黃石市郊區(qū)冬季大氣顆粒物污染與氣象因子關(guān)系分析

王亞良，張家泉，占長(zhǎng)林*，鄭敬茹，姚瑞珍，劉紅霞

(1湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；2湖北理工學(xué)院

礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 黃石 435003)

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黃石市郊區(qū)冬季大氣顆粒物污染與氣象因子關(guān)系分析

王亞良1,2，張家泉1,2，占長(zhǎng)林1,2*，鄭敬茹1,2，姚瑞珍1,2，劉紅霞1,2

(1湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；2湖北理工學(xué)院

礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 黃石 435003)

摘要：于2013年12月在黃石市郊區(qū)對(duì)大氣顆粒物(PM2.5、PM10和TSP)進(jìn)行系統(tǒng)采樣，分析其污染特征，并研究大氣顆粒物濃度與主要?dú)庀笠蜃?氣溫、氣壓、相對(duì)濕度和風(fēng)速)之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，觀測(cè)期間黃石市郊區(qū)PM2.5、PM10和TSP質(zhì)量濃度變化范圍分別為47.2~365.9,78.2~513.8和90.5~586.4 μg/m3，日均值分別為201.2,294.0和345.4 μg/m3，均明顯超過(guò)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，超標(biāo)率分別達(dá)到96.8%,93.5%和61.3%,說(shuō)明該地區(qū)大氣顆粒物污染十分嚴(yán)重，特別是細(xì)顆粒物(PM2.5)污染;顆粒物濃度與氣象因子之間相關(guān)性分析結(jié)果表明，顆粒物濃度與氣溫呈顯著正相關(guān)，與氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)，而與相對(duì)濕度和風(fēng)速的相關(guān)性不顯著。顆粒物濃度與氣象因子之間的關(guān)系較為復(fù)雜，分析可能是受不同氣象因子的綜合影響，也可能與氣象因子之間的交互影響有關(guān)。

關(guān)鍵詞：大氣顆粒物；氣象因子；相關(guān)性；黃石市

0引言

隨著城市群經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化水平的不斷提高，城市大氣污染程度加劇，空氣質(zhì)量日益下降，因此空氣污染問(wèn)題逐漸受到人們的廣泛關(guān)注。大氣顆粒物污染不僅會(huì)影響氣候變化，導(dǎo)致大氣能見度降低[1]和霧霾天氣頻繁發(fā)生[2]，還會(huì)嚴(yán)重危害人體健康[3-4]。流行病學(xué)研究已經(jīng)表明，大氣顆粒物污染水平與人體健康之間存在顯著的相關(guān)性。人體長(zhǎng)期暴露于高濃度顆粒物中，會(huì)導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)(如氣管炎、肺炎、肺結(jié)核等)[5]和心血管疾病[6]，甚至誘發(fā)癌癥導(dǎo)致死亡率增加[7-8]。因此，如何降低城市大氣顆粒物污染水平是亟待解決的問(wèn)題。

目前，我國(guó)在京津冀、珠三角、長(zhǎng)三角以及關(guān)中地區(qū)針對(duì)很多大中型城市(如北京、上海、西安、廣州、香港等)開展了大氣顆粒物的監(jiān)測(cè)研究，主要涉及顆粒物濃度、物理化學(xué)組成特征、污染排放源解析以及大氣顆粒物對(duì)能見度和人體健康的影響等方面。但是對(duì)華中地區(qū)城市大氣顆粒物監(jiān)測(cè)研究的報(bào)道相對(duì)較少[9-11]。黃石市位于湖北省東南部，有著深厚的工業(yè)文化底蘊(yùn)和雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)。由于該市是華中地區(qū)重要的原材料工業(yè)基地，礦產(chǎn)資源十分豐富，因此有色金屬冶煉、水泥等建材行業(yè)在黃石地區(qū)發(fā)展快速，再加上城市機(jī)動(dòng)車數(shù)量的逐年增加，使得城市大氣顆粒物濃度日益增高，嚴(yán)重影響該市的大氣環(huán)境質(zhì)量和人體健康。為了解黃石市大氣顆粒物的污染狀況，特別是大型污染企業(yè)對(duì)區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的影響，本研究對(duì)黃石市下陸區(qū)大氣顆粒物(PM2.5、PM10和TSP)的質(zhì)量濃度水平進(jìn)行了分析，并討論了顆粒物質(zhì)量濃度與主要?dú)庀笠蛩?如氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速等)之間的相關(guān)性，旨在為黃石市大氣顆粒物污染防治提供一定的參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1樣品采集

于2013年12月1日至同年12月31日采用武漢市天虹儀表有限責(zé)任公司生產(chǎn)的TH-150F型智能中流量空氣總懸浮顆粒物采樣器進(jìn)行大氣顆粒物(PM2.5、PM10和TSP)樣品采集，采樣流量為100 L/min。采樣前記錄氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速等天氣條件。每天連續(xù)采樣24 h，時(shí)間從每日上午9∶00到次日上午9∶00，共采集大氣顆粒物樣品93個(gè)，其中PM2.5、PM10和TSP濾膜樣品各31個(gè)。采樣濾膜為玻璃纖維濾膜(孔徑<0.3 μm)。濾膜采樣前于馬弗爐中450 ℃溫度下灼燒5 h，冷卻后置于恒溫恒濕箱(溫度25±0.5 ℃，相對(duì)濕度35%~45%)中24 h以上，用于濾膜稱重前的穩(wěn)定與平衡。采樣后的濾膜用錫箔密封好后保存于-4 ℃冰箱中冷藏。采樣點(diǎn)位于黃石市下陸區(qū)周邊農(nóng)村，采樣裝置安裝在離地面6 m高的居民住宅樓二樓樓頂，采樣點(diǎn)周邊無(wú)明顯工業(yè)及其他大氣污染源，且距離交通干道106國(guó)道較遠(yuǎn)(約408 m)，無(wú)建筑物遮擋。

1.2顆粒物質(zhì)量濃度計(jì)算

根據(jù)采樣前后濾膜的質(zhì)量變化以及采樣空氣的體積計(jì)算顆粒物質(zhì)量濃度，計(jì)算公式如下[12]：

(1)

(2)

式(1)~(2)中：C—顆粒物質(zhì)量濃度(μg/m3)；W1—采樣后濾膜質(zhì)量(g)；W0—采樣前濾膜質(zhì)量(g)；Vn—標(biāo)準(zhǔn)狀況下累積采樣氣體體積(L)；Q—采樣器流量(L/min)；P2—采樣期間采樣點(diǎn)環(huán)境平均大氣壓力(kPa)；Tn—標(biāo)準(zhǔn)狀況下絕對(duì)溫度(273 K)；t—累積采樣時(shí)間(h)；Pn—標(biāo)準(zhǔn)狀況下大氣壓力(101.325 kPa)；T2—采樣點(diǎn)的平均環(huán)境溫度(K)。

2結(jié)果與討論

2.1PM2.5、PM10和TSP濃度水平

2013年12月份黃石市郊區(qū)大氣顆粒物(PM2.5、PM10和TSP)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可以看出，黃石市郊區(qū)PM2.5、PM10和TSP日均濃度變化范圍分別為47.2~365.9，78.2~513.8和90.5~586.4 μg/m3，平均值分別為201.2，294.0和345.4 μg/m3。與《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的日均值相比，黃石市郊區(qū)PM2.5、PM10和TSP日均濃度超標(biāo)嚴(yán)重，平均超標(biāo)倍數(shù)分別為2.68，1.96和1.15倍，超標(biāo)率分別達(dá)到96.8%，93.5%和61.3%，可見PM2.5污染程度要高于PM10和TSP?？傮w來(lái)看，黃石市郊區(qū)大氣顆粒物污染相當(dāng)嚴(yán)重，尤其是細(xì)顆粒物(PM2.5)污染對(duì)人體健康可能造成極大危害。這可能與研究區(qū)域工廠企業(yè)排放的粉塵污染有關(guān)。與國(guó)內(nèi)其他城市相比，黃石市郊區(qū)冬季大氣PM2.5濃度明顯高于成都、天津、杭州、廈門[12]、廣州、香港、深圳和珠海[13]，但是要低于西安和重慶[12]。

采樣期間，PM2.5/PM10、PM10/TSP比值變化范圍分別為0.60~0.79和0.74~0.93，平均值分別為0.68和0.85。由此可以看出，黃石市郊區(qū)大氣顆粒物污染的主要粒子是細(xì)顆粒物。國(guó)內(nèi)外其他城市的研究結(jié)果也表明城市地區(qū)PM2.5是PM10中的主要成分，如廣州PM2.5/PM10比值為0.68[14]，成都為0.64[15]，香港為0.61[16]，加拿大多倫多為0.60[17]，美國(guó)洛杉磯郊區(qū)為0.74[18]。

表1　黃石市郊區(qū)大氣顆粒物(PM2.5、PM10和TSP)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2PM2.5、PM10和TSP相關(guān)性分析

PM2.5與PM10、PM10與TSP相關(guān)性分析如圖1所示。由圖1可以看出，黃石市郊區(qū)大氣中PM2.5與PM10以及PM10與TSP的相關(guān)性都非常顯著，相關(guān)性系數(shù)r2分別為0.98和0.97(n=31)。這說(shuō)明PM2.5、PM10、TSP可能受到相同排放源的影響。PM2.5與PM10的直線回歸方程的斜率為0.69，說(shuō)明黃石市郊區(qū)冬季PM10中細(xì)顆粒物占有較大比重，占69%；PM10與TSP的直線回歸方程的斜率為0.87，說(shuō)明PM10在TSP中的比重為87%。

2.3顆粒物質(zhì)量濃度與氣象因素相關(guān)性分析

氣象因素對(duì)大氣污染物的輸送、擴(kuò)散、稀釋和積累有重要影響。在污染源一定的條件下，大氣顆粒物質(zhì)量濃度的大小與氣象因素密切相關(guān)，如氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、相對(duì)濕度、降水、大氣混合層高度等。根據(jù)監(jiān)測(cè)期間收集的常規(guī)氣象資料，選擇氣溫、相對(duì)濕度、氣壓和風(fēng)速這4個(gè)氣象因素與PM2.5、PM10和TSP的質(zhì)量濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，氣溫與大氣顆粒物質(zhì)量濃度的相關(guān)性最顯著，其次是氣壓，而相對(duì)濕度和風(fēng)速與顆粒物濃度相關(guān)性不顯著。PM10/TSP的比值與相對(duì)濕度和氣壓相關(guān)性顯著，而PM2.5/PM10與上述4個(gè)氣象因素相關(guān)性都不顯著。

表2　大氣顆粒物質(zhì)量濃度與氣象因素的Pearson相關(guān)性分析

注：*p<0.05；**p<0.01。

2.3.1氣溫

由表2可以看出，大氣顆粒物PM2.5、PM10和TSP質(zhì)量濃度與氣溫顯著正相關(guān)(p<0.05)，相關(guān)性系數(shù)大小順序是TSP>PM10>PM2.5，說(shuō)明氣溫對(duì)不同粒徑顆粒物濃度有一定影響，特別是對(duì)粗粒子顆粒物的影響較大。這與北京市冬季大氣顆粒物的研究結(jié)果[19]相一致。本研究采樣時(shí)間為冬季，氣溫相對(duì)較低且晝夜溫差較大，由于大氣層相對(duì)穩(wěn)定，空氣垂直方向?qū)α鬟\(yùn)動(dòng)減弱，容易出現(xiàn)輻射逆溫現(xiàn)象，大氣顆粒物不易擴(kuò)散而滯留在底層較小的空間范圍內(nèi)，使得顆粒物濃度發(fā)生積累而加重污染。另外，冬季農(nóng)村家庭取暖會(huì)使得煤和薪柴燃燒增加，造成顆粒物排放增多。然而，也有一些研究發(fā)現(xiàn)，大氣顆粒物濃度與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，即氣溫越高顆粒物濃度越低[20-22]。這可能是因?yàn)闅鉁厣邥r(shí)促使空氣產(chǎn)生垂直湍流運(yùn)動(dòng)，有利于近地層空氣中顆粒物的向上輸送及擴(kuò)散，使得顆粒物濃度降低。

2.3.2相對(duì)濕度

相對(duì)濕度是反映空氣中水汽含量的一個(gè)物理量，對(duì)空氣中顆粒物的擴(kuò)散、遷移和轉(zhuǎn)化有重要影響。本研究中顆粒物質(zhì)量濃度與相對(duì)濕度呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著(表2)。PM2.5、PM10和TSP質(zhì)量濃度與主要?dú)庀笠蜃拥淖兓鐖D2所示。從圖2中可以看出，大部分采樣日相對(duì)濕度與顆粒物濃度呈正相關(guān)。但是當(dāng)相對(duì)濕度超過(guò)70%時(shí)，相對(duì)濕度與顆粒物濃度呈負(fù)相關(guān)。這與李沐珂等[23]對(duì)西安市可吸入顆粒物的研究結(jié)果相一致。分析其原因可能是當(dāng)相對(duì)濕度較大時(shí)，一方面空氣中水汽多會(huì)使細(xì)顆粒物附著在水汽中，不易發(fā)生沉降而在空氣中滯留，使顆粒物濃度增加；另一方面空氣中的微細(xì)顆粒物因凝聚作用形成大顆粒而發(fā)生沉降，因此顆粒物濃度反而降低。

2.3.3氣壓

由表2可以看出，氣壓與顆粒物濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與PM2.5和PM10相關(guān)性顯著(p<0.05)，但與TSP相關(guān)性不顯著。這說(shuō)明氣壓對(duì)細(xì)顆粒物和可吸入顆粒物的濃度影響較大，而對(duì)粗粒子濃度的影響較小，即高氣壓對(duì)應(yīng)低顆粒物質(zhì)量濃度，而低氣壓對(duì)應(yīng)高顆粒物質(zhì)量濃度。呈現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是低壓條件下，大氣近地面層基本穩(wěn)定，大氣垂直擴(kuò)散能力差，顆粒物難以遷移、擴(kuò)散和沉降，造成顆粒物濃度維持較高水平；而高壓控制條件下，空氣中污染物的擴(kuò)散條件好，顆粒物可以由高壓中心向外擴(kuò)散和往上向高空擴(kuò)散，因此顆粒物濃度降低。

2.3.4風(fēng)速

風(fēng)速對(duì)大氣顆粒物濃度的影響存在一定的閾值。當(dāng)風(fēng)速在一定范圍內(nèi)時(shí)，如果污染源相對(duì)穩(wěn)定，那么顆粒物質(zhì)量濃度與風(fēng)速之間呈負(fù)相關(guān)性，風(fēng)速過(guò)小不利于顆粒物的擴(kuò)散，容易導(dǎo)致污染物在局部地區(qū)的積累，從而使顆粒物質(zhì)量濃度增高，造成污染；風(fēng)速增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從污染源排放出來(lái)的污染物被很快地拉長(zhǎng)，這時(shí)混入的空氣量增多，顆粒物濃度降低[10]。但是，如果風(fēng)速超過(guò)一定閾值，地表和一些建筑物表面的降塵或沙塵會(huì)被刮起帶入空氣中，使得顆粒物濃度反而增大，這時(shí)風(fēng)速就與顆粒物質(zhì)量濃度呈正相關(guān)性。

由表2可以看出，本研究中顆粒物濃度與風(fēng)速之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著。分析其原因可能是在采樣期間，絕大多數(shù)采樣日風(fēng)力等級(jí)小于3級(jí)，風(fēng)速低于3.4 m/s，這種微風(fēng)或靜風(fēng)條件下顆粒物不易擴(kuò)散，易使得顆粒物大量累積，因此顆粒物濃度較高。個(gè)別采樣日，如9日、17日、26日當(dāng)風(fēng)速增大到5 m/s以上時(shí)，顆粒物濃度相對(duì)于前一天有明顯降低(圖2)，這說(shuō)明風(fēng)速對(duì)顆粒物的擴(kuò)散稀釋作用增強(qiáng)，能顯著改善環(huán)境空氣質(zhì)量。

3結(jié)論

通過(guò)研究黃石市郊區(qū)冬季大氣中PM2.5、PM10和TSP的污染水平及其與氣象因子的關(guān)系，得出以下結(jié)論。

1)黃石市郊區(qū)冬季PM2.5、PM10和TSP日均濃度平均值分別為201.2，294.0和345.4 μg/m3，明顯超過(guò)我國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，平均超標(biāo)倍數(shù)分別為2.68，1.96和1.15倍，超標(biāo)率分別達(dá)到96.8%，93.5%和61.3%。說(shuō)明該地區(qū)大氣細(xì)顆粒物污染極其嚴(yán)重。

2)PM2.5與PM10以及PM10與TSP相關(guān)性非常顯著。PM2.5與PM10的線性回歸方程為PM2.5= 0.69×PM10-1.24，r2= 0.98；PM10與TSP的線性回歸方程為PM10=0.87×TSP-7.33，r2= 0.97。說(shuō)明黃石市郊區(qū)冬季大氣PM10中細(xì)顆粒物占有較大比重，占69%；而PM10在TSP中的比重為87%。

3)大氣顆粒物質(zhì)量濃度與氣溫顯著正相關(guān)，與氣壓顯著負(fù)相關(guān)，而與相對(duì)濕度和風(fēng)速之間相關(guān)性不顯著。由于顆粒物質(zhì)量濃度受不同氣象因子的綜合影響，而且還會(huì)與氣象因子之間的交互影響有關(guān)，因此顆粒物濃度與氣象因子之間的關(guān)系較為復(fù)雜。

參 考 文 獻(xiàn)

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(責(zé)任編輯高嵩)

Analysis of Relationship between Atmosphere Particle Pollutant and Meteorological Factors in Huangshi Suburb during Winter

WangYaliang1,2,ZhangJiaquan1,2,ZhanChanglin1,2*,

ZhengJingru1,2,YaoRuizhen1,2,LiuHongxia1,2

(1School of Environmental Science and Enginneering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Hubei Key

Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

Abstract：In December 2013,systematic samples of PM2.5,PM10and TSP were collected in the Huangshi suburb and their pollution characteristics were analyzed.And the correlation between atmosphere particle concentration and major meteorological factors including atmospheric temperature,pressure,relative humility and wind speed were researched.The results showed that the mass concentrations of PM2.5,PM10and TSP were 47.2~365.9,78.2~513.8 and 90.5~586.4μg/m3,respectively,with daily average levels of 201.2,294.0 and 345.4 μg/m3,respectively,which significantly exceeded the Class II National Air Quality Standard of China.The exceeding rates of PM2.5,PM10and TSP reached 96.8%,93.5% and 61.3%,respectively,indicating the particulate pollution was very serious in the region,especially the fine particulate matter (PM2.5) pollution.Correlation analysis showed that particulate concentrations were positively well correlated with temperature and negatively correlated with pressure.However,no significant correlation between particulate matter concentrations with relative humidity and wind speed was found.The relationship between the particulate concentration and meteorological factors was relatively complex.The analysis may be influenced by the different meteorological factors and also could be related to the interaction between meteorological factors.

Key words：atmospheric particulate matter;meteorological factors; correlation;Huangshi

中圖分類號(hào)：X513

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-4565(2016)01-0012-06

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.01.004

*通訊作者：占長(zhǎng)林，講師，博士，研究方向：環(huán)境地球化學(xué)。

作者簡(jiǎn)介：王亞良，本科生。

基金項(xiàng)目：湖北理工學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):13cx09)；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃青年人才項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):Q20134404)；湖北理工學(xué)院優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):13xtz07)。

收稿日期：2015-07-06