太原市細顆粒污染物PM2.5的時空變化特征及其戶外鍛煉決策的研究

韓業林，王 飛

太原市細顆粒污染物PM2.5的時空變化特征及其戶外鍛煉決策的研究

韓業林，王 飛

目的：探究太原市細顆粒污染物PM2.5的時空變化規律并據此提出相應的運動決策建議。研究方法：本文采取文獻資料法和數據分析法，在探討了細顆粒污染物PM2.5對運動人體存在特殊健康風險的基礎上，分析了2014-2015年太原市PM2.5濃度的時空變化特征及規律。研究結果：太原市PM2.5的污染情況，冬季污染程度最高，而夏季最低；僅處于冬季上風區及新城區的上蘭站點和澗河站點污染情況較輕；工作日PM2.5的污染情況較重；PM2.5污染情況在早晨和午后的污染情況比較嚴重。結論：運動中，呼吸方式的改變，呼吸頻率的增加，肺擴散能力增強，使得運動人群更容易受到PM2.5傷害；太原市PM2.5存在明顯時空差異，故太原市范圍內的人群進行戶外鍛煉時，應盡量減少秋、冬季和工作日以及早晨外出鍛煉次數。 關鍵詞：PM2.5；損傷機制；時空特征；運動建議 Abstract: The temporal and spatial variation of fine particulate matter PM2.5 in Taiyuan is investigated and the corresponding motion decision suggestions are put forward. In this paper, literature data and data analysis are used to analyze PM2.5 concentration in Taiyuan during the period from 2014 to 2015 on the basis of discussing the special health risk of PM2.5 and the rule. The results show that PM2.5 pollution in Taiyuan has the highest pollution degree in winter and the lowest in summer. The pollution situation of PM2.5 in Shanglang and Jianhe is only in the upper wind zone and new city area in winter. Pollution situation of PM2.5 is more serious in the morning and afternoon. Conclusion: During the exercise, the changes of breathing patterns, the increase of respiratory rate and the ability of lung diffusion make the sports people more vulnerable to PM2.5 injury. There are obvious temporal and spatial differences in PM2.5 in Taiyuan, so the crowd in Taiyuan city is outdoor Exercise, should try to reduce the autumn, winter and working days and the number of morning outings. Key words: PM2.5; damage mechanism; temporal-spatial characteristic; exercise suggestion

前言

近年來，進行戶外體育鍛煉的人數日益增多，但與此同時，大量化石燃料的使用導致大氣污染問題也變得尤為突出，其中以氣溶膠形式懸浮在空氣中的大氣細顆粒污染物( particulate matter 2.5，PM2.5) 更是成為城市首要污染物[1]。PM2.5特指空氣中空氣動力學直徑小于2.5μm的大氣顆粒污染物( particulate matter，PM)，PM2.5表面上吸附大量有害物質，且極為細小，人體對其過濾、阻攔能力很弱，粒徑小于0.1μm的PM2.5更可直接進入血液循環，到達全身器官、組織[2]。流行病學證據顯示，于大氣顆粒污染物中暴露與人群死亡率增加有關[3]，PM2.5的濃度長期高于10μg·m-3時，普通人群死亡風險就會上升，濃度每增加10μg·m-3，總死亡風險會上升4%，得心肺疾病的死亡風險上升6%，得肺癌的死亡風險上升8%，對免疫系統、生殖系統等也有著不可忽視的影響[4-6]。

在運動過程中，由于運動人體呼吸方式的改變、呼吸頻率的增加以及肺擴散能力增強[7, 8]，會加劇PM2.5對人體的傷害[9, 10]，暴露于同等PM2.5濃度條件下，運動者吸入的有害物量是安靜狀態者的數倍乃至十幾倍[11-14]。鑒于無法短時改變污染現狀，通過探究PM2.5時空變化規律，在一定范圍內用于指導戶外鍛煉的時間、地點的安排，以協調污染和運動這對矛盾，進而更好的促進身體健康，顯得迫切而必要。作為傳統重工業城市，太原市長期以來形成了以煤炭初加工和能源產業為主導的產業結構，在同類工業城市中極具代表性。故以太原市作為研究對象來探索PM2.5的時空變化規律，并提出的相應運動決策建議，以協調污染和運動的矛盾，對同類工業城市而言有較好的借鑒意義。

1 太原市PM2.5污染數據的采集與分析方法

1.1 監測數據的采集

圖一為太原市十個監測點的分布圖，基本覆蓋了太原市全區。本文采集了十個監測點在2014年2月7日到2016年2月9日兩年的數據，樣品分析依據中國環境空氣質量標準(GB3905-2012)[15]。

圖一 研究區域監測點分布地圖

站點名稱有效天數缺失天數缺失比例太原73300尖草坪72670.96%澗河72560.82%上蘭73030.41%晉源73300小店73210.14%桃園73030.41%塢城73120.27%南寨72940.55%金勝73120.27%

各監測點數據缺失情況如表1所示，兩年內，各站點數據缺失比例僅為0.14%—0.96%，同時，缺失值用缺失日期前后3天監測的平均值進行替代。

1.2 數據的分析方法

太原市各監測點PM2.5濃度時空變化的熱圖(Heat Map)圖譜分析均采用R語言“pheatmap”包pheatmap函數來做成的，熱圖中各監測點之間的聚類劃分是基于各檢測點PM2.5濃度的歐式距離來確定的，由pheatmap函數自動完成。

2 太原市PM2.5空間與季節變化特征的分析及運動建議

2.1 PM2.5的空間與季節特征的統計分析

圖二為太原城區10個監測點PM2.5日濃度時空變化的熱圖，圖中漸進的顏色梯度代表了污染的嚴重程度，顏色越深PM2.5污染越嚴重。圖二已基于各監測點數據歐式距離的相關性自動進行了聚類。

圖二 太原市大氣細顆粒污染物PM2.5空間與季節變化熱圖

從空間上看，小店、晉源、塢城站點被劃分為一類(GroupⅠ)，該類所含站點處于城市冬季下風區；南寨、金勝、尖草坪、桃園、太原站點被劃分為一類(GroupⅡ)，屬于城市繁榮區和傳統重工業區；澗河、上蘭站點被劃分為一類(GroupⅢ)，屬于城市新興區和城市冬季上風區。圖中可見，GroupⅢ所包括的站點的污染情況要明顯比GroupⅠ和GroupⅡ所包含的站點的污染程度要輕，造成這一現象的原因可能是GroupⅢ所含站點屬于城市新興區人類生產活動相對不頻繁，污染物排放比較少，加之，又處于冬季上風區，避免了風將城市繁榮區和重工業區的產生的大量污染物吹向這里。

從季節上看，在2014 年2月到5月(對應的季節為冬季和春季)，2014年10月到2015年1月(對應的季節為秋季和冬季)，以及2015 年11月—2016年1月對應的季節為秋季和冬季)這三個時間段PM2.5色塊的顏色明顯偏深，說明PM2.5污染情況比較突出，同時，兩年春夏交替，夏季，夏秋交替所在的月份色塊顏色比較淺，說明PM2.5污染情況相對比較輕微，即，太原市PM2.5污染情況在季節上尺度上表現為，深秋，冬季，初春污染程度比較嚴重，而春末，夏季，初秋污染程度比較輕微。

2.3 運動建議

身處太原的人群應對自身所處城市的位置有個基本的判斷，身處城市繁榮區，傳統重工業區以及冬季下風區的人群在選擇外出鍛煉時需格外注意PM2.5的污染情況；與此同時，由于太原市不同季節PM2.5污染情況有明顯差異，故人們在選擇外出鍛煉時應盡量減少在深秋，冬季，初春季節外出鍛煉的次數，若外出鍛煉，務必做好針對PM2.5污染的防范措施。

3 PM2.5周與天的變化特征及運動建議

3.1 PM2.5一周內的變化特征

人們在選擇戶外鍛煉時間時，往往會以周為單位進行一些計劃安排，并且會具體到一天中的某個時段，因此，為了便于更好對人們戶外鍛煉時間上提供決策建議，特對PM2.5做了周和天尺度上的熱圖，圖三和圖四。

圖三 太原市大氣細顆粒污染物PM2.5周變化特征熱圖

由圖三可以看出PM2.5污染程度在一周內有著顯著的區別，周天的污染情況在多數時候要比其它幾天的污染程度相對要輕，而周二、周三、周四的污染情況多數時候在一周中最為嚴重，而這三天恰好處于一周工作日的中間位置。

由圖四可以看出，早晨6點左右和下午14點左右，PM2.5的污染情況明顯比其他時段要嚴重，上午和傍晚的PM2.5的污染情況較為輕微。

圖四 太原市大氣細顆粒污染物PM2.5日變化特征熱圖

3.2 運動建議

身處太原的人群在安排一周內的戶外鍛煉計劃時，盡量避開工作日中的周三、周四、周五，最好將外出鍛煉時間安排在周末，這樣可以有效的避開污染的高峰期，同時，在安排一天內的鍛煉時間時宜盡量不要選擇在早晨和午后，在此情況下，人們選擇上午和傍晚更為有利，再考慮到工作時間問題，選擇在傍晚進行鍛煉可能是最合適的。

4 結論

1.PM2.5因其極為細小，且表面上吸附大量有害物質，故，對人體健康有嚴重的傷害；與此同時，由于運動過程中，呼吸方式的改變，呼吸頻率的增加，肺擴散能力增強，使得運動人群較普通人群更容易受到PM2.5傷害。

2.太原市PM2.5污染情況，在空間尺度上處于冬季上風區及新城區的上蘭站點和澗河站點PM2.5污染情況要明顯優于處于冬季下風區和人類頻繁活動區的其它站點；在季節上尺度上深秋，冬季，初春污染程度比較嚴重，春末，夏季，初秋污染程度比較輕微；在周的尺度上，工作日污染程度較嚴重，而周天的污染情況最為輕微；在天的尺度上，早晨和午后比較嚴重，上午和傍晚則相對較為輕微。

3．身處城市繁榮區，傳統重工業區以及冬季下風區的人群在選擇外出鍛煉時需格外注意PM2.5的污染情況，盡量減少在深秋，冬季，初春季節外出鍛煉的次數，最好將外出鍛煉時間安排在周末及傍晚。

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Study on Temporal and Spatial Variation of Fine Particle Pollutants PM2.5 in Taiyuan and Its Outdoor Exercise Decision

Han Yelin，Wang Fei

高校學生體質健康數據的模式識別及可視化研究(項目編號：2016218)

韓業林(1990-)，男，在讀碩士研究生，研究方向：運動人體科學。

山西大學體育學院，山西 太原 030006 Physical Education Department of Shanxi University, Taiyuan 030006, Shanxi, China.

G812

A

1005-0256(2017)02-0046-3

10.3969/ j.issn.1005-0256.2017.02.019