貴陽市空氣中PM2.5/PM10時空分布特征研究

王 琴 馬琳達

(1.貴州省環(huán)境監(jiān)控中心； 2.貴陽市環(huán)境監(jiān)測站， 貴陽 550002)

貴陽市空氣中PM2.5/PM10時空分布特征研究

王 琴1馬琳達2

(1.貴州省環(huán)境監(jiān)控中心； 2.貴陽市環(huán)境監(jiān)測站， 貴陽 550002)

利用2013年貴陽市10個國控監(jiān)測站點PM2.5和PM10全年(2013年1月1日00時—2013年12月31日23時)實時同步質(zhì)量濃度監(jiān)測資料，取24小時滑動平均，研究PM2.5和PM10質(zhì)量濃度比值(PM2.5/PM10)的時間、空間分布特征及二者質(zhì)量濃度的相關性。結果表明：2013年貴陽市PM2.5/PM10的年均值為0.64，春、夏、秋和冬季的平均值分別為0.64、0.49、0.66和0.77。PM2.5/PM10四季有較大差異，冬季比值最高，夏季最低，春、秋兩季相當；由于所代表的功能區(qū)及環(huán)境位置特點不同，各監(jiān)測點同時刻的PM2.5和PM10濃度值有較大差異，但PM2.5/PM10的空間分布沒有明顯差異；對PM2.5和PM10濃度值進行回歸分析，當PM10濃度增大時，PM2.5整體呈增大趨勢。

PM2.5/PM10；貴陽市；時間分布；空間分布；統(tǒng)計分析

PM2.5作為PM10中粒徑較小的部分，可在肺泡沉積，并進入血液循環(huán)，直接危害公眾的身體健康。研究顯示，PM2.5中含有多種有毒有害物質(zhì)，會直接影響人體的呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)，與肺癌的發(fā)生率和死亡率密切相關[1-2]，由此引發(fā)人們對細顆粒物的研究。我國空氣中PM2.5污染形勢嚴峻，2013年，在全國納入監(jiān)測范圍的74座城市的監(jiān)測結果，接近92%的城市空氣中PM2.5年均濃度達不到國家二級標準[3]，其中貴陽市PM2.5達標率為80%。隨著貴陽市城市化進程的加快、人口增加以及機動車保有量的快速增長,將給貴陽市環(huán)境空氣質(zhì)量帶來嚴峻挑戰(zhàn)。

PM2.5和PM10比值是對一個區(qū)域顆粒物污染來源進行宏觀分析的主要指標[4]，國家環(huán)境保護部在《灰霾污染日判別標準(試行)》(征求意見稿)[5]中提出滿足灰霾污染日的3個條件，其中之一就是PM2.5/PM10>60%。研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5能顯著降低大氣能見度，且PM2.5在PM10中所占比重越高，污染越嚴重[6]。貴陽市2013年正式開始對PM2.5進行常規(guī)監(jiān)測，為彌補PM2.5歷史監(jiān)測資料不足，可利用已有的PM2.5、PM10同步監(jiān)測資料，分析兩者比值特征，再根據(jù)PM10歷年的監(jiān)測資料，估算PM2.5濃度，以延長PM2.5時間序列。

為科學、合理地評價貴陽市環(huán)境空氣質(zhì)量，為今后制定相應的污染控制措施提供參考依據(jù)，本文對貴陽市空氣中PM2.5/PM10的時間、空間分布特征及二者質(zhì)量濃度的相關性進行研究。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 資料來源

本研究使用貴陽市10個國控空氣質(zhì)量監(jiān)測點2013全年(2013年01月01日00時—2013年12月23日23時)PM2.5和PM10的實時同步監(jiān)測濃度值(即小時平均值)，頻次為1 h。PM2.5采用β射線吸收法，PM10采用微量振蕩天平法連續(xù)自動監(jiān)測，數(shù)據(jù)由貴陽市環(huán)境監(jiān)測站提供。各監(jiān)測站點位置見圖1。

1.2 研究方法

分別對10個國控點的PM2.5和PM10小時均值取24 h滑動平均，再對10個點位同時刻數(shù)據(jù)進行平均，得到貴陽市全年8 737對濃度值。按照貴陽市氣候條件，劃分3、4和5月份為春季，6、7和8月份為夏季，9、10和11月份為秋季，12月份和次年1、2月份為冬季。由于2014年無PM2.5監(jiān)測資料，本文中以2013年1、2月份代替次年數(shù)據(jù)。

圖1 貴陽市10個國控監(jiān)測點位置

2 結果與分析

2.1 PM2.5/PM10的時間分布特征分析

2.2.1 全年分布特征

貴陽市PM2.5/PM10全年及四季平均統(tǒng)計和分布情況見表1和圖2。從全年平均來看，PM2.5/PM10比值主要集中在0.61～0.70之間，頻率為22.33%，其次是0.71～0.80，頻率為20.99%，比值在0.4以下的頻率較小。兩者比值年均為0.64，該結果與黃鸝鳴等[7]得出的2001年南京市PM2.5/PM10為0.68接近，本研究結果與楊復沫等[8]得出的1999年北京市PM2.5/PM10為0.55相比偏大。

圖2 貴陽市全年及四季PM2.5/PM10分布情況

2.2.2 四季分布特征

PM2.5/PM10有明顯季節(jié)變化。春季其比值主要集中在0.61～0.70之間，頻率高達37.55%，其次是0.71～0.80之間，頻率為25.18%，比值在0.4以下和0.9以上的頻率較小，說明春季兩者比值相對集中；夏季兩者比值主要集中在0.41～0.50之間，頻率高達33.06%，其次是0.51～0.60之間，頻率為26.22%，兩者比值在0.3以下和0.7以上的頻率僅為8.02%，說明夏季兩者比值分布集中，較春季低；秋季兩者比值主要集中在在0.61～0.70之間，頻率為27.20%，其次是0.71～0.80之間，頻率為24.73%，分布較分散，與全年分布情況最接近；冬季兩者比值主要集中在在0.81～0.90之間，頻率高達39.78%，其次是0.71～0.80之間，頻率為29.85%，比值在0.5以下和0.9以上的頻率較小，說明冬季兩者比值高且分布集中。

表1 貴陽市全年及四季PM2.5/PM10值分布統(tǒng)計

分析貴陽市PM2.5和PM10四季平均濃度及兩者比值的對比情況(見圖3)，可以看出，冬季PM2.5和PM10平均濃度最高，分別為72 μg/m3和92 μg/m3，夏季最低，分別為26 μg/m3和54 μg/m3，春、秋兩季基本相當，大約分別為53 μg/m3和88 μg/m3。PM2.5/PM10冬季最高，為0.77，夏季最低，為0.49，春、秋兩季相當，為0.65左右。統(tǒng)計結果說明，在時間分布上，PM2.5/PM10有明顯的季節(jié)變化特征，與濃度的季節(jié)分布變化趨勢一致。

圖3 貴陽市PM2.5和PM10四季平均濃度及比值的對比圖

貴陽市冬季有“天無三日晴”的天氣特征，是空氣污染多發(fā)季節(jié)，顆粒物濃度總體比夏季高，且冬季空氣相對濕度較大，風速較小，地面交通和建筑揚塵中由于風揚塵產(chǎn)生的粗顆粒較少，導致PM2.5/PM10比值較大；同時，夏季則相反，夏季植物覆蓋率和葉面積總量比冬季多，細顆粒物比粗顆粒物更容易被植物葉面吸收滯留，細顆粒物濃度值低，導致兩者比值較小，從而導致冬季PM2.5/PM10比值高于夏季。

2.2.3 冬季出現(xiàn)異常值的可能原因

PM2.5屬于PM10中粒徑較小的部分，PM2.5的質(zhì)量濃度小于PM10。根據(jù)表1中的統(tǒng)計結果，在8 737對樣本中，冬季出現(xiàn)了53對PM2.5/PM10>1的情況，分析出現(xiàn)這種情況可能有以下原因：

(1) 監(jiān)測設備和方法不同

PM2.5和PM10同時監(jiān)測，但使用的方法和設備都不同。PM2.5采用β射線吸收法，β射線吸收法有時難以剔除微小粒徑的霧滴(貴州省近地面氣層中的霧滴直徑有50%以上是在2.5μm以內(nèi))，使得PM2.5出現(xiàn)濃度偏大的誤差；PM10采用微量振蕩天平法連續(xù)自動監(jiān)測，由于未安裝濾膜動態(tài)測量系統(tǒng)，PM10測量值可能抽氣混入雨霧滴而堵塞通氣系統(tǒng)和濾膜而致使PM10測量值偏小；最終導致測量的PM2.5濃度值比PM10大，出現(xiàn)PM2.5/PM10>1的結果。今后，隨著探測手段的改進，PM2.5和PM10的監(jiān)測結果準確度將得到進一步提高。

(2) 氣象條件差異

據(jù)統(tǒng)計，PM2.5/PM10>1的情況出現(xiàn)在2013年3月3日、4日、5日、16日、17日。分析這幾日氣象資料，均有降水，相對濕度均在92%以上。降水對大氣的清潔作用實際上是一種濕清除(或濕沉降)過程，有研究表明，降水對不同污染物的清除效果不盡相同[9]，整體來看，對粒徑較大的PM10的清除作用大于粒徑較小的PM2.5。因此，降水的天氣條件增加了監(jiān)測到PM2.5/PM10>1的可能。

綜上所述，在監(jiān)測方法和氣象條件兩方面原因的影響下，可能會出現(xiàn)PM2.5/PM10>1的異常情況。

2.2 PM2.5/PM10的空間變化規(guī)律

根據(jù)各點位PM2.5和PM10年均值看(表2)，由于監(jiān)測點位于不同功能區(qū)，并且環(huán)境位置不同，監(jiān)測值差異較大。在植被覆蓋優(yōu)良點位和清潔對照點桐木嶺，PM2.5和PM10的濃度均最低，在周圍有較大污染源的烏當區(qū)和太慈橋，兩者濃度均較高。根據(jù)監(jiān)測結果，PM2.5和PM10兩者比值最高的是馬鞍山監(jiān)測點，為0.71；最低的是太慈橋，為0.56，該點濃度較高，比值反而最小。除最大和最小值外，其余各個監(jiān)測點的比值差距不大，均在0.60～0.70之間。

統(tǒng)計結果說明，在空間分布上，PM2.5/PM10無明顯分布特征，與濃度值大小無相關關系。

表2 貴陽市10個國控監(jiān)測站PM2.5/PM10年均值

2.3 PM2.5和PM10監(jiān)測值相關統(tǒng)計

從監(jiān)測結果看出，一般情況下，PM2.5質(zhì)量濃度隨PM10質(zhì)量濃度升高而升高，PM2.5與PM10比值的大小隨季節(jié)變化也有一定變化。為更準確地描述兩者關系，對監(jiān)測數(shù)據(jù)按季節(jié)進行統(tǒng)計分析，結果見表3。PM2.5和PM10四季均呈很好的線性正相關性，冬季兩者變化率最大，說明隨著PM10濃度的變化，PM2.5的變化幅度最大，夏季的變化率比春、秋季高，春、秋兩季變化率相當，春、夏、秋和冬季相關系數(shù)R的平方(R2)分別為0.941 7，0.906 7，0.899 3和0.865 2，總體說來PM2.5與PM10的監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關性明顯。由于一元線性回歸方程是根據(jù)眾多樣本點得出的統(tǒng)計結果，而不是函數(shù)關系[10]，二者不具有必然的因果關系，不能由PM10的濃度精確得出PM2.5的濃度，但根據(jù)統(tǒng)計學原理，可由已知PM10濃度估算出PM2.5濃度。

表3 PM2.5與PM10監(jiān)測值相關統(tǒng)計分析

注：x為PM10監(jiān)測濃度值，y為PM2.5監(jiān)測濃度值

3 結論

(1) 2013年貴陽市PM2.5/PM10年均值為0.64，全年比值在0.01～1.00范圍內(nèi)均有分布，比值主要集中在0.40～0.90，所占比例為90.99%；春、夏、秋、冬四季PM2.5/PM10冬季最大，夏季最小，分別為0.64、0.49、0.67、0.77。各季節(jié)比值段的分布各有特點，其中冬季分布最集中，主要在0.71～0.90之間，比例高達69.63%，比值在0.5以下和0.9以上的僅占11.8%；夏季分布主要集中在0.31～0.60之間，比例高達80.16%；秋季分布最分散，與全年比值分布最接近。

(2) 在時間變化特征上，PM2.5/PM10有明顯的季節(jié)變化特征，且與濃度的季節(jié)分布呈正相關關系，濃度升高時，兩者比值也隨之呈增大趨勢。

(3) 在空間變化特征上，不同功能區(qū)和環(huán)境位置的監(jiān)測點測得PM2.5和PM10存在差異較大。PM2.5和PM10濃度存在空間分布特征，且當PM10濃度增大時，PM2.5也隨之增大，但PM2.5/PM10無明顯分布特征，與濃度值大小無相關關系。

(4) 根據(jù)2013年統(tǒng)計結果，PM2.5與PM10呈線性正相關，根據(jù)四季的回歸方程，利用已知PM10監(jiān)測值可估算出缺乏監(jiān)測年份的PM2.5濃度值。

(5) 由于監(jiān)測方法和氣象條件等的差異，可能會出現(xiàn)PM2.5/PM10>1的異常情況，尤其在氣候潮濕、多雨霧的南方城市。隨著監(jiān)測手段的改進，監(jiān)測結果將更準確。

致謝：本文在寫作過程中得到李啟泰研究員的悉心指導和大力支持，特此感謝。

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Discussions on characteristics of PM2.5/PM10in atmospheric environment of Guiyang City

Wang Qin1, Ma Linda2

(1.Environmental Monitoring Center of Guizhou Province; 2. Guiyang City Environmental Monitoring Station, Guiyang 550002, China)

Hour average values of PM2.5and PM10mass concentration in 2013(2013/01/01-2013/12/31) were acquired from 10 national air monitoring sites in Guiyang. These data were converted into moving average every 24 hours by computer. The paper focused on the study of the characteristics of temporal and spatial distribution of PM2.5/PM10and the correlation of PM2.5and PM10mass concentration. Results showed that: (1) the average of PM2.5/PM10in 2013 was 0.64. The values of PM2.5/PM10in spring, summer, autumn and winter were 0.64, 0.49, 0.66, 0.77, respectively, revealing that the highest was in winter and the lowest in summer, and the spring and autumn in the similar level; (2) as the 10 air monitoring sites were located in different environment zones, the simultaneous mass concentrations of PM2.5and PM10at different air monitoring sites were quite different. However, no obvious spatial distribution characteristic in PM2.5/PM10was observed in this study; (3) with the method of regression analysis, the variation of PM2.5and PM10mass concentrations followed the similar trend; this paper derived 4 linear regression equations that represented respectively the correlation between the mass concentrations of PM2.5and PM10in four seasons, with such equations, the PM2.5could be estimated if the mass concentration of PM10was presented.

PM2.5/PM10; Guiyang City; temporal distribution; spatial distribution; regression analysis

2014-08-15；2014-10-22修回

王琴，女， 1988年生，碩士，研究方向：大氣污染控制。 E-mail: wangqinflower@aliyun.com

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