汕頭市PM10和PM2.5時間分布特征分析

張 曉，林恬旎，郭丹妮，杜映玉，杜 蓉

（1.汕頭市澄海區(qū)氣象局，廣東 澄海 515800；2.汕頭市氣象局，廣東 汕頭 515000）

1 引言

隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展，城市大氣環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，可吸入顆粒物（PM10）和細(xì)顆粒物（PM2.5）成為影響我國城市大氣環(huán)境質(zhì)量的首要污染物，主要來源是人為排放，比如化學(xué)燃料燃燒、工業(yè)廢氣等。

PM10和PM2.5分別是指空氣動力學(xué)等效直徑≤10μm和≤2.5μm的氣溶膠微粒，作為其他污染物的載體，不僅影響生態(tài)環(huán)境，還危害人類健康［1-2］。近年來，隨著環(huán)保觀念的增強(qiáng)，人們越來越關(guān)注生活環(huán)境的空氣質(zhì)量。2011年11月，美國駐華大使館發(fā)布PM2.5濃度數(shù)據(jù)，“南京氣象”官方微博在氣象預(yù)報中出現(xiàn)了PM2.5濃度數(shù)值，PM2.5開始進(jìn)入公眾視野。許多學(xué)者也做了關(guān)于PM10和PM2.5的多方面研究，比如時間變化特征、區(qū)域分布特征、對環(huán)境大氣的影響、對人類健康的影響等等［3-18］。江益等［16］分析了海口市PM10等顆粒物的年度變化特征及與氣象條件的關(guān)系；吳燊先等［17］用API指數(shù)分析了桂林市的空氣質(zhì)量，結(jié)論是桂林市2009年以來空氣質(zhì)量有下降的趨勢，且首要污染物變?yōu)橐钥晌腩w粒物為主；王開燕等［18］通過對南沙2016年P(guān)M10和PM2.5的質(zhì)量濃度、能見度和氣象要素等資料的分析，發(fā)現(xiàn)PM2.5是影響能見度變化的重要因素。

汕頭市位于廣東省東部、韓江三角洲南端，東南瀕臨南海，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，陽光充足、雨量充沛、夏長冬短、雨熱同季。2015年初，汕頭國家基準(zhǔn)氣候站新增了大氣成分觀測項目，可實(shí)現(xiàn)24h自動觀測。通過分析汕頭市的可吸入顆粒物時間分布特征，研究結(jié)果可為汕頭市的大氣環(huán)境治理提供決策支持。

2 數(shù)據(jù)來源及評價標(biāo)準(zhǔn)

2.1 觀測儀器

觀測儀器為安徽藍(lán)盾光電子開發(fā)的β射線法大氣顆粒物（PM10和PM2.5）監(jiān)測儀，利用β射線作為輻射源，采用恒定流量抽氣，大氣中的懸浮顆粒吸附在β源和探測器之間的濾紙表面，抽氣前后探測器對β射線計數(shù)值的改變反映了濾紙上吸附顆粒物質(zhì)量，根據(jù)抽氣體積，可以換算單位體積空氣中懸浮顆粒的濃度。

該儀器采用高精度質(zhì)量流量控制器，恒流穩(wěn)定性高，結(jié)合動態(tài)加熱系統(tǒng)（DHS），消除濕度因素對測量結(jié)果的影響。切割器是根據(jù)空氣動力學(xué)原理設(shè)計的，用于分離不同直徑的顆粒物，切割效率流量為16.67L/min±2%。PM10采用的是沖擊式切割原理，PM2.5采用的是旋風(fēng)式切割原理。

儀器安裝在汕頭國家基準(zhǔn)氣候站觀測場旁邊的方倉內(nèi)，觀測場海拔高度約3m，采樣口離地高度約5m。

2.2 數(shù)據(jù)選取

觀測時間段選取2015年11月1日0時～2017年10月31日23時，每天24h連續(xù)采樣觀測，每小時正點(diǎn)記錄一個濃度數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)初步篩選

采樣天數(shù)731d，每天24個數(shù)據(jù)，共17544個數(shù)據(jù)樣本，剔除更換紙帶和儀器故障時造成的缺測值和異常值（PM10共351個，PM2.5共75個），將剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。PM10因儀器故障，有13d全天無數(shù)據(jù)，統(tǒng)計天數(shù)為718d?；貧w分析時，PM2.5也選取相同的天數(shù)。

2.4 評價標(biāo)準(zhǔn)

大氣顆粒物的濃度是反映大氣顆粒物污染水平的重要指標(biāo)之一，通常用質(zhì)量濃度來表示，單位為μg/m3。評價標(biāo)準(zhǔn)參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）［19］（見表 1）。

表1 環(huán)境空氣污染物基本項目濃度限值（單位：μg·m-3）

3 結(jié)果分析

3.1 總體濃度水平

監(jiān)測結(jié)果表明，汕頭市區(qū)PM10日均濃度變化范圍為30.5～230.7μg·m-3，其中達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)282d，達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)704d，達(dá)標(biāo)率98.1%；PM2.5日均濃度變化范圍為 5.3～114.1μg·m-3，其中達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)395d，達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)709d，達(dá)標(biāo)率97.0%。

PM10的年平均日濃度為67.3μg·m-3，達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5的年平均日濃度為35.9μg·m-3，接近二級標(biāo)準(zhǔn)，由此可見，汕頭市大氣顆粒物污染并不嚴(yán)重，空氣質(zhì)量很好。

3.2 月變化規(guī)律

將觀測數(shù)據(jù)按照月份進(jìn)行統(tǒng)計（見表2），并繪制成變化曲線（見圖1）。汕頭市PM10和PM2.5的全年變化趨勢一致，大氣污染物濃度谷值出現(xiàn)在6月，峰值出現(xiàn)在3月和12月。

PM2.5/PM10代表可吸入顆粒物中細(xì)粒子的含量，可以反映顆粒物的污染水平。汕頭市PM2.5/PM10的年平均值為53.3%，各月比值見表3。

表2 汕頭市PM10、PM2.5月平均質(zhì)量濃度（單位：μg·m-3）

圖1 PM10和PM2.5的月平均濃度變化

通常認(rèn)為，比值在30%～40%屬輕度污染，在50%～70%屬重度污染。從上表可以看出，出現(xiàn)大氣污染的時候，細(xì)粒子的貢獻(xiàn)顯著，低于50%的僅有4個月。不過從表2也可以看到，PM10的數(shù)值并不大，每年超標(biāo)天數(shù)僅占2%～3%，汕頭市也沒有發(fā)生比較嚴(yán)重的大氣污染事件。

3.3 季節(jié)變化規(guī)律

汕頭市位于亞洲大陸南端，按傳統(tǒng)劃分的四季不太適用本地氣候條件。我國在氣候上常以候平均氣溫作為劃分四季的標(biāo)準(zhǔn)：候溫高于22℃為夏季，低于10℃為冬季，介于10～22℃之間則為春、秋季。按照此標(biāo)準(zhǔn)，汕頭無氣候意義的冬季，秋季和春季可連在一起，而夏季非常長，從4月初一直持續(xù)到10月末。結(jié)合表2的月平均質(zhì)量濃度數(shù)值可以看到，整個夏季的大氣顆粒物濃度都很低，而極大值出現(xiàn)在春夏交際和夏秋交際。夏季由于受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)影響，污染物較易擴(kuò)散，且季風(fēng)從海洋帶來充沛的水汽，降水對大氣顆粒物的沖刷作用較大，空氣質(zhì)量較好。在季節(jié)交替之時，天氣變化較大，冷暖氣團(tuán)交匯，云層較厚，且近地層常出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，大氣層結(jié)穩(wěn)定，易使污染物積聚，而此時降水稀少，不能靠降水沖刷有效減少其濃度。

3.4 日變化規(guī)律

將觀測數(shù)據(jù)按時次平均（見表4）。PM10的小時平均質(zhì)量濃度為 64.3～75.0μg·m-3，PM2.5 為 31.9～40.1μg·m-3。可見汕頭市大氣顆粒物的日濃度變化并不大，在10μg·m-3左右。

從圖2日變化曲線上可以看出，PM10呈雙峰型分布，峰值出現(xiàn)時間分別為11時和16時，而PM2.5呈單峰型分布，峰值出現(xiàn)時間為10時。

圖2 PM10和PM2.5日平均濃度變化

產(chǎn)生這種變化趨勢的主要原因是人類活動和逆溫層的影響。在深夜期間（0時～5時），人類活動較少，PM10和PM2.5濃度較低，且變化幅度很?。簧衔纾S著人類活動增加，PM10和PM2.5濃度開始逐漸升高，而且通過大氣光化學(xué)反應(yīng)，還會形成二次污染粒子，濃度繼續(xù)上升，在10～11時達(dá)到峰值，加之早上易發(fā)生逆溫現(xiàn)象，導(dǎo)致污染物不易擴(kuò)散；中午時段，由于溫度升高，對流活動強(qiáng)，有利于近地面污染物的擴(kuò)散，濃度逐漸下降。

由于汕頭市靠海，受海陸風(fēng)影響，午后一般風(fēng)速會增大，有利于大氣中污染物的擴(kuò)散，所以和一些內(nèi)陸城市的雙峰型分布曲線相比，下午的峰值不太明顯。而且由于總體濃度較低，個別污染較重的時段其濃度值可能對平均值產(chǎn)生較大影響，因此需要更長的時間序列來驗證其日濃度變化特征。

表3 汕頭市各月PM2.5/PM10比值（單位：%）

表4 汕頭站PM10、PM2.5逐小時平均質(zhì)量濃度（單位：μg·m-3）

3.5 PM2.5和PM10的相關(guān)性

對PM2.5和PM10的日平均濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖3，相關(guān)系數(shù)R達(dá)0.75，相關(guān)方程為y=0.426x+7.2728（y為PM2.5，x為PM10）。這結(jié)果與馬寧等［3］對銀川市大氣顆粒物的分析一致。

圖3 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度相關(guān)性分析

統(tǒng)計表明，PM2.5和PM10的月平均濃度與月平均氣溫、月總降水量呈顯著負(fù)相關(guān)（n=12），相關(guān)系數(shù)＞0.7；與月平均相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)＞0.65；與月平均氣壓呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)＞0.78。

4 結(jié)論

（1）2015年11月～2017年10月，汕頭市PM10的年均日濃度為67.3μg·m-3，達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5的年均日濃度為35.9μg·m-3，接近二級標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)率97%以上，總體空氣質(zhì)量很好。

（2）PM10的質(zhì)量濃度日變化呈雙峰型分布，峰值分別出現(xiàn)在上午和下午，而PM2.5呈單峰型分布，峰值出現(xiàn)在上午。

（3）PM10和PM2.5的月平均質(zhì)量濃度變化趨勢全年保持基本一致，谷值出現(xiàn)在6月，峰值出現(xiàn)在3月和12月，正值氣候意義上的春夏交替和夏秋交替之際。

（4）汕頭市的PM2.5/PM10比值為0.533，相關(guān)系數(shù)為0.75，存在顯著的線性關(guān)系。月平均質(zhì)量濃度與月平均氣溫、月總降水量、月平均相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，與月平均氣壓呈顯著正相關(guān)。

汕頭市的大氣顆粒物污染程度尚輕，但不能掉以輕心，仍需加強(qiáng)污染防治工作，防患于未然。