空气自动监测中PM2.5与PM10“倒挂”现象特征及原因

潘本锋，郑皓皓，李莉娜，汪 巍

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京100012

2012年中国颁布了新的《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)，新标准与《环境空气质量标准》(GB 3095—1996)相比增加了 PM2.5指标。按照国家环保部关于空气质量新标准实施“三步走”的战略部署，从2013年起全国直辖市、省会城市、计划单列市、京津冀、长三角、珠三角等共计74个重点地区城市，按照空气质量新标准先行开展了 PM2.5监测，并实时发布 PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3等6项指标的监测结果。其中PM10与PM2.5均是用来表征空气中颗粒物污染状况的指标。

环境空气质量标准中将PM10定义为环境空气中空气动力学当量直径小于等于10 μm的颗粒物［1］，将PM2.5定义为环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的颗粒物［1］，从定义可以看出，PM2.5属于PM10的一部分，因此，理论上同一点位、同一时段PM10的浓度应该大于PM2.5的浓度;而在监测工作实际中，PM2.5与PM10监测方法尚不统一，各方法的监测原理和仪器设计各不相同，常常出现PM2.5浓度大于PM10浓度的现象，即人们常说的PM2.5与PM10出现“倒挂”现象［2-9］。根据美国、日本等国家环保部门公布的PM2.5与PM10监测结果来看，“倒挂”现象在这些国家也有发生。“倒挂”现象明显不符合逻辑，使人们对PM10和PM2.5的监测结果感到困惑，影响公众对空气质量真实状况的理解和判断。结合中国环境监测工作实际情况，从颗粒物自动监测技术的原理和方法、颗粒物监测仪器配置情况、测量误差分析等方面对PM2.5与PM10“倒挂”现象的特征和原因进行了研究和分析。

1 “倒挂”现象特征分析

1.1 常见监测方法组合下“倒挂”现象分析

目前，在国家环境监测网内PM10的监测方法主要有2种，即β射线法(采样管恒温加热)和振荡天平法;PM2.5监测方法也有2种，即β射线加动态加热系统法和振荡天平联用膜动态测量系统法，因此PM10与PM2.5共有4种不同的监测方法组合。据初步统计，中国环境空气监测网中PM10及PM2.5监测采用振荡天平法的比例约占15%，采用β射线法的比例约占85%。

中国环境监测总站大气监测实验室针对各种不同的PM10与PM2.5监测方法组合分别进行实验，实验时段涵盖2013年冬、春、夏、秋4个季节，每个季节实验天数至少30 d，实验中所用仪器为FH62C14型PM10监测仪、1405A型 PM10监测仪、SHARP5030型PM2.5监测仪、1405F型 PM2.5监测仪等。每个季度实验前后对每台仪器进行流量检查(校准)和标准膜检查(校准)，确保监测结果准确及仪器之间的可比性。

实验中不同PM10与PM2.5监测方法组合下的“倒挂”现象出现率见表1。

表1 不同监测方法组合下“倒挂”现象出现率

由表1可见，采用不同PM10与PM2.5监测方法组合时，“倒挂”率存在较大差异。总体而言，当PM10采用振荡天平法时“倒挂”现象出现率明显高于 PM10采用β射线法时的“倒挂”率;当PM10与PM2.5均采用β射线法时“倒挂”现象出现率最低;日均值的“倒挂”率明显低于小时值。

1.2 其他监测方法组合下“倒挂”现象分析

目前，国际上对于PM10及PM2.5的自动监测方法并不统一，虽然中国对国家环境空气监测网内的PM2.5监测方法进行了规范，但对PM10监测方法并没有明确要求。如对于振荡天平法PM2.5监测仪要求联用膜动态测量系统，对于振荡天平法PM10监测仪是否也必须联用膜动态测量系统，目前还没有明确规定。因此在许多高等院校和科研单位的实验室内以及其他行业的监测站点，PM10与PM2.5的监测方法存在多种其他组合形式。对某些其他自动监测方法组合下的“倒挂”现象进行统计分析，结果见表2。

表2 其他监测方法组合下“倒挂”现象出现率

由表2可见，当PM10与PM2.5都采用振荡天平法时“倒挂”现象出现率为9.8%;而当PM10采用振荡天平法联用膜动态补偿系统，无论PM2.5采用何种方法(包括振荡天平法、振荡天平法联用膜动态补偿系统、β射线加动态加热系统法)，均未出现“倒挂”现象;当PM10采用β射线法(采样管恒温加热)，PM2.5使用振荡天平法时，也未出现“倒挂”现象。

1.3 不同季节间的比较

中国大部分地区，冬、春、夏、秋4个季节的气象条件存在明显差异，并且受气象条件及污染源排放特征的影响，4个季节间颗粒物污染浓度和污染特征也存在显著差异。因此对各种PM10与PM2.5的自动监测方法组合在冬、春、夏、秋4个季节的“倒挂”现象分别进行统计分析，PM10射线法(采样管恒温加热)，PM2.5β射线法(采样管采用动态加热系统法)，分析结果见图1、图2，实验期间4个季节的气象条件变化见图3。

摘 要：结合当前我国小学体育教学的情况，分析了小学体育教育中渗透德育教育的现状及问题，从自身的教学经验实践出发，多角度论述了我国小学体育教学渗透德育的对策，希望对今后小学体育教学的发展有所帮助。

图1 不同季节“倒挂”现象出现率统计结果(小时值)

图2 不同季节“倒挂”现象出现率统计结果(日均值)

图3 实验期间4个季节的气象条件

由图1、图2和图3可见，无论PM10与PM2.5采用何种监测方法，冬、夏季节PM2.5与PM10“倒挂”现象出现率相对较高，而春、秋季节“倒挂”现象出现率相对较低。

结合不同季节间的环境条件差异分析，冬、夏季空气相对湿度最高，而春、秋季空气相对湿度最低。表明大气相对湿度对PM2.5与PM10“倒挂”现象的发生率有一定的影响。

1.4 不同颗粒物浓度下的“倒挂”现象分析

将 PM2.5浓度划分为 35 μg/m3以下、35 ～75、75～150、150 μg/m3以上 4 个区间，将采用各种不同PM10与PM2.5监测方法组合时所获得的监测数据进行分析，分析“倒挂”现象发生时PM2.5的浓度区间分布情况，结果见图4(不同方法组合以PM10/PM2.5表示)。

图4 不同方法组合“倒挂”时PM2.5浓度分布

由图4可见，在各种不同的 PM2.5与PM10监测方法组合中，针对PM2.5小时浓度而言，大于150 μg/m3的区间在“倒挂”样本中所占比例最高;对于 PM2.5日均浓度，75～150 μg/m3区间在“倒挂”样本中所占比例最高;小于75 μg/m3区间在“倒挂”样本中所占比例均较低。实验期间PM2.5小时浓度值在 35 μg/m3以下、35 ～75、75 ～150、150 μg/m3以上4个浓度区间的分布比例分别为30%、23%、22%、25%，4个浓度区间的样本量基本相当，表明对各种PM2.5与PM10监测方法组合，均表现为当PM2.5浓度较高时，出现PM2.5与PM10“倒挂”的几率更大。

2 “倒挂”现象原因分析

2.1 测量误差导致“倒挂”

《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统技术要求及检测方法》(HJ 653—2013)与《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统安装与验收技术规范》(HJ 655—2013)中均规定PM10监测仪器与PM2.5监测仪器的测量误差上限为15%［10-11］，因此当特定条件下，环境中PM2.5占PM10的比例较高时(如90%以上)，PM2.5与PM10的浓度本身极为接近(相对偏差小于10%)，由于PM10和PM2.5在自动监测过程中的随机测量误差不可避免，即使各自的测量误差均小于15%，误差本身也可能造成PM2.5与PM10的监测结果发生“倒挂”，这在允许误差范围内，监测结果在实际工作中可以接受。

2.2 PM10与PM2.5监测方法不同导致“倒挂”

目前，PM10与PM2.5常用的监测方法有所不同，对同一时段内采用振荡天平法、β射线法和振荡天平联用膜动态补偿系统法测定PM10与PM2.5的结果进行比较，结果表明，几种不同的监测方法之间测定结果存在明显差异。

分别用振荡天平法、β射线法(采样管恒温加热)和振荡天平联用膜动态补偿系统法同时测定环境空气中的 PM10，所用仪器型号分别为1405A、FH62C14、1405F，测得结果见图 5 和图6。

图5 3种不同方法测得的PM10监测结果(小时值)

图6 3种不同方法测得的PM10监测结果(平均值)

由图5和图6可以看出，对于PM10来说，振荡天平法(1405A)测得的结果最低，β射线法(FH62C14，采样管恒温加热)测得的结果居中，振荡天平联用膜动态补偿系统法(1405F)测得结果最高。实验期间振荡天平法测得结果与β射线法的相对偏差为20.4%，与振荡天平联用膜动态补偿系统法相对偏差为35.3%。

2.2.2 各种监测方法在PM2.5测定中的差异分析

图7 3种不同方法测得的PM2.5监测结果(小时值)

图8 3种不同方法测得的PM2.5监测结果(平均值)

分别用振荡天平法、β射线加动态加热系统法和振荡天平联用膜动态补偿系统法同时测定环境空气中的 PM2.5，实验所用仪器型号分别为1405A、SHARP5030、1405F，测得结果见图 7 和图8。由图7和图8可见，对于PM2.5来说，振荡天平法(1405A)测得的结果最低，而β射线加动态加热系统法(SHARP5030)与振荡天平联用膜动态补偿系统法(1405F)测得结果基本相当。实验期间振荡天平法测得结果与β射线法相对偏差为26.5%，与振荡天平联用膜动态补偿系统法的相对偏差为27.0%。

2.2.3 β射线法恒温加热与动态加热差异分析对于β射线法而言，在监测过程中为防止采样管结露对测量结果造成影响，通常需要将采样管加热。但是目前PM10监测仪与PM2.5监测仪的采样管加热方式并不一致。PM10采用了恒温加热方式，将采样管及采样平台加热至40℃，而在PM2.5监测过程中采用了采样管动态加热技术，即根据样气湿度的大小自动调节采样管加热温度。分别采用恒温加热方式和动态加热方式同时测定环境空气中PM10和PM2.5，实验所用仪器型号分别为 FH62C14、SHARP5030，测得结果见图9～图12。

图9 恒温加热与动态加热测得的PM10结果(小时值)

图10 恒温加热与动态加热测得的PM10结果(平均值)

图11 恒温加热与动态加热测得的PM2.5结果(小时值)

图12 恒温加热与动态加热测得的PM2.5结果(平均值)

由图9～图12可以看出，分别用 β射线法(FH62C14，采样管恒温加热)和β射线法(SH ARP5030，采样管动态加热)测定 PM10和 PM2.5，采样管恒温加热时的监测结果均低于采样管动态加热时，两者之间相对偏差分别为7.7%和10.8%。

2.2.4 不同监测方法间差异原因分析

国际上常用的PM10和PM2.5监测方法主要有振荡天平法、振荡天平联用膜动态补偿系统法和β射线法。振荡天平法在测量过程中为了防止空气中水分对测量过程的影响，需将采集样品后的滤膜加热并保持在50℃，在此过程中将会使颗粒物中的部分挥发性组分挥发而造成损失;而振荡天平联用膜动态补偿法，由于增加了样气除湿装置，所以不需将样品高温加热，同时利用补偿系统对挥发性组分的挥发损失进行了补偿，因此振荡天平法联用膜动态补偿法后测得结果高于振荡天平法。

对于β射线法，采样管采用恒温加热时，加热温度过高也将造成颗粒物中挥发性组分的损失;而采用动态加热时，可以根据空气中相对湿度的大小自动调节加热温度，在防止采样管结露的同时，最大限度地减少了采样管加热造成的挥发性组分损失，因此测得结果高于恒温加热法。

目前，国内外对于PM10的自动监测方法尚没有统一，如在美国获得认可的PM10自动监测方法是振荡天平法［12］，而在英国则是振荡天平法联用膜动态补偿系统法［13］。随着人们对颗粒物自动监测技术认识的深入，开展PM2.5自动监测时，国内外普遍要求采用振荡天平联用膜动态测量系统法和β射线加动态加热系统法。

前述PM10与PM2.5不同监测方法比较结果表明，振荡天平法、β射线法、振荡天平联用膜动态补偿系统法之间本身存在显著偏差。

在中国，环境空气质量标准要求的PM10与PM2.5自动监测方法有2种，即振荡天平法和β射线法［1］，并未规定对挥发性组分的补偿方式和采样管的加热方式。在国家环境空气监测网能力建设中仅要求了PM2.5的监测方法为振荡天平联用膜动态补偿系统法、β射线加动态加热系统法，而对PM10的监测方法并没有做出明确要求。目前，采用振荡天平法和β射线法(采样管恒温加热)测定PM10时，受管路、测量室加热等影响，测量结果偏低。而采用振荡天平联用膜动态补偿系统法和β射线加动态加热系统法测定PM2.5时，测定结果得到补偿，因此监测方法之间的差异可能会导致“倒挂”。

3 结论与建议

1)环境空气中颗粒物PM2.5与PM10采用不同原理的监测方法组合时，“倒挂”现象出现率存在一定差异。当PM10采用振荡天平法时，“倒挂”现象发生率明显高于PM10采用β射线法的结果;当PM10与PM2.5均采用β射线法时“倒挂”现象出现率最低;而当PM10采用振荡天平联用膜动态补偿系统法时，无论PM2.5采用何种方法，未出现“倒挂”现象。不同季节中冬、夏季PM2.5与PM10“倒挂”现象出现率较高;而春、秋季出现率较低。分析表明空气相对湿度和温度对“倒挂”现象的发生有一定影响。

2)导致PM2.5与PM10发生“倒挂”的原因，一是当PM2.5占PM10比例较高时，测量过程中的误差可能导致“倒挂”现象发生，但此时误差在允许范围之内，监测结果可以接受;二是当PM2.5与PM10采用不同原理的监测仪器和方法时，监测仪器和方法之间的差异可能导致“倒挂”现象发生，而不同原理的监测方法对样品温度、湿度的校正程度不同，以及对挥发性组分的补偿程度不同可能是造成监测结果差异的主要原因。

3)考虑到不同方法之间的差异性，建议在中国开展PM10与PM2.5监测时，尽可能选用同样原理的自动监测设备，各地可根据具体情况，同时选用振荡天平联用膜动态补偿系统法或β射线加动态加热系统法，以避免出现“倒挂”现象，保证PM10与PM2.5监测数据的可比性。

［1］GB 3095—2012 环境空气质量标准［S］．

［2］张宇烽．PM2.5和 PM10监测数据“倒挂”成因浅析［J］．广东化工，2013，40(12):170-171．

［3］解淑艳，王晓彦，吴迓名，等．环境空气中PM2.5自动监测方法比较及应用［J］．中国环境监测，2013，29(2):150-155．

［4］齐文启，陈光，孙宗光，等．大气颗粒物监测分析及今后研究课题［J］．中国环境监测，2003，19(1):50-62．

［5］但德忠．环境空气PM2.5监测技术及其可比性研究进展［J］．中国测试，2013，39(2):1-5．

［6］傅敏宁，郑有飞，徐星生，等．PM2.5监测与评价研究进展［J］．气象与减灾研究，2011，34(4):1-6．

［7］潘本锋，汪巍，王瑞斌，等．我国PM2.5监测网络布局与监测方法体系构建策略分析［J］．环境与可持续发展，2013(3):9-13．

［8］鲍雷．BAM1020大气颗粒物PM10监测仪介绍及日常维护经验［J］．中国环境监测，2002，18(6):56-59．

［9］张建荣，宋福明．RP1400A大气颗粒物PM10监测仪的日常维护经验［J］．中国环境监测，2001，17(4):48-49．

［10］HJ 653—2013 环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统技术要求及检测方法［S］．

［11］HJ 655—2013 环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统安装与验收技术规范［S］．

［12］US EPA．List of Designated Reference and Equivalent Methods［R］．North Carolina:US EPA，2012．

［13］UK Environment Agency．M8 Monitoring Ambient Air Version 2［R］．London:UK Environment Agency，2011．