呼和浩特市空气颗粒物影响因素研究

智 颖，李 婧

1.内蒙古大学环境与资源学院，内蒙古 呼和浩特 010021 2.内蒙古自治区环境监测中心站，内蒙古 呼和浩特 010011

空气和水资源都是人类赖以生存的环境条件，空气颗粒物的污染已成为全世界关注的焦点。众所周知的八大公害事件中有五件都与空气污染有关，这足以反映空气污染对人类社会的危害。空气中的颗粒物根据粒径的不同进行划分，其中以细颗粒物PM2.5对人类的健康影响更显著，主要原因是其表面积大，很容易富集各种形式的污染物质，而且在空气中停留时间长，输送距离远[1]。2011年11月1日实施的《环境空气PM10和PM2.5的测定 重量法》首度对灰霾天气的元凶——PM2.5的测定方法进行了规范。与此同时，在2012年2月新颁布的《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中增设了PM2.5浓度限值。两项规范的推出标志着中国对空气中颗粒物的污染危害有了新的认识，特别是对细颗粒物PM2.5的研究上升到了一个崭新的阶段。

国外对PM2.5的研究早有描述，国内起步较晚但也逐渐认识到其危害性，北京、长春等城市都陆续开展了有关方面的研究[1-10]。呼和浩特作为内蒙古自治区的首府城市，为进一步提高城市品位，打造宜居城市，于2005年9月19日正式启动创建国家环保模范城市工作。近些年来，城市化建设加快，呼和浩特市沙尘现象虽然有所减轻，但仍然高于国内大部分城市[11]。该文主要研究了不同时间尺度下空气颗粒物含量的变化规律，以及以风速和湿度为代表的气象因素和相同时间、空间条件下其他空气污染物对其含量变化的影响特征，为呼和浩特市空气颗粒物污染治理提供基础信息。

1 数据来源与分析

1.1 采样时间与地点

选择内蒙古自治区首府城市呼和浩特市城东腾飞路中段为研究地，在内蒙古环境监测中心站实验大楼楼顶设置空气质量自动监测点，选择TEOM 1405系列的自动监测仪器，设备安装高度20 m，自动实时监测项目包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等，以及风速、湿度等气象参数。该研究地的仪器设备于2009年11月调式运行，2010年正式投入实时研究性监测。采用2010—2012年3个整年度的监测数据进行分析研究。

1.2 分析方法及数据处理方法

表1中列出了SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10的分析方法，采用的分析方法均属于《空气质量标准》(GB 3095—2012)中规定的分析方法。

表1 污染物分析方法

以2010—2012年3年PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO数据以及同步测量的风速、湿度这2个气象因子的小时监测值为基础，采用办公软件EXCEL及数据统计分析软件SPSS进行数据处理，并对异常值进行剔除。

2 结果与讨论

2.1 结果分析

2.1.1 研究地颗粒物污染状况

根据空气质量指数AQI评价，2010年341 d有效数据统计结果显示，达到空气质量二级标准的空气质量优良天数共有264 d，占全年的77.4%；2011年306 d有效数据统计结果显示，空气质量优良天数为181 d，占全年的59.2%；2012年337 d有效数据统计结果显示，空气质量优良天数为291 d，占全年的86.4%。对2010年超标日中各个空气污染分指数进行分析，各项污染物作为首要污染物出现的天数由多到少依次为 PM10(35 d)、PM2.5(28 d)、O3(7 d)、CO(6 d)、NO2(1 d)，SO2虽有2 d超标但不是首要污染物；2011年的统计结果显示，各项污染物作为首要污染物的天数由多到少依次为PM10(70 d)、PM2.5(48 d)、CO(7 d)，O3、SO2、NO2均不作为首要污染物出现；2012年的统计结果显示，各项污染物作为首要污染物的天数由多到少依次为PM2.5(26 d)、PM10(11 d)、NO2(5 d)、CO(4 d)，O3、SO2均不作为首要污染物出现。以上数据证实了空气中的颗粒物已经成为了影响研究地附近空气质量的主要污染物。

2.1.2 PM2.5/PM10的季节变化

在对3年的监测数据进行统计后发现，2010—2012年PM2.5/PM10全年平均值在0.47左右。按当地季节划分(春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11月、冬季12—2月)进行比较，综合3年的数据得到比值由大到小依次为冬季(0.635)、秋季(0.499)、夏季(0.398)、春季(0.361)。比值随季节明显变化的主要原因：秋、冬两季呼和浩特市大气边界层逆温出现频率较高，且冬季为采暖期，污染物排放增加但却不能及时扩散从而导致PM2.5浓度的增加；夏季雨水充沛，湿度对PM2.5浓度影响更明显，而且夏季的气象条件更有利于影响PM2.5浓度的二次粒子的生成[4]；春季多风，沙尘天气多发，PM10浓度显著增加。

图1描述了2010—2012年3年PM2.5/PM10月平均值的变化。3年月平均值的变化反映了相同的规律，即全年中 PM2.5/PM10的峰值出现在年头和年尾，随后比值持续走低，在6月份又出现一次幅度较小的峰值。这样的规律变化反映出细颗粒物PM2.5与可吸入颗粒物PM10之间的关系。虽然两者有着相似的来源，但是两者的影响因素有一定的区别。

图1 2010—2012年PM2.5/PM10月均值变化

2.1.3 气象因素对PM2.5/PM10的影响

在得出PM2.5/PM10与季节有明显相关性的基础上分析发现，风速和湿度对该比值有较为明显的影响,这与以往研究的结论相符[12-13]。

2.1.3.1 风速对PM2.5/PM10的影响

风速对PM2.5在PM10中所占的比例有明显的影响，2010年度剔除可疑数据后，对7 787组数据进行相关性分析，见图2。结果表明，两者在0.01的水平上显著相关，皮尔森相关系数为-0.311。即风速越大，该比值越小；反之风速越小，比值越大。

图2 2010—2012年不同风速下PM2.5/PM10变化

同理，对2011年7 857组小时均值数据进行统计，结果表明，两者在0.01的水平上显著相关，皮尔森相关系数为-0.460；2012年7 285组小时均值数据统计结果表明，两者在0.01的水平上显著相关，皮尔森相关系数为-0.200。

由以上3组结论和不同风速下比值变化图不难发现，风速与PM2.5/PM10呈显著负相关，即风速的大小决定了PM2.5在PM10中所占的比例。

2.1.3.2 湿度对PM2.5/PM10的影响

湿度对PM2.5/PM10也有明显的影响，同样以2010年7 787组数据， 2011年7 857组数据，以及2012年7 285组小时均值数据进行统计。结果显示，2010—2012年湿度与比值的皮尔森相关系数分别为0.329、0.409、0.153，3组数据皆在0.01水平上显著相关。湿度与PM2.5/PM10呈显著正相关，湿度越大，比值越大，反之则比值越小，见图3。

图3 2010、2011、2012年不同湿度下PM2.5/PM10变化

2.1.4 其他空气污染物对颗粒物浓度的影响

有研究表明，PM2.5来源主要是3方面[8-10]：首先是来自机动车尾气的污染；其次是来自燃煤、化工燃料燃烧等工业过程中的污染；最后，因为细颗粒物可以跨区域输送，来自扬尘的污染也不容忽视。为了更好地了解研究地空气颗粒物与其他空气污染物之间的关系，分别对PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO 6项空气污染物相同时间、空间尺度下的浓度进行对比研究，见图4～图6。

图4 2010年不同污染物与PM10、PM2.5月均值对比

图5 2011年不同污染物与PM10、PM2.5月均值对比

图6 2012年不同污染物与PM10、PM2.5月均值对比

为方便比较，CO的曲线是利用原CO浓度值缩小10倍后得出的值进行绘制的。分析已有研究中对PM2.5化学组成的结论可知，含碳组分和水溶性组分占PM2.5浓度的一半以上，其中SO42-、NO3-、NH4+是主要的水溶性粒子，而其浓度与相应的气态前体物SO2、NOx和NH3的浓度及其在大气中生成粒子的转化率有关，并受温度和湿度等因素的影响[14]。O3虽然不属于PM2.5的组成部分，但其含量的多少会直接或者间接地影响其他前体物的转化率。不难发现，NO2与PM2.5变化曲线的走势类似，机动车尾气排放是NO2的主要来源；SO2曲线整体呈现两边高中间低的现象，表明SO2的污染主要出现在冬季，这与煤炭燃烧对其浓度的贡献大有关；O3则与SO2相反，曲线呈现出中间高两边低，这种现象符合O3的生成需要强烈的阳光照射条件；由于冬季汽车尾气和燃料燃烧集中使得CO的峰值出现在冬季，这种变化必定会对空气中含碳组分之间的转化产生影响。

图4～图6反映出其他污染物浓度的变化规律在一定程度上与PM2.5浓度的变化具有相关性，为进一步判断其他污染物和PM2.5之间有无统计学关联，对3年984组污染物数据进行回归分析，表2给出了拟合公式、对应的显著性、相关系数以及确定系数。结果显示，回归方程显著性水平均小于0.05，且自变量和因变量之间的相关系数以及确定系数均在可接受范围内，说明方程有效。表3中列举出了各污染物的标准化回归系数，纵向比较后发现，PM10相对其他污染物而言对PM2.5的影响更大，其次是SO2，NO2在诸污染物中影响最不显著。

表2 3年数据拟合

表3 标准化回归系数

2.2 结果讨论

PM2.5/PM10呈现明显的季节性变化，比值冬季高(0.635)，春季低(0.361)，这主要与呼和浩特市的地理位置和气象环境有关[15]。春季易出现沙尘天气，较大的风速引起粗颗粒物PM2.5～10浓度的增加，而对PM2.5有一定的稀释扩散作用，因此PM2.5与PM10的比值会减小；而冬季空气污染加剧则是因为呼和浩特市的采暖期为10月15日到次年的4月15日，特别是12月至次年1月是最冷季节，燃料燃烧量增加，加之这个季节降水量减少、风速较低、逆温频率高和持续时间长等诸多不利于污染物稀释扩散的气象因素，造成空气中PM2.5浓度上升，PM2.5与PM10的比值升高。

湿度与PM2.5/PM10呈正相关，究其原因：一方面是由于降水对空气中粗颗粒物PM2.5～10的净化作用大于对细颗粒物PM2.5的作用；另一方面也与湿度对影响PM2.5含量的二次粒子(SO42-、NO3-、NH4+)生成有促进作用有关。除了风速和湿度以外，空气中颗粒物的浓度与其他空气污染物的浓度也有着紧密的联系，未来对颗粒物污染的控制应该从影响其浓度变化的诸多因素着手。

3 结论

1)利用空气质量指数(AQI)对研究地2010—2012年的空气质量进行评价，结果显示，空气中的颗粒物已经成为了影响研究地附近空气质量的主要污染物。

2)2010—2012年度 PM2.5/PM10年平均值为0.47，该比例随月份的不同而变化，与季节变化有很大关系。规律是春夏季比值偏小(春季为0.361，夏季为0.398)，秋冬季比值偏大(秋季为0.499，冬季为0.635)。冬季采暖期人为污染源增加，加之降水少、微风、静风频率高和逆温频繁等不利污染物扩散的气象条件复合，使得颗粒物污染加重。

3)相关性分析显示，PM2.5/PM10与风速呈现显著负相关，风速愈大，比值愈小，反之则比值愈大；与湿度呈现显著正相关，即湿度愈大，比值愈大，湿度愈小，比值也愈小。结论证实了风速和湿度是影响PM2.5/PM10变化的因素。

4)对比PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO 6项空气污染物在相同时间、空间尺度下的浓度变化曲线并进行回归分析后发现，PM10、O3、SO2、NO2、CO5项污染物浓度的变化对PM2.5浓度的变化有显著影响，在一定程度上可以解释细颗粒物PM2.5浓度的变化趋势。

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