長(zhǎng)春市大氣中PM10污染特征分析

房春生，金藝娜，孟瑩，溫卓，王菊

長(zhǎng)春市大氣中PM10污染特征分析

房春生，金藝娜，孟瑩，溫卓，王菊*

吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012

近年來(lái)，大氣環(huán)境質(zhì)量的不斷惡化受到了人們廣泛的關(guān)注。利用長(zhǎng)春市的食品廠、客車廠、郵電學(xué)院、兒童公園、凈月潭以及甩灣子等6個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)中心提供的2011年P(guān)M10、SO2與NO2小時(shí)質(zhì)量濃度的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了長(zhǎng)春市PM10質(zhì)量濃度(MPM)的時(shí)空分布特征、不同污染物之間的相關(guān)性及其形成的原因。結(jié)果表明：從空間分布上看，6個(gè)采樣點(diǎn)的MPM從高到低依次為食品廠＞兒童公園＞郵電學(xué)院＞客車廠＞凈月潭＞甩灣子，其中除食品廠與兒童公園外均符合《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3095－1996的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。從時(shí)間分布上看，絕大多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的冬季MPM是最高的，春季次之，主要是因?yàn)槎静膳c春季沙塵天氣，而夏季的MPM最低，主要是濕沉降作用所致。MPM逐日變化呈現(xiàn)出雙峰雙谷型分布,第一個(gè)峰值出現(xiàn)在早上7:00左右，其中最大值出現(xiàn)在5月份的早7:00左右，達(dá)到了0.223 mg·m-3，第1個(gè)峰值過(guò)后呈下降趨勢(shì)，下午出現(xiàn)質(zhì)量濃度低谷，其中最小值出現(xiàn)在11月份15:00左右，為0.036 mg·m-3，直到傍晚時(shí)緩慢回升，22:00左右達(dá)到第2個(gè)峰值。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析不同污染物之間的相關(guān)系數(shù)，得出PM10與NO2質(zhì)量濃度的相關(guān)性顯著，且較穩(wěn)定，其原因可能是常年排放的機(jī)動(dòng)車尾氣塵影響較大，而PM10與SO2質(zhì)量濃度的相關(guān)性不太穩(wěn)定，這可能是冬季采暖排放的燃煤塵所致。

PM10；質(zhì)量濃度；相關(guān)系數(shù)；SO2；NO2

可吸入顆粒物（PM10）是指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑在10 μm以下的顆粒物，它在環(huán)境空氣中停留時(shí)間長(zhǎng)，輸送距離遠(yuǎn)，又稱為飄塵。PM10被人體吸入后會(huì)累積在呼吸系統(tǒng)中，誘發(fā)哮喘病，并可隨人的呼吸沉積肺部，甚至進(jìn)入肺泡、血液，導(dǎo)致肺心病，嚴(yán)重的可危及生命，國(guó)內(nèi)外大量的流行病學(xué)和毒理學(xué)研究證實(shí)了PM10的危害性（Harrison和Yin，2000；Chan等，1997；時(shí)宗波等，2002；李紅等，2002；梁克為等，2003；時(shí)宗波等，2004；徐映如等，2013)。同時(shí)對(duì)大氣能見(jiàn)度、溫度和酸雨也產(chǎn)生一定的影響（吳國(guó)平等，1999；茆長(zhǎng)榮和尚廣萍，2005)。PM10是我國(guó)大氣環(huán)境質(zhì)量的主要污染物，因此將它設(shè)為評(píng)價(jià)大氣環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)。

正因?yàn)槿绱?，人們?duì)PM10的關(guān)注度很高。學(xué)者們對(duì)各個(gè)地區(qū)的PM10時(shí)空分布做了許多研究（周悅等，2011；溫麗仙和李素清，2007；常鳴等，2012；司瑤冰等，2004；陳丹青等，2013；曹玲等，2013；魏玉香等，2009；顧勇國(guó)等, 2006；郭元喜等，2012；趙克蕾等，2014；李名升等，2013）。李名升等（2013）研究了近10年中國(guó)大氣PM10污染時(shí)空格局的演變，趙克雷等（2014）對(duì)庫(kù)爾勒市PM10質(zhì)量濃度的變化特征進(jìn)行了分析，曹玲等（2013）研究了河北走廊極端干旱區(qū)PM10與氣象要素的關(guān)系，魏玉香等（2009）研究了南京SO2、NO2和PM10變化特征及其與氣象條件的關(guān)系，顧勇國(guó)等（2006）分析了上海市SO2、NO2和PM10的時(shí)空變化特征及其相關(guān)性, 郭元喜等（2012）研究了中國(guó)中東部秋季PM10時(shí)空變化及其與日氣溫的關(guān)系。長(zhǎng)春市自動(dòng)監(jiān)測(cè)站長(zhǎng)期采集著大量的PM10數(shù)據(jù)，但目前沒(méi)有對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出污染特征的報(bào)道。本文使用了長(zhǎng)春市大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)出長(zhǎng)春市PM10時(shí)空分布特征，這種靠自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的大量數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析，與依據(jù)少量采樣數(shù)據(jù)的方法相比大大減少了采樣過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，并結(jié)合氣象條件分析了其特征形成的原因以及來(lái)源，為提高環(huán)境空氣質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料概況

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)春市位于北緯43°05′-45°15′；東經(jīng)124°18′-127°05′，地處中國(guó)東北平原腹地，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候。長(zhǎng)春市年平均氣溫為4.8 ℃，四季分明，春季干燥多風(fēng)，夏季濕熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷漫長(zhǎng)。本文采用長(zhǎng)春市自動(dòng)監(jiān)測(cè)站逐時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位情況概述Table 1 General situations of monitoring stations

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理方法

采用美國(guó)熱電公司Thermo PM10自動(dòng)采樣器對(duì)長(zhǎng)春市的食品廠、客車廠、郵電學(xué)院、兒童公園、凈月潭以及甩灣子等6個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的PM10、SO2與NO2的質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)記錄頻率為1 h·次-1，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2011年1月1日至2011年12月31日。

筆者用Excel電子表格中的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法，得出不同點(diǎn)位的MPM季節(jié)均值和長(zhǎng)春市MPM月小時(shí)均值，并計(jì)算出長(zhǎng)春市PM10、SO2與NO2質(zhì)量濃度的季節(jié)日均值、季節(jié)小時(shí)均值，并對(duì)不同污染物進(jìn)行了相關(guān)分析。

2 長(zhǎng)春市PM10污染特征分析

2.1 MPM季節(jié)均值變化

圖1是2011年長(zhǎng)春市食品廠、客車廠、郵電學(xué)院、兒童公園、凈月潭以及甩灣子等監(jiān)測(cè)點(diǎn)的季節(jié)平均值變化情況。由于2010、2011年長(zhǎng)春市雨雪較多，大氣相對(duì)濕度較大，沙塵暴天氣較少，6個(gè)站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果環(huán)境質(zhì)量較好。從圖中可以看出，除食品廠與兒童公園監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，均達(dá)到《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3095－1996里的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.1 mg·m-3。其中質(zhì)量濃度最高的是食品廠，其年均值為0.110 mg·m-3。食品廠屬于工業(yè)區(qū)，易受周邊工業(yè)企業(yè)排放廢氣的影響，導(dǎo)致指標(biāo)較高，形成了大氣污染。此外，由于該區(qū)處于長(zhǎng)春市主導(dǎo)風(fēng)向（西南風(fēng)）的下游，容易受到市里污染物輸送到該區(qū)帶來(lái)的影響。同樣超標(biāo)的兒童公園的具體質(zhì)量濃度為0.102 mg·m-3。該區(qū)地處市中心，屬于交通、商業(yè)密集區(qū)，大量車輛流動(dòng)和商業(yè)活動(dòng)造成了該區(qū)的污染。甩灣子的質(zhì)量濃度值最低，年均值為0.051 mg·m-3。主要是因?yàn)樵搮^(qū)位于郊區(qū)，距工廠的排放源較遠(yuǎn)，人口密度也較小。其次質(zhì)量濃度值較低的是屬于風(fēng)景區(qū)的凈月潭，年均值為0.063 mg·m-3。凈月潭不僅距工業(yè)區(qū)較遠(yuǎn)，該區(qū)里的水庫(kù)也吸附了地表面的灰塵，在一定程度上降低了PM10質(zhì)量濃度。

圖1 不同監(jiān)測(cè)站的MPM季節(jié)均值Fig.1 Seasonal means of MPMin different monitoring stations

從6個(gè)監(jiān)測(cè)站的PM10季節(jié)均值變化中可以看出，除客車廠外，其余監(jiān)測(cè)站季節(jié)均值均為冬季最高，其它依次為春季、秋季和夏季。冬季PM10質(zhì)量濃度最高主要冬季采暖引起的。長(zhǎng)春市的采暖期一般為11月到次年4月，周期較長(zhǎng)。另外，冬季早晨易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，抑制PM10的擴(kuò)散，導(dǎo)致了質(zhì)量濃度的提高。春季的PM10質(zhì)量濃度僅次于冬季，這是由于春季天氣干燥，風(fēng)大，易出現(xiàn)沙塵暴天氣，使得PM10質(zhì)量濃度增大。秋季多數(shù)為多云或晴朗的天氣，雨雪天氣較少，相對(duì)濕度低，因此PM10質(zhì)量濃度也處于較高的水平。根據(jù)氣象條件可知，2011年夏季降雨量相對(duì)較多，92 d里有41 d是降雨天氣，這起到了對(duì)大氣的清潔作用，也就是濕沉降過(guò)程（王琦和于金蓮，2004）。此外，夏季時(shí)大氣的湍流混合能力強(qiáng)，污染物排放到大氣后較快達(dá)到分散稀釋的效果，降低了PM10質(zhì)量濃度。

2.2 MPM月小時(shí)均值變化

圖2 長(zhǎng)春市MPM的時(shí)間分布Fig.2 Time distribution of MPMin Changchun

基于5個(gè)觀測(cè)站（除甩灣子對(duì)照點(diǎn)外）2011年的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)春市PM10月小時(shí)均值，并通過(guò)Surfer軟件作出三維等值線圖，見(jiàn)圖2。圖2中可以看出2011年期間1月、5月發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量濃度區(qū)，其中最大值出現(xiàn)在5月份的早7:00左右，達(dá)到了0.223 mg·m-3，這主要是冬季采暖與春季沙塵天氣所致。同時(shí)，低質(zhì)量濃度區(qū)出現(xiàn)在8月、9月、11月份，其中最小值出現(xiàn)在11月份15:00左右，為0.036 mg·m-3，這也與圖1中的分析相吻合。從全年的MPM月均值質(zhì)量濃度分布來(lái)看大部分低于0.1 mg·m-3，因此，長(zhǎng)春市2011年空氣質(zhì)量較好。

圖2中每月均值的逐日變化都呈現(xiàn)出雙峰雙谷型分布。第一個(gè)峰值出現(xiàn)在早晨7:00左右，主要是由于夜間邊界層較穩(wěn)定，PM10能夠長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中，同時(shí)早晨人們的上班活動(dòng)也是引起質(zhì)量濃度上升的另一原因（周悅等，2011）。5月的第1個(gè)峰值出現(xiàn)較早，在早上5:00達(dá)到了峰值，持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)。而1月的第1個(gè)峰值出現(xiàn)在早上10:00，比其它月份晚1～5 h，這是長(zhǎng)春市冬天天氣寒冷，人們?cè)绯砍鲂械臅r(shí)間推遲所導(dǎo)致的（周悅等，2011）。MPM在逐日變化中第1個(gè)峰值過(guò)后逐漸下降，下午出現(xiàn)質(zhì)量濃度低谷，直到傍晚才緩慢回升，22:00左右達(dá)到第2個(gè)峰值。這主要是因?yàn)榘滋焯?yáng)輻射強(qiáng)，氣溫增高，使得大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于PM10的垂直擴(kuò)散于湍流交換。傍晚是人們下班與車輛增加的高峰期，這些人類活動(dòng)是導(dǎo)致污染嚴(yán)重的一個(gè)原因。1、2月MPM的第2個(gè)峰值出現(xiàn)的較早，20:00達(dá)到了峰值，并且從傍晚到第二天早上持續(xù)較高的狀態(tài)。這是由于除了下班時(shí)間車輛的增加外，采暖煤煙排放的影響。并且排放出來(lái)的PM10由于早晚氣溫低，大氣層穩(wěn)定引起的逆溫現(xiàn)象，在底層大氣中難以擴(kuò)散（王琦和于金蓮，2004）。7月的第2個(gè)峰值在21:00，較其它月份出現(xiàn)得晚，這是由于夏天的日照時(shí)間長(zhǎng)，人們下班時(shí)間的推遲所導(dǎo)致。

表2 不同污染物季節(jié)日均值之間的相關(guān)性Table 2 Correlations between daily means of pollutants in different seasons

2.3 不同污染物之間的關(guān)系分析

表2是不同污染物的不同季節(jié)日均值質(zhì)量濃度之間的相關(guān)系數(shù)，表3是不同污染物的季節(jié)小時(shí)均值質(zhì)量濃度之間的相關(guān)系數(shù)。春季里，PM10與NO2季節(jié)小時(shí)均值呈顯著性相關(guān)，而季節(jié)日均值的相關(guān)性不顯著。這可能是在逐日變化中PM10與NO2的變化趨勢(shì)是相似的，但汽車尾氣塵對(duì)于MPM的提高產(chǎn)生的作用是有限的。長(zhǎng)春市春季比較干燥，沙塵暴天氣較多，土壤風(fēng)沙塵會(huì)對(duì)PM10產(chǎn)生一定的影響。在兩張表中，夏季的PM10與NO2質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性，而其它都呈現(xiàn)非相關(guān)。這可能是由于夏季屬于非采暖期，沒(méi)有燃煤塵污染，從而突出了汽車尾氣的影響。秋冬季節(jié)的日均值中PM10、SO2與NO2三種污染物之間的相關(guān)性都為顯著，而季節(jié)逐日均值秋冬季節(jié)SO2與NO2呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系，PM10與NO2的相關(guān)性較為顯著。這說(shuō)明三種污染物秋冬季節(jié)的質(zhì)量濃度變化特征相似，PM10來(lái)源于燃煤塵與機(jī)動(dòng)車尾氣塵，可能是燃煤塵與機(jī)動(dòng)車尾氣塵排放量的逐日變化特征的不一致導(dǎo)致了SO2與PM10的反相關(guān)。

從整體形勢(shì)來(lái)看PM10與NO2質(zhì)量濃度的相關(guān)性比較穩(wěn)定，這可能是因?yàn)榭諝庵蠱PM常年受著機(jī)動(dòng)車尾氣塵的影響。PM10與SO2的相關(guān)系數(shù)不太穩(wěn)定，這是可能是長(zhǎng)春市每年10月中旬到次年4月中旬的采暖期間所產(chǎn)生的燃煤塵導(dǎo)致的。

表3 不同污染物季節(jié)小時(shí)均值之間的相關(guān)性Table 3 Correlations between pollutants’ hourly means in different seasons

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

長(zhǎng)春市PM10污染為燃煤塵、機(jī)動(dòng)車尾氣塵和土壤風(fēng)沙塵的混合型污染。長(zhǎng)春市要合理布局工業(yè)企業(yè)并加強(qiáng)工業(yè)排污的管理力度，減少工業(yè)區(qū)下風(fēng)向區(qū)域受到的影響。同時(shí)，做好集中供暖，加強(qiáng)污染源PM10的治理工作，并逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車尾氣排污的控制與凈化來(lái)減少線源污染，提高周邊環(huán)境綠化的工作來(lái)吸附空氣中的揚(yáng)塵。

3.2 結(jié)論

1) 長(zhǎng)春市2011年各自動(dòng)監(jiān)測(cè)站PM10數(shù)據(jù)顯示除食品廠與兒童公園外的4個(gè)采樣點(diǎn)均符合《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3095－1996的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2) 長(zhǎng)春市PM10污染季節(jié)變化的規(guī)律性明顯。PM10污染冬季＞春季＞秋季＞夏季，這與采暖期燃煤排污與春季的風(fēng)沙天氣較多有關(guān)。

3) 長(zhǎng)春市MPM逐日變化呈現(xiàn)出雙峰雙谷型分布，第1個(gè)峰值出現(xiàn)在早晨7:00左右，第1個(gè)峰值過(guò)后逐漸下降，下午出現(xiàn)質(zhì)量濃度低谷，直到傍晚才緩慢回升，22:00左右達(dá)到第2個(gè)峰值。

4) 2011年4個(gè)季節(jié)PM10與NO2質(zhì)量濃度的相關(guān)性比較穩(wěn)定，這可能是因?yàn)榭諝庵谐Ｄ昱欧艡C(jī)動(dòng)車尾氣塵。同時(shí)PM10與SO2的相關(guān)系數(shù)不太穩(wěn)定，這可能是長(zhǎng)春市采暖期間的燃煤塵所引起的。

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Analysis of atmospheric characteristics of PM10pollution in Changchun, China

FANG Chunsheng, JIN Yina, MENG Ying, WEN Zhuo, WANG Ju*
College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130012, China

In recent years, the worsening of atmospheric environmental quality has received widespread attention. In this study, based on continuous hourly data of PM10, SO2and NO2which offered by 6 automatic monitoring stations in Changchun, special distribution of PM10, correlations between different pollutants and formation reasons were analyzed. The six automatic monitoring stations include Food Factory, Passenger Car Manufactory, Post and Telecommunications College, Children Park, Jingyue Tan and Shuaiwanzi. The results shown that, special distribution of MPMin six sampling sites from high to low were Food Factory＞ Children Park＞ Post and Telecommunications College ＞ Passenger Car Manufactory ＞ Jingyue Tan ＞ Shuaiwanzi, and except for Food Factory and Children Park, other sampling sites all meet the second standards of the "Ambient Air Quality standards" GB3095-1996. Time distribution of MPMin most sampling sites were highest in winter, followed by spring, and this was caused by heating in winter and dust in spring. While the minimum MPMoccurring in summer was due to wet deposition. Daily variation of MPMshowed double peak valley type distribution, and the first peak was at about 7:00 in the morning, in which the maximum occurred at around 7:00 in May, reaching 0.223 mg·m-3. After the first peak, MPMbegan to decrease, and in the afternoon appeared the lowest concentration, and the minimum (0.036 mg·m-3) occurred at around 15:00 in November. Slow increasing happened from evening, at around 22:00 to reach the second peak. Correlation coefficients between different pollutants were calculated, and the result shown that PM10and NO2were significantly correlated, and quite stable, which may be due to the perennial influence of motor vehicle exhaust. However, correlation between SO2and PM10were not stable, which may be coal dust caused by heating in winter.

PM10; mass concentration; correlation coefficient; SO2; NO2

X831

A

1674-5906（2014）04-0610-05

房春生，金藝娜，孟瑩，溫卓，王菊. 長(zhǎng)春市大氣中PM10污染特征分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(4): 610-614.

FANG Chunsheng, JIN Yina, MENG Ying, WEN Zhuo, WANG Ju. Analysis of atmospheric characteristics of PM10pollution in Changchun, China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(4): 610-614.

吉林省科技廳重大科技攻關(guān)專項(xiàng)（20130204051SF）；吉林省環(huán)保廳重點(diǎn)項(xiàng)目（2013-17）

房春生（1971年生），教授，博士，主要從事環(huán)境規(guī)劃與評(píng)價(jià)研究。E-mail：fangcs@jlu.edu.cn

*通訊作者：王菊，副教授，E-mail：wangju@jlu.edu.cn

2014-04-11