長沙市PM10、PM2.5污染特征及其與氣象條件的關(guān)系

李彩霞，朱國強，李 浩，李學(xué)敏，肖 盛，翟云波

(1.湖南省氣象服務(wù)中心，湖南長沙410118;2.湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410082)

可吸入顆粒物(PM10)是大氣環(huán)境中危害較大的污染物之一［1－2］，能散射太陽輻射，影響地球－大氣系統(tǒng)能量平衡，降低大氣能見度［3－4］，造成灰霾天氣。可吸入顆粒物尤其是細(xì)粒子(PM2.5)，還嚴(yán)重危害人體健康［5］。有研究表明，顆粒物的濃度水平與呼吸系統(tǒng)和心肺疾病的發(fā)病率、死亡率存在著正相關(guān)關(guān)系［6－7］。

長沙市東、南、西三面環(huán)山、北部低平的馬蹄形地勢，不利于污染源的擴散，PM10、PM2.5質(zhì)量濃度居高不下，成為長沙市大氣中首要污染物［8］。顆粒物污染狀況與氣象條件關(guān)系密切，在污染源分布及其排放相對穩(wěn)定的情況下，顆粒物的濃度主要取決于各種氣象條件下顆粒物的輸送、擴散情況［9］。近年來對長沙市顆粒物的研究主要集中在顆粒物中重金屬、水溶性離子等成分分析及源解析上［10－11］，而有關(guān)顆粒物與氣象條件關(guān)系的研究卻沒有涉及。該研究根據(jù)2014年6月1日～7月2日期間2個采樣點PM10、PM2.5的監(jiān)測數(shù)據(jù)與同期的氣象資料，對長沙市夏季PM10、PM2.5質(zhì)量濃度時空分布特征及其與各氣象要素的相關(guān)性進行了分析，為長沙市大氣污染研究提供參考資料。

1 資料與方法

1.1 樣品采集 2014年6月1日～7月2日，在位于長沙市市中心的黃土嶺(112°98'25″E、28°15'81″N)、城鄉(xiāng)結(jié)合部的馬坡嶺(113°08'E、28°19'97″N)采集 PM10、PM2.5樣品。PM10、PM2.5采樣器為TH-150C智能中流量TSP采樣器，加載PM10、PM2.5切割頭、玻璃纖維濾膜［有效直徑(90 ±2)mm］采樣。采樣頭設(shè)定流量為100 L/min，樣品的采集時間設(shè)定為24 h(當(dāng)日10:00～次日10:00)。每個采樣點采集32組PM10樣品和32組PM2.5樣品，共采集128個有效樣品。

1.2 樣品分析 將玻璃纖維濾膜放在600℃條件下加熱處理2 h，真空包裝后放入冰箱待用。采樣前后將濾膜置于25℃、相對濕度40%的天平室中24 h干燥、平衡、稱重。通過采樣前后濾膜重量之差，除以采樣器上讀取的采樣標(biāo)況體積，計算得出大氣中 PM10、PM2.5的質(zhì)量濃度。

1.3 氣象資料來源 氣象參數(shù)采用黃土嶺(自動站)、馬坡嶺(國家基本站)2個站點同期地面氣象觀測數(shù)據(jù)，包括氣溫、風(fēng)速、相對濕度、氣壓和降水量。為了使氣象資料與顆粒物監(jiān)測資料盡可能對應(yīng)，該研究取當(dāng)日10:00～次日10:00逐時的氣溫、風(fēng)速、相對濕度、氣壓平均值作為當(dāng)日氣象參數(shù)平均值。降水量取當(dāng)日10:00～次日10:00的降水總量。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法 數(shù)據(jù)全部采用IBM SPSS Statistics 19處理。軟件中Pearson相關(guān)性分析程序完成相關(guān)性分析，逐步回歸分析程序完成線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM10、PM2.5質(zhì)量濃度分析 從采樣期間2個采樣點PM10、PM2.5的質(zhì)量濃度變化(圖1)可看出，黃土嶺、馬坡嶺PM10日均濃度的變化范圍分別為 43.80 ～199.00、23.00 ～199.00 μg/m3，平均日均濃度分別為108.37、91.00 μg/m3;黃土嶺、馬坡嶺 PM2.5日均濃度的變化范圍分別為35.53～165.00、20.00 ～157.00 μg/m3，平均日均濃度分別為 73.48、65.09 μg/m3。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3095 －2012 中PM10、PM2.5二級標(biāo)準(zhǔn)日均濃度限值(150 和 75 μg/m3)得出，黃土嶺、馬坡嶺 PM10日均濃度超標(biāo)率分別為25.00%、18.75% ，PM2.5日均濃度超標(biāo)率分別為 31.25% 、34.38%?？梢婞S土嶺受顆粒物污染比馬坡嶺嚴(yán)重，2個采樣點PM2.5污染均比PM10嚴(yán)重。

由圖1可知，PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度變化范圍較大。將采樣期分為清潔天氣和污染天氣兩部分。以《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3095 －2012 中 PM10、PM2.5二級標(biāo)準(zhǔn)日均濃度限值作比較［2］，黃土嶺、馬坡嶺 PM10日均濃度分別有8、6 d超過該限值，PM2.5日均濃度分別有10、11 d超過該限值，定義為污染天氣，未超過該限值的為清潔天氣。PM10和PM2.5在整個采樣期呈同步變化趨勢，出現(xiàn)典型的清潔—污染—清潔天氣過程。6月12～16日 PM10、PM2.5污染最嚴(yán)重，出現(xiàn)了灰霾天氣。

2.2 PM2.5占PM10百分比情況 由圖2可知，2個采樣點PM2.5和PM10質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)。線性回歸結(jié)果表明黃土嶺、馬坡嶺 PM2.5占 PM10質(zhì)量載荷分別為 63.8% 、71.6%，表明PM2.5對PM10污染貢獻顯著。

2.3 PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與各氣象要素相關(guān)性分析

2.3.1 氣溫對 PM10、PM2.5質(zhì)量濃度的影響。采樣期間，2 個采樣點日均氣溫范圍為23.55～29.94℃。經(jīng)相關(guān)性分析(表1和圖3)表明，黃土嶺、馬坡嶺PM10質(zhì)量濃度與氣溫呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.123 和0.456，PM2.5質(zhì)量濃度與氣溫亦呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.244和0.352，主要原因是夏季太陽輻射強度大，持續(xù)高溫使大氣光化學(xué)反應(yīng)異?；钴S，生成了更多的二次性氣溶膠(以 PM2.5為主)［12］。馬坡嶺顆粒物濃度與氣溫正相關(guān)更顯著的原因則與采樣點地表土地覆蓋類型有關(guān)，黃土嶺采樣點地表為水泥地，而馬坡嶺采樣點地表為沙土，高溫時湍流活動較為活躍，地表沙土解凍，有利于起沙［13］。

2.3.2 風(fēng)速對 PM10、PM2.5質(zhì)量濃度的影響。風(fēng)是影響污染物稀釋擴散的重要因子。一般來說，風(fēng)速大，大氣污染物被混合稀釋，并向下風(fēng)方向輸送，大氣環(huán)境質(zhì)量較好;風(fēng)速小，水平輸送能力就差，擴散能力也差，從而使污染物濃度增高［14］。由圖4 可知，與以往的研究不同［2，15－16］，整個采樣期間PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與風(fēng)速變化趨勢一致。可能原因是夏季日出較早，日照較強，熱力湍流發(fā)展強烈，熱力和機械湍流共同作用使大氣混合層高度大于其他季節(jié)［17］。隨著大氣混合層高度的增加，大氣的湍流交換和垂直擴散能力加強，有利于顆粒物的擴散和運移，大的風(fēng)速可帶來遠(yuǎn)距離傳輸?shù)纳硥m［18］，同時夏季炎熱干燥，風(fēng)速大更容易引起二次揚塵［19］，從而導(dǎo)致顆粒物質(zhì)量濃度增大，尤其是PM10濃度的增大［20］。

2.3.3 相對濕度對 PM10、PM2.5質(zhì)量濃度的影響。采樣期間，2個采樣點日均相對濕度為51.71% ～85.75%。由表1和圖5可知，在各氣象要素中，PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與相對濕度的相關(guān)性最顯著，呈顯著的負(fù)相關(guān)?？赡苁且驗轭w粒物在較高相對濕度時容易吸濕沉降，且多數(shù)較高相對濕度的日期均存在降水事件，降雨沖刷過程使顆粒物質(zhì)量濃度明顯下降［21］。

2.3.4 氣壓對PM10、PM2.5質(zhì)量濃度的影響。氣壓的高低與大氣環(huán)流形勢密切相關(guān)。當(dāng)?shù)孛媸艿蛪嚎刂茣r，四周高壓氣團流向中心，中心形成上升氣流，通常風(fēng)力較大，利于污染物向上擴散，顆粒物濃度較小;地面受高壓控制時，中心部位出現(xiàn)下沉氣流，阻止污染物向上擴散，在穩(wěn)定高壓的控制下，大氣污染加重，顆粒物濃度較大［22］。由表1和圖6可知，2個采樣點PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與氣壓呈正相關(guān)，但相關(guān)性均不顯著，可見氣壓是影響顆粒物濃度變化的次要因素。

表1 PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

2.3.5 降水對 PM10、PM2.5質(zhì)量濃度的影響。降水過程中，部分顆粒物在云層內(nèi)被水汽吸附做了云滴和雨滴的凝結(jié)核，從而被雨水沖刷而清除［22］。由表1和圖7可知，2個采樣點PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與降水量之間的負(fù)相關(guān)性并不顯著。降水過程發(fā)生的不連續(xù)性導(dǎo)致降水樣本量減少可能是相關(guān)性較弱的直接原因［23］。

3 結(jié)論

(1)黃土嶺、馬坡嶺PM10平均日均濃度分別為108.37、91.00 μg/m3，日均濃度超標(biāo)率分別為 25.00%、18.75%;PM2.5平均日均濃度分別為 73.48、65.09 μg/m3，日均濃度超標(biāo)率分別為 31.25%、34.38%。

(2)黃土嶺受顆粒物污染比馬坡嶺嚴(yán)重，2個采樣點PM2.5污染均比PM10嚴(yán)重。6月12～16日PM10、PM2.5污染最嚴(yán)重，出現(xiàn)了灰霾天氣。

(3)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)，黃土嶺、馬坡嶺 PM2.5占 PM10質(zhì)量載荷分別為 63.8% 、71.6%，表明 PM2.5對PM10污染貢獻顯著。

(4)PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與氣溫呈正相關(guān)，是因為夏季持續(xù)高溫使大氣光化學(xué)反應(yīng)異?；钴S，生成了更多的二次性氣溶膠;與風(fēng)速亦呈正相關(guān)，可能原因是夏季大氣混合層高度大于其他季節(jié)，隨著大氣混合層高度的增加，大氣的湍流交換和垂直擴散能力加強，有利于顆粒物的擴散和運移，大的風(fēng)速可帶來遠(yuǎn)距離傳輸?shù)纳硥m，亦更容易引起二次揚塵;與相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，可能是因為顆粒物在較高相對濕度時容易吸濕沉降，且多數(shù)較高相對濕度的日期均存在降水事件;與氣壓呈弱正相關(guān);與降水量呈弱負(fù)相關(guān)。

［1］范雪波，劉衛(wèi)，王廣華，等.杭州市大氣顆粒物濃度及組分的粒徑分布［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2011，31(1):13 －18.

［2］鄧?yán)?，錢駿，廖瑞雪，等.2009年8～9月成都市顆粒物污染及其與氣象條件的關(guān)系［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2012，32(8):1433 －1438.

［3］王琳琳，王淑蘭，王新鋒，等.北京市2009年8月大氣顆粒物污染特征［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2011，31(4):553 －560.

［4］SCHWARTZ J，DOCKERY D W，NEAS L M.Is daily mortality associated specifically with fine particles?［J］.Journal of the Air＆ Waste Management Association，1996，46(10):927 －939.

［5］POPE C A，BUMETT R T，THUN M J，et al.Lung cancer，cardiopulmonary mortality，and long-term exposure to fine particulate air pollution［J］.Journal of the American Medial Association，2002，287(9):1132 –1141.

［6］楊榮師，李金娟，徐露，等.貴陽市西郊PM10污染特征及其與主要氣象因素的關(guān)系探討［J］.貴州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，26(2):123－127.

［7］BARLOW P G，BROWN D M，DONALDSON K，et al.Reduced alveolar macrophage migration induced by acute ambient particle(PM10)exposure［J］.Cell Biol Toxicol，2008，24(3):243 －252.

［8］長沙市環(huán)境監(jiān)測中心站.長沙市環(huán)境質(zhì)量報告書［R］.長沙:長沙市環(huán)境監(jiān)測中心站，2010－2013.

［9］蔣維楣，曹文俊，蔣瑞賓.空氣污染氣象學(xué)教程［M］.北京:氣象出版社，1993.

［10］陳琳，翟云波，楊芳，等.長沙市夏季大氣顆粒物中重金屬的形態(tài)及其源解析［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2010，4(9):2083 －2087.

［11］李彩霞，李彩亭，曾光明，等.長沙市夏季PM10和PM2.5中水溶性離子的污染特征［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2007，27(5):599 －603.

［12］宋宇，唐孝炎，張遠(yuǎn)航，等.夏季持續(xù)高溫天氣對北京市大氣細(xì)粒子(PM2.5)的影響［J］.環(huán)境科學(xué)，2002，23(4):33 －36.

［13］趙建華，KYLE T，HONGJUN Z，等.沙塵PM10質(zhì)量濃度與氣溫的關(guān)系初探［J］.干旱氣象，2012，30(3):339 －344.

［14］徐蕾，姜馳.徐州市氣象因子與空氣質(zhì)量和PM10濃度的相關(guān)性分析［J］.北方環(huán)境，2011，23(6):39 －42.

［15］廉麗姝，高軍靖，束炯.城市大氣污染特征及其與氣象因子的關(guān)系——以濟南、青島市為例［J］.環(huán)境污染與防治，2011，33(5):22－26.

［16］徐鵬煒，徐喬根，蔡菊珍.杭州城市可吸入顆粒物污染與氣象條件關(guān)系的分級評價和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估［J］.環(huán)境污染與防治，2009，31(6):92 －95.

［17］周穎.貴陽市混合層高度的研究［J］.貴州環(huán)保科技，1997，3(4):37－40.

［18］CHENG Y H，LI Y S.Influences of traffic emissions and meteorological conditions on ambient PM10and PM2.5levels at a Highway Toll Station［J］.Aerosol and Air Quality Research，2010，10(5):456 －462.

［19］KASSOMENOS P A，VARDOULAKIS S，CHALOULAKOU A，et al.Study of PM10and PM2.5levels in three European cities:Analysis of intra and inter urban variations［J］.Atmospheric Environment，2014，87(1):153 －563.

［20］CHARRON A，HARRISON R M.Fine(PM2.5)and coarse(PM2.5－10)particulate matter on a heavily trafficked London highway:sources and processes［J］.Environmental Science ＆ Technology，2005，39(20):7768－7776.

［21］龔識懿，馮加良.上海地區(qū)大氣相對濕度與PM10濃度和大氣能見度的相關(guān)性分析［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2012，25(6):628 －632.

［22］慕彩蕓，屠月青，馮瑤.氣象因子對哈密市大氣可吸入顆粒物濃度的影響分析［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2011，34(S1):75 －79.

［23］肖舜，沈瑾，劉璐.西安世園會園區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量與氣象因子關(guān)系分析［J］.干旱氣象，2012，30(1):1 －7.