昆明市PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化特征分析

李 潔1 ，劉芝芹1，彭明俊2， 楊 旭2，李子光3，孫 琳，沈 源

(1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224；2.云南省林業(yè)和草原科學(xué)研究院，云南 昆明 650201；3.昆明市?？诹謭?，云南 昆明 650114；4.西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，云南 昆明 650224)

近年來，空氣質(zhì)量狀況受到越來越多人的關(guān)注，其中大氣顆粒物(PM)是影響中國城市環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染物[1]。大氣顆粒物質(zhì)是大氣中存在的各種固態(tài)和液體顆粒狀物質(zhì)的總稱，也稱大氣氣溶膠，根據(jù)顆粒物粒徑大小，可分為PM0.1、PM2.5、PM10等。其中，PM2.5又稱可入肺顆粒物或細(xì)顆粒物，指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑2.5μm及以下的顆粒狀物質(zhì)；PM10也稱為可吸入顆粒物或飄塵，指空氣動力學(xué)直徑小于及等于10μm的顆粒物[2]。有研究表明，PM2.5和PM10均會對人體產(chǎn)生危害，大部分的PM2.5由于其細(xì)小的粒徑可以進(jìn)入人體的肺中并在肺泡中沉積，進(jìn)入血液循環(huán)帶入其他器官[3]；PM10的長期累積會引發(fā)多種呼吸道疾病, 其濃度也與疾病的發(fā)病率和死亡率存在著明顯的相關(guān)性。

環(huán)境污染對人類的生存構(gòu)成了威脅，因此，對空氣中PM2.5和PM10等顆粒物質(zhì)的研究也逐漸增多。例如賈小芳[4]等研究了2013—2016年北京朝陽站PM2.5質(zhì)量濃度變化特征；江瑤[5]等分析了2012年蘇州地區(qū)PM2.5和PM10的時空變化特征；王濤[6]等分析了2017年上海市PM2.5和PM10變化特征及來源；于建華[7]等研究了北京地區(qū)PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的變化特征。這些研究多針對北方地區(qū)或?qū)M2.5單個顆粒物進(jìn)行研究，關(guān)于昆明市PM2.5和PM10的全年時空變化研究相對較少，因此，對昆明市空氣中PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化特征進(jìn)行分析具有一定的意義。

昆明市作為全國主要的旅游城市，因其宜居性，人流量及城市居民人口逐年增長，伴隨著城市化的發(fā)展，城市區(qū)域空氣質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢。 如徐小峰[8]利用2013年1—5月份監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析表明，細(xì)顆粒物(PM2.5)和可吸入顆粒物(PM10)污染形勢處于嚴(yán)峻的狀態(tài)。本文應(yīng)用2017年定點監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了昆明市大氣環(huán)境中PM2.5和PM10質(zhì)量濃度，分析空氣質(zhì)量濃度變化規(guī)律、成因及PM2.5和PM10兩者之間的關(guān)系，為科學(xué)管理大氣環(huán)境提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

昆明市隸屬云南省，素有“春城”之美譽。地處云貴高原中部，東經(jīng)102°10′～103°40′，北緯24°23′～26°22′，海拔約為1891m，屬北緯低緯度亞熱帶-高原山地季風(fēng)氣候。由于受到印度洋西南暖濕氣流的影響，年平均氣溫15℃左右，平均日照2200h左右，無霜期超過240d，年降水量約1035mm，85%的降水量集中在5—10月的雨季，形成干濕季節(jié)分明、陽光充足、雨量充沛、四季如春的特點。昆明主城區(qū)的風(fēng)向以西南為主，有利于污染物的稀釋和擴散。

2 研究方法

收集2017年全年昆明市關(guān)上、呈貢新區(qū)、西山森林公園、龍泉鎮(zhèn)、東風(fēng)東路、金鼎山及碧雞廣場7個環(huán)境空氣監(jiān)測點大氣污染物PM2.5和PM10的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖, 并使用SPSS 20統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，以討論PM2.5和PM10的相關(guān)性及PM2.5/PM10(P值)特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度季節(jié)變化特征

昆明市2017年1—12月，昆明地區(qū)不同季節(jié)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的變化呈明顯的季節(jié)性趨勢。PM2.5四季相應(yīng)的平均濃度分別為31.86μg/m3、19.35μg/m3、25.77μg/m3和33.25μg/m3，冬季和春季明顯高于夏季和秋季，且冬季的平均濃度最高，夏季的最低，這與華錦欣[9]等杭州市城區(qū)典型區(qū)域質(zhì)量濃度變化特征相似；PM10四季相應(yīng)的平均濃度分別為68.24μg/m3、39.99μg/m3、51.41μg/m3和64.60μg/m3，夏季平均濃度最低，春季污染物平均濃度最高。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化特征大致相似，均為冬季和春季平均值大于夏季和秋季。春季過后，夏季和秋季的PM2.5、PM10質(zhì)量濃度減小，尤其是夏季濃度。分析認(rèn)為是氣候原因，昆明的雨季一般為5—10月，6—8月為主汛期，伴隨著降雨量與降雨次數(shù)的增多，沖刷稀釋了空氣中的顆粒污染物，從而濃度下降[10]。進(jìn)入冬季后，氣候變得干燥，晝夜溫差變得明顯，出現(xiàn)逆溫和大霧天氣，導(dǎo)致汽車尾氣和建筑施工等造成的顆粒污染物不能及時消散，與此同時，春節(jié)期間煙花爆竹的燃放也會污染空氣。

3.2 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度月變化特征

2017年昆明市PM2.5、PM10濃度逐月變化的趨勢如圖1所示，PM2.5和PM10月變化趨勢大致相同，具有較好的相關(guān)性。在3月、11月、12月PM2.5和PM10濃度明顯偏大。1月PM2.5和PM10質(zhì)量濃度開始增加，峰值出現(xiàn)在3月份(PM10的月平均最大值為77.85μg/m3)，然后開始下降，到6月降到最低(PM2.5和PM10均出現(xiàn)月平均最小值，分別為17.04μg/m3、38.93μg/m3)，7月、8月和9月變化趨于緩和，10月又開始增加至12月(PM2.5出現(xiàn)月平均最大值為42.36μg/m3)。PM2.5和PM10月變化基本呈現(xiàn)相同的規(guī)律，這說明PM2.5和PM10在污染物來源和成分上有一定的同源性。

在圖1中，顆粒物PM2.5和PM10在3月、11月和12月均有較大幅度的上升，并達(dá)到峰值。據(jù)分析，在干旱季節(jié)，昆明市受到偏西大陸性干暖氣團影響，出現(xiàn)少云、高壓的天氣，另外該季節(jié)容易發(fā)生輻射逆溫現(xiàn)象，并且大氣狀態(tài)通常是穩(wěn)定的，這不利于顆粒物的稀釋和擴散，持續(xù)堆積進(jìn)而造成PM2.5和PM10濃度的增高。與此同時，東北風(fēng)帶來的顆粒物從內(nèi)陸刮下，相應(yīng)的濃度有所增加[11]。

3.3 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度日變化特征

為了進(jìn)一步了解大氣中PM2.5和PM10污染物的時間變化規(guī)律，對PM2.5和PM10的濃度平均值在不同時刻進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到圖2中昆明市PM2.5和PM10質(zhì)量濃度日變化特征。

總體來說，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度日變化較大，大體上呈現(xiàn)雙峰型，特別是PM10質(zhì)量濃度的日變化趨勢更為顯著。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度峰值均出現(xiàn)在上午9∶00和凌晨1∶00，谷值則出現(xiàn)在下午16∶00和17∶00。峰值出現(xiàn)在上午9∶00是因為早晨上班期間人類活動量增加，各種機動車尾氣的排放，致使空氣中PM2.5和PM10濃度上升。之后，隨著太陽光照的增強，溫度逐漸升高，大氣活動也逐漸活躍起來，有利于污染物的稀釋與擴散，到下午16∶00、17∶00左右，PM2.5和PM10濃度達(dá)到谷值。伴隨著下班晚高峰的出現(xiàn)，車流量增加，再加上居民做飯釋放出的煙塵及大氣溫度下降等因素，PM2.5和PM10的濃度又開始上升，直到凌晨1∶00另一個峰值出現(xiàn)。

3.4 PM2.5/PM10(P值)特征分析

PM2.5和PM10質(zhì)量濃度之比，即P值，可以反映出空氣中可吸入顆粒物中細(xì)顆粒物質(zhì)所占的比例。如圖3所示，根據(jù)2017年12個月均濃度值的統(tǒng)計，P值在0.436～0.558，不同季節(jié)PM2.5/PM10平均值相差較大，冬季PM2.5/PM10平均值最高，為0.505，即細(xì)顆粒物所占比例在50%以上，其次是秋季，說明秋冬季是昆明市細(xì)顆粒物污染嚴(yán)重的季節(jié)，環(huán)境危害較大。春季PM2.5/PM10平均值為0.467，說明細(xì)顆粒物污染較輕。

3.5 PM2.5和PM10的統(tǒng)計檢驗

3.5.1 統(tǒng)計相關(guān)性檢驗

利用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件對2017年昆明市PM2.5和PM10的日均值質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。計算出PM2.5和PM10的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.924，在0.05的水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。說明PM2.5和PM10質(zhì)量濃度之間存在顯著的相關(guān)性。而昆明市可吸入顆粒物中細(xì)顆粒物所占比重大，所以控制好大氣中PM2.5的含量，對于提高昆明市空氣質(zhì)量起著重要的作用。

3.5.2 統(tǒng)計回歸分析

為了進(jìn)一步研究PM2.5和PM10質(zhì)量濃度之間的相關(guān)性，將PM2.5和PM10的日均值濃度繪制為二維坐標(biāo)散點圖。從圖4可以看出，PM2.5和PM10之間存在著顯著的線性相關(guān)性，以PM10日均值為自變量x，PM2.5日均值為因變量y的直線擬合方程為：y=0.526x-1.956，相關(guān)系數(shù)方值R2=0.853。

回歸方程的相關(guān)系數(shù)方值R2達(dá)到了0.85以上，說明直線對散點的擬合度較高，能夠反應(yīng)出二者的關(guān)聯(lián)規(guī)律。直線斜率為0.526，而截距值為-1.956。一方面說明PM2.5占PM10的比例較高，另一方面說明PM2.5的變化主要取決于PM10的變化規(guī)律，二者變化同步率較高。PM2.5和PM10的高度線性相關(guān)支持了可利用數(shù)學(xué)模型結(jié)合PM10數(shù)值計算得出PM2.5的模擬值。

4 結(jié)論

(1)在2017年期間，PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出冬春季高于夏秋季的特征，且最高峰為冬季；冬春季的PM10質(zhì)量濃度高于夏秋季，最高峰為春季；

(2)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度月變化趨勢基本相同，3月、11月和12月濃度明顯偏大；

(3)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度峰值均出現(xiàn)在上午9∶00和凌晨1∶00，谷值則是出現(xiàn)在下午16∶00和17∶00；

(4)PM2.5/PM10值的范圍為0.436～0.558，且冬季P值最高，其次為秋季，表明秋冬季是昆明市細(xì)顆粒物污染嚴(yán)重的季節(jié)；

(5)PM2.5與PM10質(zhì)量濃度之間存在顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)方值R2為0.853。

5 建議

昆明市大氣顆粒物污染的主要原因：首先，受氣象因素的影響，低緯高原山地季風(fēng)氣候的典型特點是干濕季節(jié)分明，雨季對污染物的沖刷作用明顯，冬季晝夜溫差大，且常常出現(xiàn)逆溫和大霧天氣，即使沒有污染物的異常排放，空氣中的污染物也無法得到及時擴散，持續(xù)堆積造成PM2.5與PM10等污染物濃度的升高[12]；其次，各種機動車數(shù)量增多，在駕駛過程中產(chǎn)生大量的廢氣和揚塵，是產(chǎn)生大氣顆粒物的主要途徑；由于市政工程建設(shè)，如大量的道路改造、房屋拆遷、渣土清運、建筑施工等也造成了大量的揚塵[13]。

對此，應(yīng)該采取相應(yīng)措施進(jìn)行治理：加快城市公共交通的發(fā)展，完善綠色大公交系統(tǒng)，積極推進(jìn)低碳出行；加強對機動車尾氣污染監(jiān)督管理，對機動車尾氣開展環(huán)保年檢和抽檢工作，防治機動車尾氣污染；減少揚塵污染，加強建筑施工和道路施工管理，施工過程中，必須要求搭建圍欄，用防塵網(wǎng)遮擋及采取灑水的措施控制建筑、施工等動土工程中的揚塵；加強運輸渣土車輛密閉管理，運輸過程中車輛必須加蓋，以避免渣土潑灑；風(fēng)速大的時候，必須及時對路面進(jìn)行灑水；加強城區(qū)綠化管理，在土地資源有限的前提下，可結(jié)合垂直綠化的方式，增加城市道路的綠化率。