武漢市城區(qū)空氣顆粒物PM2.5和PM10時(shí)空特征及與氣象條件的關(guān)系

李紫琦

摘要：指出了深入了解大氣顆粒物濃度的時(shí)空變化格局，對(duì)于大氣污染防治、預(yù)警預(yù)報(bào)等具有重要理論和實(shí)踐意義。結(jié)合2015年1月至2015年12月武漢10個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)每小時(shí)PM2.5和PM10濃度數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，研究了武漢市城區(qū)大氣顆粒物濃度時(shí)空分異特征及與氣象環(huán)境條件的關(guān)系。研究結(jié)果表明：武漢市城區(qū)PM2.5和PM10濃度均呈現(xiàn)出西部最低、東部居中、中部高低斑塊狀分布的空間格局。時(shí)間上各城區(qū)均呈現(xiàn)顆粒物濃度隨著月份變化先降低后升高，1月份最高，7月份最低，且濃度呈現(xiàn)夏季<秋季<春季<冬季的變化規(guī)律。相關(guān)性分析表明，武漢市城區(qū)大氣顆粒物濃度時(shí)空變化特征與降水量、氣溫等氣象因子呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速關(guān)系不顯著。

關(guān)鍵詞：大氣顆粒物；時(shí)空變化；氣候條件；武漢城區(qū)

中圖分類號(hào)：X16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2017）10006604

1 引言

空氣顆粒物質(zhì)（PM）是指直徑范圍為0.001～100 μm極小的固體或液體顆粒，其在空氣中懸浮時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)至數(shù)周，其顆粒物越小，在空中停留時(shí)間越長(zhǎng)[1]。流行病學(xué)研究顯示直徑小于10 μm的細(xì)顆粒物能對(duì)人類健康產(chǎn)生顯著影響[2]。目前，由于空氣顆粒物質(zhì)對(duì)人類健康[2]和氣候變化產(chǎn)生顯著影響[3]越來越受到廣泛關(guān)注[4～7]。

PM2.5和PM10是空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤ 2.5 μm和10 μm的大氣顆粒污染物，是表征我國(guó)空氣質(zhì)量6個(gè)核心指標(biāo)中的兩個(gè)主要指標(biāo)。目前關(guān)于空氣質(zhì)量方面的研究也主要集中在PM2.5和PM10這兩個(gè)指標(biāo)上。目前其研究主要集中在化學(xué)特征[1，7]、排放源清單 [6，8，9]、不同區(qū)域時(shí)空分異及與氣象條件的關(guān)系[1，4，5，10]和流行病學(xué)研究[2]等方面。這些研究表明PM2.5和PM10無論是從排放源清單、化學(xué)特征，還是流行病學(xué)研究等方面其時(shí)空格局及影響因素均與區(qū)域自然和社會(huì)因素密切相關(guān)[1，4，5，10]，因此對(duì)PM10和PM2.5研究都需要結(jié)合區(qū)域固有特征進(jìn)行。

武漢位于中國(guó)中部，是中國(guó)超大城市和國(guó)家中心城市之一。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，武漢中心城區(qū)空氣污染嚴(yán)重，以空氣顆粒物污染問題尤為突出。研究武漢中心城區(qū)空氣顆粒物時(shí)空分布格局及影響因素對(duì)于指導(dǎo)其大氣污染防治具有重要意義。以2015年1～12月武漢市城區(qū)10個(gè)空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5和PM10每小時(shí)質(zhì)量濃度信息，研究武漢中心城區(qū)PM2.5和PM10季節(jié)變化規(guī)律及空間分布特征及與氣象條件關(guān)系，以期為武漢市中心城區(qū)空氣污染治理提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

PM2.5和PM10濃度數(shù)據(jù)來源于武漢市城區(qū)10個(gè)大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2015年1月1日至2015年12月31日PM2.5和PM10小時(shí)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源見http：//59.172.208.45：8080/）。2015年逐月氣溫、降水量與風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)從2016年武漢市年鑒[11]中獲得。

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度小時(shí)均值計(jì)算獲得武漢市城區(qū)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度月度、季度與年均值。將其年均值數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入ArcGis10.0，采用IDW（Inverse Distance Weighted）空間插值法，進(jìn)行PM10和PM2.5的空間分布格局分析。利用PM2.5和PM10質(zhì)量濃度月均值與逐月氣象因子數(shù)據(jù)，采用相關(guān)性分析方法（SPSS20.0）研究氣溫、降雨量和風(fēng)速等氣象條件對(duì)PM10和PM2.5之間的相互關(guān)系。

3 調(diào)查結(jié)果

3.1 武漢市中心城區(qū)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度空間分布特征

2015年武漢市PM2.5年均質(zhì)量濃度值為69.04 μg/m3；PM2.5年均濃度最高和最低監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分別為沌口新區(qū)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和青山鋼花監(jiān)測(cè)站，其值為分別61.67 μg/m3和76.92 μg/m3（圖1）。2015年全市PM10年均濃度位于87.79 μg/m3（沉湖七壕）至120.89 μg/m3（武昌紫陽(yáng)）之間；全市年均質(zhì)量濃度為112.38 μg/m3（圖1）。

大氣顆粒物PM2.5和PM10呈現(xiàn)出較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，其質(zhì)量濃度總體上均呈現(xiàn)西部城區(qū)濃度較低、東部城區(qū)濃度較高和中部城區(qū)濃度高低呈斑塊狀分布的空間分布格局（圖 1）。從各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5年均質(zhì)量來看，吳家山、沉湖七壕、青山鋼花和漢口江灘四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)年均質(zhì)量濃度較低，沌口新區(qū)、漢陽(yáng)月湖、武昌紫陽(yáng)和漢口花橋四個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)年均質(zhì)量值濃度較高。對(duì)PM10年均質(zhì)量濃度而言，沉湖七壕和漢口江灘兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的值較低，沌口新區(qū)、漢陽(yáng)月湖、武昌紫陽(yáng)和漢口花橋四個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)年均質(zhì)量值濃度較高（圖1）。

3.2 武漢市中心城區(qū)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度時(shí)間變化格局

2015年武漢市各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量平均濃度在時(shí)間上呈現(xiàn)夏季<秋季<春季<冬季的變化規(guī)律。2015年武漢市空氣顆粒物PM2.5夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、春季（3～5月）、冬季（12～次年2月）平均濃度為分別為42.44 μg/m3、59.66 μg/m3、66.94 μg/m3和113.91 μg/m3（圖2）。

2015年武漢市各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM10質(zhì)量平均濃度呈現(xiàn)與PM2.5相同的時(shí)間格局，其夏季濃度最低，冬季濃度最高?？諝忸w粒物PM10夏季、春節(jié)、秋季和冬季平均濃度分別為82.55 μg/m3、102.83 μg/m3、115.41 μg/m3和152.49 μg/m3（圖3）。

3.3 武漢市中心城區(qū)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與氣象因子相關(guān)關(guān)系

相關(guān)性分析表明各區(qū)月均氣溫與各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，即月均溫度越高，空氣中PM2.5和PM10質(zhì)量濃度越低。同樣，月均降雨量也顯著影響著空氣中PM2.5和PM10質(zhì)量濃度，除少數(shù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)外，各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)空氣中PM2.5或PM10的質(zhì)量濃度均隨著月均降雨量的增加而顯著減少。相反，除沉湖七壕監(jiān)測(cè)站點(diǎn)外，風(fēng)速對(duì)空氣中顆粒物PM2.5或PM10的質(zhì)量濃度影響不顯著（表1）。

4 討論

2015年武漢城區(qū)PM2.5和PM10年均質(zhì)量濃度分別為69.04 μg/m3和112.38 μg/m3，均超過國(guó)家空氣質(zhì)量二級(jí)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度限值（PM2.5 < 35 μg/m3；PM10< 70 μg/m3），空氣質(zhì)量較差。

PM2.5是PM10的組成部分，但二者的屬性和來源又有所差別，因此二者時(shí)空特征具有相似一面也存在差異性的一面[12]。研究發(fā)現(xiàn)武漢城區(qū)PM2.5和PM10時(shí)空格局基本一致，具有很強(qiáng)的同步性（圖1、2、3），說明武漢城區(qū)空氣顆粒物PM2.5在PM10中占有較大比重。

武漢城區(qū)PM2.5和PM10年均質(zhì)量濃度在時(shí)空上呈現(xiàn)較強(qiáng)異質(zhì)性?？臻g上整體呈現(xiàn)出西部低，東部較高，中部高低鑲嵌分布格局；該分布格局主要可能是因?yàn)槲錆h市各區(qū)域人口密集程度、交通運(yùn)輸壓力和建筑施工（如地鐵等）等人為活動(dòng)和各區(qū)域下墊面性質(zhì)差異等自然因素共同造成的。除空氣顆粒物質(zhì)量空間分布差異外，武漢城區(qū)空氣顆粒物時(shí)間差異明顯，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)夏季低，冬天高的分布格局，其主要原因可能是夏季日照較強(qiáng)，熱力湍流發(fā)送強(qiáng)烈，熱力和機(jī)械湍流共同作用是大氣混合層高度大氣高于其他季節(jié)[13]。大氣混合層高度越高，大氣的湍流交換和垂直擴(kuò)散能力越強(qiáng)，有利于空氣顆粒物的擴(kuò)散和運(yùn)輸[13]。而冬季武漢城區(qū)空氣顆粒物質(zhì)量濃度高主要原因可能是，冬季的氣溫較低，大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定容易形成較厚的逆溫層，不利于顆粒物的稀釋和擴(kuò)散，使顆粒物在空氣中不斷積累而造成嚴(yán)重的空氣污染[14]。同時(shí)武漢城區(qū)由于冬季的西北季風(fēng)帶來的內(nèi)地污染物和冬季的低溫少雨也加劇了空氣污染。

大氣顆粒物污染成因可以分為內(nèi)因和外因兩種，內(nèi)因主要為空氣顆粒物源的排放，外因主要為氣象條件。早期研究表明氣溫、降雨和風(fēng)速等氣象因子顯著影響大氣環(huán)境中PM10和PM2.5濃度的時(shí)空分布 [1，4，7，13～15]?？諝鉁囟葘?duì)大氣顆粒物擴(kuò)散有重要作用[13，14]，一些研究表明由于氣溫較高時(shí)，大氣垂直對(duì)流作用顯著，有利于擴(kuò)散使得氣顆粒物濃度與氣溫呈負(fù)相關(guān)[14]；但另有研究表明由于夏季持續(xù)高溫使大氣光化學(xué)反應(yīng)異?；钴S，生成更多的二次氣溶膠而使得PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與氣溫呈正相關(guān)[13]。該研究發(fā)現(xiàn)武漢城區(qū)PM2.5和PM10濃度與氣溫呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)，表明武漢城區(qū)氣溫主要通過對(duì)大氣湍流和垂直對(duì)流作用來影響空氣顆粒物都濃度。

降雨也是影響空氣顆粒物質(zhì)量濃度的主要?dú)庀髼l件之一，其主要原因是由于在降水過程中，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。其許多研究表明降水量與空氣顆粒物PM2.5和PM10均有較好的去除效果[16，17]，另一些研究表明降雨量對(duì)PM2.5和PM10的去除作用不同，且對(duì)PM10去除作用效果更明顯[15]。與絕大多數(shù)研究結(jié)果一致，武漢市城區(qū)絕大多數(shù)大氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的降雨量與顆粒物質(zhì)量濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，表明降雨量對(duì)武漢城區(qū)大氣中PM10和PM2.5去除效果較好。

風(fēng)是影響污染物稀釋擴(kuò)散的重要因子，風(fēng)速對(duì)大氣污染物的稀釋擴(kuò)散和輸送起著重要作用。一般而言，風(fēng)速大，大氣污染物被混合稀釋及向下風(fēng)向水平輸送和擴(kuò)散能力較強(qiáng)，大氣顆粒物濃度越低；但一些研究表明風(fēng)速對(duì)空氣顆粒物濃度的影響較小[18]，因此不同的風(fēng)速模式對(duì)不同粒徑的顆粒物濃度的影響難以一概而論。研究還發(fā)現(xiàn)武漢城區(qū)月均風(fēng)速與月均PM2.5和PM10濃度相關(guān)性不顯著。表明武漢城區(qū)大氣污染物PM2.5和PM10質(zhì)量濃度受風(fēng)速調(diào)節(jié)作用較小。

影響PM2.5和PM10排放和時(shí)空分布的因素較多，如排放源、人類活動(dòng)、下墊面性質(zhì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響等；此處僅研究了武漢城區(qū)污染物時(shí)空格局及與氣象條件關(guān)系，因此需要進(jìn)一步研究武漢城區(qū)PM2.5和PM10來源及人為活動(dòng)對(duì)其影響，為武漢城區(qū)空氣污染防治提供重要的理論支撐和指導(dǎo)。

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