呼和浩特市空氣顆粒物影響因素研究

智 穎，李 婧

1.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011

空氣和水資源都是人類賴以生存的環(huán)境條件，空氣顆粒物的污染已成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。眾所周知的八大公害事件中有五件都與空氣污染有關(guān)，這足以反映空氣污染對(duì)人類社會(huì)的危害。空氣中的顆粒物根據(jù)粒徑的不同進(jìn)行劃分，其中以細(xì)顆粒物PM2.5對(duì)人類的健康影響更顯著，主要原因是其表面積大，很容易富集各種形式的污染物質(zhì)，而且在空氣中停留時(shí)間長(zhǎng)，輸送距離遠(yuǎn)[1]。2011年11月1日實(shí)施的《環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測(cè)定 重量法》首度對(duì)灰霾天氣的元兇——PM2.5的測(cè)定方法進(jìn)行了規(guī)范。與此同時(shí)，在2012年2月新頒布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中增設(shè)了PM2.5濃度限值。兩項(xiàng)規(guī)范的推出標(biāo)志著中國(guó)對(duì)空氣中顆粒物的污染危害有了新的認(rèn)識(shí)，特別是對(duì)細(xì)顆粒物PM2.5的研究上升到了一個(gè)嶄新的階段。

國(guó)外對(duì)PM2.5的研究早有描述，國(guó)內(nèi)起步較晚但也逐漸認(rèn)識(shí)到其危害性，北京、長(zhǎng)春等城市都陸續(xù)開展了有關(guān)方面的研究[1-10]。呼和浩特作為內(nèi)蒙古自治區(qū)的首府城市，為進(jìn)一步提高城市品位，打造宜居城市，于2005年9月19日正式啟動(dòng)創(chuàng)建國(guó)家環(huán)保模范城市工作。近些年來(lái)，城市化建設(shè)加快，呼和浩特市沙塵現(xiàn)象雖然有所減輕，但仍然高于國(guó)內(nèi)大部分城市[11]。該文主要研究了不同時(shí)間尺度下空氣顆粒物含量的變化規(guī)律，以及以風(fēng)速和濕度為代表的氣象因素和相同時(shí)間、空間條件下其他空氣污染物對(duì)其含量變化的影響特征，為呼和浩特市空氣顆粒物污染治理提供基礎(chǔ)信息。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析

1.1 采樣時(shí)間與地點(diǎn)

選擇內(nèi)蒙古自治區(qū)首府城市呼和浩特市城東騰飛路中段為研究地，在內(nèi)蒙古環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站實(shí)驗(yàn)大樓樓頂設(shè)置空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選擇TEOM 1405系列的自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，設(shè)備安裝高度20 m，自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等，以及風(fēng)速、濕度等氣象參數(shù)。該研究地的儀器設(shè)備于2009年11月調(diào)式運(yùn)行，2010年正式投入實(shí)時(shí)研究性監(jiān)測(cè)。采用2010—2012年3個(gè)整年度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

1.2 分析方法及數(shù)據(jù)處理方法

表1中列出了SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10的分析方法，采用的分析方法均屬于《空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中規(guī)定的分析方法。

表1 污染物分析方法

以2010—2012年3年P(guān)M2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO數(shù)據(jù)以及同步測(cè)量的風(fēng)速、濕度這2個(gè)氣象因子的小時(shí)監(jiān)測(cè)值為基礎(chǔ)，采用辦公軟件EXCEL及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對(duì)異常值進(jìn)行剔除。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果分析

2.1.1 研究地顆粒物污染狀況

根據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI評(píng)價(jià)，2010年341 d有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，達(dá)到空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)共有264 d，占全年的77.4%；2011年306 d有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)為181 d，占全年的59.2%；2012年337 d有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)為291 d，占全年的86.4%。對(duì)2010年超標(biāo)日中各個(gè)空氣污染分指數(shù)進(jìn)行分析，各項(xiàng)污染物作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)由多到少依次為 PM10(35 d)、PM2.5(28 d)、O3(7 d)、CO(6 d)、NO2(1 d)，SO2雖有2 d超標(biāo)但不是首要污染物；2011年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，各項(xiàng)污染物作為首要污染物的天數(shù)由多到少依次為PM10(70 d)、PM2.5(48 d)、CO(7 d)，O3、SO2、NO2均不作為首要污染物出現(xiàn)；2012年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，各項(xiàng)污染物作為首要污染物的天數(shù)由多到少依次為PM2.5(26 d)、PM10(11 d)、NO2(5 d)、CO(4 d)，O3、SO2均不作為首要污染物出現(xiàn)。以上數(shù)據(jù)證實(shí)了空氣中的顆粒物已經(jīng)成為了影響研究地附近空氣質(zhì)量的主要污染物。

2.1.2 PM2.5/PM10的季節(jié)變化

在對(duì)3年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，2010—2012年P(guān)M2.5/PM10全年平均值在0.47左右。按當(dāng)?shù)丶竟?jié)劃分(春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11月、冬季12—2月)進(jìn)行比較，綜合3年的數(shù)據(jù)得到比值由大到小依次為冬季(0.635)、秋季(0.499)、夏季(0.398)、春季(0.361)。比值隨季節(jié)明顯變化的主要原因：秋、冬兩季呼和浩特市大氣邊界層逆溫出現(xiàn)頻率較高，且冬季為采暖期，污染物排放增加但卻不能及時(shí)擴(kuò)散從而導(dǎo)致PM2.5濃度的增加；夏季雨水充沛，濕度對(duì)PM2.5濃度影響更明顯，而且夏季的氣象條件更有利于影響PM2.5濃度的二次粒子的生成[4]；春季多風(fēng)，沙塵天氣多發(fā)，PM10濃度顯著增加。

圖1描述了2010—2012年3年P(guān)M2.5/PM10月平均值的變化。3年月平均值的變化反映了相同的規(guī)律，即全年中 PM2.5/PM10的峰值出現(xiàn)在年頭和年尾，隨后比值持續(xù)走低，在6月份又出現(xiàn)一次幅度較小的峰值。這樣的規(guī)律變化反映出細(xì)顆粒物PM2.5與可吸入顆粒物PM10之間的關(guān)系。雖然兩者有著相似的來(lái)源，但是兩者的影響因素有一定的區(qū)別。

圖1 2010—2012年P(guān)M2.5/PM10月均值變化

2.1.3 氣象因素對(duì)PM2.5/PM10的影響

在得出PM2.5/PM10與季節(jié)有明顯相關(guān)性的基礎(chǔ)上分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速和濕度對(duì)該比值有較為明顯的影響,這與以往研究的結(jié)論相符[12-13]。

2.1.3.1 風(fēng)速對(duì)PM2.5/PM10的影響

風(fēng)速對(duì)PM2.5在PM10中所占的比例有明顯的影響，2010年度剔除可疑數(shù)據(jù)后，對(duì)7 787組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，見圖2。結(jié)果表明，兩者在0.01的水平上顯著相關(guān)，皮爾森相關(guān)系數(shù)為-0.311。即風(fēng)速越大，該比值越小；反之風(fēng)速越小，比值越大。

圖2 2010—2012年不同風(fēng)速下PM2.5/PM10變化

同理，對(duì)2011年7 857組小時(shí)均值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，兩者在0.01的水平上顯著相關(guān)，皮爾森相關(guān)系數(shù)為-0.460；2012年7 285組小時(shí)均值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，兩者在0.01的水平上顯著相關(guān)，皮爾森相關(guān)系數(shù)為-0.200。

由以上3組結(jié)論和不同風(fēng)速下比值變化圖不難發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速與PM2.5/PM10呈顯著負(fù)相關(guān)，即風(fēng)速的大小決定了PM2.5在PM10中所占的比例。

2.1.3.2 濕度對(duì)PM2.5/PM10的影響

濕度對(duì)PM2.5/PM10也有明顯的影響，同樣以2010年7 787組數(shù)據(jù)， 2011年7 857組數(shù)據(jù)，以及2012年7 285組小時(shí)均值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，2010—2012年濕度與比值的皮爾森相關(guān)系數(shù)分別為0.329、0.409、0.153，3組數(shù)據(jù)皆在0.01水平上顯著相關(guān)。濕度與PM2.5/PM10呈顯著正相關(guān)，濕度越大，比值越大，反之則比值越小，見圖3。

圖3 2010、2011、2012年不同濕度下PM2.5/PM10變化

2.1.4 其他空氣污染物對(duì)顆粒物濃度的影響

有研究表明，PM2.5來(lái)源主要是3方面[8-10]：首先是來(lái)自機(jī)動(dòng)車尾氣的污染；其次是來(lái)自燃煤、化工燃料燃燒等工業(yè)過(guò)程中的污染；最后，因?yàn)榧?xì)顆粒物可以跨區(qū)域輸送，來(lái)自揚(yáng)塵的污染也不容忽視。為了更好地了解研究地空氣顆粒物與其他空氣污染物之間的關(guān)系，分別對(duì)PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO 6項(xiàng)空氣污染物相同時(shí)間、空間尺度下的濃度進(jìn)行對(duì)比研究，見圖4～圖6。

圖4 2010年不同污染物與PM10、PM2.5月均值對(duì)比

圖5 2011年不同污染物與PM10、PM2.5月均值對(duì)比

圖6 2012年不同污染物與PM10、PM2.5月均值對(duì)比

為方便比較，CO的曲線是利用原CO濃度值縮小10倍后得出的值進(jìn)行繪制的。分析已有研究中對(duì)PM2.5化學(xué)組成的結(jié)論可知，含碳組分和水溶性組分占PM2.5濃度的一半以上，其中SO42-、NO3-、NH4+是主要的水溶性粒子，而其濃度與相應(yīng)的氣態(tài)前體物SO2、NOx和NH3的濃度及其在大氣中生成粒子的轉(zhuǎn)化率有關(guān)，并受溫度和濕度等因素的影響[14]。O3雖然不屬于PM2.5的組成部分，但其含量的多少會(huì)直接或者間接地影響其他前體物的轉(zhuǎn)化率。不難發(fā)現(xiàn)，NO2與PM2.5變化曲線的走勢(shì)類似，機(jī)動(dòng)車尾氣排放是NO2的主要來(lái)源；SO2曲線整體呈現(xiàn)兩邊高中間低的現(xiàn)象，表明SO2的污染主要出現(xiàn)在冬季，這與煤炭燃燒對(duì)其濃度的貢獻(xiàn)大有關(guān)；O3則與SO2相反，曲線呈現(xiàn)出中間高兩邊低，這種現(xiàn)象符合O3的生成需要強(qiáng)烈的陽(yáng)光照射條件；由于冬季汽車尾氣和燃料燃燒集中使得CO的峰值出現(xiàn)在冬季，這種變化必定會(huì)對(duì)空氣中含碳組分之間的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響。

圖4～圖6反映出其他污染物濃度的變化規(guī)律在一定程度上與PM2.5濃度的變化具有相關(guān)性，為進(jìn)一步判斷其他污染物和PM2.5之間有無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián)，對(duì)3年984組污染物數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，表2給出了擬合公式、對(duì)應(yīng)的顯著性、相關(guān)系數(shù)以及確定系數(shù)。結(jié)果顯示，回歸方程顯著性水平均小于0.05，且自變量和因變量之間的相關(guān)系數(shù)以及確定系數(shù)均在可接受范圍內(nèi)，說(shuō)明方程有效。表3中列舉出了各污染物的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)，縱向比較后發(fā)現(xiàn)，PM10相對(duì)其他污染物而言對(duì)PM2.5的影響更大，其次是SO2，NO2在諸污染物中影響最不顯著。

表2 3年數(shù)據(jù)擬合

表3 標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)

2.2 結(jié)果討論

PM2.5/PM10呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化，比值冬季高(0.635)，春季低(0.361)，這主要與呼和浩特市的地理位置和氣象環(huán)境有關(guān)[15]。春季易出現(xiàn)沙塵天氣，較大的風(fēng)速引起粗顆粒物PM2.5～10濃度的增加，而對(duì)PM2.5有一定的稀釋擴(kuò)散作用，因此PM2.5與PM10的比值會(huì)減小；而冬季空氣污染加劇則是因?yàn)楹艉秃铺厥械牟膳跒?0月15日到次年的4月15日，特別是12月至次年1月是最冷季節(jié)，燃料燃燒量增加，加之這個(gè)季節(jié)降水量減少、風(fēng)速較低、逆溫頻率高和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等諸多不利于污染物稀釋擴(kuò)散的氣象因素，造成空氣中PM2.5濃度上升，PM2.5與PM10的比值升高。

濕度與PM2.5/PM10呈正相關(guān)，究其原因：一方面是由于降水對(duì)空氣中粗顆粒物PM2.5～10的凈化作用大于對(duì)細(xì)顆粒物PM2.5的作用；另一方面也與濕度對(duì)影響PM2.5含量的二次粒子(SO42-、NO3-、NH4+)生成有促進(jìn)作用有關(guān)。除了風(fēng)速和濕度以外，空氣中顆粒物的濃度與其他空氣污染物的濃度也有著緊密的聯(lián)系，未來(lái)對(duì)顆粒物污染的控制應(yīng)該從影響其濃度變化的諸多因素著手。

3 結(jié)論

1)利用空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)對(duì)研究地2010—2012年的空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，空氣中的顆粒物已經(jīng)成為了影響研究地附近空氣質(zhì)量的主要污染物。

2)2010—2012年度 PM2.5/PM10年平均值為0.47，該比例隨月份的不同而變化，與季節(jié)變化有很大關(guān)系。規(guī)律是春夏季比值偏小(春季為0.361，夏季為0.398)，秋冬季比值偏大(秋季為0.499，冬季為0.635)。冬季采暖期人為污染源增加，加之降水少、微風(fēng)、靜風(fēng)頻率高和逆溫頻繁等不利污染物擴(kuò)散的氣象條件復(fù)合，使得顆粒物污染加重。

3)相關(guān)性分析顯示，PM2.5/PM10與風(fēng)速呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，風(fēng)速愈大，比值愈小，反之則比值愈大；與濕度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，即濕度愈大，比值愈大，濕度愈小，比值也愈小。結(jié)論證實(shí)了風(fēng)速和濕度是影響PM2.5/PM10變化的因素。

4)對(duì)比PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO 6項(xiàng)空氣污染物在相同時(shí)間、空間尺度下的濃度變化曲線并進(jìn)行回歸分析后發(fā)現(xiàn)，PM10、O3、SO2、NO2、CO5項(xiàng)污染物濃度的變化對(duì)PM2.5濃度的變化有顯著影響，在一定程度上可以解釋細(xì)顆粒物PM2.5濃度的變化趨勢(shì)。

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