呼和浩特市PM2.5和PM10污染特征與相關性分析

徐曼，程宇飛，高際玫，任遠哲，王鵬，郝峰，包卓蘭，王成燕

（1.內蒙古自治區環境監測中心站，內蒙古呼和浩特010011；2.內蒙古能建環境監測有限公司，內蒙古呼和浩特010011）

近年來，人們對于大氣顆粒物導致的空氣污染對身體健康的影響意識逐漸提升[1,2]，大氣顆粒物根據空氣動力學直徑分為總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物(PM10)和細顆粒物(PM2.5)[3,4]，由于PM10和PM2.5粒徑小、吸附性強，對人體健康會產生嚴重危害，流行病學和臨床醫學的證據均表明，大氣顆粒物與心肺疾病的發病率和死亡率存在明顯的正相關關系，對心肺功能受損影響顯著，PM2.5已成為導致人類死亡的第四位死因，PM10日均濃度每增高10μg/m3，心肺疾病的死亡率相應增加0.62%[5]；同時PM10和PM2.5還會對能見度、酸沉降和大氣的輻射平衡等造成重要影響，因此，PM10和PM2.5對大氣環境造成的污染受到各界的廣泛關注[6-8]。

PM10和PM2.5的質量濃度因各地氣候條件、人為活動、經濟政策和地形地貌等因素不同而呈現出不同的變化特征。目前，全國各地區學者對于PM10和PM2.5進行了不同方向的分析研究。王濤等[9]對南京市PM10和PM2.5的大致來源及污染特征進行了研究。結果表明，PM2.5的時刻變化呈“單峰單谷”型，而PM10的時刻變化呈“單峰雙谷”型；顆粒物濃度城區高于郊區；植被茂盛區域的濃度較低。對PM2.5/PM10而言，分別受取暖和降水的影響，比值在冬季和梅雨期較大，在春季和夏末秋初較小。楊文濤等[10]利用地理時空加權回歸對北京市PM2.5和PM10季節平均濃度間關系進行建模，依據回歸結果分析PM2.5-PM10間關系的時空變異特征。實驗結果表明，春夏季節PM2.5污染程度及空間變異程度均低于秋冬季節，各季節PM2.5濃度均表現為北部濃度低、南部濃度高的空間分布特征。李敏等[11]使用聚類和相關性分析上海市PM2.5/PM10的時空分布特征，結果表明，PM2.5和PM10的季節濃度從高到低為冬>春>秋>夏，PM2.5/PM10的季節分布在不同區域存在差異性。目前，對呼和浩特市PM2.5和PM10污染特征的研究常局限于特定年度或特定來源，尚未見到對PM2.5和PM10的多年污染特征與相關性研究。本文以呼和浩特市2016—2018年的PM2.5和PM10自動監測數據為基礎，從不同時間角度分析呼和浩特市PM2.5和PM10的污染特征，反映大尺度時間內區域整體污染趨勢，以期為呼和浩特市治理PM2.5和PM10污染提供數據支持。

1 研究方法

1.1 地區背景

呼和浩特市（110°46′~112°10′E，40°51′~41°8′N），位于內蒙古自治區中部。地處內蒙古自治區中部大青山南側，有山地和平原兩種地形；呼和浩特市位于環渤海經濟圈、西部大開發、振興東北老工業基地三大戰略交匯處，是北方重要的航空樞紐。南部及西南部為土默川平原地形，地勢由北東向南西逐漸傾斜。呼和浩特市屬典型的蒙古高原大陸性氣候，四季氣候變化明顯，年、日溫差大，干旱少雨，年平均氣溫4.7℃，年平均降水量為397.2mm[12]。

1.2 數據來源及點位分布

本 文選 取2016年1月1日—2018年12月31日呼和浩特市全部（8個）環境空氣自動監測國控站點（圖1）的小時值數據，來自全國空氣質量發布平臺（http://106.37.208.233:20035/），文中研究所用的日、月、季節及年均值均由小時值通過計算算術平均值所得；本文所涉及的氣象數據（氣溫、降水量等）來自中國空氣質量在線監測分析平臺(http://www.aq?istudy.cn/)；顆粒物來源解析數據來自在線源解析監測系統（型號SPAMS-0515）。

圖1 呼和浩特市環境空氣自動監測站點分布圖

本文中季節劃分按照《氣候季節劃分標準》（QX/T152—2012）劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月至次年2月）[13]，日均值和年均值濃度與《環境空氣質量標準》（GB3095—2012）[14]中相應的標準限值作比較。

2 結果與討論

2.1 時刻變化特征

統計分析呼和浩特市2016-2018年PM2.5與PM10的每年的年際質量濃度時刻變化結果表明（圖2）：

PM2.5與PM10的質量濃度的年際時刻變化的兩個峰值分別出現在上午9:00—12:00和夜間21:00—24:00，兩個谷值分別出現在早晨05:00—08:00和下午13:00—18:00。

從圖2a中可以看出，PM2.5的質量濃度2017年最高，2016年次之，2018年最低，每年的時刻變化呈現出“雙峰雙谷”字型。峰值和谷值分別為52μg/m3和32μg/m3。

從圖2b中可以看出，PM10的質量濃度2018年最高，2016年與2017年相近。每年的時刻變化趨勢同PM2.5。峰值和谷值分別為45μg/m3和36μg/m3。

圖2 PM2.5和PM10質量濃度年際時刻變化圖

呼和浩特市2016-2018年PM2.5與PM10的四季質量濃度（3年的時刻均值）時刻變化結果表明（圖3）：

PM2.5與PM10的質量濃度的時刻變化的兩個峰值分別出現在上午9:00—12:00和夜間20:00—24:00，兩個谷值分別出現在早晨05:00—08:00和下午14:00—17:00。

從圖3a中可以看出，PM2.5質量濃度的時刻變化從高到低順序為冬季>秋季>春季>夏季，冬、秋、春三季時刻變化呈出“雙峰雙谷”字型，且冬季峰谷樣式最明顯，夏季時刻變化雖有峰谷變化，但是基本趨于平穩發展。

從圖3b中可以看出，PM10質量濃度的時刻變化從高到低順序為春季>冬季>秋季>夏季，四季時刻變化基本呈出“雙峰雙谷”字型。

圖3 PM2.5和PM10質量濃度四季時刻變化圖

從年際和四季兩個角度分析PM2.5與PM10的質量濃度的時刻變化特征，其結果表明，受不同時段人為活動以及邊界層高度日變化的影響，3年期間PM2.5和PM10的質量濃度的峰值和谷值出現的時間段十分接近，且時刻變化幾乎全部呈現“雙峰雙谷”特征。

2.2 月變化特征

統計分析呼和浩特市2016-2018年PM2.5與PM10的每年的質量濃度月份變化結果表明（圖4）：

PM2.5與PM10的質量濃度的月份變化如下：8—11月逐漸上升，高峰值出現在11月，次高峰分別出現在12月和5月，5—8月逐漸下降，8月降到最低值。

從圖4a中可以看出，PM2.5的質量濃度基本呈現出“單峰單谷”字型的變化趨勢。峰值和谷值分別為65μg/m3和21μg/m3。

從圖4b中可以看出，PM10的質量濃度呈現出“雙峰單谷”字型的變化趨勢。峰值和谷值分別為141μg/m3和53μg/m3。

圖4 PM2.5和PM10質量濃度月變化圖

2.3 季節變化特征

選取呼和浩特市2016年3月-2018年2月（2個四季）的數據，對PM2.5和PM10的季節質量濃度進行對比分析（圖5），可以看出：

PM2.5的季節質量濃度的變化趨勢從高到低順序為冬季、秋季>春季>夏季；與四季的時刻變化趨勢相同。PM10的季節質量濃度的變化趨勢為從高到低順序為變化趨勢則為春季、冬季>秋季>夏季，變化趨勢和PM2.5略有不同，與四季的時刻變化趨勢相同。

從圖5a中看出2017年冬季較2016年冬季PM2.5的質量濃度下降十分明顯，其中2017年冬季的PM2.5的質量濃度為48μg/m3，以上年同期相比下降29.9%。據相關資料記載，截至2017年，呼和浩特市按照《大氣污染防治目標責任書》要求，拆除并整合、改造和分散10t以下燃煤鍋爐803臺，實現了城區PM2.5質量濃度大幅降低，說明環保措施的落實，對大氣顆粒物的污染防治有很大作用。

圖5 PM2.5和PM10質量濃度季節變化圖

2.4 年度變化

統計分析了2016-2018年呼和浩特市PM2.5和PM10的質量濃度的日均最大值、年均值、超標天數和超標天數比例，結果見表1。

表1 2016-2018年呼和浩特市PM2.5與PM10質量濃度超標統計表

受沙塵天氣影響，PM2.5和PM10的日均最大濃度值均出現在2017年5月4日，分別為302μg/m3和1388μg/m3，均超過《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）日均濃度二級標準限值（75μg/m3、150μg/m3）要求，超標倍數分別為3.03倍、8.25倍。

2016-2018年PM2.5和PM10年均值分別為41μg/m3和100μg/m3，均未達到《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）年均濃度二級標準限值（35μg/m3、70μg/m3）要求，超標倍數分別為0.17倍、0.43倍，超標天數分別為146天和163天；超標天數比例分別為13.4%、14.9%。

PM2.5的年均質量濃度，2017年較2016年略有升高，在2018年有所下降。PM10的年均質量濃度呈逐年上升趨勢。

2.5 PM2.5/PM10(p)值特征分析

P值反映了PM10中PM2.5的含量。根據呼和浩特市2016-2018年的PM2.5和PM10質量濃度（3年的月均值）的統計（圖6），1—2月和10—12的月均比值均大于45%，依次為57%、53%、48%、46%、52%；3—9月的月均比值均小于45%，依次為38%、26%、27%、33%、41%、39%、37%。由此可知，在1月P值最高；4月p值最低。p平均值為41%。

圖6 PM2.5/PM10質量濃度月變化圖

2.6 PM2.5和PM10月均濃度與環境溫、濕度的關系

根據2018年氣象監測數據，經SPSS軟件統計，PM2.5與溫度、濕度的相關系數分別為-0.738、-0.544，呈現反相關性。由圖7看出，環境溫度高，氣體分子運動活躍，有利于污染的擴散，因此夏季的顆粒物相對較低，冬季氣溫降低，易產生逆溫現象，污染物不易擴散，所以顆粒物的含量較高。另外，環境濕度高也有助于稀釋顆粒物的濃度。

圖7 PM2.5、PM10與環境溫、濕度關系

2.7 PM2.5和PM10的相關性

本文采用相關分析是通過計算兩組變量之間的相關系數來確定變量間相關關系的一種統計分析方法。相關系數（r）是表示兩個變量(x，y)之間線性關系密切程度的指標，其值在-1~+1間，r呈正值則表示兩者呈正相關關系，r=1時為完全正相關；r呈負值則表示兩者呈負相關關系，r=-1時為完全負相關；表現在線性相關圖上時，完全正相關或負相關時所有圖點都在回歸直線上，圖點分布在直線回歸線附近，r絕對值越小，分布越離散。

選取2016-2018年呼和浩特市的PM2.5和PM10日均值質量濃度（已剔除2017年日均最大濃度值），以PM2.5質量濃度為橫坐標，PM10質量濃度為縱坐標進行線性擬合，結果見圖8。兩者呈正相關性，擬合方程為y=1.9971x+11.844，回歸方程的相關系數r為0.8623，說明直線對散點的擬合率較高，兩者的相關性較好[20]。

圖8 PM2.5和PM10質量濃度相關性分析

同時通過采用皮爾遜相關系數法得到，PM2.5與PM10的相關系數為0.74，相關系數越接近1，說明相關度越強；顯著性sig值為0.00<0.05，說明二者的相關性具有顯著性意義。

對2016-2018年PM2.5與PM10的季節質量濃度均值進行線性擬合，結果見表2和圖9，線性關系隨季節的變化而改變。由表2可得，PM2.5與PM10相關性在季節上有明顯差異，四季PM2.5與PM10的相關系數關系為r秋季(0.9008)>r冬季(0.8557)>r夏季(0.8230)>r春季(0.7242)，秋季和冬季的相關性要大于夏季和春季。

表2 PM2.5質量濃度關于PM10質量濃度線性回歸分析

圖9 PM2.5和PM10的四季日均濃度相關性

3 結論

（1）呼和浩特市2016-2018年PM2.5與PM10的質量濃度時刻變化均呈現“雙峰雙谷”字型，PM2.5峰值和谷值分別為52μg/m3和32μg/m3；PM10峰值和谷值分別45μg/m3和36μg/m3。

月變化PM2.5呈現“單峰單谷”字型，峰值和谷值分別為65μg/m3和21μg/m3；PM10呈現“雙峰單谷”字型，峰值和谷值分別為141μg/m3和53μg/m3。

季節變化趨勢為PM2.5質量濃度從高到低排序：冬季、秋季>春季>夏季；PM10質量濃度從高到低排序：春季、冬季>秋季>夏季。

PM2.5與PM10的年均值均未達到《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）年均濃度二級標準限值（75μg/m3、150μg/m3）要求。PM2.5的年均質量濃度總體呈先上升后下降趨勢，PM10的年均質量濃度總體呈上升趨勢。

（2）PM2.5與PM10的濃度比值（p）主要集中在26%~41%，1月p值最高，4月p值最低，平均值為41%。PM2.5對人群健康危害較大，在1-2月和10-12月比值大于45%的月份，需要適當增加個人防護。顆粒物易受到環境溫度和濕度的影響。高溫高濕天氣，有利于污染物的擴散，可以通過輔助例如人工氣候箱等途徑，降低顆粒物的污染。

（3）PM2.5和PM10擬合方程y=0.1.9971x+11.844，相關系數為0.8623，說明直線對散點的擬合率較高，線性相關性較好。同時通過采用皮爾遜相關系數法得到，PM2.5與PM10的相關度較強且相關性具有顯著性意義。四季PM2.5與PM10的相關系數關系為r秋季(0.9008)>r冬季(0.8557)>r夏季(0.8230)>r春季(0.7254)，秋季和冬季的相關性明顯大于夏季和春季。