株洲城区2016—2020年颗粒物污染特征研究

＊胡 卉

（湖南省株洲生态环境监测中心 湖南 412000）

当前，空气污染尤其是颗粒物（PM2.5和PM10）污染是很多城市面临的共同问题[1-2]。可吸入颗粒物（PM10，空气动力学当量直径≤10μm）长期悬浮在空气中，作为有害物质的载体随呼吸作用被人体吸入，沉积在呼吸道等部位从而引发疾病。细颗粒物（PM2.5，空气动力学当量直径≤2.5μm）在大气中停留时间长，输送距离远因而对人体健康和大气环境质量的影响更大，甚至可通过呼吸系统进入人体细支气管和肺泡[3]。

我国在1996年将PM10纳入空气质量监测范围，到2012年颁布了新版《环境空气质量标准》，新增PM2.5浓度限值，并调整了PM10浓度限值，对颗粒物污染特征的研究已成为了新的研究热点[4-8]。项佳娥等研究杭州城区颗粒物污染水平，PM2.5出现污染的概率明显高于PM10，颗粒物污染与道路密度，绿地覆盖和人口密度等有关[9]。李令军等对北京重污染过程研究发现，重污染日PM2.5/PM10的比例达到91.3%，重污染时颗粒物以细颗粒物为主[10]。李婷婷等对中部城市2005～2015年PM10颗粒物污染特征和变化趋势进行分析，对比发现国内4大城市群大气污染程度为京津冀＞中三角＞长三角＞珠三角，中三角大气污染问题要比长三角和珠三角突出[11]。张运江等对我国长三角、珠三角等10余个典型城市2015～2020年细颗粒物时空变化规律进行研究，相对于2015年，2020年细颗粒物浓度下降了27%～44%[12]。

目前我国大量研究集中在京津冀、长三角等发达地区[13-14]，对中部地区颗粒物污染特征，尤其是PM2.5长时间尺度的污染特征研究较少。株洲是中部长株潭城市群的重要组成部分，当地政府对于空气质量监测相当重视，新标准颁布后，便在全市开展PM2.5的自动监测。在新的标准体系下，本研究以株洲市2016—2020年PM2.5和PM10的监测数据为对象，分析讨论了株洲市颗粒物污染水平及时间演变特征，以期为当地大气污染治理和产业布局提供数据支持和科学依据。

1.研究区域概况及数据来源

株洲市位于罗霄山脉西麓，南岭山脉至江汉平原的倾斜地段上，市域总体地势呈东南高、西北低，属亚热带季风性湿润气候，四季分明，是全国113个环保重点城市和长株潭两型社会建设示范区。城区共设有7个国家控制环境空气质量自动监测站点（大京风景区为区域对照点，不参与评价），点位具体情况见表1。本文所采用PM2.5和PM10的质量浓度数据均来自湖南省环境空气质量监测数据管理系统。

表1 自动站点名称及概况

2.结果与讨论

(1)年平均浓度及变化趋势

株洲市2016—2020年PM2.5和PM10年均浓度分别为40～52μg/m3和55～83μg/m3，平均浓度分别为47.6μg/m3和72.0μg/m3，未达到GB3095-2012二级标准限值，分别超标0.36倍和0.03倍，PM2.5超标情况更为严重。总体上，“十三五”期间株洲市颗粒物年均浓度值呈现显著的下降趋势。PM2.5和PM10年平均质量浓度变化率分别为-2.2μg/(m3·a)和-5.6μg/(m3·a)，PM10下降幅度大于PM2.5。2019—2020年PM10年平均质量浓度达到GB3095-2012二级标准限值。

由表2可知，颗粒物浓度最大值和上四分位浓度值也均呈现波动性下降趋势；颗粒物质量浓度平均值均高于中位值，说明高浓度区间对平均质量浓度的贡献更大。以PM2.5为例，年日均浓度的最大值2020年（163μg/m3）较2016年（236μg/m3）相比，相当于年均浓度降低了0.2μg/m3。因此，在重污染霾天气中对颗粒物质量浓度的有效控制对降低年平均浓度十分重要。

表2 株洲市2016—2020年颗粒物年平均质量浓度

进一步分析PM2.5/PM10的比值（β值），“十三五”期间PM2.5在PM10中的比例在0.73～0.61之间，说明PM10中PM2.5的比例大于PM2.5-10，PM2.5污染是颗粒物污染的主要元凶。PM2.5和PM10质量浓度均呈下降趋势，PM10下降趋势更加明显，这与2016—2020年β值呈波动性上升趋势的结果是一致的。

(2)颗粒物月平均浓度变化趋势

株洲市2016—2020年颗粒物月平均质量浓度时间序列变化趋势如图1和图2所示。PM2.5和PM10质量浓度变化规律相似，1—7月质量浓度波动性下降，7—12月波动性上升。按季节表现为冬季最高，秋季次之，春季较低，夏季最低。PM2.5和PM10质量浓度最高的月份出现在12月或者1月，且质量浓度均超过了日均二级质量浓度限值。此外，在10月颗粒物质量浓度均有一个较大的增幅，而11月质量浓度略有回落，这与北京、保定等的变化规律相同[15]。10月为秋季，在由夏入冬的过渡时节，气候变化较大，隋玟萱等[16]认为10月为农作物收获季节，颗粒物浓度的较大增幅除与气候变化有关，也与秸秆燃烧有关。

图1 PM2.5质量浓度波动范围逐月变化趋势（单位：ug/m3）

图2 PM10质量浓度波动范围逐月变化趋势（单位：μg/m3）

颗粒物质量浓度波动范围可以间接反映是否有颗粒物污染天气发生。质量浓度最小值逐月变化不大，而最大值变化较大，整体上各月质量浓度波动幅度与月均质量浓度变化趋势相似。秋冬季颗粒物质量浓度波动范围更广，而春夏季波动范围较小。这可能与秋冬季易形成逆温层，加之静稳天气形成，污染物不易扩散，易积累形成颗粒物污染，而春夏季雨水较足，且大气流通性较强，对颗粒物具有较好的清除作用。

分析不同季节β值的变化情况，春季为0.68～0.56，平均值为0.63，夏季为0.72～0.54，平均值为0.64，秋季为0.80～0.56，平均值为0.65，冬季为0.81～0.67，平均值为0.73。β值的四季变化明显，冬季最高，表明在冬季PM2.5比PM2.5-10更易累积。夏季β值较春季略高，这与郭家瑜、董娅玮等[6,17]的研究结果相似，由于夏季光照较为充足，光化学烟雾形成的二次PM2.5较多，而PM2.5-10却因为降水的湿沉降作用而减少，从而导致β值较大。

(3)颗粒物日均质量浓度分布和超标率变化趋势

对2016—2020年颗粒物日均质量浓度分布和超标率进行统计分析，见图3和图4。结果表明：①采用Spearman秩相关系数（单侧检验0.05）对颗粒物日均浓度超标率进行检验，rs值为-0.8（大于Wp值0.829），表明株洲城区2016—2020年PM2.5和PM10日均浓度值超标率均呈不显著性下降。②颗粒物低质量浓度区间天数逐年增加，高质量浓度区间天数逐年减小。2016—2020年，PM10日均浓度小于等于50μg/m3的天数由113天提高至196天，日均浓度为150～250μg/m3从28天降至6天；PM2.5日均浓度小于35μg/m3的天数由169天增加到189天；日均浓度为150～250μg/m3从2016年的3天降至1天。

图3 PM2.5日均浓度分布、超标率及变化趋势

图4 PM10日均浓度分布、超标率及变化趋势

分析了不同颗粒物污染程度下β值的变化情况，统计结果见表3。颗粒物日均浓度β值变化在0.27～0.99，PM2.5在PM10中的占比波动较大。当PM2.5小于35μg/m3时，β值平均值为0.63；当PM2.5大于250μg/m3时，β值平均值变为0.84。同时随着PM2.5浓度的增加，β值最小值也发生明显变化，由PM2.5小于35μg/m3时的0.27增加到0.83（PM2.5＞250μg/m3）。可见，β值与PM2.5浓度呈正相关，随着细颗粒物浓度增加，β值逐渐增加，变化幅度逐渐减小。

表3 不同PM2.5颗粒物浓度下β值的分布情况

3.结论

（1）株洲市2016—2020年PM2.5和PM10平均质量浓度分别为47.6μg/m3和72.0μg/m3，均超过了国家空气质量标准二级标准限值，表明株洲市颗粒物污染状况仍然较为严重。

（2）颗粒物年均质量浓度的下降趋势主要表现为高质量浓度范围出现频率减少，低质量浓度范围频率增加，以及质量浓度最大值的下降。

（3）PM2.5/PM10的比值随季节变化明显，表明颗粒物的积累受气象条件影响较大。

（4）PM2.5和PM10质量浓度和波动幅度均存在明显的季节变化规律，冬季最大，秋季次之，春季较小，夏季最小。

（5）PM2.5/PM10比值和PM2.5浓度呈正相关，随着PM2.5浓度增加，比值逐渐增加且变化幅度减小。