北京南郊觀象臺20082018年PM10質量濃度特征及其與主要氣象因子的關系

于麗萍，張曉春，孟 磊，李 林，韋 濤，李 棟，劉海悅，李德林

(1.北京市氣象探測中心(北京市觀象臺)，北京100176；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；3.北京豐臺區氣象局，北京 100071；4.青海瓦里關區域大氣本底站，青海 共和 810012)

引 言

空氣動力學粒徑小于等于10 μm的顆粒物稱為可吸入顆粒物(PM10)[1]。已有的研究表明，氣溶膠顆粒物對氣候變化、人體健康和環境等有著十分重要的影響，尤其是我國中東部地區出現的大范圍沙塵和霧霾天氣，對交通狀況、空氣質量和人體健康帶來了極大的影響[2-6]，對顆粒物的監測也逐漸引起了社會的廣泛關注。

國內外學者對PM10質量濃度的變化特征作了分析[7-12]。安娟等[13]對2006-2012年遼陽市PM10時空變化特征作了研究，結果顯示，PM10年平均濃度呈顯著下降趨勢，冬季的最大，春季和秋季的次之，夏季的最小，月變化呈“U”形分布。梁增強等[14]對2003-2012年京津石三市大氣污染特征及趨勢的研究顯示，北京API月變化呈“M”形分布，夏季和冬季的低，秋季和春季的高。賈小芳等[15]對2013-2016年北京朝陽站PM2.5濃度分析結果表明，冬季的最大，秋季和春季的次之，夏季的最小,PM2.5濃度隨風速的增大呈現先上升后下降的變化，在0.4 m·s-1時達最高。雷瑜等[16]對北京城區主要污染物的周末效應和假日效應作了研究，認為節假日污染物濃度高于日常的，周末的低于工作日的。王淑英等[17]對北京地區PM10濃度日變化的分析結論為：傍晚至午夜前出現第一個高峰值，09-10時出現次高峰值，約14時出現第一個低值，06時左右出現次低值。郭利等[18]對北京地區2007年6月和11月PM10濃度與風速相關性的分析結果表明，6月和11月 PM10濃度與風速均呈現負相關，并且根據11月的資料得出PM10濃度最小值對應的風速為4.1 m·s-1。

本文根據北京南郊觀象臺(以下簡稱“北京觀象臺”)振蕩微天平法PM10觀測結果，結合同期主要氣象因子，分析2008年3月1日至2019年2月28日PM10濃度的變化特征，可為開展北京地區顆粒物特征分析、制定污染防控對策提供參考。

1 資料與研究方法

數據來源：本文所用PM10數據來源于北京觀象臺，時間為 2008年3月1日至2019年2月28日，PM10數據原始數據時間分辨率為5 min；同期氣象要素數據為北京觀象臺小時平均數據；北京空氣質量數據來源于中國空氣質量在線監測分析平臺(https://www.aqistudy.cn/historydata/daydata.php)；機動車數量來源于北京交通發展研究院發布的2008-2018年北京市交通發展年度報告。

處理方法：首先對PM10數據的格式和完整性進行檢查，然后對數據文件中儀器設備的運行狀態等進行檢查，經過異常值剔除和數據有效性檢查等數據質量控制后[19]，最后進行小時、日、月、季和年均值及極值等統計。

變化趨勢：采用Daniel趨勢檢驗方法[20]分析PM10變化趨勢。公式為

(1)

式中：γs為Spearman秩相關系數，是利用兩變量的秩次大小作線性相關分析;N為時間周期(年)；di為變量Xi和變量Yi之差(X為時間坐標，Y為PM10坐標)。

γs值的正負分別表示PM10的上升和下降，其絕對值的大小表示變化的強度。將γs的絕對值與Spearman秩相關系數統計表中的臨界值(Wp)進行比較。如果|γs|≥WP表明變化趨勢顯著,反之不顯著。

PM10年、日平均達標標準：依據GB3095—2012《環境空氣質量標準》中的PM10年平均二級限值標準，年平均為70 μg·m-3，日平均為150 μg·m-3。

PM10與主要氣象因子的相關性：利用SPSS19.0統計軟件的Spearman相關分析及顯著性檢驗。

本文中春季為3-5月、夏季為6-8月、秋季為9-11月、冬季為12月-次年2月。

2 結果與分析

2.1 年際變化

2008-2018年，北京觀象臺PM10日數據年平均值為70.4～180.3 μg·m-3，歷年平均值均超過二級限值標準。根據前述公式(1)，2008-2018年，γs=-0.445，WP=0.170,|γs|>WP,說明整體上PM10呈下降趨勢，且趨勢顯著。由于2012-2014年PM10年平均值沒有下降，反而有所增加，因此分為3個時間段進行討論：2008-2011年日數據年平均值分別為141.4、111.9、113.4和104.5 μg·m-3，γs=-0.800，WP=0.200,|γs|>WP,說明2008-2011年PM10呈下降趨勢，且趨勢顯著；2012-2014年日數據年平均值分別為137.5、180.3和163.1 μg·m-3，γs=0.500，WP=0.667,|γs|WP,說明2015-2018年PM10呈下降趨勢，且趨勢顯著。

PM10的來源主要包括6類：揚塵、燃煤、工業排放、機動車排放、生物質燃燒和氧化產生的二次顆粒物，不同地區來源的貢獻大小有所不同[21]。張晶等[22]對北京地區顆粒物濃度的研究結論給出，除人為污染源外，約20%的顆粒物源于土壤風沙等自然類型源，采暖季的顆粒物濃度比年平均高10%～30%。張菊等[23]的研究已經表明，2012-2014年PM10上升的主要原因是由不利的氣象條件和大面積燃燒引起的。北京市交通發展年度報告及中國空氣質量在線監測分析平臺中北京的PM10達標率顯示：2009年機動車保有量年增長率為14.9%(2008年350萬輛，2009年402萬輛)，PM10達標率為67.9%。2010年12月23日以后，北京對購買小客車實行搖號方式，機動車數量增長有所減緩，2011年保有量增長率僅為3.5%(2010年481萬輛，2011年498萬輛)。機動車的保有量增加，排放量也隨之增加。2013年開始，隨著新能源汽車數量的增加，以及機動車出行限制措施等，PM10達標率開始增加。2015年達到84.9%。2016年以后PM10達標率出現了波動(2016年為53.7%，2017年為75.6%，2018年為73.7%)。分析其原因，除了每年受浮塵、揚沙和沙塵暴(以下統稱為沙塵天氣)、冬季供暖和工業排放等影響程度的不同外，可能還與北京觀象臺緊鄰南五環路有關。由于車流量比較密集，特別是夜間大型貨車較多，排放量也較大，從而可以判斷，北京機動車保有量和排放量的增加，對北京南郊地區PM10的變化有一定影響。

2.2 月和季節變化

由PM10質量濃度月變化曲線(圖1)可看出，PM10月平均值均低于國家二級限值標準150 μg·m-3，月數值變化范圍為108.4～143.2 μg·m-3,6-9月和 1-2月的較低；3-5月和10-12月的較高，說明北京南郊地區PM10質量濃度存在明顯的“M”形月變化特征。季節變化特征為春季的最高(135.8 μg·m-3)，秋季和冬季的次之(分別為127.3 μg·m-3和122.8 μg·m-3)，夏季的最低(108.3 μg·m-3)。與安娟等[13]冬季的最大的季節特征及各月呈 “U”形分布的研究結論略有不同，這可能與研究地區、時段、供暖起止時間及天氣現象等不同有關。

圖1 2008-2018年北京觀象臺PM10質量濃度月平均變化

2008-2018年北京南郊地區觀測到的沙塵天氣共174天，霾日數共1292天。平均而言，四季中霾日的PM10平均濃度是非霾日的1.5倍，此結論與王明潔等[24]的2.2倍比較接近。分析期內，春季和秋季沙塵天氣較多，霾日中高于二級限值標準的天數較多(春季為153天、秋季為140天)，增加了顆粒物在空氣中的滯留，使顆粒物質量濃度增加[25-26]。冬季處于燃煤采暖期，PM10濃度較高。夏季降水較多，對流活動強，利于污染物擴散，PM10濃度最低。由此推斷，霾、燃煤和沙塵等對北京南郊地區月、季PM10濃度的貢獻相對比較明顯。

2.3 周末效應

大氣氣溶膠質量濃度、污染物質量濃度、氣象要素等的周循環被稱為周末效應[27]。統計結果(圖 2a)顯示，PM10濃度總體呈現周末的高于工作日的周末效應。其中，2008和2009年中工作日的PM10濃度高于周末的；2010-2018年周末的PM10濃度高于工作日的。這可能與前述提到的機動車保有量和人們的出行習慣有關。2008-2009年的機動車保有量相對較少(2008年350萬輛，2009年402萬輛)，周末是公眾休息時間，開車出行較少[7]。2010年以后，機動車保有量逐年大幅增長，機動車排放成為影響顆粒物質量濃度變化的一個重要因素[28]。近年來北京交通發展年度報告中對車輛出行次數作的小樣本的調查結果顯示，車輛周末出行的次數呈逐年上升趨勢，因此2010-2018年的平均PM10濃度呈現出周末的高于工作日的周末效應。圖 2(b)為周內PM10濃度的總體變化。周六的平均PM10濃度高于周末的平均濃度。這可能不僅與人們在工作日和周末的作息安排有關，還與周末對車輛出行不限行有關。工作日中周五和周一PM10濃度高于周日的原因，可能是由于周一是工作日的第一天，早高峰一般持續時間較長，周五是工作日的最后一天，晚高峰持續時間也較長，并且下班后人們駕車外出度周末的情況也比較普遍，選擇在周六或周日陸續返回，周日的機動車排放量相對沒有周一和周五的高，因此周日機動車排放量低于周一和周五的。該結論有待于后續對機動車出行情況作進一步調查后加以驗證。

圖2 北京觀象臺2008-2018年工作日和周末的PM10質量濃度逐年(a)和總體的(b)變化情況

2.4 日變化

圖 3為北京南郊11年間PM10濃度日變化情況。總體而言，基本呈雙峰形變化趨勢，峰值出現在早上和晚上，晚上的峰值強度高于早上的。這與趙晨曦[29]和程興宏[30]等對北京地區PM10日變化特征的研究結論基本一致。早上，隨著太陽逐漸升起，太陽輻射加強，氣溫升高，人們開始外出活動，PM10濃度在05-08時達到第一個高峰值。在上班高峰過后，隨著午后溫度升高，湍流混合逐漸加強，使PM10濃度逐漸下降，14時左右達到最低。其后隨著人們戶外活動增加，夜間大氣層結趨于穩定，同時北京晚高峰持續時間較長及城市夜生活等影響，使PM10濃度再次呈上升趨勢，直到夜間21-23時出現一天中第二個峰值，其后PM10平均濃度再次下降。兩個峰值的強度和時間各季有所差異。春季，高峰值出現在06時和21時左右，早上的峰值強度與夜間差異不大。夏季，高峰值出現在05時和21-22時。秋季，高峰值出現在06-07時和22-23時。冬季，高峰值基本出現在08時和21-22時。各季節峰值出現的時間和強度略有差異，這可能由于不同季節人們的作息時間和出行習慣不同，同時北京晚高峰持續時間較長，另外，冬季、春季和秋季逆溫層出現的頻次較多，厚度較厚[31]，從而使各季節PM10濃度的峰值出現的時間有所不同。

圖3 2008-2018年北京觀象臺PM10質量濃度日變化特征

2.5 與主要氣象因子的關系

為了解PM10與地面氣象要素的相關特征，本文對2008-2018年的小時平均數據進行了Pearson相關分析，有效樣本為86710組小時數據(降水量為2605組)，由于數據量比較大，相關系數普遍偏小，因此放棄了Pearson相關系數計算方法。采用分析期內PM10濃度和主要氣象因子的日平均數據(降水有效樣本為669組，其余要素有效樣本各3826組)，利用Spearman相關系數計算方法，進行相關分析，結果見表1。

表1 2008-2018年北京觀象臺PM10日平均質量濃度與主要氣象因子的相關性

由表1可以看出，PM10質量濃度與氣溫和相對濕度呈顯著正相關，與氣壓、極大風向、極大風速和降水呈顯著負相關，相關性均通過了0.01或0.05的雙側顯著性水平檢驗。本文選取與PM10相關性相對較好的風和降水進行詳細分析。

2.5.1 與風的關系

風是影響污染物稀釋擴散的重要因素，風向決定污染物上游輸送的方向，風速決定了污染物擴散的速度[32]。按照《地面氣象觀測規范》第九章相關內容，將風向分為16個方位，對風向和風速與PM10的關系進行詳細分析。

將各風向PM10達到二級限值標準(150 μg·m-3，簡稱“PM10二級標準”)的頻次達到10次(圖4各圖中用淺藍色線標識)視為在該風向上出現PM10濃度超過二級標準的頻次較高，否則則認為較低。春季(圖4a)偏南風向(SSE、S、SW)時超過PM10二級標準的頻數較高。夏季(圖4b)偏東北風(N-NNE-NE)時超過PM10二級標準的頻數較高。秋季(圖4c)偏東北風(N-NNE-NE)時超過PM10二級標準的頻數較高。冬季(圖4d)偏南東和南西風(SE-S-WSW)時超過PM10二級標準的頻數較高。總體而言，當風向為偏東北或偏南風時，PM10達到二級限值標準的頻次較高。這可能是由于北京觀象臺緊鄰南五環路(最近距離為63 m)，機動車流量較大。另外測站東側和南側約2 km處為居民區，冬季采暖造成污染排放源增加，可能會導致測站觀測到PM10在偏東和偏南方向濃度較高。這與賈小芳等[15]對北京朝陽站點的研究結論基本一致。

圖4 2008-2018年北京觀象臺各季節PM10平均質量濃度與風向頻次分布圖

圖5給出了PM10濃度與地面極大風速的關系。隨著極大風速的增加，PM10濃度先增加后減小，當極大風速為3.4 m·s-1時PM10濃度達到最高(為269.1 μg·m-3)。這可能是因為當地面風速較小時，氣溶膠粒子易聚集于近地層。其后隨著風速的增加，PM10濃度呈現明顯的下降趨勢，但當極大風速達到12.8 m·s-1時，PM10濃度沒有繼續下降，反而出現了小幅上升。這是因為隨著風速的增大，站點污染物稀釋，擴散能力加強，污染物濃度降低[25]，但由于觀測站點處于污染源的下風方向，伴隨風速的增大，污染物輸送的速度加快，致使測站PM10質量堆積，濃度升高。當風速高于14.9 m·s-1時，PM10濃度出現較大波動，這可能是由于較大等級的風速發生的頻數較少，個別沙塵天氣拉高或降低了PM10濃度導致的。

圖5 2008-2018年北京觀象臺PM10平均質量濃度與極大風速關系圖

2.5.2 與降水的關系

降水對清除空氣污染物起到了重要作用[33]。為了研究不同相態和量級的降水對空氣污染物的清除效果，本文依據《降水量分級》[34]的標準，對PM10濃度與不同等級和相態的降水相關性進行了分析，結果見表2。

表2 2008-2018年PM10質量濃度與降水的相關性

由表2看出，各等級降雨量與PM10均呈負相關，相關系數為-0.082～-0.717，暴雨及以上等級的相關性較強，說明降雨對PM10的清除作用隨著降雨量的增加而增加，當24 h降水量超過50.0 mm(暴雨及以上)時，對污染物的清除作用較大。各等級降雪量與PM10均呈負相關，相關系數范圍為-0.083～-1.000，暴雪及以上等級相關性較強，說明降雪對PM10的清除作用隨著降雪量的增加而增加，當24 h降雪量超過10.0 mm(暴雪及以上)時，基本可以清除空氣中的所有PM10。另外，PM10與降雪的相關系數大于與同等級降雨的相關系數，說明降雪對PM10的清除作用優于降雨的清除作用。這與張占峰等[35]的研究結論一致。

3 討論與結論

(1)年變化：2008-2018年PM10濃度年平均值均未達到國家二級標準，總體呈下降趨勢，其中2008-2011年及2015-2018年PM10濃度年平均值呈下降趨勢，2012-2014年PM10濃度年平均值呈上升趨勢。機動車保有量和排放量對北京南郊地區PM10濃度年平均值變化貢獻較大。

(2)月、季變化：數據分析期間PM10濃度月平均變化特征呈“M”形，數值變化范圍為108.4～143.2 μg·m-3,1-2月、6-9月的較低，3-5月、10-12月的較高；季節變化特征為春季的最高(135.8 μg·m-3)，秋季和冬季的次之(分別為127.3 μg·m-3和122.8 μg·m-3)，夏季的最低(108.3 μg·m-3)。

(3)周變化：2008-2011年PM10濃度總體呈現周末的高于工作日的周末效應。其中，2008和2009年的PM10濃度工作日的高于周末的，2010-2018年的PM10濃度工作日的低于周末的，周末中周六的高于周末平均濃度，工作日中周五和周一的高于工作日平均濃度。

(4)日變化：基本呈現出明顯的早上和晚上的雙峰形特征，時間基本出現在05-08時和21-23時。各季節的峰值出現時間略有差異：春季的為06時和21時，夏季的為05時和21-22時，秋季的為06-07時和22-23時，冬季的為08時和21-22時。

(5)與氣象因子的關系：PM10濃度與氣溫和相對濕度呈顯著正相關，與氣壓、風向、風速和降水呈顯著負相關。當風向為偏東北或偏南風時，PM10濃度超過二級限值標準的頻次較高。PM10濃度隨著風速的增大先增加再減小，風速為3.4 m·s-1時最高(269.1 μg·m-3)。PM10濃度與降雪的相關性高于與同等級降雨的相關性，降雪對污染物的清除作用也高于降雨的清除作用。