北京市城區(qū)PM2.5濃度分布及影響因素研究

王晨龍，高佳佳，井 鵬，岳 濤，佟 莉，張曉曦，王 堃，左朋萊*

（1.北京市勞動保護科學研究所，北京 100054；2.中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會，北京 100037）

北京市城區(qū)PM2.5濃度分布及影響因素研究

王晨龍1，高佳佳1，井 鵬2，岳 濤1，佟 莉1，張曉曦1，王 堃1，左朋萊1*

（1.北京市勞動保護科學研究所，北京 100054；2.中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會，北京 100037）

對2015年4月1日至2016年3月31日期間北京市城區(qū)PM2.5的日均濃度變化及天氣影響因素進行了研究。研究結(jié)果表明PM2.5的日均濃度變化幅度較大，且在秋冬季節(jié)明顯高于春夏季節(jié)；PM2.5日均濃度統(tǒng)計結(jié)果的概率密度呈對數(shù)形式分布；由于北京市城區(qū)的地理位置原因，導致東南風向時城區(qū)PM2.5濃度普遍偏高；而溫度與PM2.5濃度無明顯相關(guān)性。

PM2.5濃度；概率密度分布；風場；天氣；溫度；空氣質(zhì)量

引言

在我國的環(huán)境空氣質(zhì)量標準中，將顆粒物按空氣動力學當量直徑的大小分為三種：1）空氣動力學當量直徑小于等于100μm的所有懸浮顆粒物稱為總懸浮顆粒物（TSP）；2）空氣動力學當量直徑小于等于10μm的懸浮顆粒物稱為可吸入顆粒物（PM10）；3）空氣動力學當量直徑小于等于2.5μm的懸浮顆粒物稱為細顆粒物（PM2.5）。大量研究表明，可吸入顆粒物對人體的健康存在巨大的危害，粒徑越小的顆粒物，危害越大，因為它可被人體吸入肺部并長期存在體內(nèi)，而且其比表面積相對較大，可吸附重金屬、致病菌等大量有毒有害物質(zhì)；質(zhì)量輕，在大氣中停留時間相對較長、輸送距離遠[1]。Pope的研究表明，人體暴露在細顆粒物環(huán)境中，短期會引起下呼吸道疾病、哮喘加重以及咳嗽等癥狀[2]，長期會增高因心血管疾病造成的死亡率[3]。根據(jù)北京市環(huán)保局公布的研究成果，PM2.5的主要來源是本地污染排放，占64%～72%。在本地污染貢獻中，機動車、燃煤、工業(yè)生產(chǎn)、揚塵為主要來源，分別占31.1%、22.4%、18.1%和14.3%；餐飲、汽車修理、畜禽養(yǎng)殖、建筑涂裝等其他行業(yè)的排放約占14.1%[4]。本文通過對北京市近一年來的日均PM2.5濃度進行匯總與整理，并與相對應的天氣情況進行分析，得出北京市城區(qū)PM2.5濃度分布規(guī)律及相關(guān)影響因素。

1 北京地區(qū)PM2.5濃度分布情況

2015年4月1日至2016年3月31日北京市城六區(qū)PM2.5日均濃度的分布情況[5]見圖1。根據(jù)國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB3095-2012）規(guī)定的一類區(qū)和二類區(qū)PM2.5濃度限值對統(tǒng)計期內(nèi)北京市城區(qū)的PM2.5濃度進行劃分，共分為一級達標、二級達標和未達標三種情況。

統(tǒng)計時間段內(nèi)，PM2.5濃度達到一級標準的有152天；達到二級標準的有88天，二級標準達標率為65.75%；全年超標共125天。從超標天數(shù)來看，多分布在2015年11月、12月和2016年3月，基本上是北京市供暖季范圍內(nèi)（2015年11月15日～2016年3月15日）。然而從圖中可以發(fā)現(xiàn)，原本是供暖期的2016年2月，PM2.5超標的天數(shù)卻出現(xiàn)了低峰，分析原因是由于中國傳統(tǒng)假日春節(jié)處于2月份。據(jù)統(tǒng)計，北京城區(qū)有1500萬外地人口返鄉(xiāng)，造成“空城”現(xiàn)象，機動車減少、工業(yè)生產(chǎn)活動減少，污染物排放量減少，促成了當年2月PM2.5超標天數(shù)僅有4天。此外，從圖中可以看出，在統(tǒng)計時間段內(nèi)，北京市城區(qū)PM2.5濃度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化趨勢，其中秋冬兩季的PM2.5污染水平明顯高于春夏兩季，約是春夏兩季的1.6倍。

圖1 北京市城六區(qū)PM2.5日均濃度變化

根據(jù)2015年4月1日至2016年3月31日期間北京市城區(qū)PM2.5日均濃度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析并繪制了PM2.5濃度分布圖，如圖2所示。根據(jù)分析可看出，統(tǒng)計時間段內(nèi)北京市城區(qū)PM2.5日均濃度主要分布在4～200μg/m3之間，占比為95.4%；200～400μg/m3分布占比為3.8%，高于400μg/m3的分布僅占0.8%。

圖2 北京市城區(qū)PM2.5日平均濃度分布

2 風場對PM2.5日均濃度的影響

在大氣傳輸過程中，風場會直接影響區(qū)域內(nèi)大氣組分的分布及各種污染物的濃度水平。根據(jù)北京市氣象局的天氣數(shù)據(jù)資料，繪制出2015年4月～2016年3月的北京市風玫瑰圖，并統(tǒng)計各風向上PM2.5日均濃度的平均值，與風玫瑰圖疊加顯示。如圖3所示。

從圖3可看出，當風向為西北風時，PM2.5的平均濃度為54.95μg/m3，為所有風向中濃度最??；而當風向為偏東南風時，PM2.5的平均濃度在77.82～112.5μg/m3之間，是所有風向中濃度最大的。究其原因，與北京市的地理位置有很大關(guān)系。北京市位于華北平原北部，北部和東北部為軍都山，最低的地面為通州區(qū)東南邊界。地勢西北高、東南低，形成一個向東南展開的半圓形山彎[6]（如圖4所示）。此種特殊地形使北京市的山谷風較明顯，當形成西北風天氣時，風速較大，且容易將污染物吹向較為空曠的東南方，使顆粒物等污染物較易擴散；相反，當東南風形成時，會將顆粒物重新吹回這個特殊的山彎中，造成污染物聚集且不易擴散。

圖3 北京市城區(qū)PM2.5日均濃度與風場分布情況

圖4 北京市地形圖

3 天氣條件對PM2.5日均濃度的影響

本文分析了統(tǒng)計時間段內(nèi)的天氣情況與PM2.5日均濃度的相關(guān)性。在研究的時間段內(nèi)不同天氣情況所對應的PM2.5日均濃度分布見圖5。

從圖5可看出，在霾、霧、沙塵暴、雨夾雪、雷陣雨、陰這六種天氣情況下，PM2.5平均濃度均超過環(huán)境空氣質(zhì)量二級標準。而在晴、雨、雪、陣雨等天氣情況下，PM2.5的平均濃度都在環(huán)境空氣質(zhì)量二級標準以內(nèi)。

根據(jù)天氣學的相關(guān)定義，霾是指大量極細微的干氣溶膠粒子懸浮在空氣中，使水平能見度小于10公里，空氣普遍渾濁[7]。當空氣中水汽較多時，干氣溶膠粒子會吸水、變大，最終活化成云霧的凝結(jié)核，產(chǎn)生更多、更小的液滴，使能見度進一步降低，此時便是霧[7]。在霾和霧的天氣情況下，空氣中的PM2.5主要是形成霧和霾的氣溶膠粒子；在遇到沙塵天氣時，由于風力作用，地面揚塵或是從上游地區(qū)帶來沙塵，此時空氣中的PM2.5主要是固體顆粒；雷陣雨、陰等天氣情況下，PM2.5的日平均濃度也相對較高，原因是空氣中相對濕度較大，PM2.5中的一些吸水性很強的粒子如硫酸鹽、硝酸鹽等極易吸收空氣中的水分，從而膨脹，造成顆粒物的累積[8]，導致污染加重，而陣雨對于空氣的沖刷力度遠不足以將空氣凈化，因此部分陣雨天氣時的PM2.5濃度超標。而持續(xù)雨雪天時，降水增多會將空氣中的各種顆粒物進行沖刷，降低大氣中顆粒物的濃度。

圖5 不同天氣情況對應PM2.5平均濃度

4 溫度對PM2.5日均濃度的影響

溫度與相對應PM2.5日均濃度的相關(guān)性如圖6所示。

圖6 溫度與PM2.5日均濃度相關(guān)性

從圖6可看出，溫度與PM2.5日均濃度的相關(guān)性并不明顯（R2= 0.0091）。通過以往的研究[9]可以發(fā)現(xiàn)，溫度較高時有利于大氣垂直對流，加快顆粒物擴散，顆粒物的日均濃度低；而溫度較低時，近地面容易形成逆溫層，不利于顆粒物擴散，顆粒物的日均濃度高。但持續(xù)性的高溫會導致光化學反應等持續(xù)性光污染發(fā)生，生成O3等強氧化性物質(zhì)，容易出現(xiàn)高濃度PM2.5[10]。所以綜合考慮以上原因，溫度并不是影響PM2.5濃度的主導因素。

5 結(jié)論

通過對2015年4月至2016年3月這12個月內(nèi)北京市城區(qū)PM2.5日均濃度的統(tǒng)計分析，得出以下結(jié)論：

（1）北京市城區(qū)年均PM2.5濃度為73.97μg/m3，超過國家二級標準年均濃度1.1倍。其中PM2.5日均濃度主要分布在0～200μg/m3區(qū)間的占95.4%；分布在200～400μg/m3區(qū)間的占3.8%；高于400μg/m3的范圍內(nèi)僅分布了0.8%。秋冬兩季節(jié)PM2.5污染水平明顯高于春夏兩個季節(jié)。

（2）對北京市而言，偏西北風會在較大程度上疏解城區(qū)內(nèi)的大氣污染物，而偏東南風時，不利于污染物的擴散，易造成空氣質(zhì)量不達標。

（3）在霾、霧、沙塵暴、雨夾雪、雷陣雨、陰這六種天氣情況下，PM2.5的平均濃度均超過環(huán)境空氣質(zhì)量二級標準。而在晴天、雨、雪、陣雨等天氣情況下，PM2.5的平均濃度都是在環(huán)境空氣質(zhì)量二級標準以內(nèi)。溫度不是主導PM2.5日均濃度的主要因素。

[1] Xiang Tieli，Zhou Qian and Yang Peisheng.Research process of PM2.5in China.China Environment.Science Society Annual Conference Proceedings，2013，5 : 4597-4600.

[2] Pope C A. Epidemiology of fine particulate air pollution and human health: biologic mechanisms and who’satrisk [J].Environmental Health Perspectives，2000，108（S4）: 713.

[3] Pope C A，Burnett R T，Thurston G D，et al. Cardiovascular mortality and long-term exposure to particulate air pollution epidemiological evidence of general pathophysiological pathways of disease [J].Circulation，2004，109（1）: 71-77.

[4] 北京市環(huán)保局.北京市正式發(fā)布PM2.5來源解析研究成果[Z].2014.

[5] 北京市環(huán)境監(jiān)測.http://weibo.com/u/2516831703.

[6] 王琪，孫巍，張新宇.北京地區(qū)PM2.5日均濃度分布及其與天氣條件影響關(guān)系分析[J].計算機與應用化學，2014（10）：1193-1196.

[7] 中央天氣局.地面天氣觀測規(guī)范[M].北京：天氣出版社，1979.

[8] 董雪玲，劉大錳，袁楊森，等.北京市2005年夏季大氣顆粒物污染特征及影響因素[J].環(huán)境工程學報，2007（9）：100-104.

[9] 田謐.京津冀地區(qū)霾污染過程大氣PM2.5及前體物變化特征研究[D].北京化工大學，2013.

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

Study on Distribution of PM2.5Concentration and its Infuencing Factors in City Zones of Beijing

WANG Chen-long, GAO Jia-jia, JING Peng, YUE Tao, TONG Li, ZHANG Xiao-xi, WANG Kun, ZUO Peng-lai

X513

A

1006-5377（2017）02-0047-03

本文受北京市科學技術(shù)研究院2015啟萌項目《室內(nèi)外細顆粒物濃度水平及相關(guān)性研究》資助。

*注：本文通訊作者為左朋萊。