鹿利燕 暴澍盛(.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西 太谷 030800；.陽城縣皇城相府(集團(tuán))實(shí)業(yè)有限公司，山西 陽城 0480 )

太原市PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的變化特征

鹿利燕1暴澍盛2
(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西 太谷 030800；2.陽城縣皇城相府(集團(tuán))實(shí)業(yè)有限公司，山西 陽城 048102 )

為了了解太原市PM2.5、PM10的污染水平變化情況及其相關(guān)關(guān)系，本文基于太原市顆粒物自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對太原市2015年12月-2016年11月PM2.5、PM10質(zhì)量濃度進(jìn)行分析。分析發(fā)現(xiàn)：PM2.5和PM10日均質(zhì)量濃度變化幅度較大，但其變化趨勢非常相似；PM2.5和PM10月均質(zhì)量濃度均超過年均二級標(biāo)準(zhǔn)，特別是秋季最為嚴(yán)重；PM2.5、PM10小時(shí)平均質(zhì)量濃度呈雙峰現(xiàn)象；ρ( PM2.5)與ρ(PM10)相關(guān)系數(shù)為0.9371，ρ( PM2.5)/ρ(PM10)在0.5-0.6之間出現(xiàn)的頻率最高達(dá)30.33%。

PM2.5；PM10；太原市；質(zhì)量濃度

PM10和PM2.5具有吸附性，常吸附一些有害氣體和具有致癌性的碳?xì)浠衔?，是多種有害物質(zhì)的載體，對人體危害較大。較之PM10，PM2.5粒徑愈小愈不易沉降，愈易進(jìn)入深部直達(dá)肺泡壁，又因其表面吸附能力較強(qiáng)，往往吸附著更多的有毒氣體、金屬及其他化合物，對健康危害更大；歷史上重大公害事件比利時(shí)馬斯河谷事件、美國多諾拉事件、英國倫敦?zé)熿F事件、美國落杉磯光化學(xué)煙霧事件、日本四日市哮喘事件，均有PM10和PM2.5的直接或間接作用。除對人體健康有重大影響外，PM10、PM2.5還影響大氣能見度，在2012年冬季大中城市相繼上演的《霧都茫茫》中扮演著重要角色[1]。鑒于PM10、PM2.5對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的重要影響作用，世界上許多國家都將其定為空氣質(zhì)量監(jiān)測的重要指標(biāo)，我國最早于1982年將PM10(此時(shí)名為為飄塵)作為參考項(xiàng)目納入大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測體系，于1996年修訂為可吸入顆粒物(PM10)[2]；于2012年將PM2.5納入大氣環(huán)境強(qiáng)制性監(jiān)測指標(biāo)，對PM10、PM2.5年平均、24小時(shí)平均進(jìn)行了質(zhì)量濃度限值規(guī)定，PM10二級年平均、24小時(shí)平均濃度限值分別為70μg/m3和150μg/m3，PM2.5二級年平均、24小時(shí)平均濃度限值分別為35μg/m3和75μg/m3[3]。

山省省太原市是我國重要的能源重化工基地，東、西、北部三面環(huán)山，地理位置不利于大氣污染物擴(kuò)散，一度被列為全國大氣環(huán)境污染最重城市之一，其中PM10(可吸入顆粒物)在2007-2012年作為首要污染物出現(xiàn)頻次較高[4]，2005年冬、2006年春季PM2.5小時(shí)平均質(zhì)量濃度達(dá)247.6μg/m3，且變化為雙峰雙谷型[5]，2014年采暖前后大氣常規(guī)污染物的單因子污染指數(shù)均以PM2.5最大[6]。本文基于顆粒物自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對兩者質(zhì)量濃度變化特征及關(guān)系進(jìn)行分析，以期了解太原市2015年12月至2016年11月PM2.5、PM10的質(zhì)量濃度變化特征，為以后的深入研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)取自太原市8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位，分別為上蘭(清潔對照點(diǎn))、南寨、塢城、小店、尖草坪、晉源、桃園、金勝，自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)位覆蓋面廣，所測數(shù)據(jù)能代表太原市整體大氣質(zhì)量狀況，監(jiān)測系統(tǒng)由太原市環(huán)境監(jiān)測中心站統(tǒng)一運(yùn)行管理，氣象資料來自山西觀象臺(tái)的的常規(guī)氣象監(jiān)測。分析時(shí)段為2015年12月-2016年11月。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

將2015-12-1—2016-11-30期間監(jiān)測的ρ (PM2.5)和ρ(PM10)小時(shí)平均值轉(zhuǎn)換為日平均，共計(jì)366個(gè)樣本，并將其隨時(shí)間的變化做圖，如圖1。由圖1可看出，PM2.5和PM10日平均質(zhì)量濃度變化范圍均較大，這與污染源不同時(shí)段不同的排放情況密切相關(guān)，除此之外還與每天不同的氣溫、風(fēng)力、雨雪沉降、濕度等天氣狀況[7-8]有關(guān)；PM2.5、PM10整體變化趨勢類似，呈現(xiàn)很好的相關(guān)性。為了更好的理解PM2.5和PM10的污染特征，將兩者的日平均的統(tǒng)計(jì)參數(shù)列于表1。

從表1可看出，PM2.5和PM10最大日均質(zhì)量濃度是平均日均質(zhì)量濃度的4.3和3.4倍；按24小時(shí)平均質(zhì)量濃度二級標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5超標(biāo)日平均質(zhì)量濃度為125.2μg/m3，超標(biāo)天數(shù)占總樣本數(shù)的25.4%，超標(biāo)日均值為標(biāo)準(zhǔn)值的1.7倍；PM10超標(biāo)日平均值為217.9μg/m3，超標(biāo)天數(shù)占總樣本數(shù)的24.9%，超標(biāo)日均值為標(biāo)準(zhǔn)值的1.5倍。PM2.5和PM10空氣質(zhì)量分指數(shù)最大值分別為316.9和291.6，依據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)分別屬于嚴(yán)重和重度污染；PM2.5和PM10超標(biāo)時(shí)間幾近同步，依據(jù)24小時(shí)平均質(zhì)量濃度二級標(biāo)準(zhǔn)2015年12月-2016年11月366天內(nèi)太原市有93天出現(xiàn)PM2.5、PM10輕、中、重度甚至嚴(yán)重污染。

圖1 PM2.5和PM10日均質(zhì)量濃度變化

平均值(μg/m3)最大值(μg/m3)標(biāo)準(zhǔn)偏差(μg/m3)全部樣本數(shù)/d超標(biāo)日平均值/(μg/m3)超標(biāo)天數(shù)/d超標(biāo)天數(shù)占全部樣本數(shù)的比例/%95%置信區(qū)間(μg/m3)PM2.562.4266.946.7366125.29325.457.6-67.2PM10121.7414.170.7366217.99124.9114.5-129.0

受污染源及氣象條件等多種因素的影響，不同月份之間顆粒物污染情況也存在差異。將PM2.5和PM10每月質(zhì)量濃度參數(shù)統(tǒng)計(jì)列于表2。由表2可看出2015.12-2016.10間太原市PM2.5、PM10月均質(zhì)量濃度均超過年均二級標(biāo)準(zhǔn)，其中PM2.5單獨(dú)以首要污染物出現(xiàn)次數(shù)為3次，PM10單獨(dú)以首要污染物出現(xiàn)次數(shù)為5次，兩者同時(shí)以首要污染物出現(xiàn)次數(shù)為2次，這表明PM2.5、PM10對太原市空氣質(zhì)量影響大，污染比較嚴(yán)重，應(yīng)引起公眾和相關(guān)職能部門的注意。

表2 2015年12月-2016年11月PM2.5、PM10月參數(shù)統(tǒng)計(jì)

太原市地處大陸內(nèi)部，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季干冷漫長，夏季濕熱多雨，春季升溫急劇，秋季降溫迅速，春秋兩季短暫多風(fēng)，干濕季節(jié)分明，季節(jié)氣候差異明顯，將表2參數(shù)按照冬季12月至次年2月、春季3-5月、夏季6-8月、秋季9-11月進(jìn)行劃分，分析發(fā)現(xiàn)冬季PM2.5和PM10均值分別為69.88μg/m3、116.2μg/m3，24小時(shí)平均二級超標(biāo)天數(shù)分別為33和24天，12月份PM2.5、PM10超標(biāo)嚴(yán)重，超標(biāo)天數(shù)占樣本比例達(dá)64.5%和58.1%；1月份PM2.5污染情況也較為嚴(yán)重，均值為63.7μg/m3，超標(biāo)天數(shù)為10天，PM10均值107.3μg/m3稍大于日均值，但超標(biāo)天數(shù)僅4天，集中于1-3日及21日；2月污染均值及超標(biāo)天數(shù)開始回落。春季PM2.5和PM10均值分別為53.55μg/m3、126.87μg/m3，24小時(shí)平均質(zhì)量濃度二級超標(biāo)天數(shù)分別為15和25天，3月份PM2.5、PM10污染嚴(yán)重，超標(biāo)天數(shù)均為11天，集中于12-22日；4、5月份 PM2.5、PM10污染水平相當(dāng)，質(zhì)量濃度變化范圍基本一致，PM2.5均值小于整體平均值，PM10均值大于整體平均值，污染嚴(yán)重。夏季PM2.5和PM10均值分別為50.24μg/m3、99.32μg/m3，24小時(shí)平均質(zhì)量濃度二級超標(biāo)天數(shù)分別為3和1天，6、7月份PM2.5污染水平相當(dāng)，均值小于整體平均值，6月份PM10平均質(zhì)量濃度大于7月份平均質(zhì)量濃度，且均大于整體均值，8月份僅1天PM2.5二級超標(biāo)；秋季PM2.5和PM10均值分別為83.7μg/m3、158.9μg/m3，24小時(shí)平均質(zhì)量濃度二級超標(biāo)天數(shù)分別為40、41天，11月份污染情況最為嚴(yán)重，中度及中度以上污染天數(shù)達(dá)分別達(dá)15、11天；10月份顆粒物污染情況也較為嚴(yán)重，PM2.5、PM10超標(biāo)天數(shù)達(dá)12、13天；9月份PM2.5均值略低于整體均值，但超標(biāo)比例比整體樣本超標(biāo)率稍高，PM10均值略高于整體均值，但超標(biāo)比例比整體樣本超標(biāo)率稍低。

結(jié)合質(zhì)量濃度和污染天數(shù)，PM2.5污染情況由重到輕為秋季>冬季>春季>夏季，PM10污染情況由重到輕為秋季>春季>冬季>夏季，秋季PM2.5和PM10污染情況最為嚴(yán)重，主要是因?yàn)榍锒?，太原開始啟動(dòng)取暖裝置，各種煤炭、火電等都會(huì)產(chǎn)生許多的廢氣和尾氣，顆粒物濃度上升，加之天氣冷熱交融易多霧，無大風(fēng)及強(qiáng)氣流變化，植被枯萎凋謝，細(xì)顆粒物易聚積難以稀釋和消解，故秋季顆粒物污染情況嚴(yán)重；春季干旱多風(fēng)，且風(fēng)速較大，地面植被稀少，大風(fēng)會(huì)卷起途徑地帶和當(dāng)?shù)氐念w粒物特別是粗粒子，導(dǎo)致PM10濃度升高；冬季逆溫層厚度大，出現(xiàn)頻率高不利于污染物擴(kuò)散且形成早消失晚，細(xì)顆粒物極易聚集，但受外來冷空氣影響，逆溫層受到破壞有利于污染物擴(kuò)散，所以冬季顆粒物污染程度波動(dòng)較大，PM2.5、PM10質(zhì)量濃度波動(dòng)幅度分別達(dá)261.4μg/m和384.5μg/m3，遠(yuǎn)大于其他三個(gè)季節(jié)；夏季地表植被茂盛，覆蓋率高，較頻繁的降雨及大風(fēng)天氣，有利于顆粒物的擴(kuò)散和清除，所以夏季顆粒物濃度最低。

2.2 PM2.5和PM10小時(shí)平均質(zhì)量濃度變化

PM2.5、PM10小時(shí)質(zhì)量濃度值變化范圍較大，最大小時(shí)質(zhì)量濃度分別為時(shí)均質(zhì)量濃度的3.0和2.7倍；圖2為PM2.5、PM10小時(shí)平均質(zhì)量濃度變化曲線。

圖2 PM2.5和PM10小時(shí)平均質(zhì)量濃度變化曲線

從圖2中可以看出，PM2.5、PM10小時(shí)平均質(zhì)量濃度整體變化趨勢為在清晨開始增加，到10點(diǎn)達(dá)一高峰值，中午開始回落，下午16點(diǎn)左右均變得相對很低，然后濃度再次增大，午夜至凌晨1點(diǎn)達(dá)夜間峰值。主要是因?yàn)樯衔缟习喔叻迤谄囄矚馀欧趴偭看螅瑲庀髼l件不利于尾氣擴(kuò)散，顆粒物濃度聚積至10點(diǎn)達(dá)一高峰值。下午地面經(jīng)一天的熱量積累溫度高于高空溫度，地面空氣易攜帶污染物質(zhì)到高空擴(kuò)散，所以該時(shí)段內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度最低。夜間高峰出現(xiàn)主要是因?yàn)橐归g逆溫層出現(xiàn)，使顆粒物蓄積不易擴(kuò)散所致。

2.3 ρ( PM2.5)、ρ(PM10)的關(guān)系

許多研究表明[9-10]PM2.5和PM10質(zhì)量濃度呈極顯著線性關(guān)系。本文ρ( PM2.5)與ρ(PM10)相關(guān)關(guān)系如圖3所示，回歸方程為ρ( PM2.5)=0.619ρ(PM10)-12.95，相關(guān)系數(shù)r為0.9371，屬于高度相關(guān)。

圖3 ρ( PM2.5)與ρ(PM10)相關(guān)性曲線

ρ( PM2.5)/ρ(PM10)反映了可吸入顆粒物中細(xì)顆粒物的含量，2015年12月-2016年11月ρ( PM2.5)/ρ(PM10)范圍介于0.17-0.81，均值為0.49，以0.1為間隔，統(tǒng)計(jì)分析時(shí)段內(nèi)ρ( PM2.5)/ρ(PM10)出現(xiàn)的頻率，如圖4。

圖4 ρ( PM2.5)/ρ(PM10)頻率分布圖

由圖4可見，ρ( PM2.5)/ρ(PM10)在0.5～0.6之間出現(xiàn)的頻率最高(30.33%)；0.4～0.5之間出現(xiàn)的頻率次之(22.95%)；0.3～0.4及0.6～0.7出現(xiàn)頻率相當(dāng)，分別為18.03%和17.76%。

3 結(jié) 論

、鑒于PM10和PM2.5不僅對人體健康有重大影響，同時(shí)還嚴(yán)重影響大氣能見度，我國于2012年將PM2.5納入大氣環(huán)境強(qiáng)制性監(jiān)測指標(biāo)，對PMv10、PM2.5年平均、24小時(shí)平均進(jìn)行了質(zhì)量濃度限值規(guī)定。山省省太原市是我國重要的能源重化工基地，地理位置不利于大氣污染物擴(kuò)散，一度被列為全國大氣環(huán)境污染最重城市之一。本文基于顆粒物自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對兩者質(zhì)量濃度變化特征及關(guān)系進(jìn)行分析，以期了解太原市2015年12月至2016年11月PM2.5、PM10的質(zhì)量濃度變化特征，為以后的深入研究提供參考。研究表明，2015年12月至2016年11月期間，太原市PM2.5和PM10日均質(zhì)量濃度分別為62.4μg/m3、121.7μg/m3，變化幅度較大，但變化趨勢相似，有很好的相關(guān)性；PM2.5和PM10月均質(zhì)量濃度均超過年均二級標(biāo)準(zhǔn)，特別是秋季最為嚴(yán)重；PM2.5、PM10小時(shí)平均質(zhì)量濃度呈雙峰現(xiàn)象，一個(gè)峰出現(xiàn)于上午，一個(gè)峰出現(xiàn)于夜間；ρ( PM2.5)與ρ(PM10)相關(guān)系數(shù)為0.9371，屬于高度相關(guān)；ρ( PM2.5)/ρ(PM10)均值為0.49，在0.5～0.6之間出現(xiàn)的頻率最高達(dá)30.33%。

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Characteristics of Mass Concentration Variations of PM2.5and PM10in Taiyuan City

LU liyan1BAO Shusheng2
(1.College of Information，Shanxi Agricultural University，Shanxi Taigu 030800； 2.Yangcheng County Royal Prime Minister’s Palace (Group) Co.，Ltd，Shanxi Yangcheng 048102)

In order to know the change of the pollution level of PM2.5，PM10and their correlation in Taiyuan city ，and based on the data obtained from Taiyuan automatic monitoring station，the analysis was made on the mass concentration variations of PM2.5and PM10in Taiyuan city from December 2015 to November 2016 ，it is found that daily mass concentration of PM2.5and PM10varied greatly in a large range ，but they had Similar trends；monthly concentration of PM2.5and PM10exceeded the annual average secondary standard，the most serious pollution occurred in autumn；hourly mass concentration of PM2.5and PM10appeared two peaks in the day respectively；the correlation coefficients of mass concentration of PM2.5and PM10was 0.9371；the mass concentration ratio of PM2.5to PM10between 0.5 to 0.6 appeared the most that the frequency was 30.33 percent.

PM2.5；PM10；Taiyuan city；Mass Concentration

鹿利燕，碩士研究生，助教，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境質(zhì)量評價(jià)與環(huán)境監(jiān)測。

X823

A

1673-288X(2017)01-0058-04

引用文獻(xiàn)格式：鹿利燕 等.太原市PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的變化特征[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(1)：58-61.