中国典型城市主要大气污染物的浓度水平及分布的比较研究

朱红霞，赵淑莉

中国环境监测总站，北京 100012

中国典型城市主要大气污染物的浓度水平及分布的比较研究

朱红霞，赵淑莉*

中国环境监测总站，北京 100012

应用柱状图和箱线图对污染物分布情况进行对比分析，明确了2013上半年北京、沈阳、广州、上海和海口5个城市4项污染物（SO2、NO2、PM10、PM2.5）的日均浓度的分布范围。该组数据涉及的站点总计有49个，其中包含的数据量北京有1863个、沈阳有1670个、上海有1452个、广州有1574个、海口有780个。柱状图显示了这段时间每个城市各个站点4种污染物不同浓度的分布范围，北京的ρ(SO2)和ρ(NO2)分布较为集中，主要的质量浓度区间分别是0～40和40～80 μg·m-3，分别占北京SO2和NO2总数据量的51.0%和49.7%，ρ(PM10)和ρ(PM2.5)则分布较为分散；沈阳分布较为集中的是ρ(NO2)和ρ(PM2.5)，主要的质量浓度区间分别是0～30和30～60 μg·m-3，分别占沈阳NO2和PM2.5总数据量的52.2%和42.8%，ρ(SO2)和ρ(PM10)则分布较为分散；上海和广州分布较为集中的是低浓度下的ρ(SO2)，其他三项污染物分布较为分散。箱线图是利用每个城市所有站点得到的最大值、最小值、上四分位数、下四分位数和中位数的平均值绘制得到的，通过不同城市间的比较可见，同期ρ(SO2)的比较结果是ρ(沈阳)＞ρ(北京)＞ρ(广州)＞ρ(上海)＞ρ(海口)；ρ(NO2)较大的3个城市是北京、上海和广州；对于ρ(PM10)则只有广州和海口2个城市浓度较低，而对于ρ(PM2.5)高值集中在北京、广州和沈阳3个城市。通过谱图间的比较，并结合各个城市的气象条件及经济发展状况，从中可推测除背景点海口外，北京和沈阳主要的污染物是PM2.5和PM10，广州和上海主要的污染物是NO2和PM2.5；北京主要的污染来源是燃煤烟尘和机动车尾气，广州和上海主要的污染来源是机动车尾气，沈阳主要的污染来源是燃煤烟尘。研究结果可为典型城市的环境监管与大气污染控制提供科学依据。

4项污染物；柱状图；箱线图；分布；来源

SO2、NO2(Huang等，2012；Zhao等，2013)、PM10（Omar等，2013）和PM2.5（Liu，2013）是颇受关注的空气污染指标，其浓度的高低与居民的身体健康息息相关。

SO2能对人体和自然界造成诸多危害。高浓度SO2能对患哮喘病的小孩和在户外活动的成年人造成暂时性的呼吸损伤，且能造成植物的叶状病、使植物减产、降低植物生态系统的多样性。且SO2是主要的酸沉降（如酸雨）前体物，它能加速自然和人造材料的腐蚀，造成土壤、湖泊、溪流的酸化，破化生态环境（黄青等，2010）。

NO2毒性大，对呼吸器官有刺激作用，能引起急性哮喘。一般情况下，空气中二氧化氮24 h的平均质量浓度达到0.123 mg·m-3以上，人体健康就会受到危害，而世界上许多大城市的二氧化氮浓度都超过这一数值。二氧化氮还是一种腐蚀剂，它与空气中的碳氢化合物在阳光的作用下形成光化学烟雾，危害更大（吴新敏等，2012）。

PM10指空气动力学当量直径小于10 μm的颗粒，在环境空气中停留时间长，可以直接进入人体肺部并滞留在肺的深处，不易被排出体外，严重危害呼吸系统和心血管系统健康（Sandstrom等，2005），同时对大气能见度、空气质量和全球气候变化有影响（张楠等，2012；Schwartz，2000）。

PM2.5指空气动力学直径等于或小于2.5 μm的颗粒，它既来源自污染源直接排放的颗粒物，也产生于各种气态污染物的各种物理或化学过程（Pope等，2002）。不仅影响大气能见度（Toon，2000），还对人类健康造成威胁（Koch，2000；Chan等，1997）。研究表明，随着呼吸过程PM2.5能进入人的支气管和肺泡，PM2.5可能引发整个人体范围的疾病。根据美国1980—2000年人类预期寿命随空气质

量改善的变化：PM2.5每降低13～14 μg·m-3，预期寿命会增加0.82年。PM2.5对能见度产生影响，PM2.5与能见度呈对数负相关关系。以上海为例，PM2.5浓度每下降10%，能见度可改善4%～15%。PM2.5还是影响全球辐射胁迫的短寿命组分。因此，PM2.5既是局地污染物，也是区域性及全球性污染物（郝吉明，2012；王志娟等，2012）。

本文所选用北京、上海、广州、沈阳和海口作为研究对象，这5个城市地处我国东部和南部经济和社会较发达的地区，选取的参考背景点是植被丰富、重工业较少、污染相对较轻的海口。且近年来，学者们对这几所城市污染状况的研究较多（Hao等，2005；Wang等，2013），如气相特征、化学成分、污染来源等（贺克斌等，2003；Chen等，2007），可以获取的文献资源较为丰富。

表1 2013上半年5个城市的天气状况Table 1 Five cities’ weather condition in the first half of 2013

1 仪器与资料

SO2、NO2、PM10和PM2.5这4种污染物，5个城市自动监测站点使用的仪器均是美国Thermo公司的。为保证自动监测数据的可靠性，每一站点均由当地的省级或市级监测站的技术人员进行定时的巡检，并进行严格且详细的记录，包括仪器的运行状态，水、电、温度等。每种自动监测仪都进行定期校准，SO2和NO2的需要用标准气体校准，PM10和PM2.5的需要及时进行流量检查并定期更换滤膜，清洗采样头等。

2012年底中国环境监测总站采用了新版的全国城市空气质量实时发布平台（中国环境监测总站，2013），对6种污染物的实时和24 h平均浓度进行发布。这一平台的数据来自各个城市的自动监测站点，收集了2013上半年这一时段每天下午13时SO2、NO2、PM10、PM2.5这4项污染物的24 h均值，涉及的站点总计有49个，收集的日均值数据北京1863个、沈阳1670个、上海1452个、广州1574个、海口780个。对这部分数据进行了分析。该时段内五所城市的天气情况如表1所示。

图1 北京各污染物浓度范围Fig.1 Pollutant concentration range of Beijing

图2 沈阳各污染物浓度范围Fig.2 Pollutant concentration range of Shenyang

2 数据分析

参照空气质量标准（国家环境保护局科技标准司，1996；中国环境科学研究院，中国环境监测总站，2012），一级标准的24 h平均SO2质量浓度为50 μg·m-3，NO2为80 μg·m-3，PM10为50 μg·m-3，PM2.5为35 μg·m-3；二级标准的24 h平均SO2质量浓度为150 μg·m-3，NO2为80 μg·m-3，PM10为150 μg·m-3，PM2.5为75 μg·m-3。其中一类区（自然保护区、风景名胜区和其他）适用一级浓度限值，二类区（居住区、商业交通居民混合区、文化区、工业区和农业地区）适用二级浓度限值。本文所关注的站点大多在城市中心，为二类区，故与二级限值进行比较。

2.1 浓度范围

由于经济社会发展程度及污染来源结构不同，5个城市各个污染物的浓度差异明显，本文通过柱状图对5个城市4种污染物的浓度范围进行了比较，图1-5按照污染物的浓度范围分别统计了这段时间每个城市各个站点4种污染物不同浓度的分布范

围，从图1可以看出，北京分布较为集中的是ρ(SO2)和ρ(NO2)，主要的质量浓度区间分别是0～40和40～80 μg·m-3，数据量均在230以上，分别占北京SO2和NO2总数据量的51.0%和49.7%，ρ(PM10)和ρ(PM2.5)则分布较为分散；从图2可以看出，沈阳分布较为集中的是ρ(NO2)和ρ(PM2.5)，主要的浓度区间分别是0～30和30～60 μg·m-3，数据量分别是217和179，分别占沈阳NO2和PM2.5总数据量的52.2%和42.8%，ρ(SO2)和ρ(PM10)则分布较为分散；从图3和图4可以看出，上海和广州分布较为集中的是低浓度下的ρ(SO2)，其他三项污染物分布较为分散；从图5可以看出，海口的4项污染物浓度均分布在较低水平。表2将5个城市4种污染物主要分布的浓度范围进行了总结，对比空气质量二级标准的限值，广州ρ(NO2)超标现象明显；北京PM10和PM2.5两种污染物超标现象明显；沈阳和北京的ρ(SO2)和ρ(PM10)高于其他3个城市；北京和广州在这段时间ρ(NO2)要略高于其他3个城市，上海次之。

图3 上海各污染物浓度范围Fig.3 Pollutant concentration range of Shanghai

图4 广州各污染物浓度范围Fig.4 Pollutant concentration range of Guangzhou

图5 海口各污染物浓度范围Fig.5 Pollutant concentration range of Haikou

图6 北京、广州、海口、上海和沈阳5个城市SO2分布情况的比较Fig.6 Comparing SO2distribution about five cities of Beijing, Guangzhou, Haikou, Shanghai and Shenyang

图7 北京、广州、海口、上海和沈阳5个城市NO2分布情况的比较Fig.7 Comparing NO2distribution about five cities of Beijing, Guangzhou, Haikou, Shanghai and Shenyang

表2 5个城市污染物浓度分布范围Table 2 Pollutant concentration distribution of five cities μg·m-3

2.2 五城市各站点污染物浓度分布

将每个城市所有站点得到的最大值、最小值、上四分位数、下四分位数和中位数均计算出平均值，应用箱线图进行5个城市间的比较，结果如图6-9所示，图中直线代表24 h均值的二级标准限值。

由图6可以看出，沈阳ρ(SO2)有超标现象，综合比较可见ρ(沈阳)＞ρ(北京)＞ρ(广州)＞ρ(上海)＞ρ(海口)，从箱体的长短来看，北京和沈阳的箱体较长，说明这2个城市的ρ(SO2)在这段时间内的波动较大。

图7显示海口和沈阳的ρ(NO2)低于标准限值，5个城市这一污染物的浓度由高到低分别是北京、

上海、广州、沈阳和海口，其中北京和广州箱体较长，ρ(NO2)变化不稳定。

图8显示的PM10数据，广州和海口2个城市浓度低于标准限值，由高到低的顺序为ρ(北京)＞ρ(沈阳)＞ ρ(上海)＞ ρ(广州)＞ ρ(海口)。图9显示的ρ(PM2.5)结果，北京、广州、沈阳的四分位数均高于标准限值，其中北京的中位数也在标准限值以上，仅有作为背景点的海口市颗粒物浓度低于标准限值。比较图8和图9可见北京和沈阳的箱体长度大于其他3个城市，且上四分位数均高于二级标准限值，说明这段时间内这2个城市颗粒物污染较为严重，且浓度波动较大。故北京PM2.5的污染程度最大。

图8 北京、广州、海口、上海和沈阳5个城市PM10分布情况的比较Fig.8 Comparing PM10distribution about five cities of Beijing, Guangzhou, Haikou, Shanghai and Shenyang

图9 北京、广州、海口、上海和沈阳5个城市PM2.5分布情况的比较Fig.9 Comparing PM2.5distribution about five cities of Beijing, Guangzhou, Haikou, Shanghai and Shenyang

3 污染来源分析

本文的研究时段是我国北方城市的采暖季，这5个城市中北京和沈阳地处北方，取暖的主要燃料为煤，燃煤产物中SO2、NO2、PM10、PM2.5这4类污染物占的比重比较大。

对SO2的来源，黄青等（2010）将其归结为5类，分别是居民生活源、一般工业锅炉源、采暖源、主要工业源和电厂源，通过对北京主要行业排放的模拟分析，得出采暖源和一般工业锅炉源对SO2的贡献率较大。本文的分析时段处于我国北方城市的采暖季，北京和沈阳的SO2浓度偏高与燃煤废气的排放关系密切。

对空气中NO2的来源，吴新敏等（2012）分析得出：一方面是燃煤产生，760万t煤燃烧产生的NO2约1520 t；另一方面是机动车排放。本文分析得知北京、广州、上海3个城市NO2浓度偏高，这3个城市经济及社会较发达，机动车保有量在全国名列前茅（上海市统计局，国家统计局上海调查总队，2013；王峥，2013）。尤其是北京，该时段既处于采暖季且机动车保有量高，故NO2浓度居5个城市首位。

PM10和PM2.5这2种颗粒物的主要来源包括城市扬尘、建筑水泥尘、煤烟尘、钢铁尘、机动车尾气尘、生物质燃烧和二次硫酸盐、硝酸盐等（肖致美等，2012；吴虹等，2013）。朱先磊等（2005）、于扬等（2012）对北京大气颗粒的来源也进行了细致探讨，采用CMB（化学质量平衡模型）受体模型计算出这7类污染源对北京市PM2.5的贡献率之和是72.5%；Cheng等（2013）将颗粒物首要的污染来源归结于城市扬尘和机动车尾气尘。由柱状图和箱线图分析得到的结果是北京和沈阳2个城市的浓度高于其他3个城市，且北京污染程度更重些，故采暖等引起的煤烟尘以及机动车尾气尘对这一现象的贡献较大。

北京和沈阳主要的污染物是PM2.5和PM10，广州和上海主要的污染物是NO2和PM2.5。综合文献中提到的污染物来源和本文的分析结果，对每个城市的污染源进行了初步判断，其中北京主要的污染来源是燃煤烟尘和机动车尾气；广州和上海主要的污染来源是机动车尾气；沈阳主要的污染来源是燃煤烟尘。故为控制污染物来源，北京、上海和广州需进一步加强机动车管理，限制日机动车数量；需要考虑调整冬季燃料结构，采用新技术或清洁能源的城市是北京和沈阳。

4 结论

空气中SO2、NO2、PM10、PM2.5这4种污染物给人们的工作生活带来了很大的影响，运用柱状图和箱线图2种方法，对5个城市的污染物分布状况进行分析。通过柱状图可以很清晰的看出，北京数据量较大的是ρ(SO2)集中在0～40 μg·m-3，ρ(NO2)主要集中在40～80 μg·m-3，沈阳数据量较大的是ρ(NO2)和ρ(PM2.5)，主要的质量浓度区间分别是0～30和30～60 μg·m-3，上海和广州是低浓度的ρ(SO2)分布集中。箱线图可以通过将标准限值与最大值、上四分位数、中位数、下四分位数以及最小值进行比较，明确的看出每种污染物城市间的区别，ρ(SO2)的比较结果是ρ(沈阳)＞ρ(北京)＞ρ(广州)＞ρ(上海)＞ρ(海口)；ρ(NO2)较大的3个城市是北京、上海

和广州；对于ρ(PM10)则只有广州和海口2个城市浓度低于空气质量二级标准限值，而对于ρ(PM2.5)高值集中在北京、广州和沈阳3个城市。明确污染物的分布情况后，结合每个城市的气象条件和经济社会发展状况，大致推断北京和沈阳主要的污染物是PM2.5和PM10，广州和上海主要的污染物是NO2和PM2.5，研究时段5个城市的污染物来源主要可以归结为机动车尾气和供暖燃煤。

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Comparation of main atmospheric pollutants level and distribution in typical cities of China

ZHU Hongxia, ZHAO Shuli*
China National Environmental Monitoring Centre BeiJing 100012, China

Histogram and Boxplot were applied to analysis the distribution of pollutants. Distribution range of the daily average concentration of SO2, NO2, PM10and PM2.5was clear in Beijing, Shenyang, Guangzhou, Shanghai and Haikou during the first half of

four pollutants; histogram; boxplot; distribution of source

X823

A

1674-5906（2014）05-0791-06

国家环境保护公益项目（201209008；201309045）

朱红霞（1986年生），女，助理工程师，硕士，研究方向为大气环境分析。E-mail：zhuhx@cnemc.cn

*通信联系人

2013-11-18

朱红霞，赵淑莉. 中国典型城市主要大气污染物的浓度水平及分布的比较研究[J]. 生态环境学报, 2014, 23(5): 791-796.

ZHU Hongxia, ZHAO Shuli. Comparation of main atmospheric pollutants level and distribution in typical cities of China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(5): 791-796.

2013. This group data involved 49 detection sites, included data of 1863 in Beijing, 1670 in Shenyang, 1452 in Shanghai, 1574 in Guangzhou, 780 in Haikou. Histogram shows the concentration range of four pollutants at the site of each city. ρ(SO2) and ρ(NO2) in Beijing is relatively concentrated, respectively the concentration range is 0-40 and 40-80 μg·m-3, percentages are 51.0% and 49.7%. ρ(PM10) and ρ(PM2.5) are more dispersed. ρ(NO2) and ρ(PM2.5) in Shenyang is relatively concentrated, respectively the concentration range is 0-30 μg and 30-60 μg·m-3, percentages are 52.2% and 42.8%. ρ(SO2) and ρ(PM10) are more dispersed. ρ(SO2) in Shanghai and Guangzhou is relatively concentrated in low concentrations, the distribution of other three pollutants is more dispersed. Boxplot is drawn with the average of maximum, minimum, under the upper quartile, quartiles and median for all sites of each city. Through the comparison between the different cities, in the meantime the comparative result order of ρ(SO2) is ρ(Shenyang) ＞ ρ(Beijing)＞ρ(Guangzhou)＞ρ(Shanghai)＞ρ (Haikou); ρ(NO2) in Beijing, Shanghai and Guangzhou was higher; For ρ(PM10), the concentrations only in Guangzhou and Haikou were lower than other cities. For ρ(PM2.5), high value is concentrated in Beijing, Guangzhou and Shenyang. Through the comparison between the spectra, and combined with the city's meteorological conditions and economic development, in addition to the background points in Haikou, it’s estimated that the main pollutants in Beijing and Shenyang are PM2.5and PM10, main pollutants in Guangzhou and Shanghai are NO2and PM2.5; Beijing's main pollution source is coal soot and automobile exhaust, motor vehicle exhaust in Guangzhou and Shanghai is the main pollution source, major pollution source for Shenyang is coal ash. The results provide scientific basis for the environmental management and air pollution control of typical cities in China.