北京與杭州空氣污染物變化特征研究

白　煜　羅海江　封　雪　古麗娜孜　賈　蕾　黃　薇　萬立冬

(1.中國環境監測總站國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京　100012；2.新疆維吾爾自治區環境監測總站，烏魯木齊　830011；3.環境保護部環境與經濟政策研究中心，北京　100012；4.北京中環格億技術咨詢有限公司，北京　100029；5.北京市石景山區環境監測站，北京　100043)

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北京與杭州空氣污染物變化特征研究

白煜1羅海江1封雪1古麗娜孜2賈蕾3黃薇4萬立冬5

(1.中國環境監測總站國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京100012；2.新疆維吾爾自治區環境監測總站，烏魯木齊830011；3.環境保護部環境與經濟政策研究中心，北京100012；4.北京中環格億技術咨詢有限公司，北京100029；5.北京市石景山區環境監測站，北京100043)

【摘要】本文以北京和杭州為研究區域，對2013年9月-2014年7月間北京和杭州主要空氣污染物濃度時間變化規律開展分析，采用城市環境質量評價監測點和背景監測點的小時監測結果來反映城市內部空氣污染物來源及差異，并對研究期間上述城市的空氣質量進行評價。

【關鍵詞】空氣污染物；時間變化規律；北京；杭州

了解以PM2.5為主的城市空氣污染物時間變化規律，為當地居民提供詳實的生活健康指導與參考，顯得尤為必要。本文以北京和杭州為研究區域，基于國家環境空氣監測網與環境空氣質量實時發布系統，以2013年9月1日-2014年7月31日間空氣質量標準(GB3095-2012)中的常規監測空氣污染物為研究對象，對北京和杭州空氣污染物濃度時間變化規律與空間分布特征開展分析和空氣質量評價。

1材料和方法

1.1研究區域及主要研究對象

選取北京、杭州南北兩個城市作為研究區域，選取新空氣質量標準中規定的六項空氣污染物(PM10、SO2、NO2、PM2.5、CO和O3)作為研究對象；分析北京和杭州六項污染物的日濃度、月濃度和小時濃度的變化趨勢，評價研究期間北京和杭州的空氣質量。

1.2數據來源及處理

本研究中所用六項污染物的監測數據來源于中國環境監測總站“全國城市空氣質量實時發布平臺”。六項污染物小時監測結果為各城市PM10、SO2、NO2、PM2.5、CO和O3的小時監測結果，臭氧日濃度、周均濃度等以臭氧最大8小時滑動平均濃度(O3-8H，下同)來代表。六項污染物的周均、月均及年均濃度分別由它們的日濃度計算得到，數據計算方法和空氣質量評價方法均依據《環境空氣質量評價技術規范(試行)》(HJ663—2013)和《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ633—2013)。

2結果與討論

2013年9月-2014年7月期間，北京空氣中SO2、NO2、PM10、CO、O3-8H和PM2.5的日濃度范圍分別為3～132μg/m3，8～133μg/m3，10～387μg/m3，0.3～5.2mg/m3，5～311μg/m3和5～389μg/m3。杭州市SO2、NO2、PM10、CO、O3-8H和PM2.5的日濃度范圍分別為5～82μg/m3，14～136μg/m3，9～421μg/m3，0.4～2.9mg/m3，11～249μg/m3和12～376μg/m3。主要的統計結果見表1。

表1　北京、杭州六項空氣污染物特征

2.1統計性結果

對北京和杭州六項污染物日濃度進行Person相關統計分析，結果表明這兩個城市的臭氧與其他五項污染間呈顯著負相關關系，其余五項污染物之間存在顯著的正相關關聯，具有相似的污染來源或影響(或驅動)要素；也從另一方面也反應了北京、杭州空氣中臭氧的影響因素或污染來源與其他五項污染物有差異。

2.2日濃度變化趨勢

2013年9月1日-2014年7月31日間北京主要空氣污染物的每日濃度變化趨勢見圖1。由圖可見，北京空氣污染物中的NO2、SO2、CO和臭氧濃度呈現明顯的季節性，且臭氧濃度的季節變化與前三項污染物趨勢不同。具體表現為5-7月為臭氧高濃度期間，10月-次年3月為臭氧低濃度期；而三項污染物濃度的高值區主要為12月-2月，低值區主要為5-7月。雖然顆粒物(PM10、PM2.5)日濃度季節變化幅度小于其他幾項污染物，但總體上呈現12月-2月間的日濃度要高于其它月份的特征。

圖1　北京主要空氣污染物日濃度變化

杭州環境空氣中六項污染物日濃度變化趨勢見圖2。與北京類似，NO2、SO2、CO和臭氧濃度呈現明顯的季節性，且臭氧濃度的季節變化與前三項污染物趨勢不同。具體表現為6-7月為臭氧高濃度期間，12月為臭氧低濃度期；而三項污染物濃度的高值區主要為11月-1月，低值區主要分布在7月。顆粒物(PM10、PM2.5)日濃度在12月-2月間顯著高于其它月份。

圖2　杭州主要空氣污染物日濃度變化

2.3周濃度變化趨勢

研究期間，北京和杭州六項污染物的周平均濃度列于圖3。其中，北京SO2的最高值為周五和周六，NO2的最高值為周五和周六，PM10的最高值出現在周四-周六，PM2.5的高值出現在周五和周六，CO的變化幅度不大，臭氧的高值為周六和周一。杭州SO2的最高值為周四-周六，NO2的最高值為周四，PM10的最高值出現在周四-周六，PM2.5的高值出現在周六，CO的變化幅度不大，臭氧的高值出現在周一。

2.4月濃度變化趨勢

2013年9月-2014年7月期間，北京市SO2、NO2、PM10、CO、O3-8H和PM2.5的月濃度范圍分別為7～59μg/m3，40～67μg/m3，74-153μg/m3，0.8～2.2mg/m3，35～166μg/m3和56～150μg/m3。主要變化趨勢見圖4。NO2、SO2、CO和顆粒物(PM10、PM2.5)月均濃度最高值均為2月份，低值在6或7月；臭氧月均濃度最高值為7月份，最低值在12月份。

杭州市SO2、NO2、PM10、CO、O3-8H和PM2.5的月濃度范圍分別為10～48μg/m3，36～84μg/m3，69～194μg/m3，0.7～1.7mg/m3，39～138μg/m3和47～145μg/m3。污染物月均濃度變化趨勢見圖4。NO2、SO2、CO和顆粒物(PM10、PM2.5)月均濃度最高值均為2月份，低值在7月；臭氧月均濃度最高值為7月份，最低值在12月份。

圖3　北京、杭州空氣污染物周均濃度變化

圖4　北京、杭州空氣污染物月均濃度變化特征

2.5小時濃度變化趨勢

為反應北京、杭州城區空氣污染狀況，選取北京市背景監測點定陵(DL)和城區監測點東四(DS)為研究點，選取杭州市背景監測點千島湖(Q)和城區監測點下沙(X)為研究點，基于前面的研究結果，除臭氧外的五項污染物日濃度高值均在12-2月，且2014年1月30-31日為春節期間，煙花爆竹燃放較為集中，選取1月15日-2月15日作為本文小時濃度特征研究時間段，分析北京定陵、東四和杭州千島湖、下沙四個點位空氣質量監測點的六項污染物小時濃度及空氣質量變化特征。

四個點位空氣質量指數(AQI)的小時變化趨勢列于圖5。由圖可見，2014年1月15日-2月15日期間，定陵點位AQI小時均值為109～148，東四點位AQI小時均值范圍為114～182。東四監測點位的所有AQI小時均值高于定陵點位，這在一定程度上反應了北京市區存在空氣污染，且污染主要為市區污染源排放導致。AQI最高值出現在每日23-24時，最低值在8時。需要注意的是，背景點定陵的小時AQI均值也高于100，表明背景點存在空氣污染物超標，反應了這部分污染源為外來污染源，這從另一個角度說明了這一時間段北京地區空氣質量可能受鄰近地區空氣污染的影響。

圖5　北京、杭州不同點位AQI小時均值

杭州背景點位和市區點位的AQI小時均值變化情況見圖5。千島湖和下沙AQI小時均值分別為67～93、109～131.3。2014年1月15日-2月15日期間，下沙空氣質量監測點位AQI小時均值高于千島湖點位，說明市區存在著一定程度的空氣污染，且污染主要來源為市區污染源排放導致。AQI最高值均出現在20時，最低值在0時，此外，下沙監測點位AQI在上午8時出現次高值，早8時、晚8時為上下班的交通高峰期，這表明下沙監測點位空氣污染物濃度受交通影響的比例較大。需要注意的是，背景點千島湖的部分小時AQI均值高于50，但均低于100，表明千島湖雖有空氣污染物但濃度并未超過標準，且污染物濃度在一定程度上受市區污染物濃度影響。

定陵和東四點位六項污染物2014年1月15日-2月15日期間小時濃度均值的變化趨勢見圖6。圖中結果顯示：東四所有空氣污染物的小時均值都高于定陵。污染物濃度出現高值的時間上，除臭氧小時均值在兩個點位的高、低值分別為19時和為9時外，其余五項污染物在兩個點位的高低值出現的小時均有差異。

除顆粒物外，其他污染物的小時變化幅度較小，且大都達到空氣質量二級標準。為更進一步了解顆粒物及空氣質量的小時變化特征，以除夕和初一兩天(2014年1月30-31日)為區間，對定陵和東四點位顆粒物小時濃度和AQI的小時值開展分析，結果見圖7。48小時內，定陵、東四點位的AQI變化范圍分別為23～251、19～416；PM10小時濃度分別為14～244μg/m3、14～461μg/m3；PM2.5小時濃度分別為5～201μg/m3、7～373μg/m3。圖中可見，AQI和顆粒物(PM10，PM2.5)小時濃度最高值均出現在30日夜間和31日凌晨，這可能與除夕夜間及初一凌晨居民大量燃放煙花爆竹有一定的關聯。

圖6　北京不同點位六項污染物小時均值

圖7　北京市不同點位六項污染物小時均值

千島湖和下沙點位六項污染物小時濃度的變化趨勢列于圖8。由圖可見，2014年1月15日-2月15日期間，兩個點位污染物的小時均值變化趨勢大致相同，下沙點位PM10、PM2.5、SO2、NO2和CO的小時均值高于千島湖，但千島湖臭氧的8小時最大濃度要高于下沙，具體原因有待結合氣象、地形、土地利用等多要素綜合分析。

為更進一步了解杭州市臭氧和顆粒物小時濃度及空氣質量的小時變化特征，以除夕和初一兩天(2014年1月30-31日)為區間，對千島湖和下沙點位顆粒物小時濃度和AQI的小時值開展分析，結果見圖3-5。48小時內，千島湖和下沙點位的AQI小時變化范圍分別為112～243、98～315；PM10小時濃度分別為102～218μg/m3、77～393μg/m3；PM2.5小時濃度分別為84～193μg/m3、73～265μg/m3；O38小時最大濃度為21～120μg/m3，8～83μg/m3。圖中可見，AQI和顆粒物(PM10，PM2.5)小時濃度最高值均出現在30日夜間和31日凌晨，這可能與除夕夜間及初一凌晨居民大量燃放煙花爆竹有一定的關聯。

2.6空氣質量狀況

研究期間，北京SO2、NO2、PM10、CO、O3-8H和PM2.5的年均濃度分別為25.8μg/m3，56.7μg/m3，115.2μg/m3，1.4mg/m3，89μg/m3和89.5μg/m3。按空氣質量標準GB3095-2012評價，PM10和PM2.5年均濃度高出二級標準，空氣質量為劣二級。杭州SO2、NO2、PM10、CO、O3-8H和PM2.5的年均濃度分別為24.6μg/m3，53.8μg/m3，111.8μg/m3，1.0mg/m3，88.2μg/m3和73.5μg/m3。按空氣質量標準GB3095-2012評價，PM10和PM2.5年均濃度高出二級標準，空氣質量為劣二級。按照《環境空氣質量評價技術規范(試行)》(HJ663—2013)和《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ633—2013)計算和分析北京和杭州日AQI變化趨勢，并對首要污染物和主要污染物的污染天數進行統計，結果見圖10和表2。

圖8　杭州不同點位六項污染物小時均值

圖9　杭州市點位AQI和六項污染物小時變化趨勢

圖10　北京、杭州日AQI變化趨勢

首要污染物天數北京杭州污染天數北京杭州NO227365133PM1029395131O3-8H51568362PM2.5190173151122

北京AQI變化范圍為27～426，杭州變化范圍為28～418。334天中，北京有172天出現空氣污染(AQI>100)，占總天數的51.5%。PM2.5是北京的首要空氣污染物，發生污染的天數為151天，占45.2%，臭氧其次，有83天出現臭氧超標，占24.9%；杭州市有141天出現空氣污染，占42.2%，PM2.5發生污染的天數為122天，占36.5%，臭氧濃度有62天出現超標，占18.6%。北京的空氣污染程度比杭州嚴重，表現為六項污染物的平均濃度和超標天數均高于杭州。PM2.5在大氣顆粒物中空氣動力學直徑≤2.5μm，其比表面積大，易攜帶大量有毒有害物質，經呼吸道進入人體肺部深處及血液循環，對人體產生的危害較PM10更大，可對人體呼吸系統、心腦血管系統、神經系統和免疫系統造成危害，甚至會導致癌癥和新生兒出生缺陷。臭氧是光化學煙霧污染的重要標志物，近地面高濃度的臭氧危害較大，能影響人體身體健康[3]，灼傷作物葉面、造成農作物減產，并可對生態環境造成嚴重危害，臭氧污染問題已成為我國城市發展過程中迫切需要解決的重要環境問題。

3結論

北京和杭州空氣中的SO2、NO2、CO、PM10和PM2.5這五項污染物間存在顯著的正相關相互關系，表明它們的污染來源及影響因素存在一定的關聯。臭氧與上述五項污染物間存在負相關或沒有相關性，這從一定程度上反映這兩個城市空氣中臭氧的污染來源或影響因素與其他五項污染物有差異。

北京空氣污染物中的NO2、SO2、CO和臭氧的日濃度有明顯的季節性，5-7月臭氧濃度高，10月-次年3月臭氧濃度低；NO2、SO2和CO日濃度在12月-2月高，5-7月低。顆粒物(PM10、PM2.5)日濃度在12月-2月高于其它月份。月均值變化趨勢上，北京NO2、SO2、CO和顆粒物(PM10、PM2.5)月均濃度最高值均為2月份，低值在6或7月；臭氧月均濃度最高值為7月份，最低值在12月份。杭州NO2、SO2、CO和顆粒物(PM10、PM2.5)月均濃度最高值均為2月份，低值在7月；臭氧月均濃度最高值為7月份，最低值在12月份。污染物周均濃度方面，兩個城市的CO變化幅度均不明顯，顆粒物在周四-周六出現最高值，臭氧的高值為周六或周一。

2014年1月15日-2月15日期間，北京城市環境質量評價點AQI小時均值高于背景點，這表明北京市區存在的空氣污染可能主要為市區污染源排放導致。背景點也存在空氣污染物超標情況，反映了區域間空氣污染物的遷移和相互影響。杭州市區存在著一定程度的空氣污染，主要為市區污染源導致；杭州城市環境質量評價點空氣污染物濃度受交通影響程度較大，背景的污染物濃度在一定程度上受市區污染物濃度影響，但濃度并未超過標。此外，春節期間空氣AQI和顆粒物濃度均升高，可能與這期間人群活動如煙花爆竹燃放量增加有較大關聯。

北京和杭州的空氣質量均為劣二級，且北京六項污染物的平均濃度和超標天數均高于杭州，空氣污染程度比杭州嚴重。兩個城市的PM10和PM2.5年均濃度均超過空氣質量標準GB3095-2012二級標準，存在嚴重顆粒物污染，細顆粒物是這兩個城市當前的主要污染物，也是目前全國空氣污染治理的首要對象。臭氧成為北京和杭州的第二污染物，在夏季濃度較高，超標天數多，需引起相關部門和人群的注意。

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作者簡介：白煜，碩士，工程師，主要研究方向為環境統計與污染源監測

通訊作者：萬立冬，本科，主要研究方向為環境工程

中圖分類號：X511

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)04-0173-06

Analysis on Characteristics of Aerosol Air Pollutant LevelsinBeijingandHangzhou

BAI Yu1LUO haijiang1FENG Xue1GU LiNa-Zi2JIALie3HUANGWei4WANLidong5

(1.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring，ChinaNationalEnvironmentalMonitoringCenter，Beijing100012，China；2.EnvironmentalMonitoringStationofXinjiangUygurAutonomous；3.PolicyResearchCenterforEnvironmentandEconomy，MEP，Beijing100029；4.BeijngZhongHuanGeYiTechnologyConsultingCo，Ltd，Beijing100012，China；5.EnvironmentalMonitoringCentralofShijingshanDistrictBeijing，Beijing100043，China)

Abstract：In this paper，temporal patterns on air pollutants of Beijing and Hangzhou were studied during 1st September 2013 and 31st July 2014. To reflect spatial differences on pollutant emission sources of inner city，hourly results from urban environmental assessment monitoring sites and urban background monitoring sites were also selected and analyzed. Air quality of the two cities was evaluated.

Keywords：air pollutants；temporal patterns；Beijing；Hangzhou

項目資助：國家自然科學基金(NO.41371118&NO. 41401101)

引用文獻格式：白煜等.北京與杭州空氣污染物變化特征研究[J].環境與可持續發展，2016，41(4)：173-178.