長沙市PM2.5質量濃度及其變化特征

李巧云，廖菊陽*，劉 艷，李高飛，廖 鵬，吳林世

(1.湖南省森林植物園 湖南省城市森林研究中心 生態景觀環境研究所，湖南 長沙 410116；2. 湖南長株潭城市群森林生態系統定位觀測研究站，湖南 長沙 410116)

長沙市PM2.5質量濃度及其變化特征

李巧云1,2，廖菊陽1,2*，劉 艷1,2，李高飛1,2，廖 鵬1,2，吳林世1,2

(1.湖南省森林植物園 湖南省城市森林研究中心 生態景觀環境研究所，湖南 長沙 410116；2. 湖南長株潭城市群森林生態系統定位觀測研究站，湖南 長沙 410116)

統計2015年9月到2016年8月長沙市PM2.5監測數據及氣象數據，并分析其季節特征、溫度特征及其與工作日和周末之間的關系，以期揭示城市PM2.5污染的主要特征及其變化趨勢。研究結果表明：我國北部和南部的細顆粒物PM2.5的污染程度大于長沙市，長沙市PM2.5質量濃度的季節變化趨勢表現為：冬天>春天>秋天>夏天；冬季空氣污染較重，PM2.5日均值(75.32±38.12)μg/m3超過我國空氣質量(PM2.5)二級標準；夏天空氣質量相對良好，日均值(32.40±14.25)μg/m3，達到我國空氣質量(PM2.5)一級標準；長沙市PM2.5質量濃度與月平均溫度存在一定程度的負相關，當月平均溫度最高達29.71 ℃時，對應PM2.5質量濃度最低，為29.71 μg/m3，當月平均溫度最低為5.07 ℃時，對應PM2.5質量濃度最高，為80.9 μg/m3；PM2.5質量濃度在工作日和周末存在顯著差異，冬季周末質量濃度高于工作日，而夏季則相反。

空氣質量；顆粒物；PM2.5；變化特征

隨著城市人口的急劇增長，城市化工業化的進程加快，城市環境空氣污染也日益嚴峻。目前影響空氣質量最主要的污染物之一就是大氣中的懸浮顆粒物PM(Particulate matter)，PM是影響大氣能見度和地球輻射平衡的主要污染物，也是大氣化學反應的重要載體[1]。近年來對大氣顆粒物的研究引起了人們越來越多的關注，已經成為我國乃至世界研究的熱點，尤其對細顆粒物PM2.5的研究。PM2.5是指空氣中直徑小于或者等于2.5 μm的顆粒物，其攜帶大量有毒有害物質，嚴重威脅人類健康。美國是世界上最早開展室內空氣污染研究的國家之一，并于1997年率先制定了PM2.5控制標準NAAQS(National Ambient Air Quality Standards)[2]。英國新的空氣質量目標規定：到2020年其PM2.5濃度的年均值不超過25 μg/m3[3]。加拿大在1998年制定的環境標準中明確了PM2.5濃度參考值，并于2010年執行不超過30 μg/m3的PM2.5日均濃度限值[4]。我國于2002年由國家質量監督檢驗檢疫局、衛生部和環境保護部聯合發布的《室內空氣質量標準》GB/T 18883—2002中,僅規定了可吸入顆粒物PM10的日平均濃度為150 μg/m3，而對PM2.5的日平均值未作規定。 2012年12月我國環境保護部頒布的《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012),新增了PM2.5等評價指標，第一次明確規定：PM2.5濃度日均值一級標準：PM2.5濃度<35 μg/m3；二級標準：35 μg/m3≤PM2.5濃度≤75 μg/m3；當PM2.5濃度日均值超過75 μg/m3即為超標。

目前各國學者從PM2.5的來源、特征、危害、形成機理等多個角度進行了細致的研究，也取得了較多進展[5]。但這些研究多集中在化學元素對其的影響，而單純研究其自身變化特征的相對較少。本研究通過統計長沙市2015年9月到2016年8月PM2.5監測質量濃度和部分氣象數據，分析了其季節特征、溫度特征及與工作日和周末之間的關系，為有效預測PM2.5濃度的變化規律和制定合理有效的城市環境空氣污染應急措施和防治對策提供科學依據。

1 數據獲取

長沙城區共設有10個監測點，自2013年1月1日按新的《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)實行城市環境空氣質量自動監測。長沙市PM2.5自動監測儀采用的是熱電公司(SHARP5030)產品，采用一點多發的方式，相關業務部門可以共享查閱[6]。本研究所用PM2.5質量濃度數據以及部分氣象數據均是從湖南省氣象臺官方網站上獲取，都是已經面向公眾發布的歷史數據，跨度時間為2015年9月到2016年8月。

2 數據統計

2.1 PM2.5質量濃度的統計

統計長沙市2015～2016年研究時段的PM2.5月均質量濃度；按照四季劃分，即3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～2月為冬季，統計長沙市四季季均PM2.5的質量濃度；選擇2015年12月(冬季代表月份)和2016年6月(夏季代表月份)PM2.5質量濃度作為研究區間，統計工作日與周末日均PM2.5質量濃度，分析不同季節情況下長沙市PM2.5質量濃度與工作日和周末之間的關系。

2.2 氣象參數的統計

統計長沙市2015～2016年研究時段的月均氣溫值。

3 數據分析

用Microsoft Excel 2000軟件和SPSS 11.0統計分析軟件對數據進行相關性分析。

4 結果分析與討論

長沙市地處湖南省東部偏北，湘江下游與長瀏盆地的西緣，東經111°53′～114°15′,北緯27°51′～28°41′，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，氣溫溫和、雨熱同期、四季分明。本研究數據期間為2015年9月到2016年8月，跨度時間1年，故本研究分析結果可以作為評估長沙市PM2.5污染現狀及如何有效防治的依據。

4.1 長沙市PM2.5質量濃度的季節變化特征

對研究期間PM2.5質量濃度按季度統計分析，結果見圖1。由圖1可知，長沙春季、夏季、秋季及冬季的PM2.5平均質量濃度分別為(59.75±22.73)、(32.40±14.25)、(53.19±23.55)、(75.32±38.12)μg/m3,質量濃度季節變化趨勢為：冬天>春天>秋天>夏天。其中冬季污染比較嚴重，其日均值超過了我國PM2.5日均值二級標準75 μg/m3；夏天的空氣質量相對良好，小于35 μg/m3，達到我國空氣質量PM2.5日均值一級標準。

長沙的春天和冬天相對比較寒冷，城鎮居民及公共建筑多以燃煤滿足生活熱水和供暖需要，PM2.5污染明顯加重。另一方面，冬季的溫度比較低，低溫有利于顆粒物的再生和堆積，使得PM2.5的質量濃度高于夏季。研究發現，長沙市PM2.5質量濃度在夏天相對較低，這種季節性差異的主要是因為夏季太陽輻射較強，地面的溫度偏高，加強了空氣的對流與湍流，不容易形成逆溫天氣，能夠使PM2.5有效擴散。而冬季，冷空氣活動頻繁，逆溫天氣頻繁發生且持續時間長，不利于PM2.5的有效擴散。Sun等研究表明北京PM2.5夏季質量濃度為77.3 μg/m3,冬季為135.7 μg/m3[7],分別為長沙市PM2.5質量濃度的2.4倍和1.8倍。Cao等研究顯示珠江三角洲PM2.5夏季質量濃度為51.25 μg/m3,冬季為78.5 μg/m3[8],分別為長沙市PM2.5質量濃度的1.58倍和1.04倍。通過對比發現：我國中部城市長沙的細顆粒物PM2.5的污染程度比北部城市北京和南部城市珠江三角洲都輕，但我國北部的細顆粒物污染程度相對比較嚴重，其PM2.5質量濃度達到了中部城市長沙的2倍左右。

圖1 長沙市PM2.5質量濃度的季節變化

4.2 長沙市PM2.5質量濃度與溫度之間的關系

空氣中的相對濕度、氣團的湍流作用都會受到大氣溫度的影響，鄧珍珍[9]研究發現，顆粒物的濃度與相對濕度具有一定的正相關性，與大氣溫度呈現一定的負相關。統計分析研究期間長沙市各月份平均溫度與PM2.5質量濃度之間的關系，結果見圖2。

圖2 長沙市PM2.5質量濃度與月平均溫度之間的關系

從圖2可以明顯看出，2016年7月平均溫度最高30.65 ℃時，對應的PM2.5質量濃度出現了研究月份的最低值29.71 μg/m3；2016年1月平均溫度最低5.07 ℃時，對應的PM2.5質量濃度是研究月份最高的80.9 μg/m3；從圖2整體可以看到月平均溫度與PM2.5質量濃度存在一定程度的負相關，該研究結果與鄧珍珍[9]和陳上杰等[10]的一致。這是因為溫度的變化會影響空氣中的各項化學反應，細分到大氣顆粒物中主要就是影響顆粒物的生消反應。越接近地面受溫度的影響越大，溫度在大氣的垂直方向變化較水平方向變化更大，這種變化會影響近地面的大氣顆粒物，從而影響PM2.5質量濃度發生變化。當溫度較高時，近地面的空氣對流作用會加強；當溫度降低時，空氣中的對流作用就會相對減弱。溫度升高時空氣對流作用的加強有利于污染物的向上漂浮，這樣近地面PM2.5的質量濃度就會降低；當溫度降低時由于空氣對流作用的減弱，顆粒物就會下降沉積，從而使得PM2.5質量濃度上升。

同時用線性回歸曲線驗證PM2.5質量濃度和月平均溫度之間的相關關系，如圖3。可以看到關系函數斜率小于0，且R2=0.6923，表明月平均溫度與PM2.5質量濃度有很好的負相關性。

圖3 長沙市PM2.5質量濃度與月平均溫度之間的關系

4.3 長沙市冬季PM2.5質量濃度與工作日和周末之間的關系

避開寒假及有重大節假月份，選取冬季代表月份2015年12月作為研究區間，分析長沙市冬季PM2.5質量濃度與工作日和周末之間的關系。對研究區間長沙市PM2.5質量濃度按周進行統計，得到長沙市冬季工作日和周末平均PM2.5質量濃度的周變化規律，如圖4所示。

圖4 長沙市冬季工作日與周末PM2.5質量濃度

由圖4可知，冬季長沙市PM2.5質量濃度自星期一開始逐漸升高，星期二達到1個小高峰后慢慢下降，星期五達到工作日的最高峰85.6 μg/m3，星期六開始顯著升高而星期日又迅速降低。對比我國《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)，星期五到星期天均超過國家PM2.5質量濃度二級標準75 μg/m3。在星期二達到一個小峰值71.6 μg/m3，即將接近我國二級標準，在星期六達到1個最高峰值102.2 μg/m3，是國家二級標準的1.36倍，這說明PM2.5質量濃度與人類活動緊密相關。星期一工作日的開始，人們的工作強度、人類活動逐漸增強，因此，與人類活動有關的基建、交通、工業等產生的顆粒物逐漸增多。在星期二達到一個穩定值后，星期三、星期四這幾天的PM2.5質量濃度基本持平。但到了星期五，PM2.5質量濃度遠遠高于其它工作日，達到了85.6 μg/m3；長沙是湖南的省會，因為周末的臨近，長沙周邊城市瀏陽、望城、湘潭、株洲等地的居民會加強到長沙的活動；另外長沙有很多外地學子求學，每到周五，家長都會從外地趕來接送子女，從而導致這些由人類活動產生的PM2.5質量濃度逐漸增加。星期六即周末的第1天，人們的戶外活動明顯增強，導致PM2.5質量濃度達到一周內的最高值102.2 μg/m3；星期日大多數人選擇在家休息，為下周的工作做準備，出行活動明顯減少，交通密度相對減弱，PM2.5質量濃度也隨之降低。有文獻表示，周末顆粒物濃度會高于工作日濃度[11]，可能在發展中國家，人們在度過一周緊張的工作日后，周末外出活動比較集中，這也是導致周末顆粒物濃度較高的原因之一。

4.4 長沙市夏季PM2.5質量濃度與工作日和周末之間的關系

避開暑假及有重大節假月份，選取夏季代表月份2016年6月作為研究區間，分析長沙市夏季PM2.5質量濃度與工作日和周末之間的關系。對研究區間長沙市PM2.5質量濃度按周進行統計，得到長沙市夏季工作日和周末平均PM2.5質量濃度的周變化規律，如圖5所示。

由圖5可知，并不是全年周末PM2.5質量濃度都高于工作日，不同季節工作日與周末PM2.5質量濃度存在明顯差異。總的來說，夏季長沙市空氣質量相對良好，星期一和星期二的PM2.5日均值符合國家空氣質量(PM2.5)二級標準，星期三到星期天的PM2.5日均值符合國家空氣質量一級標準。在夏季，工作日開始第一天星期一PM2.5濃度飆升到最高值38.8 μg/m3，然后慢慢開始下降，星期二跌到35.6 μg/m3，仍然在國家空氣質量二級標準區間內。在星期五又有一個小回升，達到了28.4 μg/m3。與冬季不同的是，周末PM2.5質量濃度基本上與工作日持平，并沒有一個很大的升高。這與研究所選月份6月份有很大關系，長沙因夏季炎熱歷來屬于“火爐”城市之一，因為天氣炎熱，人們會相對減少周末的戶外活動，選擇在家休息。而到了工作日，盡管天氣炎熱，人們勢必增加出行活動，所以在星期一，PM2.5質量濃度出現飆升情況,然后慢慢的人們的工作強度出現一定程度的松懈，導致這些由人工源產生的PM2.5質量濃度逐漸降低。這一結果與發達國家的研究結果相同，如Pey等[12]的研究表明西班牙巴塞羅那工作日的顆粒物質量濃度高于周末。可能是因為在發達國家，人們周末多以休閑娛樂為主，交通密度較工作日降低，從而導致顆粒物質量濃度降低。長沙市夏季空氣質量相對良好，2016年6月月平均溫度為27.17 ℃，太陽的輻射較強，氣溫較高，大氣的穩定性被破壞。空氣對流增大產生的空氣垂直湍流有利于近地層空氣中的懸浮顆粒物向上擴散而被帶到高空稀釋，使得顆粒物質量濃度降低。

圖5 長沙市夏季工作日與周末PM2.5質量濃度

5 結論

長沙市細顆粒物PM2.5的污染程度小于我國北部和南部，PM2.5質量濃度受季節影響變化較大，其變化趨勢為：冬天>春天>秋天>夏天。其中冬季污染比較嚴重，PM2.5濃度日均值(75.32±38.12)μg/m3超過我國空氣質量(PM2.5)二級標準；夏天的空氣質量相對良好，日均值(32.40±14.25)μg/m3，達到我國空氣質量(PM2.5)一級標準。

長沙市PM2.5質量濃度與月平均溫度存在一定程度的負相關，表現為月平均溫度最高30.65 ℃時，對應的PM2.5質量濃度最低，其值為29.71 μg/m3；月平均溫度最低5.07 ℃時，對應的PM2.5質量濃度最高，其值為80.9 μg/m3。冬季，長沙市PM2.5質量濃度周末高于工作日；夏季，長沙市PM2.5質量濃度周末低于工作日；并不是全年周末PM2.5質量濃度都高于工作日，存在季節之間的差異。

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(責任編輯：許晶晶)

Mass Concentration of PM2.5and Its VariationCharacteristics in Changsha

LI Qiao-yun1,2, LIAO Ju-yang1,2*, LIU Yan1,2, LI Gao-fei1,2, LIAO Peng1,2, WU Lin-shi1,2

(1. Institute of Ecological Landscape Environment, Hunan Urban Forest Research Center, Hunan Forest Botanical Garden, Changsha 410116, China; 2. Location Observation and Research Station of Forest Ecosystem of Chang-Zhu-Tan City Cluster in Hunan Province, Changsha 410116, China)

In order to reveal the main characteristics and variation trend of PM2.5pollution in city, we used the PM2.5monitoring data and meteorological data of Changsha city from September 2015 to August 2016, and analyzed their seasonal characteristics, temperature characteristics, and their relationships with weekday and weekend. The results showed that the pollution degree of fine particle matter PM2.5in north and south of China was higher than that in Changsha, and the seasonal variation trend of the mass concentration of PM2.5in Changsha was: winter>spring>autumn>summer. The air pollution was heavier in winter, and the diurnal average mass concentration of PM2.5was (75.32±38.12)μg/m3, which exceeded the secondary standard of the national ambient air quality standard (NAAQS). The air quality was better in summer, and the diurnal average mass concentration of PM2.5was (32.40±14.25)μg/m3, which reached the primary standard of NAAQS. The mass concentration of PM2.5in Changsha had a negative correlation with the monthly mean temperature: when the monthly mean temperature was the highest (29.71 ℃), the corresponding mass concentration of PM2.5was the lowest (29.71 μg/m3); when the monthly mean temperature was the lowest (5.07 ℃), the corresponding mass concentration of PM2.5was the highest (80.90 μg/m3). There was a significant difference in the mass concentration of PM2.5between weekday and weekend; the mass concentration of PM2.5on weekend was higher than that on weekday in winter, but it was on the contrary in summer.

Air quality; Particle matter; PM2.5; Variation characteristics

2016-11-24

美麗城鎮森林景觀的構建技術研究與示范(201404301);長株潭城市森林對PM2.5等顆粒物阻控技術研究(XLK201554)； 湖南城郊森林負氧離子監測規程(XLB201611)。

李巧云(1987─),女，工程師，主要從事環境生態方面的研究。*通訊作者：廖菊陽。

X831

A

1001-8581(2017)04-0089-05