太原市PM2.5和PM10质量浓度的变化特征

鹿利燕 暴澍盛(.山西农业大学信息学院，山西 太谷 030800；.阳城县皇城相府(集团)实业有限公司，山西 阳城 0480 )

太原市PM2.5和PM10质量浓度的变化特征

鹿利燕1暴澍盛2
(1.山西农业大学信息学院，山西 太谷 030800；2.阳城县皇城相府(集团)实业有限公司，山西 阳城 048102 )

为了了解太原市PM2.5、PM10的污染水平变化情况及其相关关系，本文基于太原市颗粒物自动监测数据，对太原市2015年12月-2016年11月PM2.5、PM10质量浓度进行分析。分析发现：PM2.5和PM10日均质量浓度变化幅度较大，但其变化趋势非常相似；PM2.5和PM10月均质量浓度均超过年均二级标准，特别是秋季最为严重；PM2.5、PM10小时平均质量浓度呈双峰现象；ρ( PM2.5)与ρ(PM10)相关系数为0.9371，ρ( PM2.5)/ρ(PM10)在0.5-0.6之间出现的频率最高达30.33%。

PM2.5；PM10；太原市；质量浓度

PM10和PM2.5具有吸附性，常吸附一些有害气体和具有致癌性的碳氢化合物，是多种有害物质的载体，对人体危害较大。较之PM10，PM2.5粒径愈小愈不易沉降，愈易进入深部直达肺泡壁，又因其表面吸附能力较强，往往吸附着更多的有毒气体、金属及其他化合物，对健康危害更大；历史上重大公害事件比利时马斯河谷事件、美国多诺拉事件、英国伦敦烟雾事件、美国落杉矶光化学烟雾事件、日本四日市哮喘事件，均有PM10和PM2.5的直接或间接作用。除对人体健康有重大影响外，PM10、PM2.5还影响大气能见度，在2012年冬季大中城市相继上演的《雾都茫茫》中扮演着重要角色[1]。鉴于PM10、PM2.5对人体健康和大气环境质量的重要影响作用，世界上许多国家都将其定为空气质量监测的重要指标，我国最早于1982年将PM10(此时名为为飘尘)作为参考项目纳入大气环境质量监测体系，于1996年修订为可吸入颗粒物(PM10)[2]；于2012年将PM2.5纳入大气环境强制性监测指标，对PM10、PM2.5年平均、24小时平均进行了质量浓度限值规定，PM10二级年平均、24小时平均浓度限值分别为70μg/m3和150μg/m3，PM2.5二级年平均、24小时平均浓度限值分别为35μg/m3和75μg/m3[3]。

山省省太原市是我国重要的能源重化工基地，东、西、北部三面环山，地理位置不利于大气污染物扩散，一度被列为全国大气环境污染最重城市之一，其中PM10(可吸入颗粒物)在2007-2012年作为首要污染物出现频次较高[4]，2005年冬、2006年春季PM2.5小时平均质量浓度达247.6μg/m3，且变化为双峰双谷型[5]，2014年采暖前后大气常规污染物的单因子污染指数均以PM2.5最大[6]。本文基于颗粒物自动监测数据，对两者质量浓度变化特征及关系进行分析，以期了解太原市2015年12月至2016年11月PM2.5、PM10的质量浓度变化特征，为以后的深入研究提供参考。

1 数据来源

本文数据取自太原市8个监测点位，分别为上兰(清洁对照点)、南寨、坞城、小店、尖草坪、晋源、桃园、金胜，自动监测点位覆盖面广，所测数据能代表太原市整体大气质量状况，监测系统由太原市环境监测中心站统一运行管理，气象资料来自山西观象台的的常规气象监测。分析时段为2015年12月-2016年11月。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5和PM10质量浓度随时间的变化

将2015-12-1—2016-11-30期间监测的ρ (PM2.5)和ρ(PM10)小时平均值转换为日平均，共计366个样本，并将其随时间的变化做图，如图1。由图1可看出，PM2.5和PM10日平均质量浓度变化范围均较大，这与污染源不同时段不同的排放情况密切相关，除此之外还与每天不同的气温、风力、雨雪沉降、湿度等天气状况[7-8]有关；PM2.5、PM10整体变化趋势类似，呈现很好的相关性。为了更好的理解PM2.5和PM10的污染特征，将两者的日平均的统计参数列于表1。

从表1可看出，PM2.5和PM10最大日均质量浓度是平均日均质量浓度的4.3和3.4倍；按24小时平均质量浓度二级标准，PM2.5超标日平均质量浓度为125.2μg/m3，超标天数占总样本数的25.4%，超标日均值为标准值的1.7倍；PM10超标日平均值为217.9μg/m3，超标天数占总样本数的24.9%，超标日均值为标准值的1.5倍。PM2.5和PM10空气质量分指数最大值分别为316.9和291.6，依据空气质量指数标准分别属于严重和重度污染；PM2.5和PM10超标时间几近同步，依据24小时平均质量浓度二级标准2015年12月-2016年11月366天内太原市有93天出现PM2.5、PM10轻、中、重度甚至严重污染。

图1 PM2.5和PM10日均质量浓度变化

平均值(μg/m3)最大值(μg/m3)标准偏差(μg/m3)全部样本数/d超标日平均值/(μg/m3)超标天数/d超标天数占全部样本数的比例/%95%置信区间(μg/m3)PM2.562.4266.946.7366125.29325.457.6-67.2PM10121.7414.170.7366217.99124.9114.5-129.0

受污染源及气象条件等多种因素的影响，不同月份之间颗粒物污染情况也存在差异。将PM2.5和PM10每月质量浓度参数统计列于表2。由表2可看出2015.12-2016.10间太原市PM2.5、PM10月均质量浓度均超过年均二级标准，其中PM2.5单独以首要污染物出现次数为3次，PM10单独以首要污染物出现次数为5次，两者同时以首要污染物出现次数为2次，这表明PM2.5、PM10对太原市空气质量影响大，污染比较严重，应引起公众和相关职能部门的注意。

表2 2015年12月-2016年11月PM2.5、PM10月参数统计

太原市地处大陆内部，属暖温带大陆性季风气候，冬季干冷漫长，夏季湿热多雨，春季升温急剧，秋季降温迅速，春秋两季短暂多风，干湿季节分明，季节气候差异明显，将表2参数按照冬季12月至次年2月、春季3-5月、夏季6-8月、秋季9-11月进行划分，分析发现冬季PM2.5和PM10均值分别为69.88μg/m3、116.2μg/m3，24小时平均二级超标天数分别为33和24天，12月份PM2.5、PM10超标严重，超标天数占样本比例达64.5%和58.1%；1月份PM2.5污染情况也较为严重，均值为63.7μg/m3，超标天数为10天，PM10均值107.3μg/m3稍大于日均值，但超标天数仅4天，集中于1-3日及21日；2月污染均值及超标天数开始回落。春季PM2.5和PM10均值分别为53.55μg/m3、126.87μg/m3，24小时平均质量浓度二级超标天数分别为15和25天，3月份PM2.5、PM10污染严重，超标天数均为11天，集中于12-22日；4、5月份 PM2.5、PM10污染水平相当，质量浓度变化范围基本一致，PM2.5均值小于整体平均值，PM10均值大于整体平均值，污染严重。夏季PM2.5和PM10均值分别为50.24μg/m3、99.32μg/m3，24小时平均质量浓度二级超标天数分别为3和1天，6、7月份PM2.5污染水平相当，均值小于整体平均值，6月份PM10平均质量浓度大于7月份平均质量浓度，且均大于整体均值，8月份仅1天PM2.5二级超标；秋季PM2.5和PM10均值分别为83.7μg/m3、158.9μg/m3，24小时平均质量浓度二级超标天数分别为40、41天，11月份污染情况最为严重，中度及中度以上污染天数达分别达15、11天；10月份颗粒物污染情况也较为严重，PM2.5、PM10超标天数达12、13天；9月份PM2.5均值略低于整体均值，但超标比例比整体样本超标率稍高，PM10均值略高于整体均值，但超标比例比整体样本超标率稍低。

结合质量浓度和污染天数，PM2.5污染情况由重到轻为秋季>冬季>春季>夏季，PM10污染情况由重到轻为秋季>春季>冬季>夏季，秋季PM2.5和PM10污染情况最为严重，主要是因为秋冬之交，太原开始启动取暖装置，各种煤炭、火电等都会产生许多的废气和尾气，颗粒物浓度上升，加之天气冷热交融易多雾，无大风及强气流变化，植被枯萎凋谢，细颗粒物易聚积难以稀释和消解，故秋季颗粒物污染情况严重；春季干旱多风，且风速较大，地面植被稀少，大风会卷起途径地带和当地的颗粒物特别是粗粒子，导致PM10浓度升高；冬季逆温层厚度大，出现频率高不利于污染物扩散且形成早消失晚，细颗粒物极易聚集，但受外来冷空气影响，逆温层受到破坏有利于污染物扩散，所以冬季颗粒物污染程度波动较大，PM2.5、PM10质量浓度波动幅度分别达261.4μg/m和384.5μg/m3，远大于其他三个季节；夏季地表植被茂盛，覆盖率高，较频繁的降雨及大风天气，有利于颗粒物的扩散和清除，所以夏季颗粒物浓度最低。

2.2 PM2.5和PM10小时平均质量浓度变化

PM2.5、PM10小时质量浓度值变化范围较大，最大小时质量浓度分别为时均质量浓度的3.0和2.7倍；图2为PM2.5、PM10小时平均质量浓度变化曲线。

图2 PM2.5和PM10小时平均质量浓度变化曲线

从图2中可以看出，PM2.5、PM10小时平均质量浓度整体变化趋势为在清晨开始增加，到10点达一高峰值，中午开始回落，下午16点左右均变得相对很低，然后浓度再次增大，午夜至凌晨1点达夜间峰值。主要是因为上午上班高峰期汽车尾气排放总量大，气象条件不利于尾气扩散，颗粒物浓度聚积至10点达一高峰值。下午地面经一天的热量积累温度高于高空温度，地面空气易携带污染物质到高空扩散，所以该时段内颗粒物质量浓度最低。夜间高峰出现主要是因为夜间逆温层出现，使颗粒物蓄积不易扩散所致。

2.3 ρ( PM2.5)、ρ(PM10)的关系

许多研究表明[9-10]PM2.5和PM10质量浓度呈极显著线性关系。本文ρ( PM2.5)与ρ(PM10)相关关系如图3所示，回归方程为ρ( PM2.5)=0.619ρ(PM10)-12.95，相关系数r为0.9371，属于高度相关。

图3 ρ( PM2.5)与ρ(PM10)相关性曲线

ρ( PM2.5)/ρ(PM10)反映了可吸入颗粒物中细颗粒物的含量，2015年12月-2016年11月ρ( PM2.5)/ρ(PM10)范围介于0.17-0.81，均值为0.49，以0.1为间隔，统计分析时段内ρ( PM2.5)/ρ(PM10)出现的频率，如图4。

图4 ρ( PM2.5)/ρ(PM10)频率分布图

由图4可见，ρ( PM2.5)/ρ(PM10)在0.5～0.6之间出现的频率最高(30.33%)；0.4～0.5之间出现的频率次之(22.95%)；0.3～0.4及0.6～0.7出现频率相当，分别为18.03%和17.76%。

3 结 论

、鉴于PM10和PM2.5不仅对人体健康有重大影响，同时还严重影响大气能见度，我国于2012年将PM2.5纳入大气环境强制性监测指标，对PMv10、PM2.5年平均、24小时平均进行了质量浓度限值规定。山省省太原市是我国重要的能源重化工基地，地理位置不利于大气污染物扩散，一度被列为全国大气环境污染最重城市之一。本文基于颗粒物自动监测数据，对两者质量浓度变化特征及关系进行分析，以期了解太原市2015年12月至2016年11月PM2.5、PM10的质量浓度变化特征，为以后的深入研究提供参考。研究表明，2015年12月至2016年11月期间，太原市PM2.5和PM10日均质量浓度分别为62.4μg/m3、121.7μg/m3，变化幅度较大，但变化趋势相似，有很好的相关性；PM2.5和PM10月均质量浓度均超过年均二级标准，特别是秋季最为严重；PM2.5、PM10小时平均质量浓度呈双峰现象，一个峰出现于上午，一个峰出现于夜间；ρ( PM2.5)与ρ(PM10)相关系数为0.9371，属于高度相关；ρ( PM2.5)/ρ(PM10)均值为0.49，在0.5～0.6之间出现的频率最高达30.33%。

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Characteristics of Mass Concentration Variations of PM2.5and PM10in Taiyuan City

LU liyan1BAO Shusheng2
(1.College of Information，Shanxi Agricultural University，Shanxi Taigu 030800； 2.Yangcheng County Royal Prime Minister’s Palace (Group) Co.，Ltd，Shanxi Yangcheng 048102)

In order to know the change of the pollution level of PM2.5，PM10and their correlation in Taiyuan city ，and based on the data obtained from Taiyuan automatic monitoring station，the analysis was made on the mass concentration variations of PM2.5and PM10in Taiyuan city from December 2015 to November 2016 ，it is found that daily mass concentration of PM2.5and PM10varied greatly in a large range ，but they had Similar trends；monthly concentration of PM2.5and PM10exceeded the annual average secondary standard，the most serious pollution occurred in autumn；hourly mass concentration of PM2.5and PM10appeared two peaks in the day respectively；the correlation coefficients of mass concentration of PM2.5and PM10was 0.9371；the mass concentration ratio of PM2.5to PM10between 0.5 to 0.6 appeared the most that the frequency was 30.33 percent.

PM2.5；PM10；Taiyuan city；Mass Concentration

鹿利燕，硕士研究生，助教，主要研究方向为环境质量评价与环境监测。

X823

A

1673-288X(2017)01-0058-04

引用文献格式：鹿利燕 等.太原市PM2.5和PM10质量浓度的变化特征[J].环境与可持续发展，2017，42(1)：58-61.