昆明城区颗粒物质量浓度变化特征及驱动因素研究

李中杰，李亚丽，严长安，张大为

(1. 昆明市生态环境科学研究院，昆明 650032；2. 云南省生态环境科学研究院，昆明 650032)

引 言

近年来，随着城市化建设和工业化进程加快，很多城市和区域出现了大量污染物排放、污染事件频发、大范围灰霾天气、能见度和空气质量状况下降等问题[1]，在京津冀及周边地区、华北平原、长三角地区、汾渭平原等区域，因颗粒物引发的环境污染问题受到科学界的广泛重视[2-3]，对我国的生态环境、公共健康及社会经济发展带来了严重影响[4～6]。已有研究表明，环境空气中颗粒物浓度变化受到污染物本地来源[7]、气象因素[8～10]、以及邻近污染源和中远传输距离传输[11]等因素的叠加影响，不同区域的颗粒物浓度变化特征基本一致，但在变化特征对应的时间上存在差异[7]，而同一区域因不同因素的影响程度存在差异，其浓度变化对相同因素的响应程度也不同[12～16]。近年来，关于昆明地区大气颗粒物污染特征[17～19]、理化特征[20～22]、来源解析[20，23～25]等方面开展了一些研究，但对区域内大气颗粒物长时间序列的污染变化特征及综合驱动因素等方面的研究相对不足。

为此，利用昆明城区2015～2020年的颗粒物质量浓度及气象因素数据，分析长时间序列、多尺度的变化特征及其与影响因素的响应关系，对影响颗粒物质量浓度变化的驱动因素进行深入研究，以期对昆明城区大气污染防治、环境空气质量持续改善提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

昆明地处中国西南地区、云贵高原中部，是云南省省会、滇中城市群中心城市，是中国面向东南亚、南亚开放的门户城市，市域面积2.1万km2，属北纬低纬度亚热带-高原山地季风气候，受北亚热带湿润季风气候影响，常年风向为西南风，多年平均风速为2.94m/s，静风频率为2.08%(多集中在每年11月至次年1月)；多年平均气温在15.7℃左右；多年平均降水量978.8mm，但呈现年内降水不均、干湿分明特点，其中每年5～10月为雨季，降水量约占全年的85%，11月至次年4月为旱季，降水量仅占全年的15%。昆明城区包括五华区、盘龙区、官渡区、西山区、呈贡区，中心海拔约1891m，总体呈现三面环山、一面临水、北高南低的地形特点。

1.2 数据来源

研究对象为2015～2020年6个年度的可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)质量浓度小时数据，包含昆明城区7个环境空气国控监测点位(图1)：东风东路、龙泉镇、关上、金鼎山、碧鸡广场、呈贡新区，以及西山森林公园(背景值监测点)，数据来源于昆明市环境空气质量一张网环境空气质量实时发布平台(http：//116.52.6.118：18882/KMKQZL/index.html)；同期地面气象资料为昆明市国家基本气象站(102.39°E，25.00°N)常规项观测数据。

图1 昆明城区环境空气监测点位示意图Fig.1 Schematic diagram of the ambient air monitoring points in Kunming urban area

1.3 数据处理与分析方法

1.3.1 数据处理方法

参照GB 3095—2012《环境空气质量标准》和HJ 663—2013《环境空气质量评价技术规范(试行)》相关要求对颗粒物进行评价，颗粒物包括可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)2项，PM10与PM2.5小时数据为各点位1小时质量浓度的算术平均值，日数据为一个自然日24小时平均浓度的算术平均值，月数据为一个日历月内日平均浓度的算术平均值，年数据为一个日历年内日平均浓度的算术平均值。

1.3.2 统计分析方法

利用Microsoft Excel 2021对可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)质量浓度的日、月、年度变化特征数据统计和处理；利用SPSS 26.0对可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)质量浓度与影响因素进行Spearman相关性分析，分析影响昆明城区可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)质量浓度变化的主导因素；使用CANOCO 5软件(CANOCO，Microcomputer PowerInc.，Ithaca，NY，USA)进行冗余分析；利用Origin 2021(OriginLab Corporation，Northampton，MA)进行变化趋势图制作。

2 结果与讨论

2.1 环境空气质量变化趋势及影响因素分析

分析结果显示，2015～2020年昆明城区PM10质量浓度在40～58μg/m3之间，PM2.5质量浓度在22～30μg/m3之间，均低于GB 3095—2012《环境空气质量标准》年均值二级浓度限值。2015～2020年期间，PM10、PM2.5质量浓度均呈现显著下降的变化趋势(Spearman秩相关，p=0.05)，与2015年相比，2020年PM10、PM2.5年均浓度分别降低28.0%、25.3%。这与近年来昆明市持续调整产业结构、不断优化能源结构和运输结构、大力实施施工场地扬尘管控等蓝天保卫战控制措施具有较大关系[19]。根据统计，全市三次产业比重由2015年的4.7∶40.0∶55.3调整为2020年的4.6∶31.2∶64.2[26]，实施了昆明主城区重点污染企业搬迁改造或关闭退出；完成主城区范围内天然气置换，推进高污染燃料禁燃区划定，实施城乡“煤改气”“煤改电”工程建设；完成黄标车辆和老旧车辆淘汰工作，持续推进柴油货车污染治理专项行动；全面加强建筑工地扬尘及道路运输扬尘管控，做好裸露土地、城市面山“五采区”等面源污染治理。

根据环境空气质量指数评价结果，2015～2020年昆明城区环境空气优良率分别为97.8%、98.9%、98.6%、98.9%、97.5%、100.0%，环境空气质量持续改善；与此对应，2015～2020年环境空气综合污染指数整体呈现波动下降的变化趋势(图2)，综合污染指数由2015年3.73降到2020年的3.04，从污染物负荷占比来看，PM10、PM2.5在污染物负荷中的占比相对稳定，对综合污染指数的贡献率在41%～44%之间，其对昆明城区环境空气质量的影响不容忽视。

图2 2015～2020年昆明城区环境空气质量变化趋势图Fig.2 Variation trend of ambient air quality in 2015～2020

2.2 颗粒物质量浓度变化特征

2.2.1 年内变化特征

年内变化特征分析结果显示(图3)，PM10、PM2.5质量浓度年内总体呈现“峰陡谷平”波动变化的态势，其中1～3月份呈现持续上升趋势，在每年3月份达到年度峰值(PM10在2017达到82μg/m3，PM2.5在2018达到46μg/m3)后呈现持续下降趋势，在每年的6～7月份到达年度谷值(PM10在2019为24μg/m3，PM2.5在2020为11μg/m3)，此后呈现逐渐上升的趋势，这与昆明区域颗粒物的最高浓度多出现在3月份的研究结果一致[18-19]。结合昆明区域干湿分明的特点来看，旱季PM10、PM2.5质量浓度整体高于雨季，与雨季相比，旱季PM10、PM2.5质量浓度多年均值分别升高46.1%和56.5%。

图3 昆明城区PM10与PM2.5质量浓度年内变化趋势Fig.3 The monthly variation trend of PM10 and PM2.5 concentrations

2.2.2 日内变化特征

日内变化特征分析结果显示(图4)，昆明城区颗粒物质量浓度夜间相对稳定而昼间变化程度大，PM10、PM2.5质量浓度日内均呈“双峰双谷”波动变化趋势，且夜间浓度(22：00至次日6：00)显著高于白天(7：00～21：00)，日较差百分比(夜间与白天均值的差值除以白天均值)分别是24.7%、22.6%。其中，PM10、PM2.5质量浓度在每日0：00～6：00时均呈现平稳下降趋势，在6：00时达到每日的第一谷值后呈现小幅上升趋势，至9：00时到达每日的峰值，此后呈现持续下降趋势，至15：00(PM10)、17：00(PM2.5)时达到每日的谷底值，随后呈现持续上升的变化趋势，这与历史部分年份研究结果一致[19]，但与长三角、北京颗粒物日变化峰值时间存在差异[7，27-28]。同时发现PM10与PM2.5质量浓度日变化曲线存在一定差异，具体表现为PM2.5质量浓度谷底值滞后PM10约2h，这可能与PM10、PM2.5因粒径大小具有不同的体积、质量、沉降速度，对气温、风速等气象因素响应的差异性所致，具体原因尚需要进一步研究。

图4 昆明城区PM10与PM2.5质量浓度日变化趋势Fig.4 The daily variation trend of PM10 and PM2.5 concentrations

2.3 驱动因素分析

2.3.1 气象因素

气象因素在PM10、PM2.5聚集、传输、扩散、干湿沉降等过程中扮演着重要作用，对PM10、PM2.5小时平均浓度与气象因素的相关性分析结果显示(图5)，PM10、PM2.5质量浓度变化与气象因素相关性存在差异，其中PM10、PM2.5质量浓度与风速呈现显著正相关，表明浓度随风速的增大而升高；而与降水量、相对湿度、气温呈现显著负相关，表明浓度随降水量的增多、相对湿度增大、气温的升高而降低。

利用各月份PM10、PM2.5与各气象要素进行相关性分析结果显示(图6)，风速是旱季(1～4月份)颗粒物质量浓度的主要影响因素，降水量、相对湿度是雨季(6～10月份)颗粒物质量浓度的主要影响因素，气压是旱季(11～12月份)颗粒物质量浓度的主要影响因素，这与昆明市雨季、旱季分明的气候特点相吻合，表明影响昆明城区颗粒物质量浓度的气象因素具有明显的季节性特征。

图6 PM10、PM2.5月均质量浓度与气象因素关系冗余分析Fig.6 Redundancy analysis(RDA)of PM10 and PM2.5 concentrations and meteorological factors

经进一步分析可知，风主要通过物理作用影响颗粒物的传输和分布，风速越大越有利于大气颗粒物扩散，但并不是随风速增加而持续降低[9](图7)，依据风速级别分类标准[29]，在无风(0～0.2 m/s)时，PM2.5、PM10质量浓度最高，随着风速增大浓度逐渐降低，至3级风时(3.4～5.4 m/s)达到最低值，此后随风速增大浓度反而升高，且对于PM10质量浓度的增加作用更明显，这主要是较大地面风速有利于大气中污染物输送和混合扩散的同时，也容易造成地面扬尘增加[30-31]，以及处于上风向的高浓度区域向低浓度区域的输送。同时，降水量对于颗粒物具有清除作用[12]，但小降雨量对污染物清除能力有限[30]，当降水量为0时，PM2.5、PM10质量浓度最高(图8)，随着降水量的增加，对颗粒物的清除作用逐渐增大，至大雨级别时(25～50 mm/24h)达到最低值，此后随降水量的增加浓度反而升高，这主要是降水过程清除了大气中的颗粒物，但随着相对湿度的增加，大气中颗粒物吸收水汽形成液滴，导致颗粒物浓度升高。

图7 颗粒物质量浓度对不同风速的响应Fig.7 Response of particulate matter concentration to different wind speeds

图8 颗粒物质量浓度对不同降水量的响应Fig.8 Response of particulate matter concentration to different precipitation

综合来看，每年1～4月份为旱季，该时期风速较大、空气较为干燥，气流与地面摩擦有利于近地面扬尘的生成；同时，结合气团后向轨迹模式研究成果[32]，该时期盛行西南风，也会带入周边区域(云南玉溪)以及东南亚国家烧荒春种行为(云南省毗邻的缅甸、老挝、越南等东南亚国家每年2月中旬至3月下旬会进行大规模的烧荒春种)输送的外来污染，多因素叠加使得每年3月份颗粒物质量浓度达到年度峰值。进入5～10月份，受西南季风的影响，该时期降水较为频繁(约占全年的85%)，雨水冲刷带走空气中的颗粒物，并且夏季地表植被茂盛，从而降低了环境空气中PM10、PM2.5质量浓度，使得每年6～7月份颗粒物质量浓度最低。到了每年的11～12月份，大气边界层高度较低，加之昆明城区所处的周边高、中间低的盆地型地形，容易受到高压控制产生稳定的逆温层，使得大气运动活跃度降低，从而抑制颗粒物的稀释和扩散导致颗粒物质量浓度升高，这与北京市颗粒物污染的研究结果相似[33]。

2.3.2 人为因素

颗粒物质量浓度除受气象条件、区域传输影响外，还与人类活动紧密相关，导致不同区域、不同时段(年内、日内)存在较大的差异性[12]。

(1)不同区域：在剔除气象因素影响后，昆明城区6个站点的多年质量浓度均值明显高于西山森林公园(背景值监测点)，PM10、PM2.5分别高出58.7%、25.4%。从站点分布来看，金鼎山(31.9%)、龙泉镇(30.4%)、碧鸡广场(28.3%)3个站点PM10质量浓度的日夜相对差异高于全市均值的23.4%，更高于西山森林公园(背景值监测点)的-4.4%；而金鼎山(31.8%)、关上(28.1%)2个站点PM2.5质量浓度的日夜相对差异高于全市均值的20.8%，更高于西山森林公园(背景值监测点)的0.5%，主要原因在于金鼎山、龙泉镇、碧鸡广场附近区域分布有大货车进出城主要通道(如北三环、普吉路、广福路等)，造成该区域在夜间时段具有较大的污染物排放，这与泸州市颗粒物污染的研究结果相似[34]。

(2)不同时段：根据已有研究成果，扬尘、交通污染(包括尾气排放和交通扬尘)是昆明主城区颗粒物的主要来源。近年来，昆明主城区大型建筑工地维持在500个以上，在旱季风速较大时极易形成近地面扬尘，这也是每年3月份颗粒物质量浓度达到年度峰值的主要原因。同时，昆明市汽车保有量呈现快速增长态势，2020年达到263.16万辆，千人汽车保有量处于全国前列(311辆/千人)，导致了机动车尾气排放和道路尘土二次碾压后形成扬尘的双重影响，并在日内呈现早高峰(7：00至9：00)、晚高峰(17：00至19：00)和夜间(22：00至次日5：00)规律性、周期性变化趋势，这与上下班期间通勤汽车活动加强、大货车运输活动(22：00以后允许进入城区)具有密切关系。

因此，污染物排放的日夜差异是造成昆明城区颗粒物质量浓度夜间明显高于白天的重要原因，在目前人力无法改变气象条件的前提下，应重点关注金鼎山等站点附近的夜间污染物排放，兼顾好城市建设与生态环境保护，进一步严格控制本地污染物排放。

3 结 论

(1)2015～2020年期间，PM10与PM2.5质量浓度均低于GB 3095-2012《环境空气质量标准》年均值二级浓度限值，呈现显著下降的变化趋势。从年内变化趋势来看，旱季PM10、PM2.5质量浓度整体高于雨季，这与昆明市雨季、旱季分明的气候特点相吻合，颗粒物质量浓度的主要影响因素是风速，风速越大越有利于大气颗粒物扩散，但并不是随风速增加而持续降低；颗粒物质量浓度与降水量、相对湿度、气温呈现显著负相关，随降水量的增多、相对湿度增大、气温的升高而降低。

(2)受到气象条件、区域传输、人类活动等多种因素影响，颗粒物质量浓度在不同区域、不同时段存在较大的差异性，PM10、PM2.5质量浓度日内均呈“双峰双谷”波动变化趋势，且夜间质量浓度(22：00至次日6：00)显著高于白天(7：00～21：00)，但PM10与PM2.5质量浓度日变化曲线存在差异。

(3)从污染物负荷占比来看，PM10与PM2.5对空气质量综合指数的贡献率在41%～44%之间，对昆明城区的环境空气质量影响不容忽视，需要分区域、分时段(旱季和雨季、昼间和夜间)制定差异化的污染管控措施。一方面需要严格控制本地污染物排放，一是加强城市扬尘污染管控，重点提升建筑工地、施工场地、裸露土地等扬尘实时监控管理水平，推进城乡环卫作业精细化管理；二是加强移动源综合防控，加快推进新能源汽车置换工作，对重点区域、重点路段、重点时段的货运车辆实施全面监控，限制城市渣土运输车辆总量；三是强化“散乱污”企业的排查整治和监管工作。另一方面，防控外源输入对环境空气质量的影响，加快完善空气质量预警及应急响应体系，积极参与区域大气污染联防联控工作，以持续提升昆明城区环境空气质量水平。