PM2.5手工法與自動法比對差異及其與氣象條件影響關(guān)系分析

鄭翔翔 洪正昉 黃 芳 陳 浩 呂 晶

(浙江省環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 杭州 310015)

PM2.5是指空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑(俗稱粒徑)小于2.5 μm 的大氣顆粒物，通常被稱為細(xì)粒子、細(xì)顆粒物或可入肺顆粒物(IP)［1］。PM2.5中包括較穩(wěn)定的不揮發(fā)組分和不穩(wěn)定的半揮發(fā)組分，其中不揮發(fā)組分主要包括硫酸鹽、元素碳及金屬元素等;半揮發(fā)組分主要包括硝酸銨和低分子量的有機(jī)物等，該類組分以氣固動態(tài)平衡形式存在［2］。

目前，我國采用自動在線儀器開展PM2.5的監(jiān)測，實(shí)時發(fā)布PM2.5濃度數(shù)據(jù)，并以自動監(jiān)測數(shù)據(jù)作為環(huán)境質(zhì)量評價的依據(jù)。如何確保PM2.5自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性是PM2.5監(jiān)測工作的關(guān)鍵。國內(nèi)外研究表明，開展手工監(jiān)測比對是考查PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性的一種手段［3－5］。

本研究通過在三個城市開展為期一年的PM2.5手工法和自動法比對監(jiān)測，分析不同氣象條件(如溫度、相對濕度等)對PM2.5手工法和自動法比對差異的影響，以期為PM2.5自動監(jiān)測的現(xiàn)場手工比對工作積累一定的經(jīng)驗(yàn)，從而為政府部門制定環(huán)保政策和污染防控措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 PM2.5手工法數(shù)據(jù)采集

在杭州、衢州和溫州三個城市分別選擇一個城市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點(diǎn)于2013年1月、3月、5月、7月、9月、11月和12月進(jìn)行PM2.5手工法采樣。PM2.5手工采樣點(diǎn)距離PM2.5自動監(jiān)測儀采樣管1 米處，兩者采樣入口處于同一高度。采樣時間為當(dāng)日上午10:00 至次日上午09:00，每月采集手工法樣品約15 個。

PM2.5手工采樣儀器為青島嶗應(yīng)2030 型中流量采樣器，采樣流量設(shè)為100L/min，采樣濾膜為玻璃纖維濾膜(直徑為90mm)?？瞻诪V膜和采樣后的濾膜均在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室(溫度設(shè)為20℃，空氣相對濕度控制在(50±5)%)平衡24 小時后稱量，天平型號為梅特勒XP205，感量0.01mg。

PM2.5手工采樣和稱量均按照《環(huán)境空氣PM10 和PM2.5的測定重量法》(HJ 618－2011)中的相關(guān)要求進(jìn)行。

1.2 PM2.5自動法數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)來源

PM2.5自動法數(shù)據(jù)來源于浙江省區(qū)域大氣環(huán)境日報預(yù)報平臺，顆粒物分析儀(美國熱電SHARP 5030 型)的原理為“β 射線+DHS(膜動態(tài)加熱系統(tǒng))+光散射”，流量設(shè)為16.67L/min。PM2.5自動法日均值的時間段與手工法采樣法的采樣時間保持一致。

氣象數(shù)據(jù)包括溫度、相對濕度、大氣壓和風(fēng)速，由德國Swarco－lufft 氣象參數(shù)儀測得。

1.3 有效數(shù)據(jù)及計算方法

本次比對試驗(yàn)共獲得PM2.5手工法和自動法有效數(shù)據(jù)294 對(杭州94 對，衢州104 對，溫州96 對)。將PM2.5手工法和自動法數(shù)據(jù)進(jìn)行相對偏差(RD)和相對偏差的絕對值()的計算，計算公式如下:

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5手工法和自動法比對差異分析

將2013年杭州、衢州和溫州三個城市各采樣月采集的PM2.5手工法和自動法數(shù)據(jù)分別進(jìn)行相對偏差(RD)范圍和相對偏差絕對值的平均值的統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表2。表2 表明，三個城市不同采樣月RD 范圍各不相同，但和負(fù)偏差所占比例有相似的規(guī)律:1月份最小，5月份最大。

表1 2013年三個城市PM2.5手工法與自動法數(shù)據(jù)相對偏差統(tǒng)計

上述分析可知，杭州、衢州和溫州三個城市PM2.5手工法和自動法比對數(shù)據(jù)的差異隨著采樣月份發(fā)生相似的變化，表明PM2.5手工法和自動法比對數(shù)據(jù)的差異可能與氣象參數(shù)(如溫度、相對濕度等)有一定的相關(guān)性。

2.2 PM2.5手工法和自動法比對差異與氣象因素的關(guān)系

為了研究PM2.5手工法和自動法比對數(shù)據(jù)的差異與氣象因素的關(guān)系，采用SPSS19.0 對杭州、衢州和溫州三個城市PM2.5手工法和自動法比對差異(用相對偏差的絕對值表示)和各氣象因素(溫度、氣壓、相對濕度和風(fēng)速)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析。

使用K－S 檢驗(yàn)法表明，三個城市PM2.5手工法和自動法的均符合正態(tài)分布，Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果見表2。由表2 可以看出，三個城市PM2.5手工法和自動法比對差異與相對濕度均呈顯著正相關(guān)(置信度水平P=0.01);三個城市PM2.5手工法和自動法比對差異與溫度的相關(guān)性各不相同，杭州呈顯著負(fù)相關(guān)(P=0.01)，溫州呈顯著正相關(guān)(P=0.05)，衢州PM2.5比對差異與溫度的相關(guān)性較小;溫州PM2.5手工法和自動法比對差異與大氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)(P=0.01)，其它兩個城市PM2.5比對差異與大氣壓無顯著相關(guān)性;三個城市PM2.5手工法和自動法比對差異與風(fēng)速的相關(guān)性均不大。

表2 2013年三個城市PM2.5手工法與自動法與各氣象參數(shù)的相關(guān)性

表2 2013年三個城市PM2.5手工法與自動法與各氣象參數(shù)的相關(guān)性

注:＊＊表示相關(guān)系數(shù)在0.01 置信度水平下顯著;* 表示相關(guān)系數(shù)在0.05 置信度水平下顯著。

采樣點(diǎn) Pearson 相關(guān)性 溫度 氣壓 濕度 風(fēng)速杭州相關(guān)系數(shù)－0.294＊＊－0.066 0.348＊＊－0.223顯著性(雙側(cè))0.006 0.539 0.001 0.055樣本數(shù) 88 88 88 75衢州相關(guān)系數(shù)－0.012－0.115 0.337＊＊ 0.011顯著性(雙側(cè))0.902 0.245 0.000 0.931樣本數(shù) 104 104 104 62溫州相關(guān)系數(shù) 0.213*－0.292＊＊ 0.324＊＊ 0.077顯著性(雙側(cè))0.037 0.004 0.001 0.458樣本數(shù) 96 96 96 96

2.2.1 相對濕度對PM2.5手工法和自動法比對差異的影響

為了更直觀地分析PM2.5手工法和自動法比對差異與相對濕度的相互影響關(guān)系，按照濕度為“＜60%”、“60%～70%”、“70%～80%”、“80%～90%”以及“＞90%”五個范圍，將三個城市PM2.5手工法和自動法數(shù)據(jù)的 RD 分為五組數(shù)據(jù)，并與上述溫度范圍作箱形圖，結(jié)果見圖1。從圖1 可以看出，隨著濕度的增加，PM2.5手工法和自動法比對數(shù)據(jù)的差異也越來越大，這與Charron A 等［6］的研究結(jié)果一致。

為降低環(huán)境空氣中的水分對監(jiān)測結(jié)果的影響，目前基于β 射線吸收法的PM2.5自動監(jiān)測儀基本都安裝了膜動態(tài)加熱系統(tǒng)(DHS)，當(dāng)空氣中濕度超過規(guī)定閾值時，加熱裝置開始加熱，直至濕度降至規(guī)定閾值。由于PM2.5自動監(jiān)測儀的加熱溫度一般設(shè)置在50℃，加熱過程中會導(dǎo)致PM2.5中的部分半揮發(fā)性物質(zhì)(如硝酸銨和半揮發(fā)性有機(jī)物等)損失［7－8］，從而導(dǎo)致PM2.5手工法和自動法的比對差異。Stelson A W 等［9］的研究表明，PM2.5中硝酸銨在氣相與凝聚相中的平衡與相對濕度有關(guān)，相對濕度越大，PM2.5中氣態(tài)硝酸銨的含量也越大。另一方面，隨著濕度的增加，手工采樣濾膜中截留的PM2.5顆粒物水分含量增加，這也會導(dǎo)致PM2.5手工法結(jié)果偏大［10］。

圖1 不同濕度條件下PM2.5手工法和自動法相對偏差的絕對值比較

2.2.2 氣溫對PM2.5手工法和自動法比對差異的影響

將氣溫分為“＜10℃”、“10℃～20℃”、“20℃～30℃”以及“＞30℃”四個范圍，與各范圍內(nèi)PM2.5手工法和自動法數(shù)據(jù)的作箱形圖，結(jié)果見圖2，圖中“+”號表示異常值。從圖2 中可知，溫度對PM2.5手工法和自動法比對差異的影響，并不像濕度那樣，一直呈升高趨勢。溫度在“10～20℃”和“20～30℃”時的比對差異大于“＜10℃”和“＞30℃”時的差異。

分析原因可知，溫度范圍為“＜10℃”時的樣品基本分布在冬季，根據(jù)浙江省氣象分布特征，冬季相對濕度較低，PM2.5手工法和自動法的較小(見圖1)。而溫度范圍為“＞30℃”的樣品基本分布在夏季，手工采樣時濾膜在最高溫度接近50 ℃的露天環(huán)境中會有部分半揮發(fā)性物質(zhì)揮發(fā)，PM2.5手工法與自動法之間的差異減少。此外，Charron A 等的研究表明，隨著溫度升高，PM2.5中半揮發(fā)性物質(zhì)可能隨之減少［6］。

圖2 不同溫度條件下PM2.5手工法和自動法相對偏差的絕對值比較

3 結(jié) 論

(1)PM2.5手工法和自動法比對差異分析表明，三個城市PM2.5手工法和自動法比對差異隨著采樣月份發(fā)生相似的變化，即1月份最小，5月份最大。

(2)使用Pearson 檢驗(yàn)法表明，三個城市PM2.5手工法和自動法比對差異與相對濕度均呈顯著正相關(guān)(置信度水平P=0.01);三個城市PM2.5手工法和自動法比對差異與溫度的相關(guān)性各不相同，杭州呈顯著負(fù)相關(guān)(P=0.01)，溫州呈顯著正相關(guān)(P=0.05)，衢州PM2.5比對差異與溫度的相關(guān)性較小;溫州PM2.5手工法和自動法比對差異與大氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)(P=0.01)，其它兩個城市PM2.5比對差異與大氣壓無顯著相關(guān)性;三個城市PM2.5手工法和自動法比對差異與風(fēng)速的相關(guān)性均不大。

(3)進(jìn)一步用箱形圖分析相對濕度、溫度和氣壓對PM2.5手工法和自動法比對差異的影響可知，隨著濕度的增加，PM2.5手工法和自動法比對差異也越來越大;溫度在“10～20℃”和“20～30℃”時的比對差異大于“＜10℃”和“＞30℃”時的差異。

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