大同市PM2.5和PM10浓度变化特征及其与气象因子的关系

高 昆，王金香，张 萌

（1.山西大同大学农学与生命科学学院，山西大同 037009;2.山西大同大学设施农业技术研发中心，山西大同 037009；3.大同乡村振兴研究院，山西大同 037009）

随着经济的高速发展，人类活动对环境的影响逐渐加大，释放到大气中的总悬浮颗粒物质也逐年增加。

城市空气可悬浮颗粒物的含量和成分、大气质量好坏主要取决于两个因素：一是城市及其周边环境的经济发展水平和能源结构；二是城市所处的地理位置。前者决定了大气污染物的排放水平和污染物类型，后者决定当地的天气气候特征和大气污染物的扩散稀释能力[1-2]。当污染源排放相对恒定时，气象条件如温度、降雨、空气湿度和风速等，影响了颗粒物的清除过程，进而影响空气中颗粒物浓度。温度一定程度影响特定污染物排放和有害物质附着颗粒物程度，降水和风对颗粒物的清除能力是污染天气条件下空气质量转好的重要指标，是维持大气中悬浮粒子平衡和大气自清洁的重要过程[3]。

近年来，国内外有关PM2.5和PM10的研究已经有很多报道[4-8]。大同地处晋蒙冀交界，是中国主要煤炭基地，也是著名的世界旅游胜地。减少颗粒污染物PM2.5和PM10向空气的释放，对大同经济的转型发展至关重要。但目前，关于大同市PM2.5和PM10质量浓度污染特征等方面的研究还未见报道。为了解2022 年大同市PM2.5和PM10质量浓度的变化特征以及与气象因子的关系，本研究于2022 年3月—2023 年2 月对大同市PM2.5和PM10质量浓度及气温、相对湿度和风速等气象因子监测数据进行收集和统计，分析大气中PM2.5和PM10浓度的时空变化特征以及影响因素，为大同市大气污染治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

大同市位于山西省北部，总面积14 176 km2，南有恒山、东有太行山和燕山。大同市属温带大陆性半干旱季风气候带，秋、冬季主要以西北风为主，春、夏季节以东南风盛行。因此大同降雨少且主要集中在夏季，其余时间多为干旱多风，昼夜温差大，四季分明。

1.2 数据收集

PM2.5和PM10数据均来源于大同市环境监测中心设立于山西大同大学的空气质量监测站。数据时间为2022年3月—2023年2月，所用数据为月均值和季节均值。四个季节分别是：春季为3—5 月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月到下一年2月。按照《环境空气质量技术规定》（HJ 633—2012），空气污染指数划分为六个等级即优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染，分别对应大气中PM2.5质量浓度范围0～35、＞35～75、＞75～115、＞115～150、＞150～250、＞250 μg/m3，PM10质量浓度范围分别为0～50、＞50～150、＞150～250、＞250～350、＞350～420、＞420 μg/m3[6]。

运用Excel（2016 版）和SPSS 24 两个软件工具对相关的数据进行整理和分析。

2 结果

2.1 PM10浓度变化特征

图1A 统计了大同市2022年3月—2023年2月逐月PM10平均浓度。PM10的月变化曲线均呈现出两头高中间低的特征，5—7月是一年中浓度最低三个月，月平均浓度分别是66、65和70 μg/m3；8—12月PM10质量浓度逐渐上升，1-3月PM10浓度是一年中最高的三个月，分别达到100、106和105 μg/m3，均高于100 μg/m3。在一年中PM10的平均浓度为89 μg/m3，空气质量评价等级为良。

图1 PM10浓度变化特征

PM10浓度具有明显的季节变化特征。PM10浓度最高在冬季，平均浓度为100 μg/m3；最低值出现在夏季，仅为74 μg/m3（图1B）。从四个季节的整体表现来看，PM10浓度从高到低依次为冬季（12 月—次年2月）＞秋季（9—11 月）和春季（3—5 月）＞夏季（6—8月），即冬季PM10的浓度较高，而春季PM10的浓度较低。

2.2 PM2.5浓度变化特征

图2A 为2022 年大同市2022 年3 月—2023 年2月PM2.5浓度变化。PM2.5浓度先下降、然后低位运行，最后上升，整体呈现为U字形变化。3—4月PM2.5的浓度处于较高范围，最大峰值出现在3 月，约为25 μg/m3；5月PM2.5的浓度迅速下降到当年的低点，之后8 个月（5—12 月）PM2.5浓度位于U 型的底端，均保持在一个相对低的范围，最小值出现在5 月和9 月，浓度约为12 μg/m3；1—2 月PM2.5的浓度快速上升到较高范围，均值达到20 μg/m3。这说明2022 年度大同市空气质量整体上存在着明显的波动，全年空气质量为优。

图2 PM2.5浓度变化特征

由图2B 可知，大同市2022 年PM2.5浓度具有明显的季节变化，高峰值出现在春季和冬季，夏季和秋季浓度较低。四个季节PM2.5浓度整体呈现出春季（3—5 月）＞冬季（12—2 月）＞夏季（6—8 月）＞秋季（9—11月）。

2.3 温度对PM2.5和PM10质量浓度的影响

图3A 统计了大同市2022 年共12 月气温和PM10的月质量浓度。大同市全年月气温变化呈水平 的S 型，3 月平均气温接近5 ℃，4 月上升到12 ℃，7 月上升至当年最高值24 ℃，之后气温下降，11 月降至1 ℃，12 月到次年2 月均低于0 ℃，即4—10 月平均气温在10 ℃及以上，11 月—次年2 月气温低于5 ℃。PM10质量浓度与当地气温具有明显的关系，温度最高的5—7 月，PM10月平均质量浓度最低，分别为66、65、70 μg/m3；温度最低的11—次年2 月，PM10月平均质量浓度最高，分别为99、95、100、106 和105 μg/m3。气温与PM10浓度呈现出相反的变化趋势，随着气温的升高，PM10浓度整体上呈现降低的趋势，气温下降时PM10浓度整体上呈现上升的趋势。

图3 温度对PM10和PM2.5浓度变化的的影响

温度与大气PM2.5浓度的关系如图3B。PM2.5浓度在5—12 月都保持在一个较低的水平，约为12～17 μg/m3，此时对应的大气实时温度除11—12 月（温度＜2 ℃）外均保持10 ℃及以上；而1—4 月PM2.5的浓度在一年中较高，约为20～ 25 μg/m3，此时的大气温度除4 月为12 ℃，其余3 月的温度均低于5 ℃时。二者的变化特征显示大气温度与PM2.5的浓度一定程度呈负相关的状态，即大气温度较高，PM2.5的浓度较低，大气温度较低时，PM2.5的浓度出现一定程度增加的。温度与PM10和PM2.5质量浓度表现出一定的负相关性。

2.4 相对湿度对PM10和PM2.5质量浓度的影响

图4A 为大气相对湿度与PM10质量浓度的关系。大同地区属于干旱和半干旱地区，全年降雨量少，每年降雨量主要集中在6—8 月。因此大同地区全年空气相对湿度较低，6—8 月相对湿度最高，分别为50%、57%和66%，均大于50%；其余月份空气相对湿度都低于50%，4 月相对湿度仅为32%。PM10月平均浓度变化与空气相对湿度的变化大致相反，PM10月平均浓度呈现出5—9 月较低，约为65～ 88 μg/m3，11—次年2 月，PM10月平均浓度在一年中较高，均保持在100 μg/m3左右。可见，大气相对湿度与PM10浓度之间的变化趋势在6—8 月有一定的负相关性，随着相对湿度的升高，PM10的浓度也下降。但其他月份二者没有明显的相关性。

图4 相对湿度对PM10和PM2.5浓度变化的影响

大气相对湿度与PM2.5的平均浓度变化关系如图4B。相对湿度高的月份（6—8 月），其PM2.5的平均浓度较低（14～16 μg/m3），但相对湿度较低的月份如5月和9—12月，其PM2.5的平均浓度较低（12～15 μg/m3）。1—4 月大气相对湿度较低，但PM2.5的月平均浓度较高（19～25 μg/m3）。大气相对湿度与PM10和PM2.5的变化趋势表现出相关性较低。

2.5 风速对PM2.5和PM10质量浓度的影响

风速与大气PM10浓度的关系如图5A。2022年全年月平均风速在2.1～3.2 m/s，3月平均风速最高，为3.1 m/s，9月的风速最低，为2.1 m/s。风速变化呈现出V型，春季（3—5月）风速最大，约为2.9～3.1 m/s，冬季（12—次年2月）风速次之，夏季到秋初（7—9月）风速最低，约为2.1～2.6 m/s。PM10的月平均浓度变化呈现为斜V型，初春（3—4月）和冬季（12—次年2月）的质量浓度高，春末和夏季（5—7月）质量浓度最低，但其最低值出现在5月。风速与PM10的浓度呈现出一定的正相关性。

图5 风速与对PM2.5和PM10浓度变化的影响

从图5B 可知，风速和PM2.5浓度的关系与风速和PM10的浓度关系相似，初春和冬季（3—4月，来年1—2 月）PM2.5的浓度高，实时风速大于2.5 m/s 时，风速为较高；而PM2.5的浓度较低的7—9 月，风速为最低，风速和PM2.5浓度正相关，但5—6月和11—12月二者之间的关联状态不高。

2.6 PM10和PM2.5与气象因子的相关性分析

运用SPSS 的相关分析方法，对不同粒径大气颗粒物（PM10、PM2.5）的浓度值和相应的气象因子（温度、相对湿度、风速）进行相应的关联性分析。结果显示：PM10与大气温度和相对湿度之间呈负相关，但与风速呈正相关，Pearson 相关系数r分别是-0.762、-0.217 和0.175，其中PM10与温度具有极显著负相关性（P＜0.01）。PM2.5与温度呈负相关，但与相对湿度和风速呈正相关，相关系数r分别是-0.287、0.063和0.182。

4 结论与讨论

社会经济的快速发展、城市化进程的不断扩大，大量有害气体和烟雾被排放到空气中致使空气中颗粒物含量不断增加，大气环境质量明显下降。但随着人类对环境污染危害性认识的不断加深，采取防治措施、减少污染物排放、提升空气质量已成为人们的共识。大同地处中国北方，每年11 月至次年4 月（秋末—初春）气温偏低，长达5 月的冬季取暖（11 月1日至次年4月15日）产生的大气颗粒物是冬季PM10和PM2.5浓度升高的主因。与经济的快速增长相伴随的是国民汽车拥有量在不断增加，汽车尾气的排放已成为城市现阶段PM10和PM2.5另一个主要来源，并在大气污染颗粒物中的占比在逐年升高。大同大气环境中污染物调查显示，PM2.5和PM10占总悬浮颗粒物（TSP）的比例为60%，而PM2.5占PM10的比例为64%～ 72%；而且颗粒物浓度具有明显的日变化特征，如上午7:00－10:00 和下午6:00－9:00 之间浓度值最高，PM2.5小时浓度与每天交通带来的气体污染物排放的变化趋势一致，而PM10不遵循相同的趋势[9]。汽车尾气是PM2.5浓度升高的主要原因。南昌市短期监测数据显示，交通流量增大了PM2.5的小时浓度，PM2.5/PM10呈现市区高、郊区低，PM2.5月均浓度与交通流量呈显著正相关[10]。随着我国绿色可持续发展战略的实施，大同市产业转型发展，高耗能产业或被淘汰或外迁、煤炭燃烧减少、城市绿植覆盖率显著增加等多举措的实施，大气颗粒物污染的源头被切断，因此，大同市空气质量明显上升。2019 年对山西省11个地级市环境空气质量和首要污染物进行分析显示，大同市为Ⅱ级良好，夏秋季大气环境质量优于冬春季；污染物主要为O3和颗粒物[11]。2022 年大同市大气污染物的排放均明显减少，全年空气质量等级分属于优良。对两种大气颗粒物浓度变化的分析还可以看出，PM10月浓度的高峰值出现在冬春季（11 月—次年4 月），PM2.5浓度的高峰值则主要出现在1—4 月。11 月－次年4 月恰好是大同取暖季，说明了燃煤取暖仍是造成空气PM10和PM2.5浓度升高的主要污染源；同时这一时期因为天气寒冷，绿色植物树叶均已脱落，无法对一定污染物进行吸收，而且地面裸露和冬季风造成扬尘也是大气颗粒物浓度不降反升的原因。另外PM2.5在11—12 月的浓度变化不同于PM10，也说明两者污染源有所不同。王新等[12]研究认为，交通排放源、物质燃烧源、土壤源和二次粒子对兰州城区大气PM2.5贡献显著。

空气中颗粒物浓度与气象条件密切相关。气温、相对湿度、风速及风向会对PM2.5和PM10浓度稀释扩散产生重要影响。大同市区地处盆地，三面环山，这一特殊的地理环境很不利于污染物的扩散；只有当风大、降水多时污染才会相对较轻[13]。研究发现大同市温度的高低与PM10和PM2.5的浓度大小呈显著负相关性，5—9 月温度较高，空气中PM10和PM2.5的浓度均处于低浓度水平，而1—4 月（冬季和初春）气温低，空气中PM10和PM2.5的浓度均处于一年中最高浓度水平。其原因一方面与冬季取暖释放颗粒物增多有关，另外一个方面可能在于温度影响局部大气流动。夏秋时节大同市气温较高，地面热气流上升使空气的垂直对流运动加剧，逆温层难以形成，大气层不稳定，有利于PM的沉降和扩散，从而使PM浓度降低；但当冬季和初春时节天气寒冷，太阳对地面的辐射减弱，气温偏低时有利于逆温层的出现，不利于颗粒物质的扩散，此时大气PM10和PM2.5浓度居高不下[6]。细颗粒物以布朗运动的形式悬浮于空气中，这种运动受温度影响更明显，越细小的颗粒物其浓度受气温影响越明显，因此气温对PM2.5的影响大于PM10

[14]。空气相对湿度在一定程度上对PM10和PM2.5的浓度也会产生影响。大同市位于太行山以西，春夏时节携带水汽的东南风因被太行山阻隔，所以降水较少且降雨时间主要集中在6—8 月，其余月份降水稀少，空气干燥且相对湿度低。本研究显示在夏季（6—8 月）降雨多且空气湿度最大，同期的大气PM10和PM2.5浓度也位于较低的水平。降雨时水滴在降落过程中与气溶胶粒子相互碰撞和捕获，使之从大气中清除。也有不少学者认为降水对不同粒径气溶胶的清除效果存在差异，中等尺度气溶胶的湿清除效果均不理想，但对大尺度气溶胶和小尺度气溶胶具有明显的沉降作用[3]。大气相对湿度高时，虽未形成有效降雨时，空中的水分易吸收颗粒物，从而降低其浓度。在其余的时间因降雨少造成空气干燥，因此相对湿度较低，此时颗粒物不易扩散，导致颗粒物浓度升高。风速风向的转变对于大气污染程度也有重要影响，风速大于2 m/s 可显著降低PM2.5浓度，但风速增大易造成地面起尘，使PM10浓度不降反升，污染日的发生往往伴随着低风速天气[3,15]。在本研究中，风速与PM10和PM2.5质量浓度之间相关性都不高。

综上所述，2022 年大同市PM10和PM2.5的浓度变化呈现出一定的季节型特征，污染物排放主要与燃煤取暖和石油燃烧密切相关。地理环境影响温度、空气湿度和风速，并对稀释污染物浓度产生一定影响。