国内外PM2.5研究进展综述

谢心庆，郑薇

(新疆财经大学应用数学学院，新疆乌鲁木齐830012)

国内外PM2.5研究进展综述

谢心庆，郑薇

(新疆财经大学应用数学学院，新疆乌鲁木齐830012)

对国内外PM2.5的研究现状、方向、结论及方法进行回顾，以武汉市1个监测点为例，提出一种与PM2.5强相关因素的分析方法，对PM2.5数值进行预测，并对我国PM2.5研究展望并提出研究发展方向。

PM2.5;研究现状;因子分析与预测;发展方向

0 引言

近年来，我国发生大范围持续雾霾天气［1］。PM2.5是空气质量标准中颗粒物(粒径≤2.5μm)浓度限值［2］，主要由水溶性离子、颗粒有机物和微量元素等组成。研究发现PM2.5因其粒径较小、相对PM10比表面积较大，因此更容易富集空气中的有机污染物、酸性氧化物、有毒重金属、细菌和病毒。当PM2.5被人吸入到体内时，通过呼吸进入血液就可以产生并导致人体呼吸、内分泌、心血管、神经及免疫等各系统疾病的发生［3－7］。

PM2.5的形成机理和过程比较复杂，主要来源有自然源和人为源，可以分为一次颗粒物和二次颗粒物。而我国近年来雾霾现象的出现主要来源于二次颗粒物，形成PM2.5的前体物包括:SO2，NOx，挥发性有机化合物(VOCS)，NH3等。本文主要讨论国内外PM2.5的研究进展，总结已有学者的研究结论和方法，并针对我国PM2.5污染现状的特征，提出在研究方法、研究方向上急需加强的方面。

1 国内PM2.5研究进展

1.1 我国大气环境质量标准设置历程

我国于1982年首次发布《大气环境质量标准》(GB 3095－82)，随后在1996年、2000年和2012年进行了三次修订。现在执行的《环境空气质量标准》(GB 3095－1996)发布于1996年，该标准只针对可吸入颗粒物的质量浓度设了限值，没有将细颗粒物作为监测项目。2012年2月29日，环境保护部公布了新修订的《环境空气质量标准》(GB 3095－2012)，调整了环境空气功能区分类，将三类区并入二类区;增设了颗粒物(粒径≤2.5μm)浓度限值和臭氧8h平均浓度限值;调整了颗粒物(粒径≤10μm)、二氧化氮、铅和苯并(a)芘等的浓度限值;调整了数据统计的有效性规定。与新标准同步还实施了《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633－2012)。

1.2 我国大气颗粒物PM2.5的地面监测研究进展

我国研究人员于20世纪80年代开始大气颗粒物的研究工作。王玮等［8］对多个城市的不同粒径颗粒物的质量浓度、酸度、酸化缓冲能力、元素浓度和来源进行了分析。黄鹂鸣等［9］对在五个典型城市功能区对大气颗粒物的污染状况进行了初步分析，结果表明PM2.5在PM10当中占据的比重大约在68%。张新玲等［10］对可吸入颗粒物及气象观测资料进行分析，并与1993年观测资料进行对比，结果发现南京市PM10浓度显著增加，而且可吸入颗粒物中的细颗粒物占有很高的比例。宋宇等［11］对北京市1999至2000年空气污染物的消光系数和不同粒径大小的颗粒物的质量浓度进行了观测，北京市大气颗粒物消光是导致能见度下降的首要原因，且能见度与PM2.5浓度存在较好负相关性，而与PM10的相关性较差。陈敏竹等［12］解析了南京市大气可吸入颗粒物的来源，指出扬尘等放源类是南京市可吸入颗粒物污染的首要因素。邓利群等［13］对成都市2009年夏季颗粒物浓度进行了研究。张予燕等［14］对南京市大气中的PM2.5的监测和分析结果表明，细颗粒物并不仅是由局地污染源产生所影响，而是地区整体的混合和输送过程的体现。魏玉香等［15］对2007年南京市PM2.5质量浓度进行了月季变化、日变化特征分析，并利用同时期气象资料分析了PM2.5与气象条件的关系。杨复沫等［16］人对北京地区PM2.5中的元素、水溶性离子和含碳组分进行分析;孟川平［17］对室内环境大气细颗粒物(PM2.5)中多环芳烃污染组成及其粒径分布特征研究;方春生［18］对城市大气环境中PM2.5源解析成分谱的建立进行研究。2014年卢鹏等［19］开展了PM2.5的时间分布与演变扩散研究，建立了能够反映风速、温度以及湿度对PM2.5扩散产生影响的基本模型。由于我国对细颗粒物的监测工作开展较晚，对大气颗粒物的研究主要围绕可吸入颗粒物展开，与细颗粒物有关的研究目前仍然较少。

2 国外PM2.5研究进展

根据世界卫生组织对空气污染造成的疾病负担的评价，每年有超过二百万的过早死亡归因于城市室外和室内空气污染，其中一半以上的疾病负担由发展中国家承担［20］。在美国国家环境保护局定量评价的与大气PM2.5污染有关的健康效应中，由死亡引起的经济损失占全部损失的89%［21］。与TSP和PM10相比，PM2.5上富集的有害物质更多，对人类呼吸系统的穿透力更强，更难于被呼吸道的粘膜所吸附并经由咳嗽等过程排出体外;且随着粒径的变小，PM2.5在空气中的存留时间也随之增加，对人体健康的影响也越大。

随着人类对细颗粒物PM2.5产生危害认识的愈加深入，各个国家都制定了严格的环境空气质量标准，尤其是源解析的工作，逐步由粗颗粒物向细颗粒转变。1997年美国率先将PM2.5列为空气质量检测的监测指标之一，其后国际上主要发达国家均已制定PM2.5相关标准。随后Rinehart等［22］在美国加利福尼亚地区建立20个观测站，用以研究PM2.5的空气质量;Appel［23］，Senaratne［24］，Sisler和Malm［25］，Chen［26］等对PM2.5有关因素进行分析。Waston［27］，Schichtel［28］，Muraleedharan［29］对城市PM2.5危害进行研究。Chameides等［30］研究气溶胶光学厚度和区域霾污染对水稻和小麦产量的影响。可见区域霾不仅影响人的身体健康，对粮食经济也造成危害。

3 现有的PM2.5研究方向、方法分析

3.1 投影寻踪回归［31］

投影寻踪回归其原理是利用计算机模拟编程，将复杂、维数高的数据源通过线性组合的方法转换为简单的、低维的数据，并在低维数据上对数据结构进行分析，以达到便于统计的目的。影寻踪回归模型采取用一系列岭函数的和来逼近回归函数的方法，并通过多重平滑回归计算来实现。该模型建立了大气污染物浓度分类预测模型，此模型的拟合合格率为84.7%。该模型虽然有很好的预测模拟功能，但此方法无法估计复杂PM2.5的变化，可用于PM2.5相关因素分析中，单个因子回归分析。

3.2 质量浓度的遥感估算模型［32］

该模型利用MODIS气溶胶光学厚度与大气细颗粒物质量浓度的相关关系，建立了细颗粒物质量浓度卫星遥感估算模型，并结合不同气象环境，分别修正模型，提高模型精度。该模型对不同季节和不同气象环境下进行模型修正，很好的模拟了不同季节PM2.5的浓度变化。该模型适用于估计分析各地PM2.5不同季节溶度变化，适用较广，但模型欠缺PM2.5相关成因的分析，预测价值不大。

3.3BP神经网络［33］

该模型是利用BP神经网络将环境作为1个系统，把与污染物SO2有关的影响因素作为系统的1组输入变量，将其SO2浓度视作环境系统的输出变量，则可从系统角度出发建立环境污染的预测模型.该模型的预测精度优于模糊识别模型的预测精度。该模型可以模拟预测SO2浓度变化，也可用于PM2.5浓度的预测，但不能综合考虑气象问题。

3.4 多元统计分析与预测［34］

多元统计分析方法利用简单的统计方法对PM2.5浓度的相关因素进行分析。在多元素统计分析方法中，主成分分析可以作为建立PM2.5综合预测模型的前提分析。

3.5 近地层PM2.5质量浓度垂直分布

该方法是分析近地层不同高度PM2.5质量浓度垂直分布，通过收集观测点数据，对数据进行简单的统计分析得出分析报告。该方法提供了如何PM2.5浓度垂直分布的有关特征，但缺乏预测功能和水平方向变化的特征分析。

3.6 高斯扩散模型［19］

该模型首先利用指数平滑法在不考虑气象环境因素来分析PM2.5的时间分布情况，然后建立了基于高斯扩散模型PM2.5污染物扩散模型，然后又进一步建立了关于风速、温度以及湿度对PM2.5扩散产生影响的基本模型，具有一定的适用性。该模型分析效果较好，但缺乏综合评价分析效果，可以结合此模型与空间统计学相关模型建立综合评价系统。

4 因子分析与预测

4.1 因子分析

以武汉市1个空气质量监测点监测的2013年1月1日至8月27日的SO2、NO2、可吸入颗粒物、CO、臭氧、PM2.5、空气质量指数数据为例，建立主成分分析模型如下:

将上述数据代入模型，SPSS分析结果见表1。

表1 相关矩阵分析结果

从表1可以看出，PM2.5与空气质量指数相关关系为0.963，可见该地区空气污染的主要来源为PM2.5。而PM2.5与SO2、NO2、可吸入颗粒物、CO、臭氧都存在一定的相关关系。

从计算结果可知，巴特利特球度检验统计量的观测值为1062.724，相应的概率值接近0，说明相关系数矩阵与单位阵有显著性差异。同时，KMO的值为0.811，从KMO的度量标准可知原有变量适合进行因子分析。

计算可知，SO2、NO2、可吸入颗粒物、CO、PM2.5在第1个因子上有较高的载荷，臭氧在第2个因子上有较高的载荷。得到的因子分析模型:

从因子载荷计算可知，变量大部分都靠近两因子坐标轴，说明信息丢失较少。因子得分函数为:

4.2 预测分析

将式(3)代入式(2)得到:

式中:ε*=ε1+ε2

取近日12天SO2、NO2、可吸入颗粒物、CO、臭氧的数据将其代入式(3)与实际值比较，结果发现，由式(4)求得的预测值与实际值之间没有存在奇异值，说明预测效果较好。虽然以上因子分析预测方法较好，但还存在缺陷，模型中没考虑时间因素。

5 结语

PM2.5的研究可以利用空间统计学和大气科学等实验检测方法进行研究并预测，其研究在社会意义方面将增强对大气PM2.5的预测预警，并将研究成果进行全面应用各个地区。进而提高政府对突发公共事件指挥应急处置水平，不仅降低市民身体潜在危害，其推广应用能减少经济财产的损失，如减少区域霾，使粮食产量增加，促进社会稳定和社会和谐，产生巨大的社会、经济和生态效益。

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Reviewed of PM2.5research progress in domestic and abroad

Through the analysis of the domestic and foreign research status quo，direction，the conclusion and methods of PM2.5are reviewed.It takes a monitoring stations in Wuhan city as an example，a kind of strong and PM2.5related factors analysis method is discussed，the PM2.5numerical prediction，and the prospect of research to our country PM2.5and research direction are put forward.

PM2.5;present research;factor analysis and prediction;development direction

X701.2

B

1674－8069(2015)04－017－04

2015-02-10;

2015-05-24

谢心庆(1988-)，女，回族，河南商丘人，在读研究生，研究方向为统计学。E－mail:celebration.1988@163.com

国家社科基金“新疆地区冰雹灾害预测研究”(14BTJ021);新疆自治区研究生创新科研项目“乌鲁木齐市PM2.5浓度动态分析研究”