太原市细颗粒污染物PM2.5的时空变化特征及其户外锻炼决策的研究

韩业林，王 飞

太原市细颗粒污染物PM2.5的时空变化特征及其户外锻炼决策的研究

韩业林，王 飞

目的：探究太原市细颗粒污染物PM2.5的时空变化规律并据此提出相应的运动决策建议。研究方法：本文采取文献资料法和数据分析法，在探讨了细颗粒污染物PM2.5对运动人体存在特殊健康风险的基础上，分析了2014-2015年太原市PM2.5浓度的时空变化特征及规律。研究结果：太原市PM2.5的污染情况，冬季污染程度最高，而夏季最低；仅处于冬季上风区及新城区的上兰站点和涧河站点污染情况较轻；工作日PM2.5的污染情况较重；PM2.5污染情况在早晨和午后的污染情况比较严重。结论：运动中，呼吸方式的改变，呼吸频率的增加，肺扩散能力增强，使得运动人群更容易受到PM2.5伤害；太原市PM2.5存在明显时空差异，故太原市范围内的人群进行户外锻炼时，应尽量减少秋、冬季和工作日以及早晨外出锻炼次数。 关键词：PM2.5；损伤机制；时空特征；运动建议 Abstract: The temporal and spatial variation of fine particulate matter PM2.5 in Taiyuan is investigated and the corresponding motion decision suggestions are put forward. In this paper, literature data and data analysis are used to analyze PM2.5 concentration in Taiyuan during the period from 2014 to 2015 on the basis of discussing the special health risk of PM2.5 and the rule. The results show that PM2.5 pollution in Taiyuan has the highest pollution degree in winter and the lowest in summer. The pollution situation of PM2.5 in Shanglang and Jianhe is only in the upper wind zone and new city area in winter. Pollution situation of PM2.5 is more serious in the morning and afternoon. Conclusion: During the exercise, the changes of breathing patterns, the increase of respiratory rate and the ability of lung diffusion make the sports people more vulnerable to PM2.5 injury. There are obvious temporal and spatial differences in PM2.5 in Taiyuan, so the crowd in Taiyuan city is outdoor Exercise, should try to reduce the autumn, winter and working days and the number of morning outings. Key words: PM2.5; damage mechanism; temporal-spatial characteristic; exercise suggestion

前言

近年来，进行户外体育锻炼的人数日益增多，但与此同时，大量化石燃料的使用导致大气污染问题也变得尤为突出，其中以气溶胶形式悬浮在空气中的大气细颗粒污染物( particulate matter 2.5，PM2.5) 更是成为城市首要污染物[1]。PM2.5特指空气中空气动力学直径小于2.5μm的大气颗粒污染物( particulate matter，PM)，PM2.5表面上吸附大量有害物质，且极为细小，人体对其过滤、阻拦能力很弱，粒径小于0.1μm的PM2.5更可直接进入血液循环，到达全身器官、组织[2]。流行病学证据显示，于大气颗粒污染物中暴露与人群死亡率增加有关[3]，PM2.5的浓度长期高于10μg·m-3时，普通人群死亡风险就会上升，浓度每增加10μg·m-3，总死亡风险会上升4%，得心肺疾病的死亡风险上升6%，得肺癌的死亡风险上升8%，对免疫系统、生殖系统等也有着不可忽视的影响[4-6]。

在运动过程中，由于运动人体呼吸方式的改变、呼吸频率的增加以及肺扩散能力增强[7, 8]，会加剧PM2.5对人体的伤害[9, 10]，暴露于同等PM2.5浓度条件下，运动者吸入的有害物量是安静状态者的数倍乃至十几倍[11-14]。鉴于无法短时改变污染现状，通过探究PM2.5时空变化规律，在一定范围内用于指导户外锻炼的时间、地点的安排，以协调污染和运动这对矛盾，进而更好的促进身体健康，显得迫切而必要。作为传统重工业城市，太原市长期以来形成了以煤炭初加工和能源产业为主导的产业结构，在同类工业城市中极具代表性。故以太原市作为研究对象来探索PM2.5的时空变化规律，并提出的相应运动决策建议，以协调污染和运动的矛盾，对同类工业城市而言有较好的借鉴意义。

1 太原市PM2.5污染数据的采集与分析方法

1.1 监测数据的采集

图一为太原市十个监测点的分布图，基本覆盖了太原市全区。本文采集了十个监测点在2014年2月7日到2016年2月9日两年的数据，样品分析依据中国环境空气质量标准(GB3905-2012)[15]。

图一 研究区域监测点分布地图

站点名称有效天数缺失天数缺失比例太原73300尖草坪72670.96%涧河72560.82%上兰73030.41%晋源73300小店73210.14%桃园73030.41%坞城73120.27%南寨72940.55%金胜73120.27%

各监测点数据缺失情况如表1所示，两年内，各站点数据缺失比例仅为0.14%—0.96%，同时，缺失值用缺失日期前后3天监测的平均值进行替代。

1.2 数据的分析方法

太原市各监测点PM2.5浓度时空变化的热图(Heat Map)图谱分析均采用R语言“pheatmap”包pheatmap函数来做成的，热图中各监测点之间的聚类划分是基于各检测点PM2.5浓度的欧式距离来确定的，由pheatmap函数自动完成。

2 太原市PM2.5空间与季节变化特征的分析及运动建议

2.1 PM2.5的空间与季节特征的统计分析

图二为太原城区10个监测点PM2.5日浓度时空变化的热图，图中渐进的颜色梯度代表了污染的严重程度，颜色越深PM2.5污染越严重。图二已基于各监测点数据欧式距离的相关性自动进行了聚类。

图二 太原市大气细颗粒污染物PM2.5空间与季节变化热图

从空间上看，小店、晋源、坞城站点被划分为一类(GroupⅠ)，该类所含站点处于城市冬季下风区；南寨、金胜、尖草坪、桃园、太原站点被划分为一类(GroupⅡ)，属于城市繁荣区和传统重工业区；涧河、上兰站点被划分为一类(GroupⅢ)，属于城市新兴区和城市冬季上风区。图中可见，GroupⅢ所包括的站点的污染情况要明显比GroupⅠ和GroupⅡ所包含的站点的污染程度要轻，造成这一现象的原因可能是GroupⅢ所含站点属于城市新兴区人类生产活动相对不频繁，污染物排放比较少，加之，又处于冬季上风区，避免了风将城市繁荣区和重工业区的产生的大量污染物吹向这里。

从季节上看，在2014 年2月到5月(对应的季节为冬季和春季)，2014年10月到2015年1月(对应的季节为秋季和冬季)，以及2015 年11月—2016年1月对应的季节为秋季和冬季)这三个时间段PM2.5色块的颜色明显偏深，说明PM2.5污染情况比较突出，同时，两年春夏交替，夏季，夏秋交替所在的月份色块颜色比较浅，说明PM2.5污染情况相对比较轻微，即，太原市PM2.5污染情况在季节上尺度上表现为，深秋，冬季，初春污染程度比较严重，而春末，夏季，初秋污染程度比较轻微。

2.3 运动建议

身处太原的人群应对自身所处城市的位置有个基本的判断，身处城市繁荣区，传统重工业区以及冬季下风区的人群在选择外出锻炼时需格外注意PM2.5的污染情况；与此同时，由于太原市不同季节PM2.5污染情况有明显差异，故人们在选择外出锻炼时应尽量减少在深秋，冬季，初春季节外出锻炼的次数，若外出锻炼，务必做好针对PM2.5污染的防范措施。

3 PM2.5周与天的变化特征及运动建议

3.1 PM2.5一周内的变化特征

人们在选择户外锻炼时间时，往往会以周为单位进行一些计划安排，并且会具体到一天中的某个时段，因此，为了便于更好对人们户外锻炼时间上提供决策建议，特对PM2.5做了周和天尺度上的热图，图三和图四。

图三 太原市大气细颗粒污染物PM2.5周变化特征热图

由图三可以看出PM2.5污染程度在一周内有着显著的区别，周天的污染情况在多数时候要比其它几天的污染程度相对要轻，而周二、周三、周四的污染情况多数时候在一周中最为严重，而这三天恰好处于一周工作日的中间位置。

由图四可以看出，早晨6点左右和下午14点左右，PM2.5的污染情况明显比其他时段要严重，上午和傍晚的PM2.5的污染情况较为轻微。

图四 太原市大气细颗粒污染物PM2.5日变化特征热图

3.2 运动建议

身处太原的人群在安排一周内的户外锻炼计划时，尽量避开工作日中的周三、周四、周五，最好将外出锻炼时间安排在周末，这样可以有效的避开污染的高峰期，同时，在安排一天内的锻炼时间时宜尽量不要选择在早晨和午后，在此情况下，人们选择上午和傍晚更为有利，再考虑到工作时间问题，选择在傍晚进行锻炼可能是最合适的。

4 结论

1.PM2.5因其极为细小，且表面上吸附大量有害物质，故，对人体健康有严重的伤害；与此同时，由于运动过程中，呼吸方式的改变，呼吸频率的增加，肺扩散能力增强，使得运动人群较普通人群更容易受到PM2.5伤害。

2.太原市PM2.5污染情况，在空间尺度上处于冬季上风区及新城区的上兰站点和涧河站点PM2.5污染情况要明显优于处于冬季下风区和人类频繁活动区的其它站点；在季节上尺度上深秋，冬季，初春污染程度比较严重，春末，夏季，初秋污染程度比较轻微；在周的尺度上，工作日污染程度较严重，而周天的污染情况最为轻微；在天的尺度上，早晨和午后比较严重，上午和傍晚则相对较为轻微。

3．身处城市繁荣区，传统重工业区以及冬季下风区的人群在选择外出锻炼时需格外注意PM2.5的污染情况，尽量减少在深秋，冬季，初春季节外出锻炼的次数，最好将外出锻炼时间安排在周末及傍晚。

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Study on Temporal and Spatial Variation of Fine Particle Pollutants PM2.5 in Taiyuan and Its Outdoor Exercise Decision

Han Yelin，Wang Fei

高校学生体质健康数据的模式识别及可视化研究(项目编号：2016218)

韩业林(1990-)，男，在读硕士研究生，研究方向：运动人体科学。

山西大学体育学院，山西 太原 030006 Physical Education Department of Shanxi University, Taiyuan 030006, Shanxi, China.

G812

A

1005-0256(2017)02-0046-3

10.3969/ j.issn.1005-0256.2017.02.019