我國(guó)PM2.5污染特征的研究進(jìn)展

（重慶三峽學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶萬(wàn)州 404100）

PM2.5是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤2.5 μm的大氣顆粒物，世界衛(wèi)生組織（WHO）將其定義為可進(jìn)入肺部的顆粒物．PM2.5的組成復(fù)雜，常富集空氣中的有毒有害物質(zhì)，如Pb、As、Cr以及多環(huán)芳烴（PAHs）等物質(zhì)，并可以隨著人的呼吸進(jìn)入體內(nèi)，進(jìn)而影響人體健康，研究表明，當(dāng)長(zhǎng)期處于 PM2.5較高的環(huán)境中，死亡風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)上升[1]．PM2.5還是造成某些城市能見(jiàn)度降低、頻發(fā)灰霾天氣的罪魁禍?zhǔn)祝甈M2.5具有較長(zhǎng)的壽命，并可以通過(guò)水平輸送傳輸?shù)狡渌貐^(qū)，影響區(qū)域的大氣環(huán)境．美國(guó)在1997年頒布了PM2.5的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定年均值為15 μg·m-3，日均值為65 μg·m-3[2]，2006年又將日均值訂正為35 μg·m-3．世界衛(wèi)生組織（WHO）也于2005年發(fā)布了《空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》，規(guī)定了PM10和PM2.5的限制濃度．目前，日本、印度、墨西哥，以及歐盟一些國(guó)家，都已陸續(xù)將PM2.5納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)污染物，并進(jìn)行強(qiáng)制性限制．我國(guó)在2012年2月29日發(fā)布了新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012），該標(biāo)準(zhǔn)首次提出了PM2.5的濃度限值檢測(cè)指標(biāo)．本文對(duì)我國(guó)目前 PM2.5的時(shí)空分布特征、化學(xué)組成及其對(duì)能見(jiàn)度的影響進(jìn)行介紹，以便進(jìn)一步了解PM2.5的污染特征，以期為PM2.5的治理提供參考．

1 PM2.5質(zhì)量濃度污染特征

1.1 PM2.5區(qū)域污染特征

我國(guó)頒布的新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定PM2.5的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)年均值為35μg·m-3，日均值為75μg·m-3，該標(biāo)準(zhǔn)值與美國(guó)和 WHO（推薦 PM2.5年均值為 10μg·m-3，日均值為 25μg·m-3）的標(biāo)準(zhǔn)限值還有巨大的差距．就目前我國(guó)對(duì)PM2.5所做的研究來(lái)看（見(jiàn)表1），我國(guó)大部分地區(qū)PM2.5的污染十分嚴(yán)重，并且PM2.5占到PM10的40%～80%，PM2.5成為可吸入顆粒物（PM10）中的主要組成部分．PM2.5嚴(yán)重污染地區(qū)主要集中在北京、天津、上海、南京、貴陽(yáng)、濟(jì)南等地，而在香港、深圳、杭州等地的污染程度較輕，這可能與地理位置和氣象條件有關(guān)．

目前，我國(guó) PM2.5的研究主要集中在北京、上海、珠三角等發(fā)達(dá)城市，對(duì)東北、中部和西部所做的研究相對(duì)較少．從監(jiān)測(cè)時(shí)間來(lái)看，我國(guó)PM2.5的研究時(shí)間最早在1988年，但監(jiān)測(cè)時(shí)間較短，而目前PM2.5的研究時(shí)斷時(shí)續(xù)，監(jiān)測(cè)值具有一定的偶然性，不能很好地反應(yīng)PM2.5的污染特征．

另外，由于監(jiān)測(cè)時(shí)間的不統(tǒng)一，監(jiān)測(cè)方法（濾膜稱(chēng)重法、光散射法、壓電晶體法、電荷法、β射線(xiàn)吸收法以及微量震蕩天平法）上也有巨大的差異，導(dǎo)致各城市 PM2.5質(zhì)量濃度可比性降低．因此我國(guó)各城市應(yīng)建立一套標(biāo)準(zhǔn)化的 PM2.5的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并實(shí)施長(zhǎng)期、大規(guī)模的PM2.5監(jiān)測(cè)．

表1 我國(guó)各地PM2.5質(zhì)量濃度水平

1.2 PM2.5的時(shí)間變化特征

PM2.5具有日變化特征，呈現(xiàn)明顯的雙峰型，北京[18]、南京[7]和天津[19]等地都有相似的日變化特征；PM2.5還具有季節(jié)性日變化模式：整體上是冬季夜間質(zhì)量濃度高于白天，夏季白天質(zhì)量濃度高于夜晚．PM2.5質(zhì)量濃度的日變化主要與污染源排放、氣象條件以及人類(lèi)活動(dòng)等等因素有關(guān)．

同時(shí)，PM2.5還具有季節(jié)變化特征．He等[3]于1999.7—2000.9對(duì)北京清華園和車(chē)公莊的 PM2.5進(jìn)行了為期一年的研究，發(fā)現(xiàn) PM2.5濃度具有明顯的季節(jié)變化特征，即冬季濃度值最高，夏季最低．并且對(duì)鄭州[20]、長(zhǎng)春[21]、哈爾濱[22]、天津[23]等地所做的研究也得到了相同的結(jié)果．而王麗京等[24]在2001年選取北京的3個(gè)站點(diǎn)（中國(guó)氣象局大氣探測(cè)基地觀(guān)測(cè)場(chǎng)、北京大學(xué)、北京市環(huán)境監(jiān)測(cè)站）研究結(jié)果表明，夏季 PM2.5的質(zhì)量濃度最高，秋季最低，春冬兩季相差不大．造成差異的原因可能與監(jiān)測(cè)時(shí)段的選擇有關(guān)，采樣時(shí)段選擇不同導(dǎo)致結(jié)果成倍的差別．PM2.5濃度季節(jié)變化與氣象條件季節(jié)性變化、監(jiān)測(cè)時(shí)段的選取、污染源的排放以及大氣光化學(xué)反應(yīng)等因素有關(guān)．另外，還與氣流的輸送有關(guān)，牛彧文等[25]的研究發(fā)現(xiàn)深圳 PM2.5濃度值季節(jié)性差異大，當(dāng)夏季主導(dǎo)風(fēng)向來(lái)自西南或東南海面時(shí)，大氣環(huán)境質(zhì)量較好，冬季主導(dǎo)風(fēng)向來(lái)自北方內(nèi)陸時(shí)，大氣環(huán)境質(zhì)量較差．

1.3 PM2.5的空間變化特征

Chan等[26]研究了香港大氣顆粒物的垂直分布情況，發(fā)現(xiàn) PM2.5的質(zhì)量濃度沿高度呈指數(shù)規(guī)律下降．王庚辰等[27]在北京所做的研究也得出了 PM2.5質(zhì)量濃度隨高度增加而遞減的規(guī)律．樊文雁等[28]還研究了北京不同天氣背景下 PM2.5在垂直方向上濃度的變化，結(jié)果表明，霧天近地層細(xì)粒子質(zhì)量濃度明顯高于較高層，而霾天細(xì)粒子在垂直方向上濃度混合均勻．潘純珍等[29]的研究發(fā)現(xiàn)：街區(qū)主干道PM2.5濃度大于郊區(qū)主干道；PM2.5的濃度在重慶城區(qū)道路水平方向上變化不明顯；PM2.5的濃度在垂直方向上到 30樓才有明顯的下降．孫玫玲[19]在天津氣象塔（255 m）上的觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，混合層厚度和穩(wěn)定度會(huì)影響PM2.5在垂直方向上的濃度分布．可見(jiàn)，PM2.5質(zhì)量濃度在垂直方向的差異主要與天氣背景，邊界層的厚度與穩(wěn)定度，以及邊界層的氣象條件密切相關(guān)，如垂直方向上的湍流變化，風(fēng)速與 PM2.5逐時(shí)質(zhì)量濃度在垂直方向的分布就會(huì)呈現(xiàn)不同相關(guān)性，冷空氣過(guò)境時(shí)，顆粒物的濃度也會(huì)增加．另外，PM2.5在垂直方向的濃度還受到區(qū)域輸送的影響[28]．

2 PM2.5的化學(xué)組成

2.1 水溶性組分

水溶性組分是大氣顆粒物的重要組成部分之一，水溶性離子直接影響大氣降水的酸度．另外，因其具有吸濕性而影響云凝結(jié)核（CCN）的濃度，從而引起間接的輻射強(qiáng)迫作用[30]176-177．水溶性組分可分為兩種：（1）水溶性無(wú)機(jī)組分，一般包括Na+、Cl-、Mg2+、Ca2+等；（2）水溶性有機(jī)組分，如甲酸、乙酸、乙二酸等．可溶性組分一般占PM2.5質(zhì)量的20%～60%．其中，二次離子是PM2.5中最主要的水溶性離子，它們的濃度占到PM2.5質(zhì)量的1/3左右，主要來(lái)自于氣態(tài)前體物SO2、NOx和NH3的二次轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化率除受到溫度、濕度和大氣光化學(xué)反應(yīng)等因素的影響，還受到區(qū)域輸送的影響．

Wang等[31]對(duì)北京2001—2003年P(guān)M2.5的研究發(fā)現(xiàn)，二次離子濃度表現(xiàn)出夏、冬季節(jié)高于春、秋季節(jié)．對(duì) PM2.5的治理也要協(xié)同控制其前體物的排放．水溶性有機(jī)物受分析測(cè)定方法的限制，目前能從分子水平上鑒別出來(lái)的化合物主要是二元羧酸、醛酸和酮酸等低分子量有機(jī)酸，雖然它們只占水溶性有機(jī)物質(zhì)量的較小部分，但這些組分一般是大氣化學(xué)反應(yīng)的最終生成物，或者是新陳代謝的產(chǎn)物，對(duì)于氣候變化、輻射平衡以及能見(jiàn)度等有著重要影響．

2.2 碳組分

PM2.5的含碳組分包括OC、元素碳（EC）和碳酸鹽碳（CC）．細(xì)顆粒物中CC的含量所占比例很小，在進(jìn)行化學(xué)物種分析時(shí)一般將其忽略．OC和EC濃度之和常占到PM2.5濃度的10%～70%[32-34]．EC多數(shù)來(lái)源于含碳物質(zhì)的不完全燃燒，而OC包括一次有機(jī)碳（POC）和二次有機(jī)碳（SOC）．一次有機(jī)碳主要有兩種來(lái)源：一是以各種生物質(zhì)的燃燒為主，通常是以細(xì)顆粒物的形式排放，二是土壤以及生物的直接排放，以粗顆粒物的形式存在．二次有機(jī)碳的來(lái)源是由空氣中的氣態(tài)有機(jī)物經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)而來(lái)，以細(xì)顆粒物的形式存在[15]．機(jī)動(dòng)車(chē)排放、工業(yè)排放、生物質(zhì)燃燒和冬季供暖等燃燒過(guò)程是城市大氣顆粒物中EC和OC的主要來(lái)源[35]．很多研究將OC/EC的比值＞2作為SOC存在的依據(jù)之一．北京地區(qū)四季OC/EC的比值大小順序?yàn)椋憾?.84）＞秋（2.81）＞春（2.73）＞夏（2.14）[5]；珠三角洲城市群冬季OC/EC的比值分別為：香港（2.3），廣州（2.7），深圳（2.2），珠海（2.5）[33]；上海OC/EC的比值更高，達(dá)到5.3[6]，可見(jiàn)，我國(guó)大部分城市存在一定程度的二次有機(jī)物污染．

2.3 無(wú)機(jī)元素

大氣顆粒中無(wú)機(jī)元素所占的比重相對(duì)較小，但其更容易在細(xì)粒子中富集，并且包含著許多對(duì)人體健康危害很大的重金屬元素，并可進(jìn)入人體肺部，對(duì)人體的危害性大．無(wú)機(jī)元素的主要來(lái)源有交通排放、燃料燃燒、冶金工業(yè)、建筑揚(yáng)塵以及廢棄物焚燒等[23,36]，表2給出了各類(lèi)污染源的特征元素．

表2 各類(lèi)污染源的特征元素

目前常用富集因子來(lái)描述顆粒物中元素富集程度，其值還能判別自然與人為污染源的貢獻(xiàn)水平．其表達(dá)式為：

CX代表待檢驗(yàn)元素，CR代表參考元素，EFX代表待檢驗(yàn)元素的富集因子值．通常認(rèn)為 EF＜1時(shí)元素源于土壤；EF＞10時(shí)元素源自人為污染；1＜EF＜10的元素人為污染占一定比例[17]．富集因子的研究表明，無(wú)機(jī)非地殼元素更易在細(xì)粒子中富集[9,13,17]，如S、Pb、Se、As、Cr等代表人為排放源的元素，其富集因子值在細(xì)粒子中最大，有的高達(dá)數(shù)千倍，給環(huán)境和人體健康帶來(lái)了極大的潛在危害．

3 PM2.5對(duì)能見(jiàn)度影響的研究

能見(jiàn)度降低已成為我國(guó)較為突出的城市環(huán)境問(wèn)題．近年來(lái)，隨著城市的大規(guī)模建設(shè)，污染物的排放增多，造成了越來(lái)越嚴(yán)重的城市灰霾現(xiàn)象．顆粒物主要通過(guò)對(duì)光的散射和吸收影響能見(jiàn)度，顆粒物的散射作用大約占其對(duì)大氣消光系數(shù)的70%．其中，細(xì)顆粒物濃度的升高是形成我國(guó)城市灰霾的主要因素之一．李令軍等[37]對(duì)比研究顆粒物濃度與能見(jiàn)度的日變化發(fā)現(xiàn)兩者呈反相關(guān)，顆粒物的濃度與消光系數(shù)呈正相關(guān)．宋宇等[38]的研究發(fā)現(xiàn)顆粒物的散射消光作用在北京市能見(jiàn)度下降中占有主要地位，其中與細(xì)粒子的關(guān)系更為密切，細(xì)粒子質(zhì)量濃度的高低是決定能見(jiàn)度好壞的主要因子．張濤等[39]的研究也表明0.5～2.5μm粒子濃度增加是大氣能見(jiàn)度降低的重要原因，其消光系數(shù)貢獻(xiàn)率達(dá)到88.6%．王京麗等[40]對(duì)北京2001年春夏秋冬四季細(xì)粒子與能見(jiàn)度的研究指出，能見(jiàn)度與 PM2.5質(zhì)量濃度在春季呈乘冪關(guān)系；夏季除高相對(duì)濕度外，呈指數(shù)關(guān)系；秋季呈對(duì)數(shù)關(guān)系；冬季呈指數(shù)關(guān)系．

能見(jiàn)度的降低與細(xì)粒子中的化學(xué)組分也有關(guān)系．元素碳主要對(duì)光有吸收效應(yīng)，而有機(jī)碳、主要對(duì)光輻射起散射效應(yīng)．Tsai等[41]研究表的濃度與能見(jiàn)度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系．古金霞等[42]對(duì)天津顆粒物的散射系數(shù)、PM2.5及其化學(xué)成分進(jìn)行了為期一年的觀(guān)測(cè)，結(jié)果表明，細(xì)顆粒物中有機(jī)碳和硫酸鹽是影響能見(jiàn)度的主要化學(xué)成分，使用MPROVE法核算化學(xué)組分對(duì)散射消光的貢獻(xiàn)，得出有機(jī)物的貢獻(xiàn)率為 38.5%．邊海等[43]研究發(fā)現(xiàn)能見(jiàn)度與顆粒物中總碳質(zhì)量濃度變化呈負(fù)相關(guān)，OC和 EC對(duì)大氣消光貢獻(xiàn)率平均為28.7%，6.1%，27.6%和19.2%．并且譚吉華等[44]的研究也發(fā)現(xiàn)，在灰霾天氣下，大氣顆粒物、EC和OC均在積聚模態(tài)（0.1～2.0μm）大幅度增長(zhǎng)，它們是形成灰霾天氣的重要原因．

4 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，PM2.5作為一種復(fù)合污染物，對(duì)空氣質(zhì)量、大氣能見(jiàn)度以及人體的健康影響越來(lái)越大，人們對(duì)其也越來(lái)越重視．目前，雖然我國(guó)許多城市都對(duì) PM2.5進(jìn)行過(guò)一定的研究，對(duì)其污染特征也有一定的了解，但大多數(shù)只有間斷的監(jiān)測(cè)，并且監(jiān)測(cè)時(shí)間，監(jiān)測(cè)方法也有所不同，導(dǎo)致不能對(duì)我國(guó) PM2.5污染特征有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)．希望在新的《環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的全面推廣與執(zhí)行后，我國(guó) PM2.5的污染特征能得到全面的分析，從而為我國(guó)控制 PM2.5的污染打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．

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