武漢市城區空氣顆粒物PM2.5和PM10時空特征及與氣象條件的關系

李紫琦

摘要：指出了深入了解大氣顆粒物濃度的時空變化格局，對于大氣污染防治、預警預報等具有重要理論和實踐意義。結合2015年1月至2015年12月武漢10個監測站點每小時PM2.5和PM10濃度數據和氣象數據，研究了武漢市城區大氣顆粒物濃度時空分異特征及與氣象環境條件的關系。研究結果表明：武漢市城區PM2.5和PM10濃度均呈現出西部最低、東部居中、中部高低斑塊狀分布的空間格局。時間上各城區均呈現顆粒物濃度隨著月份變化先降低后升高，1月份最高，7月份最低，且濃度呈現夏季<秋季<春季<冬季的變化規律。相關性分析表明，武漢市城區大氣顆粒物濃度時空變化特征與降水量、氣溫等氣象因子呈現出顯著負相關關系，與風速關系不顯著。

關鍵詞：大氣顆粒物；時空變化；氣候條件；武漢城區

中圖分類號：X16

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10006604

1 引言

空氣顆粒物質（PM）是指直徑范圍為0.001～100 μm極小的固體或液體顆粒，其在空氣中懸浮時間長達數小時至數周，其顆粒物越小，在空中停留時間越長[1]。流行病學研究顯示直徑小于10 μm的細顆粒物能對人類健康產生顯著影響[2]。目前，由于空氣顆粒物質對人類健康[2]和氣候變化產生顯著影響[3]越來越受到廣泛關注[4～7]。

PM2.5和PM10是空氣動力學當量直徑≤ 2.5 μm和10 μm的大氣顆粒污染物，是表征我國空氣質量6個核心指標中的兩個主要指標。目前關于空氣質量方面的研究也主要集中在PM2.5和PM10這兩個指標上。目前其研究主要集中在化學特征[1，7]、排放源清單 [6，8，9]、不同區域時空分異及與氣象條件的關系[1，4，5，10]和流行病學研究[2]等方面。這些研究表明PM2.5和PM10無論是從排放源清單、化學特征，還是流行病學研究等方面其時空格局及影響因素均與區域自然和社會因素密切相關[1，4，5，10]，因此對PM10和PM2.5研究都需要結合區域固有特征進行。

武漢位于中國中部，是中國超大城市和國家中心城市之一。近年來，隨著社會經濟快速發展，武漢中心城區空氣污染嚴重，以空氣顆粒物污染問題尤為突出。研究武漢中心城區空氣顆粒物時空分布格局及影響因素對于指導其大氣污染防治具有重要意義。以2015年1～12月武漢市城區10個空氣監測站點PM2.5和PM10每小時質量濃度信息，研究武漢中心城區PM2.5和PM10季節變化規律及空間分布特征及與氣象條件關系，以期為武漢市中心城區空氣污染治理提供理論依據。

2 材料與方法

2.1 數據來源

PM2.5和PM10濃度數據來源于武漢市城區10個大氣環境質量監測站點2015年1月1日至2015年12月31日PM2.5和PM10小時數據（數據來源見http：//59.172.208.45：8080/）。2015年逐月氣溫、降水量與風速等氣象數據從2016年武漢市年鑒[11]中獲得。

2.2 數據分析

根據PM2.5和PM10質量濃度小時均值計算獲得武漢市城區PM2.5和PM10質量濃度月度、季度與年均值。將其年均值數據信息導入ArcGis10.0，采用IDW（Inverse Distance Weighted）空間插值法，進行PM10和PM2.5的空間分布格局分析。利用PM2.5和PM10質量濃度月均值與逐月氣象因子數據，采用相關性分析方法（SPSS20.0）研究氣溫、降雨量和風速等氣象條件對PM10和PM2.5之間的相互關系。

3 調查結果

3.1 武漢市中心城區PM2.5和PM10質量濃度空間分布特征

2015年武漢市PM2.5年均質量濃度值為69.04 μg/m3；PM2.5年均濃度最高和最低監測站點分別為沌口新區監測站點和青山鋼花監測站，其值為分別61.67 μg/m3和76.92 μg/m3（圖1）。2015年全市PM10年均濃度位于87.79 μg/m3（沉湖七壕）至120.89 μg/m3（武昌紫陽）之間；全市年均質量濃度為112.38 μg/m3（圖1）。

大氣顆粒物PM2.5和PM10呈現出較強的空間異質性，其質量濃度總體上均呈現西部城區濃度較低、東部城區濃度較高和中部城區濃度高低呈斑塊狀分布的空間分布格局（圖 1）。從各監測站點PM2.5年均質量來看，吳家山、沉湖七壕、青山鋼花和漢口江灘四個監測點年均質量濃度較低，沌口新區、漢陽月湖、武昌紫陽和漢口花橋四個監測站點年均質量值濃度較高。對PM10年均質量濃度而言，沉湖七壕和漢口江灘兩個監測站點的值較低，沌口新區、漢陽月湖、武昌紫陽和漢口花橋四個監測站點年均質量值濃度較高（圖1）。

3.2 武漢市中心城區PM2.5和PM10質量濃度時間變化格局

2015年武漢市各監測站點PM2.5質量平均濃度在時間上呈現夏季<秋季<春季<冬季的變化規律。2015年武漢市空氣顆粒物PM2.5夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、春季（3～5月）、冬季（12～次年2月）平均濃度為分別為42.44 μg/m3、59.66 μg/m3、66.94 μg/m3和113.91 μg/m3（圖2）。

2015年武漢市各監測站點PM10質量平均濃度呈現與PM2.5相同的時間格局，其夏季濃度最低，冬季濃度最高。空氣顆粒物PM10夏季、春節、秋季和冬季平均濃度分別為82.55 μg/m3、102.83 μg/m3、115.41 μg/m3和152.49 μg/m3（圖3）。

3.3 武漢市中心城區PM2.5和PM10質量濃度與氣象因子相關關系

相關性分析表明各區月均氣溫與各監測站點PM2.5和PM10質量濃度均呈現顯著負相關，即月均溫度越高，空氣中PM2.5和PM10質量濃度越低。同樣，月均降雨量也顯著影響著空氣中PM2.5和PM10質量濃度，除少數監測站點外，各監測站點空氣中PM2.5或PM10的質量濃度均隨著月均降雨量的增加而顯著減少。相反，除沉湖七壕監測站點外，風速對空氣中顆粒物PM2.5或PM10的質量濃度影響不顯著（表1）。

4 討論

2015年武漢城區PM2.5和PM10年均質量濃度分別為69.04 μg/m3和112.38 μg/m3，均超過國家空氣質量二級PM2.5和PM10質量濃度限值（PM2.5 < 35 μg/m3；PM10< 70 μg/m3），空氣質量較差。

PM2.5是PM10的組成部分，但二者的屬性和來源又有所差別，因此二者時空特征具有相似一面也存在差異性的一面[12]。研究發現武漢城區PM2.5和PM10時空格局基本一致，具有很強的同步性（圖1、2、3），說明武漢城區空氣顆粒物PM2.5在PM10中占有較大比重。

武漢城區PM2.5和PM10年均質量濃度在時空上呈現較強異質性。空間上整體呈現出西部低，東部較高，中部高低鑲嵌分布格局；該分布格局主要可能是因為武漢市各區域人口密集程度、交通運輸壓力和建筑施工（如地鐵等）等人為活動和各區域下墊面性質差異等自然因素共同造成的。除空氣顆粒物質量空間分布差異外，武漢城區空氣顆粒物時間差異明顯，PM2.5和PM10質量濃度均呈現夏季低，冬天高的分布格局，其主要原因可能是夏季日照較強，熱力湍流發送強烈，熱力和機械湍流共同作用是大氣混合層高度大氣高于其他季節[13]。大氣混合層高度越高，大氣的湍流交換和垂直擴散能力越強，有利于空氣顆粒物的擴散和運輸[13]。而冬季武漢城區空氣顆粒物質量濃度高主要原因可能是，冬季的氣溫較低，大氣層結構穩定容易形成較厚的逆溫層，不利于顆粒物的稀釋和擴散，使顆粒物在空氣中不斷積累而造成嚴重的空氣污染[14]。同時武漢城區由于冬季的西北季風帶來的內地污染物和冬季的低溫少雨也加劇了空氣污染。

大氣顆粒物污染成因可以分為內因和外因兩種，內因主要為空氣顆粒物源的排放，外因主要為氣象條件。早期研究表明氣溫、降雨和風速等氣象因子顯著影響大氣環境中PM10和PM2.5濃度的時空分布 [1，4，7，13～15]。空氣溫度對大氣顆粒物擴散有重要作用[13，14]，一些研究表明由于氣溫較高時，大氣垂直對流作用顯著，有利于擴散使得氣顆粒物濃度與氣溫呈負相關[14]；但另有研究表明由于夏季持續高溫使大氣光化學反應異常活躍，生成更多的二次氣溶膠而使得PM2.5和PM10質量濃度與氣溫呈正相關[13]。該研究發現武漢城區PM2.5和PM10濃度與氣溫呈現出顯著負相關，表明武漢城區氣溫主要通過對大氣湍流和垂直對流作用來影響空氣顆粒物都濃度。

降雨也是影響空氣顆粒物質量濃度的主要氣象條件之一，其主要原因是由于在降水過程中，部分顆粒物在云層內被水汽吸附做了云滴和雨滴的凝結核，從而被雨水沖刷而清除。其許多研究表明降水量與空氣顆粒物PM2.5和PM10均有較好的去除效果[16，17]，另一些研究表明降雨量對PM2.5和PM10的去除作用不同，且對PM10去除作用效果更明顯[15]。與絕大多數研究結果一致，武漢市城區絕大多數大氣監測站點的降雨量與顆粒物質量濃度呈顯著負相關，表明降雨量對武漢城區大氣中PM10和PM2.5去除效果較好。

風是影響污染物稀釋擴散的重要因子，風速對大氣污染物的稀釋擴散和輸送起著重要作用。一般而言，風速大，大氣污染物被混合稀釋及向下風向水平輸送和擴散能力較強，大氣顆粒物濃度越低；但一些研究表明風速對空氣顆粒物濃度的影響較小[18]，因此不同的風速模式對不同粒徑的顆粒物濃度的影響難以一概而論。研究還發現武漢城區月均風速與月均PM2.5和PM10濃度相關性不顯著。表明武漢城區大氣污染物PM2.5和PM10質量濃度受風速調節作用較小。

影響PM2.5和PM10排放和時空分布的因素較多，如排放源、人類活動、下墊面性質和社會經濟影響等；此處僅研究了武漢城區污染物時空格局及與氣象條件關系，因此需要進一步研究武漢城區PM2.5和PM10來源及人為活動對其影響，為武漢城區空氣污染防治提供重要的理論支撐和指導。

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