長沙市郊區(qū)環(huán)境大氣中顆粒物PM10的質量濃度及其變化特性

王琪，鄧啟紅，唐猛，劉蔚巍

(中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙，410083)

長沙市郊區(qū)環(huán)境大氣中顆粒物PM10的質量濃度及其變化特性

王琪，鄧啟紅，唐猛，劉蔚巍

(中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙，410083)

于2007?11—2008?10對長沙市郊區(qū)環(huán)境空氣中的顆粒物PM10的質量濃度采用TEOM 1400a進行實時監(jiān)測，以揭示城市顆粒物污染的主要特征及其變化趨勢。研究結果表明：長沙市郊區(qū)顆粒物污染相當嚴重，PM10年平均質量濃度為(120.8±47.7) μg/m3，明顯超出我國環(huán)境空氣質量標準，其中秋、冬季節(jié)質量濃度高于夏季質量濃度；PM10質量濃度日變化受城市交通密度的影響顯著，峰值分別出現(xiàn)于9:00與18:00附近，與早晚交通高峰期吻合；PM10質量濃度在工作日與周末存在明顯差異，夏季周末質量濃度明顯高于工作日質量濃度，而冬季則相反；顆粒物PM10與PM2.5質量濃度具有很好的相關性，說明我國現(xiàn)行采用的PM10環(huán)境空氣質量標準評價城市空氣質量仍是合適的。

空氣質量；顆粒物；PM10；PM2.5

隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展以及城市人口的迅速增長，城市環(huán)境空氣污染日益加劇，其中懸浮顆粒物 PM(Particulate matter)是目前最主要的污染物之一。顆粒物不僅能夠影響全球氣候與城市可見度，而且能夠進入人體呼吸系統(tǒng)甚至穿透肺泡進入人體血液循環(huán)從而影響人們的身體健康[1?2]。大量流行病學研究表明：顆粒物質量濃度與人類疾病(特別是呼吸系統(tǒng)疾病、心腦血管疾病)的發(fā)病率和死亡率具有顯著的相關性[3?4]。顆粒物質量濃度監(jiān)測是評價城市空氣質量的基礎，也是進行城市污染控制與評估健康效應的重要依據(jù)。歐美等發(fā)達國家廣泛開展了城市及區(qū)域環(huán)境空氣中顆粒物質量濃度的長期監(jiān)測與調查研究[5?6]。近年來，以我國為代表的大多數(shù)發(fā)展中國家由于城市經(jīng)濟的快速發(fā)展導致環(huán)境空氣中顆粒物污染十分嚴重，目前已引起人們的高度關注，但人們對其進行系統(tǒng)研究與報道非常少[7?10]。據(jù)《湖南省環(huán)境狀況公報》報道，長沙市空氣中可吸入顆粒物 PM10(空氣動力學直徑小于10 μm的顆粒物)污染相當嚴重，其平均質量濃度連續(xù)4年(2004—2007)超出國家環(huán)境空氣質量標準。為控制空氣污染，切實保護人們的身體健康，世界上許多國家制定了嚴格的國家環(huán)境空氣質量標準。我國 1996年制定的《環(huán)境空氣質量標準》中明確提出了 PM10的控制指標，而美國1997年在原有PM10質量標準基礎上率先頒布并執(zhí)行了更為嚴格的細顆粒物 PM2.5(空氣動力學直徑小于2.5 μm的顆粒物)控制標準。我國現(xiàn)行的 PM10質量標準是否合理也逐漸成為人們比較關注的問題。在此，本文作者對長沙市環(huán)境空氣中的PM10與PM2.5進行同步監(jiān)測，以揭示二者之間的相關性，以便為制定合理的空氣質量標準提供科學依據(jù)。

1 測試方案與儀器

環(huán)境監(jiān)測點位于長沙市郊區(qū)中南大學校園附近的一居民建筑樓頂，距地面約15 m，背靠岳麓山，緊鄰交通環(huán)線，周邊有少量的建筑施工與工業(yè)廠房。測試時 間 為 2007?11 — 2008?10(其 中 在 2008?02 —2008?04，由于寒假中斷了實驗測試)。根據(jù)長沙地區(qū)氣候特征，測試階段可分為冬季(2007?11—2008?01)、夏季(2008?05—2008?07)、秋季(2008?10)。

采用環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測儀 TEOM 1400a(Thermo R&P, USA)對長沙市環(huán)境空氣中的顆粒物PM10質量濃度進行實時監(jiān)測，每分鐘記錄1次數(shù)據(jù)。此外，為分析顆粒物 PM10與 PM2.5的相關性，于2008?10同時采用智能粉塵監(jiān)測儀DustTrak 8250(TSI,USA)對顆粒物PM2.5的質量濃度進行實時監(jiān)測。

運用 SPSS統(tǒng)計學分析軟件對測試數(shù)據(jù)進行均值比較、t-test檢驗、相關性分析等統(tǒng)計學分析，以研究長沙市大氣環(huán)境中顆粒物濃度在全年、季節(jié)、周、日的變化規(guī)律。

2 結果分析與討論

2.1 PM10質量濃度的季節(jié)變化

圖1 2007?11—2008?10長沙市郊區(qū)PM10日平均質量濃度Fig.1 Average diurnal mass concentrations of PM10 in suburban of Changsha from November 2007 to October 2008

監(jiān)測期間 PM10日平均質量濃度總體變化趨勢如圖1所示，其中22 d PM10質量濃度超出我國環(huán)境空氣質量日平均二級標準(150 μg/m3)，占總測試天數(shù)的26.2%。秋冬季節(jié)超標天數(shù)明顯多于夏季，這與季節(jié)性污染源及氣象因素有關。由于秋、冬季節(jié)天氣比較寒冷，居民家庭及公共建筑燃煤較多以滿足生活熱水與供暖需要，顆粒物污染明顯加重；另一方面，由于冬季溫度較低，有利于新顆粒物的生成和堆積，使得顆粒物質量濃度比夏季的高。日平均質量濃度最低值出現(xiàn)在冬季，這主要與氣候突變有關。自2007?11?16起長沙地區(qū)氣溫驟降十幾度，并伴隨陰雨天氣，這種氣象條件不利于顆粒物在大氣中積聚，從而導致顆粒物質量濃度降低。此后幾天，氣溫又逐漸回升，顆粒物質量濃度漸漸升高。從圖1可看出：長沙顆粒物污染相當嚴重，年平均質量濃度為(120.8±47.7) μg/m3，明顯高于我國環(huán)境空氣質量年平均二級標準(100 μg/m3)。

對上述實時監(jiān)測的長沙市郊區(qū) PM10質量濃度按季節(jié)進行統(tǒng)計分析，結果如圖2所示。從圖2可見：長沙夏季、秋季及冬季的平均質量濃度分別為(116.4±42.6)，(122.3±46.1)和(125.0±57.4) μg/m3。冬季顆粒物日平均質量濃度最高，夏季的最低，秋季的居中。我國其他城市也表現(xiàn)出類似現(xiàn)象，如北京PM10夏季質量濃度為 172.2 μg/m3，冬季為 184.4 μg/m3[9]；珠江三角洲PM10夏季質量濃度為74.6 μg/m3，冬季為111.5 μg/m3[10]。上述結果表明：我國中部城市(長沙)的顆粒物污染程度比北部城市的輕但比南部城市的重。其他國家城市監(jiān)測結果也表明：冬季顆粒物質量濃度要比夏季的高，如希臘雅典 PM10質量濃度夏季為 73.9 μg/m3，冬季為 77.0 μg/m3[11]；意大利米蘭 PM10夏季為 68 μg/m3，冬季為 103 μg/m3[12]。

圖2 長沙市郊區(qū)顆粒物質量濃度的季節(jié)變化比較Fig.2 Particle mass concentrations in suburban of Changsha at different seasons

2.2 PM10質量濃度的周變化

對長沙市郊區(qū)顆粒物實時質量濃度按周進行統(tǒng)計分析，得到工作日和周末日平均質量濃度變化規(guī)律。PM10周質量濃度的變化趨勢如圖3所示。從圖3可見：顆粒物質量濃度自星期一開始逐漸升高，星期三以后慢慢下降，但在星期六開始顯著升高而后(星期日)迅速降低。顆粒物質量濃度在星期三與星期六各有1個峰值，其中，星期六質量濃度達到最大值。這表明PM10質量濃度與人類活動密切相關。自星期一開始，人們的工作強度或人類活動逐漸加強，因此，由人類活動(基建、交通、工業(yè)等)產(chǎn)生的顆粒物逐漸增加。但自星期三以后，人們的工作強度又有一定程度的松懈，從而導致由這些人工源產(chǎn)生的顆粒物逐漸降低。周末第1天(星期六)，人們的戶外活動(購物、交通等)明顯加強，導致顆粒物質量濃度達到1周內最高值，而星期日大多數(shù)人選擇休息，為下一周工作做準備，活動明顯減少，交通密度減弱，顆粒物質量濃度也隨之降低。

圖3 長沙市郊區(qū)工作日與周末PM10質量濃度Fig.3 Average diurnal mass concentrations of PM10 in suburban of Changsha during weekdays and weekends

通過文獻分析發(fā)現(xiàn)：在發(fā)展中國家，人們在工作日期間工作強度與壓力非常大，因此，周末外出活動比較集中。這可能是導致周末顆粒物質量濃度較高的原因。如印度新德里周末PM10質量濃度高于工作日質量濃度[8]。但發(fā)達國家研究結果則不同，如英國雷丁和西班牙巴塞羅那工作日顆粒物質量濃度高于周末的質量濃度[13?14]。這可能是在發(fā)達國家，人們周末以休息娛樂為主，交通密度降低，從而導致顆粒物質量濃度降低。

經(jīng)進一步研究發(fā)現(xiàn)：并不是全年周末PM10質量濃度都高于工作日質量濃度，不同季節(jié)工作日與周末PM10質量濃度有明顯差異。如表1所示，夏季工作日與周末PM10平均質量濃度分別為(103.8±33.9) μg/m3與(148.8±47.2) μg/m3，秋季分別為(127.7±56.9)μg/m3與(114.2±68.6) μg/m3，冬季分別為(130.1±54.0)μg/m3與(106.7±71.9) μg/m3。通過t-test檢驗發(fā)現(xiàn)：冬、夏季節(jié)工作日與周末顆粒物濃度有顯著性差異(p＜0.001)，秋季則無顯著性差異。冬季工作日顆粒物質量濃度高于周末質量濃度，而夏季周末顆粒物質量濃度遠高于工作日質量濃度，這與夏季周末戶外活動較多而冬季周末人們主要在家休息有關。

表1 長沙市郊區(qū)工作日與周末PM10日平均質量濃度Table 1 Average diurnal mass concentration of PM10 in suburban of Changsha during workdays and weekends μg/m3

2.3 PM10質量濃度的日變化

對顆粒物實時質量濃度按24 h進行統(tǒng)計分析，得到顆粒物PM10逐時質量濃度變化特性，見圖4。從圖4可以看出：PM10質量濃度日變化呈雙峰曲線，第1個峰值出現(xiàn)在上午9:00附近，第2個峰值出現(xiàn)在下午18:00附近。上午顆粒物質量濃度峰值明顯高于下午質量濃度峰值，但上午的峰值比較短暫，變化較快，而下午峰值則持續(xù)時間較長。

圖4 長沙市郊區(qū)PM10質量濃度日變化曲線Fig.4 Average diurnal variation of PM10 concentrations in suburban of Changsha

顆粒物質量濃度日變化趨勢主要與上、下班交通高峰和氣象因素有關。上午，人們上班時間(8:00?9:00)比較統(tǒng)一，導致該時段出現(xiàn)交通高峰期，隨后，交通量由于人們集中工作而迅速降低。盡管人們的下班時間基本上是統(tǒng)一的(18:00)，但下班后人們回家的時間選擇比較自由，而且晚上的各種活動比較多，因此，交通量一直比較大。此外，早晨近地層大氣呈逆溫，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，有助于空氣中的顆粒物積聚，從而導致顆粒物污染最嚴重。下午太陽輻射增強，氣溫升高，大氣穩(wěn)定性破壞，對流量大，產(chǎn)生空氣的垂直湍流運動，有利于近地層空氣中的顆粒物向上擴散而被帶到高空稀釋，質量濃度降低。國內外大量相關研究均得到類似的顆粒物質量濃度日變化特性[6,15]。

2.4 PM10與PM2.5質量濃度的相關性

于2008?10同時監(jiān)測PM10與PM2.5的質量濃度，日平均質量濃度變化如圖5所示。從圖5可以看出：10月PM10與PM2.5質量濃度具有十分類似的變化趨勢，說明粗顆粒物與細顆粒物之間質量濃度存在很好的相關性(相關系數(shù)R=0.861)，如圖6所示。這里要特別說明的是：PM2.5質量濃度是采用DustTrak測試的，而PM10質量濃度則采用TEOM 1400a測試，二者在數(shù)值上有較大區(qū)別。這主要是由于它們的測試原理不同，前者基于光散射原理，而后者基于微震蕩天平稱重原理。PM10與PM2.5質量濃度之間良好的相關性說明我國目前采用PM10環(huán)境空氣質量標準仍是可行的。與歐美等發(fā)達國家不同，我國目前城市空氣中的顆粒物仍以土壤揚塵等粗顆粒物為主，因此，采用PM10質量濃度能夠很好地衡量顆粒物污染程度。但是，發(fā)達國家城市空氣中主要以汽車尾氣等細顆粒物為主，此時PM10質量濃度不能很好地反映顆粒物污染程度，因此，必須采用細顆粒物PM2.5空氣質量標準。

圖5 2008?10長沙市郊區(qū)顆粒物日平均質量濃度變化Fig.5 Average diurnal mass concentrations of PM10 and PM2.5 in suburban of Changsha in October, 2008

圖6 長沙市郊區(qū)粗顆粒物PM10與細顆粒物PM2.5質量濃度相關性Fig.6 Relationship between mass concentrations of PM10 and PM2.5 in suburban of Changsha

3 結論

(1) 長沙市環(huán)境空氣中顆粒物污染程度介于我國北部與南部城市的污染程度之間，顆粒物質量濃度受氣象條件(環(huán)境溫度)、人類活動強度及交通密度變化影響顯著。

(2) 長沙城市大氣環(huán)境中顆粒物PM10質量濃度在2007?11—2008?10測試期間的平均質量濃度為(120.8±47.7) μg/m3，明顯高于我國環(huán)境空氣質量年平均標準；夏季、秋季及冬季平均質量濃度分別為(116.4±42.6)，(122.3±46.1)和(125.0±57.4) μg/m3。秋冬季節(jié)PM10質量濃度較高，主要是溫度較低不利于顆粒物擴散及人們在該季節(jié)燃煤較多所致。

(3) PM10質量濃度周變化趨勢與人類活動相關。夏冬季節(jié) PM10質量濃度在工作日與周末存在顯著差異：冬季工作日質量濃度高，而夏季周末質量濃度高。

(4) PM10質量濃度日變化明顯受城市交通密度的影響，峰值分別出現(xiàn)在上午9:00與下午18:00附近，與早晚交通高峰期吻合。

(5) 長沙城市空氣中顆粒物 PM10與 PM2.5質量濃度具有很好的相關性，說明采用PM10環(huán)境空氣質量標準目前仍是可行的。

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(編輯 陳燦華)

Mass concentration and variations of particulate matters PM10in suburban air of Changsha, China

WANG Qi, DENG Qi-hong, TANG Meng, LIU Wei-wei

(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to investigate the mass concentration and variation characteristics of the particulate matters PM10in the suburban air of Changsha, the mass concentration of PM10was continuously measured by TEOM1400a during the period from November 2007 to October 2008. The results show that the particulate air pollution in Changsha is very serious, and the annual concentration (120.8±47.7) μg/m3is much higher than the national ambient air quality standard(NAAQS). The average PM10mass concentration in autumn and winter seasons is higher than that in summer. The diurnal variations of PM10mass concentration consist of two peak values that are mainly attributed to heavy traffic in rush hours. There is significant difference between the weekday and weekend for PM10concentrations, and the concentration of weekends is higher than that of weekdays during summer but reverse phenomenon occurs during winter.The good relationship between PM10and PM2.5suggests that the underlying national PM10standard is still suitable for assessing urban air quality in China.

air quality; particulate matter; PM10; PM2.5

X831；X513

A

1672?7207(2010)06?2419?05

2010?01?18；

2010?04?15

全國高等學校優(yōu)秀博士學位論文作者專項基金資助項目(200545)；國家“十一五”科技支撐計劃項目(2008BAJ12B03)

鄧啟紅(1973?)，男，河南潢川人，博士，教授，從事環(huán)境空氣污染及其健康效應研究；電話：0731-88877175；E-mail: qhdeng@mail.csu.edu.cn