中国北方典型中小盆地城市大气颗粒物污染特征及趋势对比

彭 洁，董发勤,2，霍婷婷，李海龙，李冬坤

(1. 西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010； 2. 西南科技大学 固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川 绵阳 621010)

近年来，随着我国经济的快速发展及城市化进程加剧，大气气溶胶的污染状况日益严重，中国严重的气溶胶污染问题已越来越引起全世界的广泛关注(肖悦等，2018)。基于2016年中国361个城市空气质量数据分析，发现全国空气质量在空间变化上整体呈现出由南到北逐渐下降的趋势，PM10(粗颗粒物)与PM2.5(细颗粒物)成为北方城市气溶胶污染的罪魁祸首(彭艳梅等，2013； 郑润琴，2015)。PM10与PM2.5对人体和环境的危害很大，尤其是PM2.5，能够通过鼻腔进入人体肺泡和血液中，对呼吸系统、心血管等系统产生不利影响，从而诱发各种呼吸道疾病和癌症(Kongetal.，2013)。气溶胶颗粒物还能吸收和散射太阳光线，减小地球表面的热通量，降低能见度，导致灰霾现象日益增多等。因此，开展大气颗粒物污染特征，找寻大气颗粒物污染变化规律，对进一步研究气溶胶颗粒物污染具有重要意义。

近年来，许多学者对城市环境空气中大气颗粒物的污染及变化进行了研究。大气颗粒物可以经历成核、凝结、化学老化、溶解-沉淀等大气过程，产生复杂的多组分气溶胶，还会引发非均相化学反应(Anetal.，2013)。颗粒物中的矿物颗粒作为大气环境中最活跃的气溶胶粒子(Sossoetal.，2016)，既是大气颗粒物的重要组成，又可以为二次颗粒物的形成提供活性场所。Duan等(2006)在对北京市PM2.5质量浓度变化特征的研究中发现，细颗粒物浓度2月和10月为全年最高，白天PM2.5质量浓度显著低于夜间，且PM10和PM2.5日均浓度变化均呈现“W”型。细颗粒物与可吸入颗粒物浓度比值为冬季最高而春季最低，这可能是由于北方城市冬季采暖对细颗粒物的贡献更大，春季多沙尘天气而对粗颗粒物的贡献更为明显(杨复沫等，2002)。兰州PM2.5、PM10超标率分别为32.3%～167.7%和23.1%～48.0%，其中细颗粒物在粗颗粒物中的占比一直高于60%，细颗粒物污染状况严重(瞿德业等，2013)。冬季贵阳城区的PM10和PM2.5浓度较郊区更高，相关性分析发现二者污染来源大致相同(王永红等，2016)。

随着《环境空气质量标准》(GB3095-2012)、《大气污染防治行动计划》即“大气十条”、《打响蓝天保卫战三年行动计划》等一系列大气污染防治措施的出台，我国大气污染治理总体上成效显著，2017年全国338个地级及以上城市可吸入颗粒物平均浓度比2013年下降22.7%，京津冀、长三角、珠三角区域细颗粒物平均浓度比2013年分别下降39.6%、34.3%、27.7%。但我国北方中西部地区颗粒物污染形势仍然不容乐观，较严重的污染主要集中在盆地城市，包括兰州、银川、临汾、太原、南阳。2016年，兰州、银川、临汾、太原PM2.5浓度相比2015年上升了3.8%、9.8%、25.4%、6.5%，其中，临汾继2016年PM2.5不降反升、未达到年度目标后，2017年PM2.5年均浓度继续上升12%至83 μg/m3(亚洲清洁空气中心，2016(1)亚洲清洁空气中心. 2016. 大气中国： 中国大气污染防治进程.)；南阳市受盆地地形以及城市自身发展的影响，从2013年以来雾霾次数不断增多，持续时间不断增长，据当地环境公报显示，细颗粒物是南阳的首要污染物，其次为可吸入颗粒物(尹延震等，2018)。

目前，对大气颗粒物污染特征的研究常是局限于单个城市或特定时段的污染特征，结合盆地地形、多年度及多个城市的系统分析研究尚不多见。本研究选取兰州、银川、临汾、太原、南阳5个城市作为我国北方中小型盆地城市代表，利用中国空气质量在线监测分析平台发布的数据，分析5个城市2014～2018年PM2.5和PM10的浓度变化规律，并初步探讨造成其浓度变化差异的原因，建立PM2.5和PM10的相关性分析回归方程式，以反映其PM10与PM2.5的污染状况以及整体污染趋势，为全面衡量其PM10与PM2.5污染情况提供理论支持。

1 数据来源与评价标准

1.1 数据来源

数据来源于中国空气质量在线监测分析平台，网址https://www.aqistudy.cn/historydata/monthda-ta.php?city=。

1.2 评价标准

执行《环境空气质量标准》(GB3095-2012)二级标准，PM2.5日均浓度值标准为75 μg/m3，年均浓度值标准为35 μg/m3；PM10日均浓度值标准为150 μg/m3，年均浓度值标准为70 μg/m3。

2 2014～2018年颗粒物超标状况

2.1 PM10和PM2.5年平均浓度超标率分析

如图1所示，2014～2018年除2018年银川PM2.5浓度达标之外，其余情况均超标。通过对比PM10和PM2.5年均浓度超标率，发现兰州和银川PM10浓度超标率高于PM2.5浓度超标率，兰州PM10和PM2.5浓度超标率总体呈递减的趋势，银川PM10浓度超标率总体呈递减趋势，而PM2.5浓度超标率不降反增；临汾和南阳PM2.5浓度超标率高于PM10浓度超标率，南阳PM10和PM2.5浓度超标率总体呈逐年递减趋势，2018年PM2.5浓度超标率出现回升；临汾PM10呈逐年递增趋势；临汾PM2.5、太原PM10和PM2.5浓度超标率波动不大，逐年稳定维持在一个高超标率数值附近。由此可见我国北方中小盆地城市PM10和PM2.5污染情况还相当严峻，不容乐观。

图 1 2014～2018年兰州、银川、临汾、太原、南阳PM10和PM2.5年平均浓度超标率Fig. 1 Excess ratio of annual average PM10 and PM2.5 concentrations in the basins of Lanzhou, Yinchuan, Linfen, Taiyuan and Nanyang during 2014～2018

2.2 年均PM10和PM2.5浓度超标天数分析

5个中小盆地城市2014～2018年PM10和PM2.5浓度超标天数如表1。由表1可知，2014～2018年5个小盆地城市PM10和PM2.5浓度超标天数在12至152天不等，5年内PM10平均超标天数比率(剔除无效数据后，超标天数/全年总监测天数即为一年的超标天数比率，再取5年的平均值)为：兰州18.92%、银川13.80%、临汾17.76%、太原28.36%、南阳24.66%，5年内PM2.5平均超标天数比率为： 兰州14.50%、银川11.90%、临汾29.1%、太原29.66%、南阳29.60%，由此可见，我国北方5个中小盆地城市PM10和PM2.5污染天数均占据相当大的比例，大气颗粒物污染态势不容忽视。

表 1 PM10及PM2.5浓度超标天数 天Table 1 The number of days when PM10 and PM2.5 exceeded the standard

3 颗粒物浓度的时间变化特征

3.1 年变化特征

如图2所示，5个城市空气质量总体偏差。2014～2018年5市PM10和PM2.5年平均浓度变化特征具有明显的差异，兰州、银川和南阳PM10和PM2.5年平均浓度整体呈逐年下降趋势，南阳下降最明显，与2014年相比，南阳2018年PM10浓度下降36.88%、PM2.5浓度下降34.85%，说明南阳颗粒物污染治理成效显著，这得益于2013年来国家实施的一系列大气污染防控措施，不断强化对机动车尾气、工业废气、道路和工地扬尘、燃煤锅炉等方面的治理(陈芳等，2019)。临汾PM10和PM2.5年平均浓度总体呈逐年上升趋势，相比2014年，2018年PM10浓度上升了30.10%、PM2.5浓度上升13.02%；太原PM10和PM2.5年平均浓度一直维持在一个高浓度状态。污染形势最为严峻的临汾和太原都位于山西省，山西作为煤炭大省，又是我国重要的能源重化工基地，煤炭冶金、机械等支柱性产业在生产过程中排放出大量的颗粒物，导致严重的空气污染(闫雨龙等，2010)。2017年1月初山西全省开始实施“煤改电”，这一举措虽很有意义，但环境治理成效缓慢。

3.2 月变化特征

如图3所示，5个城市PM10月均浓度在65～195.4 μg/m3之间，PM2.5月均浓度在30.6～131.4 μg/m3之间。PM10和PM2.5浓度的月变化趋势相同，1～3月、11～12月维持在一个高浓度水平，4～10月浓度较低，呈两边高、中间低的“U”型分布。从四季划分看，1、2、12月属冬季，3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季。5个城市PM10和PM2.5浓度峰值主要出现在1月、11月、12月(冬)，夏、秋季颗粒物污染较轻，不同于胥密等(2016)报道的北京市全年污染最严重的月份出现在2月，5～9月污染较轻，与Chai等(2014)研究的北方城市颗粒物浓度的峰值出现在1月一致。

由图3可直观发现PM10、PM2.5的浓度呈现冬季高，夏秋低。冬季峰值的出现说明北方冬季燃煤供暖是造成该季节颗粒物污染严重的主要因素。另一方面，冬季大气层结趋于稳定,边界层和气温低，降水少，静稳天气多，加之盆地环境较为封闭，易形成逆温层，而不利于污染物扩散，使污染物积累增多，因此，冬季成为我国灰霾高发的主要季节。夏、秋季北方降水增多，空气湿度增大，大气湿沉降增多，污染物来源量减小(相对于冬季)，空气质量自然相对较好。就PM10和PM2.5月均浓度的分布而言，高浓度值主要出现在冬季。因此冬季应成为颗粒物污染的严控时段(薛国强等，2014)。

3.3 PM10和PM2.5的浓度比值

PM2.5/PM10值代表PM10中PM2.5的含量，是反映地区粗细颗粒物分布特征、来源的重要指标。PM2.5多为二次颗粒物，PM10多为一次颗粒物(王涛等，2017)。由图4可知，临汾、南阳PM2.5/PM10值最高分别为0.57～0.65、0.52～0.62，均大于0.5(过半)，说明临汾和南阳细颗粒物污染更为严重；临汾PM2.5/PM10值呈反复波动的年变化趋势，2014年最大，为0.65；南阳PM2.5/PM10值呈“U”型变化趋势，2018年最高，为0.62。太原2017年以前以细颗粒物污染为主，之后以粗颗粒物污染为主。兰州和银川PM2.5/PM10值均低于0.5，说明两市颗粒物污染以粗颗粒物为主。由图5可知，PM2.5/PM10值峰值主要出现在1月、2月、7月、11月、12月(冬、夏)，PM2.5/PM10谷值出现在4月、10月(春、秋)。PM2.5/PM10值变化规律整体呈“W”型，冬季>夏季>秋季>春季。

图 2 2014～2018年兰州、银川、临汾、太原、南阳PM10和PM2.5年平均浓度Fig. 2 Comparison of annual average PM10 and PM2.5 concentrations in the basins of Lanzhou, Yinchuan, Linfen, Taiyuan and Nanyang during 2014～2018

图 3 2014～2018年兰州、银川、临汾、太原、南阳PM10和PM2.5月平均质量浓度变化Fig. 3 Monthly average PM10 and PM2.5 concentrations in the basins of Lanzhou,Yinchuan, Linfen,Taiyuan and Nanyang during 2014～2018

图 4 PM2.5/PM10浓度比值逐年变化 图 5 PM2.5/PM10浓度比值逐月变化Fig. 4 The variation of ratio of PM2.5/PM10 year by year Fig. 5 The variation of ratio of PM2.5/PM10 month by month

春秋两季浓度比值较低是因为春季受风沙扬尘影响较大，沙尘主要是粒径大于2.5 μm的粗颗粒物；秋季受建筑施工影响，项目为赶在冬季之前完成年度施工任务，施工强度较大，造成的粗颗粒物污染更为严重(郝明途等，2006)，此外秋季正值农作物成熟时节，秸秆焚烧现象频繁，产生较多的PM10(黄仁东等，2015)，沙尘源和秸秆焚烧源显著抬升PM10浓度，导致PM2.5/PM10浓度比值降低。夏季浓度比值较高是因为夏季光化学烟雾多发，高温和光照均有利于二次颗粒物的生成，同时夏季雨季降水频繁，降水对空气中PM10的清除作用较PM2.5而言更大；冬季浓度比值较高是因为北方冬季燃煤取暖过程排放的SO2、NOx和NH3等气态污染物通过在大气颗粒物表面发生非均相反应生成硫酸盐等二次颗粒物，硫酸盐是大气颗粒物的主要成分之一，占我国PM2.5含量的10%～30%(Yangetal.，2011)。由于细颗粒物对人体健康的危害更大(Maetal.，2011)，所以应重点关注大气颗粒物在冬季和夏季对北方人群的健康风险。

3.4 PM10和PM2.5相关性分析

图6可见，PM10和PM2.5浓度之间存在良好的相关性，相关系数R2均较高：兰州0.826 2、银川0.805 9、临汾0.936 0、太原0.747 3、南阳0.947 6，R2(南阳)>R2(临汾)>R2(兰州)>R2(银川)>R2(太原)，说明南阳市的粗细颗粒物间相关性最显著，太原最不显著。方程斜率代表可吸入颗粒物中细粒子的含量，它可以反映颗粒物的污染水平，颗粒物中细颗粒占比越大，污染水平越高。通常认为方程斜率值在30%～40%属于轻度污染，在50%～70%之间属重度污染(覃国荣，2014)。2014～2018年间各市PM2.5占PM10的质量载荷分别为56.74%、65.28%、85.57%、75.06%、78.70%，细粒子在PM10中占据了一半以上的比重，均为重度污染；且各市质量载荷大小顺序为临汾>南阳>太原>银川>兰州，即临汾市颗粒物中细颗粒物占比最大，兰州最小。细粒子占比越大，则对人体和环境的潜在影响就越大。

图 6 PM10浓度和PM2.5度相关回归关系Fig. 6 Correlation and regression of PM10 and PM2.5 concentrations

4 结论

我国北方5个典型中小盆地城市2014～2018年PM10和PM2.5浓度变化有以下特征：

(1) 除了银川2018年PM2.5年均浓度值达标外，其余城市各年份PM10和PM2.5浓度均超过国家年均浓度二级标准限值。兰州、银川和南阳PM10与PM2.5浓度呈逐年下降趋势；南阳下降最明显；临汾PM10与PM2.5浓度呈逐年上升趋势；太原PM10与PM2.5稳定维持在一个高浓度状态。

(2) PM2.5和PM10浓度的季节变化特征相同：冬季高、夏秋低。冬季浓度高主要受冬季取暖及不利污染物扩散的气象因素影响；春季浓度高源于北方频繁的沙尘天气；夏秋浓度低是由于降水多，颗粒物湿沉降增多。

(3) 对PM2.5/PM10逐年变化而言，临汾和南阳比值最大，均大于0.5；兰州和银川比值均小于0.5，太原大于和小于0.5年份都有。PM2.5/PM10的季节变化：冬季>夏季>秋季>春季，冬夏季比值高受取暖和降水的影响，春秋季受沙尘和秸秆焚烧及建筑施工的影响；且5个城市主要颗粒物污染类型不同：兰州和银川以粗颗粒物为主，临汾和南阳以细颗粒物为主，太原2017年之前以细颗粒物为主，之后是粗颗粒，这主要是由气候、盆地地形及人为因素共同导致。

(4) 5个城市PM2.5和PM10浓度的相关性均良好，太原相关系数为0.747 3，其余四季均大于0.8，说明PM2.5为大气污染物的主要成分；各市细颗粒物占比大小顺序： 临汾>南阳>太原>银川>兰州；细颗粒物占比越大，则对人体和环境的潜在影响就越大。