长春市大气中PM10污染特征分析

房春生，金艺娜，孟莹，温卓，王菊

长春市大气中PM10污染特征分析

房春生，金艺娜，孟莹，温卓，王菊*

吉林大学环境与资源学院，吉林 长春 130012

近年来，大气环境质量的不断恶化受到了人们广泛的关注。利用长春市的食品厂、客车厂、邮电学院、儿童公园、净月潭以及甩湾子等6个自动监测中心提供的2011年PM10、SO2与NO2小时质量浓度的连续监测数据，分析了长春市PM10质量浓度(MPM)的时空分布特征、不同污染物之间的相关性及其形成的原因。结果表明：从空间分布上看，6个采样点的MPM从高到低依次为食品厂＞儿童公园＞邮电学院＞客车厂＞净月潭＞甩湾子，其中除食品厂与儿童公园外均符合《环境空气质量标准》GB3095－1996的二级标准。从时间分布上看，绝大多数监测点位的冬季MPM是最高的，春季次之，主要是因为冬季采暖与春季沙尘天气，而夏季的MPM最低，主要是湿沉降作用所致。MPM逐日变化呈现出双峰双谷型分布,第一个峰值出现在早上7:00左右，其中最大值出现在5月份的早7:00左右，达到了0.223 mg·m-3，第1个峰值过后呈下降趋势，下午出现质量浓度低谷，其中最小值出现在11月份15:00左右，为0.036 mg·m-3，直到傍晚时缓慢回升，22:00左右达到第2个峰值。通过统计分析不同污染物之间的相关系数，得出PM10与NO2质量浓度的相关性显著，且较稳定，其原因可能是常年排放的机动车尾气尘影响较大，而PM10与SO2质量浓度的相关性不太稳定，这可能是冬季采暖排放的燃煤尘所致。

PM10；质量浓度；相关系数；SO2；NO2

可吸入颗粒物（PM10）是指空气动力学当量直径在10 μm以下的颗粒物，它在环境空气中停留时间长，输送距离远，又称为飘尘。PM10被人体吸入后会累积在呼吸系统中，诱发哮喘病，并可随人的呼吸沉积肺部，甚至进入肺泡、血液，导致肺心病，严重的可危及生命，国内外大量的流行病学和毒理学研究证实了PM10的危害性（Harrison和Yin，2000；Chan等，1997；时宗波等，2002；李红等，2002；梁克为等，2003；时宗波等，2004；徐映如等，2013)。同时对大气能见度、温度和酸雨也产生一定的影响（吴国平等，1999；茆长荣和尚广萍，2005)。PM10是我国大气环境质量的主要污染物，因此将它设为评价大气环境质量的重要指标。

正因为如此，人们对PM10的关注度很高。学者们对各个地区的PM10时空分布做了许多研究（周悦等，2011；温丽仙和李素清，2007；常鸣等，2012；司瑶冰等，2004；陈丹青等，2013；曹玲等，2013；魏玉香等，2009；顾勇国等, 2006；郭元喜等，2012；赵克蕾等，2014；李名升等，2013）。李名升等（2013）研究了近10年中国大气PM10污染时空格局的演变，赵克雷等（2014）对库尔勒市PM10质量浓度的变化特征进行了分析，曹玲等（2013）研究了河北走廊极端干旱区PM10与气象要素的关系，魏玉香等（2009）研究了南京SO2、NO2和PM10变化特征及其与气象条件的关系，顾勇国等（2006）分析了上海市SO2、NO2和PM10的时空变化特征及其相关性, 郭元喜等（2012）研究了中国中东部秋季PM10时空变化及其与日气温的关系。长春市自动监测站长期采集着大量的PM10数据，但目前没有对这些数据进行统计分析，总结出污染特征的报道。本文使用了长春市大量监测数据，总结出长春市PM10时空分布特征，这种靠自动监测站的大量数据做统计分析，与依据少量采样数据的方法相比大大减少了采样过程中产生的误差，并结合气象条件分析了其特征形成的原因以及来源，为提高环境空气质量提供科学依据。

1 资料概况

1.1 研究区概况

长春市位于北纬43°05′-45°15′；东经124°18′-127°05′，地处中国东北平原腹地，地势平坦开阔，属北温带大陆性季风气候。长春市年平均气温为4.8 ℃，四季分明，春季干燥多风，夏季湿热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷漫长。本文采用长春市自动监测站逐时监测结果，其监测点位分布如表1所示。

表1 监测点位情况概述Table 1 General situations of monitoring stations

1.2 数据来源及处理方法

采用美国热电公司Thermo PM10自动采样器对长春市的食品厂、客车厂、邮电学院、儿童公园、净月潭以及甩湾子等6个自动监测站的PM10、SO2与NO2的质量浓度进行监测，数据记录频率为1 h·次-1，监测时间为2011年1月1日至2011年12月31日。

笔者用Excel电子表格中的统计计算方法，得出不同点位的MPM季节均值和长春市MPM月小时均值，并计算出长春市PM10、SO2与NO2质量浓度的季节日均值、季节小时均值，并对不同污染物进行了相关分析。

2 长春市PM10污染特征分析

2.1 MPM季节均值变化

图1是2011年长春市食品厂、客车厂、邮电学院、儿童公园、净月潭以及甩湾子等监测点的季节平均值变化情况。由于2010、2011年长春市雨雪较多，大气相对湿度较大，沙尘暴天气较少，6个站点观测结果环境质量较好。从图中可以看出，除食品厂与儿童公园监测点外，均达到《环境空气质量标准》GB3095－1996里的二级标准0.1 mg·m-3。其中质量浓度最高的是食品厂，其年均值为0.110 mg·m-3。食品厂属于工业区，易受周边工业企业排放废气的影响，导致指标较高，形成了大气污染。此外，由于该区处于长春市主导风向（西南风）的下游，容易受到市里污染物输送到该区带来的影响。同样超标的儿童公园的具体质量浓度为0.102 mg·m-3。该区地处市中心，属于交通、商业密集区，大量车辆流动和商业活动造成了该区的污染。甩湾子的质量浓度值最低，年均值为0.051 mg·m-3。主要是因为该区位于郊区，距工厂的排放源较远，人口密度也较小。其次质量浓度值较低的是属于风景区的净月潭，年均值为0.063 mg·m-3。净月潭不仅距工业区较远，该区里的水库也吸附了地表面的灰尘，在一定程度上降低了PM10质量浓度。

图1 不同监测站的MPM季节均值Fig.1 Seasonal means of MPMin different monitoring stations

从6个监测站的PM10季节均值变化中可以看出，除客车厂外，其余监测站季节均值均为冬季最高，其它依次为春季、秋季和夏季。冬季PM10质量浓度最高主要冬季采暖引起的。长春市的采暖期一般为11月到次年4月，周期较长。另外，冬季早晨易出现逆温现象，抑制PM10的扩散，导致了质量浓度的提高。春季的PM10质量浓度仅次于冬季，这是由于春季天气干燥，风大，易出现沙尘暴天气，使得PM10质量浓度增大。秋季多数为多云或晴朗的天气，雨雪天气较少，相对湿度低，因此PM10质量浓度也处于较高的水平。根据气象条件可知，2011年夏季降雨量相对较多，92 d里有41 d是降雨天气，这起到了对大气的清洁作用，也就是湿沉降过程（王琦和于金莲，2004）。此外，夏季时大气的湍流混合能力强，污染物排放到大气后较快达到分散稀释的效果，降低了PM10质量浓度。

2.2 MPM月小时均值变化

图2 长春市MPM的时间分布Fig.2 Time distribution of MPMin Changchun

基于5个观测站（除甩湾子对照点外）2011年的实时监测数据，统计长春市PM10月小时均值，并通过Surfer软件作出三维等值线图，见图2。图2中可以看出2011年期间1月、5月发现高质量浓度区，其中最大值出现在5月份的早7:00左右，达到了0.223 mg·m-3，这主要是冬季采暖与春季沙尘天气所致。同时，低质量浓度区出现在8月、9月、11月份，其中最小值出现在11月份15:00左右，为0.036 mg·m-3，这也与图1中的分析相吻合。从全年的MPM月均值质量浓度分布来看大部分低于0.1 mg·m-3，因此，长春市2011年空气质量较好。

图2中每月均值的逐日变化都呈现出双峰双谷型分布。第一个峰值出现在早晨7:00左右，主要是由于夜间边界层较稳定，PM10能够长时间悬浮在空气中，同时早晨人们的上班活动也是引起质量浓度上升的另一原因（周悦等，2011）。5月的第1个峰值出现较早，在早上5:00达到了峰值，持续时间也较长。而1月的第1个峰值出现在早上10:00，比其它月份晚1～5 h，这是长春市冬天天气寒冷，人们早晨出行的时间推迟所导致的（周悦等，2011）。MPM在逐日变化中第1个峰值过后逐渐下降，下午出现质量浓度低谷，直到傍晚才缓慢回升，22:00左右达到第2个峰值。这主要是因为白天太阳辐射强，气温增高，使得大气处于不稳定状态，有利于PM10的垂直扩散于湍流交换。傍晚是人们下班与车辆增加的高峰期，这些人类活动是导致污染严重的一个原因。1、2月MPM的第2个峰值出现的较早，20:00达到了峰值，并且从傍晚到第二天早上持续较高的状态。这是由于除了下班时间车辆的增加外，采暖煤烟排放的影响。并且排放出来的PM10由于早晚气温低，大气层稳定引起的逆温现象，在底层大气中难以扩散（王琦和于金莲，2004）。7月的第2个峰值在21:00，较其它月份出现得晚，这是由于夏天的日照时间长，人们下班时间的推迟所导致。

表2 不同污染物季节日均值之间的相关性Table 2 Correlations between daily means of pollutants in different seasons

2.3 不同污染物之间的关系分析

表2是不同污染物的不同季节日均值质量浓度之间的相关系数，表3是不同污染物的季节小时均值质量浓度之间的相关系数。春季里，PM10与NO2季节小时均值呈显著性相关，而季节日均值的相关性不显著。这可能是在逐日变化中PM10与NO2的变化趋势是相似的，但汽车尾气尘对于MPM的提高产生的作用是有限的。长春市春季比较干燥，沙尘暴天气较多，土壤风沙尘会对PM10产生一定的影响。在两张表中，夏季的PM10与NO2质量浓度均呈现出强相关性，而其它都呈现非相关。这可能是由于夏季属于非采暖期，没有燃煤尘污染，从而突出了汽车尾气的影响。秋冬季节的日均值中PM10、SO2与NO2三种污染物之间的相关性都为显著，而季节逐日均值秋冬季节SO2与NO2呈现反相关关系，PM10与NO2的相关性较为显著。这说明三种污染物秋冬季节的质量浓度变化特征相似，PM10来源于燃煤尘与机动车尾气尘，可能是燃煤尘与机动车尾气尘排放量的逐日变化特征的不一致导致了SO2与PM10的反相关。

从整体形势来看PM10与NO2质量浓度的相关性比较稳定，这可能是因为空气中MPM常年受着机动车尾气尘的影响。PM10与SO2的相关系数不太稳定，这是可能是长春市每年10月中旬到次年4月中旬的采暖期间所产生的燃煤尘导致的。

表3 不同污染物季节小时均值之间的相关性Table 3 Correlations between pollutants’ hourly means in different seasons

3 结论与讨论

3.1 讨论

长春市PM10污染为燃煤尘、机动车尾气尘和土壤风沙尘的混合型污染。长春市要合理布局工业企业并加强工业排污的管理力度，减少工业区下风向区域受到的影响。同时，做好集中供暖，加强污染源PM10的治理工作，并逐步实现机动车尾气排污的控制与净化来减少线源污染，提高周边环境绿化的工作来吸附空气中的扬尘。

3.2 结论

1) 长春市2011年各自动监测站PM10数据显示除食品厂与儿童公园外的4个采样点均符合《环境空气质量标准》GB3095－1996的二级标准。

2) 长春市PM10污染季节变化的规律性明显。PM10污染冬季＞春季＞秋季＞夏季，这与采暖期燃煤排污与春季的风沙天气较多有关。

3) 长春市MPM逐日变化呈现出双峰双谷型分布，第1个峰值出现在早晨7:00左右，第1个峰值过后逐渐下降，下午出现质量浓度低谷，直到傍晚才缓慢回升，22:00左右达到第2个峰值。

4) 2011年4个季节PM10与NO2质量浓度的相关性比较稳定，这可能是因为空气中常年排放机动车尾气尘。同时PM10与SO2的相关系数不太稳定，这可能是长春市采暖期间的燃煤尘所引起的。

CHAN Y C, S IMPSON RW, MCTAINSH G H, et al. 1997. Characterization of chemical species in PM2.5and PM10aerosols in Brisbane, Australia [J]. Atmospheric Environment, 31(22): 3773-3785.

HARRISON R M, YIN J X. 2000. Particulate matter in the atmosphere: which particle properties are important for its effects on health? [J]. The Science of The Total Environment , 249(1/3): 85-101.

曹玲,曹华,于海跃,等. 2013. 河西走廊极端干旱区PM10质量浓度分布特征及其与气象要素关系研究[J]. 生态环境学报, 22(11): 1807-1813.

常鸣, 张秀丽, 纪永芝,等. 2012. 基于GIS的烟台市PM10时空分布与气象因素分析[J]. 中国环境监测, 28(6): 78- 81.

陈丹青, 师建中, 肖亮洪, 等. 2013. 粤东3市PM2.5和PM10质量浓度分布特征[J]. 上海环境科学, 32(2): 72-78.

顾勇国, 吕森林, 顾建忠, 等. 2006. 上海市市区、郊区SO2、NO2和PM10的时空变化规律及相关性分析[J]. 上海环境科学, 25(5): 203-206.

郭元喜, 龚道溢, 汪文珊, 等. 2012. 中国中东部秋季PM10时空变化及其与日气温的关系[J]. 地理学报, 67(9): 1155-1164.

李红, 曾凡刚, 邵龙义, 等. 2002. 可吸入颗粒物对人体健康危害的研究进展[J]. 环境与健康, 19(1): 85-87.

李名升, 张建辉, 张殷俊. 2013. 近10年中国大气PM10污染时空格局演变[J]. 地理学报, 68(11): 1504-1512.

梁克为, 唐晓敏, 刘雪林, 等. 2003. 空气中可吸入颗粒物对患者危害的监测与探讨[J]. 中华医院感染学杂志, 13(3): 230-232.

茆长荣, 尚广萍. 2005. 合肥市城市PM10污染成因及控制对策[J]. 安徽大学学报, 29(4): 87-92.

时宗波, 邵龙义, JONEST P. 2004. 城市大气可吸入颗粒物对质粒DNA的氧化性损伤[J]. 科学通报, (7): 673-678.

时宗波, 邵龙义, 李红, 等. 2002. 北京市西北城区取暖期环境大气中PM10的物理化学特征[J]. 环境科学, 23(1): 30-34.

司瑶冰, 郑有飞, 李彰俊, 等. 2004. 呼和浩特市空气污染浓度[J]. 内蒙古气象, (1): 14-17.

王琦, 于金莲. 2004. 大气中PM10浓度的影响因素及其污染变化特征分析[J]. 上海师范大学学报, 33(3): 98- 102.

魏玉香, 童尧青, 银燕, 等. 2009. 南京SO2、NO2和PM10变化特征及其与气象条件的关系[J]. 大气科学学报, 32(3): 451- 457.

温丽仙, 李素清. 2007. 太原市PM10污染分布规律[J]. 安徽农业科学, 35(12): 3642-3644.

吴国平, 胡伟, 滕恩江, 等. 1999. 我国四城市中PM2.5和PM10的污染水平[J]. 中国环境科学, (2): 133-137.

徐映如, 王丹侠, 张建文, 等. 2013. PM10和PM2.5危害、治理及标准体系的概况[J].职业与健康, 29(1):117-119.

赵克蕾, 何清, 钟玉婷, 等. 2014. 2012 年库尔勒市PM10质量浓度的变化特征分析[J]. 沙漠与绿洲气象, 8(1): 11-16.

周悦, 牛生杰, 王存忠, 等. 2011. 半干旱地区PM10质量浓度时空分布特征研究[J]. 中国沙漠, 31(3): 741-749.

Analysis of atmospheric characteristics of PM10pollution in Changchun, China

FANG Chunsheng, JIN Yina, MENG Ying, WEN Zhuo, WANG Ju*
College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130012, China

In recent years, the worsening of atmospheric environmental quality has received widespread attention. In this study, based on continuous hourly data of PM10, SO2and NO2which offered by 6 automatic monitoring stations in Changchun, special distribution of PM10, correlations between different pollutants and formation reasons were analyzed. The six automatic monitoring stations include Food Factory, Passenger Car Manufactory, Post and Telecommunications College, Children Park, Jingyue Tan and Shuaiwanzi. The results shown that, special distribution of MPMin six sampling sites from high to low were Food Factory＞ Children Park＞ Post and Telecommunications College ＞ Passenger Car Manufactory ＞ Jingyue Tan ＞ Shuaiwanzi, and except for Food Factory and Children Park, other sampling sites all meet the second standards of the "Ambient Air Quality standards" GB3095-1996. Time distribution of MPMin most sampling sites were highest in winter, followed by spring, and this was caused by heating in winter and dust in spring. While the minimum MPMoccurring in summer was due to wet deposition. Daily variation of MPMshowed double peak valley type distribution, and the first peak was at about 7:00 in the morning, in which the maximum occurred at around 7:00 in May, reaching 0.223 mg·m-3. After the first peak, MPMbegan to decrease, and in the afternoon appeared the lowest concentration, and the minimum (0.036 mg·m-3) occurred at around 15:00 in November. Slow increasing happened from evening, at around 22:00 to reach the second peak. Correlation coefficients between different pollutants were calculated, and the result shown that PM10and NO2were significantly correlated, and quite stable, which may be due to the perennial influence of motor vehicle exhaust. However, correlation between SO2and PM10were not stable, which may be coal dust caused by heating in winter.

PM10; mass concentration; correlation coefficient; SO2; NO2

X831

A

1674-5906（2014）04-0610-05

房春生，金艺娜，孟莹，温卓，王菊. 长春市大气中PM10污染特征分析[J]. 生态环境学报, 2014, 23(4): 610-614.

FANG Chunsheng, JIN Yina, MENG Ying, WEN Zhuo, WANG Ju. Analysis of atmospheric characteristics of PM10pollution in Changchun, China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(4): 610-614.

吉林省科技厅重大科技攻关专项（20130204051SF）；吉林省环保厅重点项目（2013-17）

房春生（1971年生），教授，博士，主要从事环境规划与评价研究。E-mail：fangcs@jlu.edu.cn

*通讯作者：王菊，副教授，E-mail：wangju@jlu.edu.cn

2014-04-11