环境要素的指标比工作日低，即为正周末效应，反之则为负周末效应。

1.探究区域和指标的选取与确定：由于周末效应最根本原因是人类活动，故对研究区域活动人口的数量、规模以及活动能力等有一定的要求，所以研究对象（区域）应为是人口相对集中、对自然环境改造明显和活动规模较大的城市地区。我国当下的主要研究对象有沿海城市（北京、天津、上海）、长江流域及其三角洲地区和兰州等地区。环境指标的选取上，应考虑到不同污染物间、污染物与太阳辐射间相互作用，污染物由产生到可监测状态所需的时间，同时也需考虑相关背景因素的影响，如季节性的农业生产活动、居民生活所需燃料的消耗、区域的异常天气等。当前常用的指标主要有：气象要素指标（降水量、降水频次、气温、雾的持续时长）、大气成分指标（气溶胶的浓度、臭氧、硫化物、氮氧化物、PM2.5、PM10及总悬浮颗粒物）以及基于对前体物浓度分析出的环境指标（空气质量指数、空气污染指数）。

2.监测方案的制定与实施： 在环境分析指标的监测过程中，监测数据主要来自国家气象局，各省市的气象观测平台、气象观测站、环境监测站和研究性监测等，在时间尺度上一般有小时数据和日数据。

3.数据处理的模型与方法：研究方法多采周末效应指数分析，偏差分析，对比分析，距平分析等方法和数据模型。（1）周末效应指数分析：将周末（周日和下周一）的浓度平均值减去工作日（周二到周六）的平均值的差定义为分析指标的周末效应指数。当指数为正值时，表示周末分析指标的平均值高于工作日的平均值，若为负值时则恰恰相反。（2）对比分析：据污染物浓度的小时观测值求出工作日和周末的小时平均浓度，然后进行浓度变化趋势的对比，和相关性分析（C工作日 = A×C周末， A为相关性系数）以揭示周末效应的显著性。（3）偏差分析：各污染物周末与工作日小时浓度的偏差，偏差计算公式为 Dev =[ （C周末- C工作日） C工作日] ×100 %， 式中， C周末和C工作日分别表示污染物的周末浓度和工作日浓度。（4）逐日数据的距平分析：将分析指标的逐日数据在分析时段内平均，可对数据按季节特征、天气特征等分时段进行距平分析。根据距平判断城市大气污染的周末效应的存在与否及其污染周与自然周的差异。

三、结语和讨论

1.现状总结：在规模上，我国城市地区周末效应的研究在地域上逐步扩大，由沿海到内陆均有分布，分析的城市地域和环境指标都在不断拓展，反映了城市大气污染周末效应的普遍存在；在成因机制和研究方法上，周末效应起因简单，数学模型较为简单，但影响因素和应用领域多样，牵涉到较多的大气、气象科学理论以及污染气象学的内容，周末效应研究方法多样，需要结合城市具体情况进一步探索。

2.针对研究步骤和数据处理上存在的问题的改进意见：在探究流程上，首先应结合当地实际情况合理布点、严格检测，控制误差，保证数据的准确性和可靠性；在污染物周末效应的检测上，应注重对比其与自然周的差异；在数据处理和分析上，应考虑尺度效应和数据的时空分辨率，保证能够充分体现的周末效应的核心特征，如年均值分析对周末效应的体现存在一定局限性，可结合季节、月份、日、乃至小时等尺度进行综合分析；在数学方法的选取运用上，可进行多数学模型和方法的对比分析，提高结论的准确性。

3.对未来周末效应研究的展望：周末效应及其类似的 “春节”、“五一”和“国庆节”等节假日效应的起因相同，都是由于人类活动在在人为规定的不同时间段内对环境要素产生的不同影响，但节假日效应受特征时段影响较大，在大型节假日背景下才能体现，二者的协同研究特别是叠加效应及其分离比对是今后城市大气污染领域值得探讨的重要方向。

周末效应是伴随工作模式普遍存在的环境效应，起因于人类的社会生活的节律性，是人类活动影响大气环境的集中体现。相关研究可定量反映人类活动对大气环境的影响，对城市大气污染预报和防治具有重要意义。

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作者简介：税攀恒（1996—）男。四川荣县人。西华师范大学国土资源学院本科生。李卫朋（1983—）男。陕西蓝田人。西华师范大学国土资源学院讲师。博士。硕士研究生导师。研究方向：环境演变与生态水文学。通讯作者：陈健军（1996—）女。四川巴中人。西华师范大学国土资源学院本科生。李科（1993—）男。四川绵阳人。西华师范大学国土资源学院本科生。游泳（1994-）男。四川泸州人。西华师范大学国土资源学院本科生。

※基金项目：本文为2016年西华师范大学大学生创新创业项目（cxcy2016039）成果.

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