太原市PM2.5和PM10質量濃度的變化特征

鹿利燕 暴澍盛(.山西農業大學信息學院，山西 太谷 030800；.陽城縣皇城相府(集團)實業有限公司，山西 陽城 0480 )

太原市PM2.5和PM10質量濃度的變化特征

鹿利燕1暴澍盛2
(1.山西農業大學信息學院，山西 太谷 030800；2.陽城縣皇城相府(集團)實業有限公司，山西 陽城 048102 )

為了了解太原市PM2.5、PM10的污染水平變化情況及其相關關系，本文基于太原市顆粒物自動監測數據，對太原市2015年12月-2016年11月PM2.5、PM10質量濃度進行分析。分析發現：PM2.5和PM10日均質量濃度變化幅度較大，但其變化趨勢非常相似；PM2.5和PM10月均質量濃度均超過年均二級標準，特別是秋季最為嚴重；PM2.5、PM10小時平均質量濃度呈雙峰現象；ρ( PM2.5)與ρ(PM10)相關系數為0.9371，ρ( PM2.5)/ρ(PM10)在0.5-0.6之間出現的頻率最高達30.33%。

PM2.5；PM10；太原市；質量濃度

PM10和PM2.5具有吸附性，常吸附一些有害氣體和具有致癌性的碳氫化合物，是多種有害物質的載體，對人體危害較大。較之PM10，PM2.5粒徑愈小愈不易沉降，愈易進入深部直達肺泡壁，又因其表面吸附能力較強，往往吸附著更多的有毒氣體、金屬及其他化合物，對健康危害更大；歷史上重大公害事件比利時馬斯河谷事件、美國多諾拉事件、英國倫敦煙霧事件、美國落杉磯光化學煙霧事件、日本四日市哮喘事件，均有PM10和PM2.5的直接或間接作用。除對人體健康有重大影響外，PM10、PM2.5還影響大氣能見度，在2012年冬季大中城市相繼上演的《霧都茫茫》中扮演著重要角色[1]。鑒于PM10、PM2.5對人體健康和大氣環境質量的重要影響作用，世界上許多國家都將其定為空氣質量監測的重要指標，我國最早于1982年將PM10(此時名為為飄塵)作為參考項目納入大氣環境質量監測體系，于1996年修訂為可吸入顆粒物(PM10)[2]；于2012年將PM2.5納入大氣環境強制性監測指標，對PM10、PM2.5年平均、24小時平均進行了質量濃度限值規定，PM10二級年平均、24小時平均濃度限值分別為70μg/m3和150μg/m3，PM2.5二級年平均、24小時平均濃度限值分別為35μg/m3和75μg/m3[3]。

山省省太原市是我國重要的能源重化工基地，東、西、北部三面環山，地理位置不利于大氣污染物擴散，一度被列為全國大氣環境污染最重城市之一，其中PM10(可吸入顆粒物)在2007-2012年作為首要污染物出現頻次較高[4]，2005年冬、2006年春季PM2.5小時平均質量濃度達247.6μg/m3，且變化為雙峰雙谷型[5]，2014年采暖前后大氣常規污染物的單因子污染指數均以PM2.5最大[6]。本文基于顆粒物自動監測數據，對兩者質量濃度變化特征及關系進行分析，以期了解太原市2015年12月至2016年11月PM2.5、PM10的質量濃度變化特征，為以后的深入研究提供參考。

1 數據來源

本文數據取自太原市8個監測點位，分別為上蘭(清潔對照點)、南寨、塢城、小店、尖草坪、晉源、桃園、金勝，自動監測點位覆蓋面廣，所測數據能代表太原市整體大氣質量狀況，監測系統由太原市環境監測中心站統一運行管理，氣象資料來自山西觀象臺的的常規氣象監測。分析時段為2015年12月-2016年11月。

2 結果與討論

2.1 PM2.5和PM10質量濃度隨時間的變化

將2015-12-1—2016-11-30期間監測的ρ (PM2.5)和ρ(PM10)小時平均值轉換為日平均，共計366個樣本，并將其隨時間的變化做圖，如圖1。由圖1可看出，PM2.5和PM10日平均質量濃度變化范圍均較大，這與污染源不同時段不同的排放情況密切相關，除此之外還與每天不同的氣溫、風力、雨雪沉降、濕度等天氣狀況[7-8]有關；PM2.5、PM10整體變化趨勢類似，呈現很好的相關性。為了更好的理解PM2.5和PM10的污染特征，將兩者的日平均的統計參數列于表1。

從表1可看出，PM2.5和PM10最大日均質量濃度是平均日均質量濃度的4.3和3.4倍；按24小時平均質量濃度二級標準，PM2.5超標日平均質量濃度為125.2μg/m3，超標天數占總樣本數的25.4%，超標日均值為標準值的1.7倍；PM10超標日平均值為217.9μg/m3，超標天數占總樣本數的24.9%，超標日均值為標準值的1.5倍。PM2.5和PM10空氣質量分指數最大值分別為316.9和291.6，依據空氣質量指數標準分別屬于嚴重和重度污染；PM2.5和PM10超標時間幾近同步，依據24小時平均質量濃度二級標準2015年12月-2016年11月366天內太原市有93天出現PM2.5、PM10輕、中、重度甚至嚴重污染。

圖1 PM2.5和PM10日均質量濃度變化

平均值(μg/m3)最大值(μg/m3)標準偏差(μg/m3)全部樣本數/d超標日平均值/(μg/m3)超標天數/d超標天數占全部樣本數的比例/%95%置信區間(μg/m3)PM2.562.4266.946.7366125.29325.457.6-67.2PM10121.7414.170.7366217.99124.9114.5-129.0

受污染源及氣象條件等多種因素的影響，不同月份之間顆粒物污染情況也存在差異。將PM2.5和PM10每月質量濃度參數統計列于表2。由表2可看出2015.12-2016.10間太原市PM2.5、PM10月均質量濃度均超過年均二級標準，其中PM2.5單獨以首要污染物出現次數為3次，PM10單獨以首要污染物出現次數為5次，兩者同時以首要污染物出現次數為2次，這表明PM2.5、PM10對太原市空氣質量影響大，污染比較嚴重，應引起公眾和相關職能部門的注意。

表2 2015年12月-2016年11月PM2.5、PM10月參數統計

太原市地處大陸內部，屬暖溫帶大陸性季風氣候，冬季干冷漫長，夏季濕熱多雨，春季升溫急劇，秋季降溫迅速，春秋兩季短暫多風，干濕季節分明，季節氣候差異明顯，將表2參數按照冬季12月至次年2月、春季3-5月、夏季6-8月、秋季9-11月進行劃分，分析發現冬季PM2.5和PM10均值分別為69.88μg/m3、116.2μg/m3，24小時平均二級超標天數分別為33和24天，12月份PM2.5、PM10超標嚴重，超標天數占樣本比例達64.5%和58.1%；1月份PM2.5污染情況也較為嚴重，均值為63.7μg/m3，超標天數為10天，PM10均值107.3μg/m3稍大于日均值，但超標天數僅4天，集中于1-3日及21日；2月污染均值及超標天數開始回落。春季PM2.5和PM10均值分別為53.55μg/m3、126.87μg/m3，24小時平均質量濃度二級超標天數分別為15和25天，3月份PM2.5、PM10污染嚴重，超標天數均為11天，集中于12-22日；4、5月份 PM2.5、PM10污染水平相當，質量濃度變化范圍基本一致，PM2.5均值小于整體平均值，PM10均值大于整體平均值，污染嚴重。夏季PM2.5和PM10均值分別為50.24μg/m3、99.32μg/m3，24小時平均質量濃度二級超標天數分別為3和1天，6、7月份PM2.5污染水平相當，均值小于整體平均值，6月份PM10平均質量濃度大于7月份平均質量濃度，且均大于整體均值，8月份僅1天PM2.5二級超標；秋季PM2.5和PM10均值分別為83.7μg/m3、158.9μg/m3，24小時平均質量濃度二級超標天數分別為40、41天，11月份污染情況最為嚴重，中度及中度以上污染天數達分別達15、11天；10月份顆粒物污染情況也較為嚴重，PM2.5、PM10超標天數達12、13天；9月份PM2.5均值略低于整體均值，但超標比例比整體樣本超標率稍高，PM10均值略高于整體均值，但超標比例比整體樣本超標率稍低。

結合質量濃度和污染天數，PM2.5污染情況由重到輕為秋季>冬季>春季>夏季，PM10污染情況由重到輕為秋季>春季>冬季>夏季，秋季PM2.5和PM10污染情況最為嚴重，主要是因為秋冬之交，太原開始啟動取暖裝置，各種煤炭、火電等都會產生許多的廢氣和尾氣，顆粒物濃度上升，加之天氣冷熱交融易多霧，無大風及強氣流變化，植被枯萎凋謝，細顆粒物易聚積難以稀釋和消解，故秋季顆粒物污染情況嚴重；春季干旱多風，且風速較大，地面植被稀少，大風會卷起途徑地帶和當地的顆粒物特別是粗粒子，導致PM10濃度升高；冬季逆溫層厚度大，出現頻率高不利于污染物擴散且形成早消失晚，細顆粒物極易聚集，但受外來冷空氣影響，逆溫層受到破壞有利于污染物擴散，所以冬季顆粒物污染程度波動較大，PM2.5、PM10質量濃度波動幅度分別達261.4μg/m和384.5μg/m3，遠大于其他三個季節；夏季地表植被茂盛，覆蓋率高，較頻繁的降雨及大風天氣，有利于顆粒物的擴散和清除，所以夏季顆粒物濃度最低。

2.2 PM2.5和PM10小時平均質量濃度變化

PM2.5、PM10小時質量濃度值變化范圍較大，最大小時質量濃度分別為時均質量濃度的3.0和2.7倍；圖2為PM2.5、PM10小時平均質量濃度變化曲線。

圖2 PM2.5和PM10小時平均質量濃度變化曲線

從圖2中可以看出，PM2.5、PM10小時平均質量濃度整體變化趨勢為在清晨開始增加，到10點達一高峰值，中午開始回落，下午16點左右均變得相對很低，然后濃度再次增大，午夜至凌晨1點達夜間峰值。主要是因為上午上班高峰期汽車尾氣排放總量大，氣象條件不利于尾氣擴散，顆粒物濃度聚積至10點達一高峰值。下午地面經一天的熱量積累溫度高于高空溫度，地面空氣易攜帶污染物質到高空擴散，所以該時段內顆粒物質量濃度最低。夜間高峰出現主要是因為夜間逆溫層出現，使顆粒物蓄積不易擴散所致。

2.3 ρ( PM2.5)、ρ(PM10)的關系

許多研究表明[9-10]PM2.5和PM10質量濃度呈極顯著線性關系。本文ρ( PM2.5)與ρ(PM10)相關關系如圖3所示，回歸方程為ρ( PM2.5)=0.619ρ(PM10)-12.95，相關系數r為0.9371，屬于高度相關。

圖3 ρ( PM2.5)與ρ(PM10)相關性曲線

ρ( PM2.5)/ρ(PM10)反映了可吸入顆粒物中細顆粒物的含量，2015年12月-2016年11月ρ( PM2.5)/ρ(PM10)范圍介于0.17-0.81，均值為0.49，以0.1為間隔，統計分析時段內ρ( PM2.5)/ρ(PM10)出現的頻率，如圖4。

圖4 ρ( PM2.5)/ρ(PM10)頻率分布圖

由圖4可見，ρ( PM2.5)/ρ(PM10)在0.5～0.6之間出現的頻率最高(30.33%)；0.4～0.5之間出現的頻率次之(22.95%)；0.3～0.4及0.6～0.7出現頻率相當，分別為18.03%和17.76%。

3 結 論

、鑒于PM10和PM2.5不僅對人體健康有重大影響，同時還嚴重影響大氣能見度，我國于2012年將PM2.5納入大氣環境強制性監測指標，對PMv10、PM2.5年平均、24小時平均進行了質量濃度限值規定。山省省太原市是我國重要的能源重化工基地，地理位置不利于大氣污染物擴散，一度被列為全國大氣環境污染最重城市之一。本文基于顆粒物自動監測數據，對兩者質量濃度變化特征及關系進行分析，以期了解太原市2015年12月至2016年11月PM2.5、PM10的質量濃度變化特征，為以后的深入研究提供參考。研究表明，2015年12月至2016年11月期間，太原市PM2.5和PM10日均質量濃度分別為62.4μg/m3、121.7μg/m3，變化幅度較大，但變化趨勢相似，有很好的相關性；PM2.5和PM10月均質量濃度均超過年均二級標準，特別是秋季最為嚴重；PM2.5、PM10小時平均質量濃度呈雙峰現象，一個峰出現于上午，一個峰出現于夜間；ρ( PM2.5)與ρ(PM10)相關系數為0.9371，屬于高度相關；ρ( PM2.5)/ρ(PM10)均值為0.49，在0.5～0.6之間出現的頻率最高達30.33%。

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Characteristics of Mass Concentration Variations of PM2.5and PM10in Taiyuan City

LU liyan1BAO Shusheng2
(1.College of Information，Shanxi Agricultural University，Shanxi Taigu 030800； 2.Yangcheng County Royal Prime Minister’s Palace (Group) Co.，Ltd，Shanxi Yangcheng 048102)

In order to know the change of the pollution level of PM2.5，PM10and their correlation in Taiyuan city ，and based on the data obtained from Taiyuan automatic monitoring station，the analysis was made on the mass concentration variations of PM2.5and PM10in Taiyuan city from December 2015 to November 2016 ，it is found that daily mass concentration of PM2.5and PM10varied greatly in a large range ，but they had Similar trends；monthly concentration of PM2.5and PM10exceeded the annual average secondary standard，the most serious pollution occurred in autumn；hourly mass concentration of PM2.5and PM10appeared two peaks in the day respectively；the correlation coefficients of mass concentration of PM2.5and PM10was 0.9371；the mass concentration ratio of PM2.5to PM10between 0.5 to 0.6 appeared the most that the frequency was 30.33 percent.

PM2.5；PM10；Taiyuan city；Mass Concentration

鹿利燕，碩士研究生，助教，主要研究方向為環境質量評價與環境監測。

X823

A

1673-288X(2017)01-0058-04

引用文獻格式：鹿利燕 等.太原市PM2.5和PM10質量濃度的變化特征[J].環境與可持續發展，2017，42(1)：58-61.