北京市中心城區(qū)PM2.5長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和特征

趙妤希，陳義珍,，楊欣，柴發(fā)合,，張瑋琦

1. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2. 南京信息工程大學(xué)江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044

北京市中心城區(qū)PM2.5長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和特征

趙妤希1，陳義珍1,2*，楊欣1，柴發(fā)合1,2，張瑋琦1

1. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2. 南京信息工程大學(xué)江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044

利用2008—2015年北京中心城區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)其長(zhǎng)期的污染變化趨勢(shì)和特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，PM2.5多年年均質(zhì)量濃度為95.4 μg?m-3，其總體變化趨勢(shì)是改善的，各年改善程度不同，年均改善幅度約為2.85%，按照此速度，要解決北京的灰霾污染，尚需約18 a的時(shí)間。春季各年P(guān)M2.5污染維持平穩(wěn)的趨勢(shì)，夏季和秋季呈逐年遞減的趨勢(shì)，而冬季則呈逐年上升的趨勢(shì)，冬季的污染來(lái)源和排放控制應(yīng)引起重視。從小時(shí)變化的特征看，春、夏、秋、冬各季的PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度最低值一般出現(xiàn)在日落前的2～3小時(shí)，而最高值分別出現(xiàn)在09:00、07:00、00:00和22:00點(diǎn)；春、夏季PM2.5易在早晨累積，小時(shí)平均質(zhì)量濃度日較差不甚明顯，秋、冬季易在半夜累積，小時(shí)平均質(zhì)量濃度日較差較明顯；研究提示，為了健康，秋、冬季盡量不要在夜間進(jìn)行戶(hù)外運(yùn)動(dòng)。從健康暴露來(lái)看，“不健康”以上平均暴露水平占58.5%，處在非常嚴(yán)重的污染水平，暴露頻率總體呈維持或改善的趨勢(shì)；達(dá)到“警戒狀態(tài)”的極端污染日平均暴露頻率為 4.4%，暴露頻率呈不降反升的趨勢(shì)。

PM2.5；長(zhǎng)期變化趨勢(shì)；時(shí)序變化特征；健康暴露

多年來(lái)，尤其在冬季，北京地區(qū)一直遭遇著嚴(yán)重的灰霾天氣，表征灰霾天氣的細(xì)顆粒物（PM2.5）質(zhì)量濃度出現(xiàn)嚴(yán)重超標(biāo)（李令軍等，2012；劉子銳等，2011；花叢等，2015），從有連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄的2008—2015年中，北京市中心城區(qū)PM2.5最大小時(shí)質(zhì)量濃度高達(dá)994.0 μg?m-3（出現(xiàn)在2012年1月 23日凌晨 01:00），最大日均質(zhì)量濃度為 552.5 μg?m-3（出現(xiàn)在2013年1月12日），是我國(guó)PM2.5日均質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)（75 μg?m-3）的7.36倍，灰霾污染引起了國(guó)家和人們的普遍關(guān)注（楊欣等，2014；唐宜西等，2013；程念亮等，2015）。為了治理大氣污染，2013年9月國(guó)務(wù)院出臺(tái)了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱(chēng)大氣“國(guó)十條”），京津冀各地相繼發(fā)布了地方大氣污染防治政策，同時(shí)配合“2008年北京奧運(yùn)”、“2014年APEC會(huì)議”和“2015年紀(jì)念中國(guó)人民抗日戰(zhàn)爭(zhēng)暨世界反法西斯戰(zhàn)爭(zhēng)勝利70周年閱兵式（簡(jiǎn)稱(chēng)9.3閱兵）”等重大活動(dòng)，京津冀地區(qū)實(shí)施了短期的或長(zhǎng)期的一系列包括工業(yè)企業(yè)污染源、大氣揚(yáng)塵和低矮面源、移動(dòng)源等綜合治理，嚴(yán)控“兩高”行業(yè)產(chǎn)能、關(guān)停淘汰落后產(chǎn)能等措施（刀谞等，2015），付出了大量的人力、物力和經(jīng)濟(jì)代價(jià)，那么長(zhǎng)期以來(lái)，這些措施對(duì)減少灰霾和改善空氣質(zhì)量的成效怎樣？我國(guó)政府對(duì) PM2.5污染的監(jiān)測(cè)歷史還只有2～3年，本文從所收集的北京市中心城區(qū)8年來(lái)PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)入手，研究了北京中心城區(qū) PM2.5質(zhì)量濃度的長(zhǎng)期變化、趨勢(shì)和人群暴露水平，分析了各時(shí)間尺度（年、季、月、日）PM2.5質(zhì)量濃度的演變規(guī)律和特征，研究結(jié)論對(duì)人們了解 PM2.5的污染暴露程度、演變規(guī)律及健康風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)具有積極的意義。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)與分析方法

北京市（占地面積16807 km2）空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)共35個(gè)，從2012年年底才正式開(kāi)展PM2.5的監(jiān)測(cè)；為了分析更長(zhǎng)時(shí)期PM2.5濃度的演變，本研究利用美國(guó)大使館公開(kāi)的單點(diǎn)小時(shí)監(jiān)測(cè)資料（http://www.young-0.com/airquality/?number=9999& unit=3&enddate=&summary=1），采樣頻率為每小時(shí)1次。美國(guó)大使館觀測(cè)點(diǎn)位于北京東三環(huán)安家樓路55號(hào)（116°27.683′E，39°57.216′N(xiāo)），距天安門(mén)廣場(chǎng)直線距離約7.5 km，處于北京市中心城區(qū)域（包括東城、西城、崇文和宣武約93 km2的區(qū)域）東北部，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2008年4月8日—2015年12月31日，各年有效數(shù)據(jù)為2008年212 d（缺冬季）、2009年298 d、2010年350 d、2011年和2012年均為354 d、2013年361 d、2014年和2015年均為365 d，有效數(shù)據(jù)總量63816組。PM10數(shù)據(jù)采用北京市全市空氣質(zhì)量公報(bào)數(shù)據(jù)（http://www.bjepb.gov.cn/）。

根據(jù)北京氣候交替特征，將全年按氣象劃分法分為4個(gè)季節(jié)，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—次年2月為冬季。

PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)采用《環(huán)境空氣 PM10和PM2.5的測(cè)定重量法》（HJ618—2011）中的 β射線法，統(tǒng)計(jì)方法采用平均值、中位值、上下四分位值、極值等分析方法。

1.2 PM2.5暴露水平評(píng)判

PM2.5暴露水平評(píng)判采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1），根據(jù) PM2.5的日均質(zhì)量濃度區(qū)間來(lái)判定其健康風(fēng)險(xiǎn)程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 年變化趨勢(shì)

表2為2008—2015年北京中心城區(qū)PM2.5年均質(zhì)量濃度及空氣質(zhì)量的改善程度。由表 2可見(jiàn)：PM2.5年均質(zhì)量濃度仍處在非常高的水平，是標(biāo)準(zhǔn)限值（35 μg?m-3）的2.36～2.97倍，8年平均質(zhì)量濃度為95.4 μg?m-3，空氣質(zhì)量最好的年份是2015年，但PM2.5年均質(zhì)量濃度仍高達(dá)82.6 μg?m-3；以2009年為基準(zhǔn)（2008年冬季監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)欠缺），中心城區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度變化的總體趨勢(shì)是遞減的，也就是說(shuō)空氣質(zhì)量保持平穩(wěn)或改善的趨勢(shì)，而各年的改善程度不一樣，其中2012年和2015年改善幅度最大，分別為10.8%和18.8%，按照2009—2015年數(shù)據(jù)的趨勢(shì)回歸分析（剔除2013年異常點(diǎn)），年均改善幅度約為2.85%，改善速度非常緩慢，按照此速度，解決北京的灰霾污染尚需18 a的時(shí)間。

通常一個(gè)地區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)ρ(PM2.5)/ρ(PM10)比值基本恒定（孫俊玲等，2009；劉杰等，2015）。由圖1可知，中心城區(qū)PM2.5和全市PM10質(zhì)量濃度年際變化的總體趨勢(shì)基本是一致的，但 2008年和2013年的趨勢(shì)存在異常。2008年北京及周邊開(kāi)展了大規(guī)模的污染企業(yè)關(guān)停和大氣污染的綜合治理，2013年冬季出現(xiàn)過(guò)極端的重霾天氣，但這兩個(gè)原因是否導(dǎo)致了PM10和PM2.5的不同步變化，目前尚無(wú)確切的依據(jù)。

2.2 各季均濃度變化特征

對(duì)2008—2015年逐年各季（春、夏、秋、冬）PM2.5質(zhì)量濃度變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)圖2。

由圖可知，除 2008年舉辦奧運(yùn)會(huì)，北京及周邊省份實(shí)施了一系列污染防治措施（包括揚(yáng)塵面源治理、煤煙型污染、機(jī)動(dòng)車(chē)排放控制以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、淘汰落后產(chǎn)能及關(guān)停企業(yè)等），PM2.5質(zhì)量濃度下降及個(gè)別年份有所變化外，總體而言，北京春季PM2.5質(zhì)量濃度維持平穩(wěn)不變的趨勢(shì)，夏季和秋季維持逐年遞減的趨勢(shì)，冬季則呈逐年上升的趨勢(shì)，而2013年冬季PM2.5污染最為嚴(yán)重。

通常影響空氣質(zhì)量的因素有氣象因素和排放源，而自然氣象因素的影響一般是波動(dòng)的（王琪等，2014；曾靜等，2014），從這一變化趨勢(shì)，可以得出一個(gè)初步判斷：影響北京空氣質(zhì)量變化的人為因素排放源，在夏、秋兩季的排放強(qiáng)度或結(jié)構(gòu)上是呈改善趨勢(shì)的，而冬季的大氣排放強(qiáng)度是增加的。從近年來(lái)對(duì)北京周邊低矮源（居民分散的散燃煤）調(diào)查看，該污染源基本上處在無(wú)監(jiān)管狀態(tài)，隨著外來(lái)人口的增加，排放強(qiáng)度增大。為改善北京的灰霾污染，冬季的污染來(lái)源和排放控制已引起政府部門(mén)的重視。

表1 美國(guó)PM2.5質(zhì)量濃度對(duì)應(yīng)的健康暴露水平標(biāo)準(zhǔn)Table 1 PM2.5mass concentration in the United States corresponds to the standard of health exposure levels

表2 各年中心城區(qū)PM2.5年均質(zhì)量濃度水平與變化Table 2 Annual average mass concentration and change of PM2.5in central urban area μg?m-3

圖1 PM10和PM2.5年均質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)Fig. 1 PM10and PM2.5annual average mass concentration change trend

圖2 逐年各季PM2.5季均質(zhì)量濃度變化Fig. 2 Mass concentration change of PM2.5in each season

2.3 月均濃度變化特征

對(duì)研究期間PM2.5月均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)圖 3。從時(shí)間分布看，8年月均質(zhì)量濃度高值集中在秋季 10—11月和冬季，秋、冬季的濃度高值與該時(shí)期污染物的排放強(qiáng)度（采暖季）有關(guān)；在夏季的6—7月有1個(gè)次高值，導(dǎo)致全年排放強(qiáng)度相對(duì)較低的夏季出現(xiàn)次高值的影響因素很多，有相關(guān)研究表明，夏季大氣的氧化性增強(qiáng)（江億等，2014；張歌等，2014；尉鵬等2015），較強(qiáng)的大氣氧化性和高濕環(huán)境有利于SO2、NOx向硫酸鹽、硝酸鹽的轉(zhuǎn)化及PM2.5二次粒子的生成，本研究無(wú)相關(guān)的數(shù)據(jù)支持，僅提示后續(xù)研究方向。各年 PM2.5月均質(zhì)量濃度最大值的變化趨勢(shì)與此趨勢(shì)相似。

總體而言，除冬季 1—2月外，PM2.5月均值變化相差不大，春季變化幅度相對(duì)較小（上四分位到下四分位距離最短），濃度值較為集中，冬季變化幅度較大，月均質(zhì)量濃度介于 46.3～170.8 μg?m-3之間。

2.4 逐時(shí)變化特征

對(duì)2008—2015年P(guān)M2.5小時(shí)質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，按季日進(jìn)行逐時(shí)平均統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)圖 4。各季逐時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度的最大均值和最小均值及相應(yīng)出現(xiàn)時(shí)間見(jiàn)表3。

圖3 PM2.5月均質(zhì)量濃度分布箱形圖（2008—2015年）Fig. 3 Monthly variation of PM2.5mass concentrations (2008—2015)

圖4 各季（春、夏、秋、冬）PM2.5質(zhì)量濃度的小時(shí)變化Fig. 4 Hourly variation of mass concentration of PM2.5in different seasons

表3 各季逐時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度的最大均值和最小均值及出現(xiàn)時(shí)間Table 3 The maximum mean and minimum mean of PM2.5mass concentration and the occurrence time of each season

各年各季 PM2.5質(zhì)量濃度的逐時(shí)變化規(guī)律類(lèi)似，只是不同年份曲線出現(xiàn)平移，其總體平均趨勢(shì)是：

春、夏、秋、冬各季的逐時(shí)質(zhì)量濃度最低值分別出現(xiàn)在17:00、18:00、14:00和15:00點(diǎn)，一般在每天日落前的 2～3小時(shí)出現(xiàn)；最高值分別出現(xiàn)在09:00、07:00、00:00和22:00點(diǎn)，春、夏季PM2.5易在早晨累積，秋、冬季易在前半夜累積，而在白天的7:00—13:00基本維持在同一濃度水平。

表4 逐年P(guān)M2.5對(duì)人群健康的暴露水平和暴露率Table 4 The exposure level and exposure rate of PM2.5to human health year by year

春、夏、秋、冬各季逐時(shí)平均質(zhì)量濃度日較差分別為15.2、19.5、36.2及49.1 μg?m-3，春、夏季逐時(shí)平均質(zhì)量濃度日較差不甚明顯（兩條曲線基本重合），而秋、冬季逐時(shí)平均濃度日較差相對(duì)明顯，目前尚不清楚其中原因，在后續(xù)的研究中，將從邊界層厚度、溫度、濕度等因素作進(jìn)一步的研究探討（劉大錳等，2005；高健等，2012；王耀庭等，2012；曹偉華等，2013；趙晨曦等，2014；王海暢等，2015）。

研究結(jié)果提示人們，夜間戶(hù)外運(yùn)動(dòng)并不是好習(xí)慣，特別在秋、冬季，應(yīng)盡量減少夜間戶(hù)外運(yùn)動(dòng)，從全年P(guān)M2.5變化來(lái)看，選擇在中午及午后進(jìn)行戶(hù)外運(yùn)動(dòng)要健康得多。

2.5 人群的健康暴露水平

利用8年的PM2.5日均質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)照《美國(guó) PM2.5質(zhì)量濃度對(duì)應(yīng)的健康暴露水平標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)中心城區(qū)人群的健康暴露水平和特征進(jìn)行初步分析，得出逐年P(guān)M2.5對(duì)人群健康的暴露水平和暴露率，見(jiàn)表4。

總體而言，“不健康”以上水平的暴露頻率呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)（2008年例外），2011年和2015年分別出現(xiàn)了一個(gè)突降，分別比上一年降低了11.3%和 12.8%；平均暴露水平占 58.5%。盡管至2015年，“不健康”以上暴露水平較2009年降低了21.9%，但其占比仍高達(dá)44.7%。

與總體趨勢(shì)相同，維持在“健康警報(bào)”水平的重污染日暴露頻率也呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，平均暴露頻率為13.7%。

嚴(yán)重影響人群健康，達(dá)到“警戒狀態(tài)”的極端污染日暴露頻率呈不降反升的趨勢(shì)，平均暴露頻率4.4%，提示極端灰霾污染天氣發(fā)生頻率在加劇，也提醒研究和管理部門(mén)應(yīng)提高應(yīng)對(duì)極端灰霾天氣過(guò)程的警惕。

3 結(jié)論

對(duì)北京中心城區(qū)2008—2015年P(guān)M2.5長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料的研究表明：

（1）PM2.5年均質(zhì)量濃度變化總體呈改善趨勢(shì)，各年的改善程度不一致，年均改善幅度約為2.85%，處于非常緩慢狀態(tài)，按照此速度，要解決北京的灰霾污染，尚需約18 a的時(shí)間。

（2）PM2.5污染各季節(jié)的變化特征表現(xiàn)為春季各年維持基本平穩(wěn)的趨勢(shì)，夏季和秋季維持逐年遞減的趨勢(shì)，而冬季則呈逐年上升的趨勢(shì)，冬季的污染來(lái)源和排放控制更應(yīng)引起重視。

（3）從PM2.5小時(shí)變化的特征看，春、夏季PM2.5易在早晨累積，小時(shí)平均質(zhì)量濃度日較差不甚明顯；秋、冬季易在半夜累積，小時(shí)平均質(zhì)量濃度日較差較明顯。研究提示，夜間戶(hù)外運(yùn)動(dòng)并不是好習(xí)慣，特別是秋、冬季；從全年 PM2.5變化來(lái)看，選擇在中午及午后進(jìn)行戶(hù)外運(yùn)動(dòng)要健康得多。

（4）從PM2.5的健康暴露來(lái)看，“不健康”以上暴露頻率總體上保持平穩(wěn)或改善的趨勢(shì)；達(dá)到“警戒狀態(tài)”的極端污染日，暴露頻率呈不降反升的趨勢(shì)，極端灰霾污染天氣發(fā)生頻率仍在加劇。

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Long-term Trend and Characteristics of PM2.5in the Central Urban Area of Beijing

ZHAO Yuxi1, CHEN Yizhen1,2, YANG Xin1, CHAI Fahe1,2, ZHANG Weiqi1

1. Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012, China; 2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET), Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China

Based on the data of PM2.5mass concentration in the central urban area of Beijing city from 2008 to 2015, the long-term trend and pollution characteristics were analyzed by means of statistical methods. The results showed that: the multi-annual means mass concentration of PM2.5was 95.4 μg?m-3, with an overall trend of decreasing. The quality improvement degree was different from year to year, and, the average value was about 2.85%. To solve the haze pollution in Beijing, will take about 18 years. In spring, the PM2.5pollution maintained a steady trend, while in summer and autumn decreased year by year, and had an increased trend in winter. The pollution sources and emission control in winter should be paid attention. The diurnal variation characteristics of PM2.5obtained in this study showed that, the minimum value generally appeared 2～3 hours before sunset, and the peak values appeared at 09:00, 07:00, 00:00 and 22:00 respectively, in spring, summer, autumn and winter. PM2.5accumulated in the morning, the range of its diurnal variation was small in spring and summer. In autumn and winter, the cumulative effect appeared in the middle of the night, and the diurnal variation of PM2.5mass concentration was much more obvious. Research suggests that, in autumn and winter, outdoor sports should be reduced at night. From the point of health exposure, the average exposure level of worse than "unhealthy" accounted for 58.5%, which was in very serious pollution levels. The overall frequency of exposure was stable or improved. The exposure frequency of the extreme exposure days, reached the state of “health alert”, showed a rising trend, with an average value of 4.4%.

PM2.5; long-term change trend; characteristics of time series variation; health exposure

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.09.011

X16

A

1674-5906（2016）09-1493-06

趙妤希, 陳義珍, 楊欣, 柴發(fā)合, 張瑋琦. 2016. 北京市中心城區(qū) PM2.5長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 25(9): 1493-1498.

ZHAO Yuxi, CHEN Yizhen, YANG Xin, CHAI Fahe, ZHANG Weiqi. 2016. Long-term trend and characteristics of PM2.5in the central urban area of Beijing [J]. Ecology and Environmental Sciences, 25(9): 1493-1498.

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2014BAC23B05）；國(guó)家環(huán)境保護(hù)公益科研專(zhuān)項(xiàng)（201309062）

趙妤希（1987年生），女，工程師，主要從事大氣環(huán)境過(guò)程探測(cè)研究。E-mail: zhaoyx@craes.org.cn *通信作者：陳義珍，男，研究員，主要從事大氣環(huán)境過(guò)程探測(cè)研究。E-mail: chenyz@craes.org.cn

2016-07-13