長春市大氣中PM10污染特征分析

房春生，金藝娜，孟瑩，溫卓，王菊

長春市大氣中PM10污染特征分析

房春生，金藝娜，孟瑩，溫卓，王菊*

吉林大學環境與資源學院，吉林 長春 130012

近年來，大氣環境質量的不斷惡化受到了人們廣泛的關注。利用長春市的食品廠、客車廠、郵電學院、兒童公園、凈月潭以及甩灣子等6個自動監測中心提供的2011年PM10、SO2與NO2小時質量濃度的連續監測數據，分析了長春市PM10質量濃度(MPM)的時空分布特征、不同污染物之間的相關性及其形成的原因。結果表明：從空間分布上看，6個采樣點的MPM從高到低依次為食品廠＞兒童公園＞郵電學院＞客車廠＞凈月潭＞甩灣子，其中除食品廠與兒童公園外均符合《環境空氣質量標準》GB3095－1996的二級標準。從時間分布上看，絕大多數監測點位的冬季MPM是最高的，春季次之，主要是因為冬季采暖與春季沙塵天氣，而夏季的MPM最低，主要是濕沉降作用所致。MPM逐日變化呈現出雙峰雙谷型分布,第一個峰值出現在早上7:00左右，其中最大值出現在5月份的早7:00左右，達到了0.223 mg·m-3，第1個峰值過后呈下降趨勢，下午出現質量濃度低谷，其中最小值出現在11月份15:00左右，為0.036 mg·m-3，直到傍晚時緩慢回升，22:00左右達到第2個峰值。通過統計分析不同污染物之間的相關系數，得出PM10與NO2質量濃度的相關性顯著，且較穩定，其原因可能是常年排放的機動車尾氣塵影響較大，而PM10與SO2質量濃度的相關性不太穩定，這可能是冬季采暖排放的燃煤塵所致。

PM10；質量濃度；相關系數；SO2；NO2

可吸入顆粒物（PM10）是指空氣動力學當量直徑在10 μm以下的顆粒物，它在環境空氣中停留時間長，輸送距離遠，又稱為飄塵。PM10被人體吸入后會累積在呼吸系統中，誘發哮喘病，并可隨人的呼吸沉積肺部，甚至進入肺泡、血液，導致肺心病，嚴重的可危及生命，國內外大量的流行病學和毒理學研究證實了PM10的危害性（Harrison和Yin，2000；Chan等，1997；時宗波等，2002；李紅等，2002；梁克為等，2003；時宗波等，2004；徐映如等，2013)。同時對大氣能見度、溫度和酸雨也產生一定的影響（吳國平等，1999；茆長榮和尚廣萍，2005)。PM10是我國大氣環境質量的主要污染物，因此將它設為評價大氣環境質量的重要指標。

正因為如此，人們對PM10的關注度很高。學者們對各個地區的PM10時空分布做了許多研究（周悅等，2011；溫麗仙和李素清，2007；常鳴等，2012；司瑤冰等，2004；陳丹青等，2013；曹玲等，2013；魏玉香等，2009；顧勇國等, 2006；郭元喜等，2012；趙克蕾等，2014；李名升等，2013）。李名升等（2013）研究了近10年中國大氣PM10污染時空格局的演變，趙克雷等（2014）對庫爾勒市PM10質量濃度的變化特征進行了分析，曹玲等（2013）研究了河北走廊極端干旱區PM10與氣象要素的關系，魏玉香等（2009）研究了南京SO2、NO2和PM10變化特征及其與氣象條件的關系，顧勇國等（2006）分析了上海市SO2、NO2和PM10的時空變化特征及其相關性, 郭元喜等（2012）研究了中國中東部秋季PM10時空變化及其與日氣溫的關系。長春市自動監測站長期采集著大量的PM10數據，但目前沒有對這些數據進行統計分析，總結出污染特征的報道。本文使用了長春市大量監測數據，總結出長春市PM10時空分布特征，這種靠自動監測站的大量數據做統計分析，與依據少量采樣數據的方法相比大大減少了采樣過程中產生的誤差，并結合氣象條件分析了其特征形成的原因以及來源，為提高環境空氣質量提供科學依據。

1 資料概況

1.1 研究區概況

長春市位于北緯43°05′-45°15′；東經124°18′-127°05′，地處中國東北平原腹地，地勢平坦開闊，屬北溫帶大陸性季風氣候。長春市年平均氣溫為4.8 ℃，四季分明，春季干燥多風，夏季濕熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷漫長。本文采用長春市自動監測站逐時監測結果，其監測點位分布如表1所示。

表1 監測點位情況概述Table 1 General situations of monitoring stations

1.2 數據來源及處理方法

采用美國熱電公司Thermo PM10自動采樣器對長春市的食品廠、客車廠、郵電學院、兒童公園、凈月潭以及甩灣子等6個自動監測站的PM10、SO2與NO2的質量濃度進行監測，數據記錄頻率為1 h·次-1，監測時間為2011年1月1日至2011年12月31日。

筆者用Excel電子表格中的統計計算方法，得出不同點位的MPM季節均值和長春市MPM月小時均值，并計算出長春市PM10、SO2與NO2質量濃度的季節日均值、季節小時均值，并對不同污染物進行了相關分析。

2 長春市PM10污染特征分析

2.1 MPM季節均值變化

圖1是2011年長春市食品廠、客車廠、郵電學院、兒童公園、凈月潭以及甩灣子等監測點的季節平均值變化情況。由于2010、2011年長春市雨雪較多，大氣相對濕度較大，沙塵暴天氣較少，6個站點觀測結果環境質量較好。從圖中可以看出，除食品廠與兒童公園監測點外，均達到《環境空氣質量標準》GB3095－1996里的二級標準0.1 mg·m-3。其中質量濃度最高的是食品廠，其年均值為0.110 mg·m-3。食品廠屬于工業區，易受周邊工業企業排放廢氣的影響，導致指標較高，形成了大氣污染。此外，由于該區處于長春市主導風向（西南風）的下游，容易受到市里污染物輸送到該區帶來的影響。同樣超標的兒童公園的具體質量濃度為0.102 mg·m-3。該區地處市中心，屬于交通、商業密集區，大量車輛流動和商業活動造成了該區的污染。甩灣子的質量濃度值最低，年均值為0.051 mg·m-3。主要是因為該區位于郊區，距工廠的排放源較遠，人口密度也較小。其次質量濃度值較低的是屬于風景區的凈月潭，年均值為0.063 mg·m-3。凈月潭不僅距工業區較遠，該區里的水庫也吸附了地表面的灰塵，在一定程度上降低了PM10質量濃度。

圖1 不同監測站的MPM季節均值Fig.1 Seasonal means of MPMin different monitoring stations

從6個監測站的PM10季節均值變化中可以看出，除客車廠外，其余監測站季節均值均為冬季最高，其它依次為春季、秋季和夏季。冬季PM10質量濃度最高主要冬季采暖引起的。長春市的采暖期一般為11月到次年4月，周期較長。另外，冬季早晨易出現逆溫現象，抑制PM10的擴散，導致了質量濃度的提高。春季的PM10質量濃度僅次于冬季，這是由于春季天氣干燥，風大，易出現沙塵暴天氣，使得PM10質量濃度增大。秋季多數為多云或晴朗的天氣，雨雪天氣較少，相對濕度低，因此PM10質量濃度也處于較高的水平。根據氣象條件可知，2011年夏季降雨量相對較多，92 d里有41 d是降雨天氣，這起到了對大氣的清潔作用，也就是濕沉降過程（王琦和于金蓮，2004）。此外，夏季時大氣的湍流混合能力強，污染物排放到大氣后較快達到分散稀釋的效果，降低了PM10質量濃度。

2.2 MPM月小時均值變化

圖2 長春市MPM的時間分布Fig.2 Time distribution of MPMin Changchun

基于5個觀測站（除甩灣子對照點外）2011年的實時監測數據，統計長春市PM10月小時均值，并通過Surfer軟件作出三維等值線圖，見圖2。圖2中可以看出2011年期間1月、5月發現高質量濃度區，其中最大值出現在5月份的早7:00左右，達到了0.223 mg·m-3，這主要是冬季采暖與春季沙塵天氣所致。同時，低質量濃度區出現在8月、9月、11月份，其中最小值出現在11月份15:00左右，為0.036 mg·m-3，這也與圖1中的分析相吻合。從全年的MPM月均值質量濃度分布來看大部分低于0.1 mg·m-3，因此，長春市2011年空氣質量較好。

圖2中每月均值的逐日變化都呈現出雙峰雙谷型分布。第一個峰值出現在早晨7:00左右，主要是由于夜間邊界層較穩定，PM10能夠長時間懸浮在空氣中，同時早晨人們的上班活動也是引起質量濃度上升的另一原因（周悅等，2011）。5月的第1個峰值出現較早，在早上5:00達到了峰值，持續時間也較長。而1月的第1個峰值出現在早上10:00，比其它月份晚1～5 h，這是長春市冬天天氣寒冷，人們早晨出行的時間推遲所導致的（周悅等，2011）。MPM在逐日變化中第1個峰值過后逐漸下降，下午出現質量濃度低谷，直到傍晚才緩慢回升，22:00左右達到第2個峰值。這主要是因為白天太陽輻射強，氣溫增高，使得大氣處于不穩定狀態，有利于PM10的垂直擴散于湍流交換。傍晚是人們下班與車輛增加的高峰期，這些人類活動是導致污染嚴重的一個原因。1、2月MPM的第2個峰值出現的較早，20:00達到了峰值，并且從傍晚到第二天早上持續較高的狀態。這是由于除了下班時間車輛的增加外，采暖煤煙排放的影響。并且排放出來的PM10由于早晚氣溫低，大氣層穩定引起的逆溫現象，在底層大氣中難以擴散（王琦和于金蓮，2004）。7月的第2個峰值在21:00，較其它月份出現得晚，這是由于夏天的日照時間長，人們下班時間的推遲所導致。

表2 不同污染物季節日均值之間的相關性Table 2 Correlations between daily means of pollutants in different seasons

2.3 不同污染物之間的關系分析

表2是不同污染物的不同季節日均值質量濃度之間的相關系數，表3是不同污染物的季節小時均值質量濃度之間的相關系數。春季里，PM10與NO2季節小時均值呈顯著性相關，而季節日均值的相關性不顯著。這可能是在逐日變化中PM10與NO2的變化趨勢是相似的，但汽車尾氣塵對于MPM的提高產生的作用是有限的。長春市春季比較干燥，沙塵暴天氣較多，土壤風沙塵會對PM10產生一定的影響。在兩張表中，夏季的PM10與NO2質量濃度均呈現出強相關性，而其它都呈現非相關。這可能是由于夏季屬于非采暖期，沒有燃煤塵污染，從而突出了汽車尾氣的影響。秋冬季節的日均值中PM10、SO2與NO2三種污染物之間的相關性都為顯著，而季節逐日均值秋冬季節SO2與NO2呈現反相關關系，PM10與NO2的相關性較為顯著。這說明三種污染物秋冬季節的質量濃度變化特征相似，PM10來源于燃煤塵與機動車尾氣塵，可能是燃煤塵與機動車尾氣塵排放量的逐日變化特征的不一致導致了SO2與PM10的反相關。

從整體形勢來看PM10與NO2質量濃度的相關性比較穩定，這可能是因為空氣中MPM常年受著機動車尾氣塵的影響。PM10與SO2的相關系數不太穩定，這是可能是長春市每年10月中旬到次年4月中旬的采暖期間所產生的燃煤塵導致的。

表3 不同污染物季節小時均值之間的相關性Table 3 Correlations between pollutants’ hourly means in different seasons

3 結論與討論

3.1 討論

長春市PM10污染為燃煤塵、機動車尾氣塵和土壤風沙塵的混合型污染。長春市要合理布局工業企業并加強工業排污的管理力度，減少工業區下風向區域受到的影響。同時，做好集中供暖，加強污染源PM10的治理工作，并逐步實現機動車尾氣排污的控制與凈化來減少線源污染，提高周邊環境綠化的工作來吸附空氣中的揚塵。

3.2 結論

1) 長春市2011年各自動監測站PM10數據顯示除食品廠與兒童公園外的4個采樣點均符合《環境空氣質量標準》GB3095－1996的二級標準。

2) 長春市PM10污染季節變化的規律性明顯。PM10污染冬季＞春季＞秋季＞夏季，這與采暖期燃煤排污與春季的風沙天氣較多有關。

3) 長春市MPM逐日變化呈現出雙峰雙谷型分布，第1個峰值出現在早晨7:00左右，第1個峰值過后逐漸下降，下午出現質量濃度低谷，直到傍晚才緩慢回升，22:00左右達到第2個峰值。

4) 2011年4個季節PM10與NO2質量濃度的相關性比較穩定，這可能是因為空氣中常年排放機動車尾氣塵。同時PM10與SO2的相關系數不太穩定，這可能是長春市采暖期間的燃煤塵所引起的。

CHAN Y C, S IMPSON RW, MCTAINSH G H, et al. 1997. Characterization of chemical species in PM2.5and PM10aerosols in Brisbane, Australia [J]. Atmospheric Environment, 31(22): 3773-3785.

HARRISON R M, YIN J X. 2000. Particulate matter in the atmosphere: which particle properties are important for its effects on health? [J]. The Science of The Total Environment , 249(1/3): 85-101.

曹玲,曹華,于海躍,等. 2013. 河西走廊極端干旱區PM10質量濃度分布特征及其與氣象要素關系研究[J]. 生態環境學報, 22(11): 1807-1813.

常鳴, 張秀麗, 紀永芝,等. 2012. 基于GIS的煙臺市PM10時空分布與氣象因素分析[J]. 中國環境監測, 28(6): 78- 81.

陳丹青, 師建中, 肖亮洪, 等. 2013. 粵東3市PM2.5和PM10質量濃度分布特征[J]. 上海環境科學, 32(2): 72-78.

顧勇國, 呂森林, 顧建忠, 等. 2006. 上海市市區、郊區SO2、NO2和PM10的時空變化規律及相關性分析[J]. 上海環境科學, 25(5): 203-206.

郭元喜, 龔道溢, 汪文珊, 等. 2012. 中國中東部秋季PM10時空變化及其與日氣溫的關系[J]. 地理學報, 67(9): 1155-1164.

李紅, 曾凡剛, 邵龍義, 等. 2002. 可吸入顆粒物對人體健康危害的研究進展[J]. 環境與健康, 19(1): 85-87.

李名升, 張建輝, 張殷俊. 2013. 近10年中國大氣PM10污染時空格局演變[J]. 地理學報, 68(11): 1504-1512.

梁克為, 唐曉敏, 劉雪林, 等. 2003. 空氣中可吸入顆粒物對患者危害的監測與探討[J]. 中華醫院感染學雜志, 13(3): 230-232.

茆長榮, 尚廣萍. 2005. 合肥市城市PM10污染成因及控制對策[J]. 安徽大學學報, 29(4): 87-92.

時宗波, 邵龍義, JONEST P. 2004. 城市大氣可吸入顆粒物對質粒DNA的氧化性損傷[J]. 科學通報, (7): 673-678.

時宗波, 邵龍義, 李紅, 等. 2002. 北京市西北城區取暖期環境大氣中PM10的物理化學特征[J]. 環境科學, 23(1): 30-34.

司瑤冰, 鄭有飛, 李彰俊, 等. 2004. 呼和浩特市空氣污染濃度[J]. 內蒙古氣象, (1): 14-17.

王琦, 于金蓮. 2004. 大氣中PM10濃度的影響因素及其污染變化特征分析[J]. 上海師范大學學報, 33(3): 98- 102.

魏玉香, 童堯青, 銀燕, 等. 2009. 南京SO2、NO2和PM10變化特征及其與氣象條件的關系[J]. 大氣科學學報, 32(3): 451- 457.

溫麗仙, 李素清. 2007. 太原市PM10污染分布規律[J]. 安徽農業科學, 35(12): 3642-3644.

吳國平, 胡偉, 滕恩江, 等. 1999. 我國四城市中PM2.5和PM10的污染水平[J]. 中國環境科學, (2): 133-137.

徐映如, 王丹俠, 張建文, 等. 2013. PM10和PM2.5危害、治理及標準體系的概況[J].職業與健康, 29(1):117-119.

趙克蕾, 何清, 鐘玉婷, 等. 2014. 2012 年庫爾勒市PM10質量濃度的變化特征分析[J]. 沙漠與綠洲氣象, 8(1): 11-16.

周悅, 牛生杰, 王存忠, 等. 2011. 半干旱地區PM10質量濃度時空分布特征研究[J]. 中國沙漠, 31(3): 741-749.

Analysis of atmospheric characteristics of PM10pollution in Changchun, China

FANG Chunsheng, JIN Yina, MENG Ying, WEN Zhuo, WANG Ju*
College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130012, China

In recent years, the worsening of atmospheric environmental quality has received widespread attention. In this study, based on continuous hourly data of PM10, SO2and NO2which offered by 6 automatic monitoring stations in Changchun, special distribution of PM10, correlations between different pollutants and formation reasons were analyzed. The six automatic monitoring stations include Food Factory, Passenger Car Manufactory, Post and Telecommunications College, Children Park, Jingyue Tan and Shuaiwanzi. The results shown that, special distribution of MPMin six sampling sites from high to low were Food Factory＞ Children Park＞ Post and Telecommunications College ＞ Passenger Car Manufactory ＞ Jingyue Tan ＞ Shuaiwanzi, and except for Food Factory and Children Park, other sampling sites all meet the second standards of the "Ambient Air Quality standards" GB3095-1996. Time distribution of MPMin most sampling sites were highest in winter, followed by spring, and this was caused by heating in winter and dust in spring. While the minimum MPMoccurring in summer was due to wet deposition. Daily variation of MPMshowed double peak valley type distribution, and the first peak was at about 7:00 in the morning, in which the maximum occurred at around 7:00 in May, reaching 0.223 mg·m-3. After the first peak, MPMbegan to decrease, and in the afternoon appeared the lowest concentration, and the minimum (0.036 mg·m-3) occurred at around 15:00 in November. Slow increasing happened from evening, at around 22:00 to reach the second peak. Correlation coefficients between different pollutants were calculated, and the result shown that PM10and NO2were significantly correlated, and quite stable, which may be due to the perennial influence of motor vehicle exhaust. However, correlation between SO2and PM10were not stable, which may be coal dust caused by heating in winter.

PM10; mass concentration; correlation coefficient; SO2; NO2

X831

A

1674-5906（2014）04-0610-05

房春生，金藝娜，孟瑩，溫卓，王菊. 長春市大氣中PM10污染特征分析[J]. 生態環境學報, 2014, 23(4): 610-614.

FANG Chunsheng, JIN Yina, MENG Ying, WEN Zhuo, WANG Ju. Analysis of atmospheric characteristics of PM10pollution in Changchun, China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(4): 610-614.

吉林省科技廳重大科技攻關專項（20130204051SF）；吉林省環保廳重點項目（2013-17）

房春生（1971年生），教授，博士，主要從事環境規劃與評價研究。E-mail：fangcs@jlu.edu.cn

*通訊作者：王菊，副教授，E-mail：wangju@jlu.edu.cn

2014-04-11