上海PM10质量浓度的空间分布及影响因素分析

荆 亮,徐玢花,杜 艳,仲 勉,冯加良

(上海大学环境与化学工程学院,上海 200444)

上海PM10质量浓度的空间分布及影响因素分析

荆 亮,徐玢花,杜 艳,仲 勉,冯加良

(上海大学环境与化学工程学院,上海 200444)

根据上海2010年1月—2011年12月17个环境监测点的PM10监测数据和同期地面气象资料,分析了上海PM10质量浓度的季节变化和空间分布.结果表明:上海各监测点间PM10平均质量浓度的差异并不显著,说明区域传输对上海的大气污染有明显影响;风向、风速对上海PM10质量浓度有显著影响,静风及W～S风向时PM10质量浓度较高,东风及东南风时PM10质量浓度较低.分析各监测点PM10质量浓度与全市平均质量浓度的差别时发现,不同季节、不同风向下上海PM10质量浓度的空间分布变化有较明显的规律,污染物在不同功能区之间的相互输送是导致不同风向时PM10质量浓度空间分布差异的重要原因.气压对上海PM10质量浓度的影响明显,低气压时的PM10质量浓度明显较低,但大气压和PM10质量浓度之间不存在线性关系.

上海;PM10;空间分布;气象因素;污染输送

PM10也称可吸入颗粒物,是指空气动力学直径小于或等于10µm的大气颗粒物,是影响我国大气质量的主要污染物之一.大气颗粒物能够引起一系列严重的心血管及呼吸道疾病[1-2],并降低能见度[3-5].对我国大气颗粒物的来源已有了较多的研究,燃煤排放、机动车尾气、二次气溶胶以及扬尘等已被发现是我国PM10的主要来源[6-7].除污染源外,风向、风速、温度、湿度、气压、降水量等气象条件会对大气中PM10的质量浓度产生显著的影响[8-20].

上海作为沿海城市,当内陆污染物向海洋输送时会对上海的空气质量产生重要影响.阴俊等[21]发现,受偏西风影响时上海PM10的质量浓度明显升高.王茜[22]、陈海宇等[23]、Li等[24]应用气团后向轨迹、潜在源贡献分析等手段分析了影响上海空气质量的污染物的来源,发现周边地区如浙江、江苏、山东等对上海的空气质量会产生较大的影响[22-24].除区域间传输的影响外,区域内不同功能区之间污染物的输送也会影响污染物的空间分布,因此,对污染物空间分布的分析有助于加深对污染源分布和污染物扩散、传输的认识[14],对城市规划、工业布局调整和污染防治政策的制定具有重要的意义.

本研究根据上海2010年1月1日—2011年12月31日PM10的监测数据和同期地面气象资料,对上海浦东新区、黄浦、徐汇、长宁、静安、普陀、闸北、虹口、杨浦、宝山、闵行、嘉定、金山、松江、青浦、奉贤和崇明17个区县PM10质量浓度的空间分布及其影响因素进行了分析,以期为改善上海市大气环境质量和污染防治等提供科学依据.

1 数据来源与处理

本研究中PM10的空气污染指数(air pollution index,API)分指数数据来自上海市环境监测中心公开发布的资料.本研究提取了浦东新区、黄浦、徐汇、长宁、静安、普陀、闸北、虹口、杨浦、宝山、闵行、嘉定、金山、松江、青浦、奉贤和崇明共17个监测点2010年和2011年两年的PM10的API监测数据.分析时,按照下式将PM10的API数据转换为对应的质量浓度值:

式中,I为实测PM10指数,IH与IL为API分级限值表中最贴近I值的两个指数值,IH为大于I的值,IL为小于I的值,CH与CL为与IH和IL对应的PM10质量浓度限值.

上海位于长江三角洲平原,基本没有山岭分布,平均海拔约为 4 m,各区县的环境监测点基本受同一气象场控制,同期地面气象资料来自于Weather Underground网站(http://www.wunderground.com).上海属于北亚热带季风气候区.根据上海气象统计资料,春季以东北风和东南风为主,西北风及北风也有一定分布;夏季以东南风为主,东风及东北偏东风次之;秋季风向变化较大,以东北风、北风、东风及东南风为主,西风及西北风也有少量分布,东北风的频率相对较高;冬季以西北风、北风和东北风为主.

2 结果与分析

2.1 上海PM10质量浓度的季节分布特征

本研究将3—5月定为春季,6—8月定为夏季,9—11月定为秋季,12月—次年2月定为冬季[21].图1为2010年1月1日—2011年12月31日上海PM10质量浓度随季节变化的统计结果.

图1 不同季节上海PM10平均质量浓度的空间分布Fig.1 Space distributions of PM10concentrations in Shanghai in di ff erent seasons

由图1可以看出,上海PM10质量浓度有着明显的季节变化规律:冬季≥春季＞秋季＞夏季,春夏秋冬四季所有监测点的平均质量浓度分别为82,57,70和86µg/m3.上海夏季PM10质量浓度低的主要原因如下:①夏季太阳辐射强、地面增温快、大气对流强烈,易于污染物的扩散[9];②夏季湿度大、降水多,湿沉降对污染物消除作用明显[13,15];③夏季主导风向为来自海面的东南风,来自海洋的清洁空气对局地排放的污染物有稀释作用[22].冬季PM10的高质量浓度除气温低、静稳天气出现频率高等气象因素外,来自内陆地区的大气污染物随着北风(东北至西北)向上海的输送也是重要原因之一[19,22].春季气候干燥、风速大,容易导致扬尘增加(每年的3—4月上海易受北方沙尘的影响[20,23]),因此空气中颗粒物质量浓度也较高.

从各监测点之间的比较可以看出,除金山在春季、夏季和秋季PM10质量浓度明显较低外,其他各区的PM10质量浓度有一定差别,但差别不大,质量浓度波动范围在春夏秋冬四季分别为全市平均质量浓度的13%,29%,19%和18%,说明区域传输对上海PM10质量浓度有较大影响[25].这与Wang等[26]发表的中尺度空气质量模型的模拟结果一致.由于经济的快速发展和上海地区城镇化水平的不断提高,本地污染源遍布各处,使得不同地点的PM10质量浓度较为接近.

对各监测点PM10质量浓度数据的仔细分析发现,对不同季节各监测点平均质量浓度与全市平均质量浓度的差别进行作图分析可以更好地表现PM10质量浓度的空间分布特征(见图2).由图2可以看到,上海PM10质量浓度在不同季节的空间分布有一定差别,夏季和秋季时PM10质量浓度由东南向西北方向有升高趋势,而冬季时高质量浓度区主要集中在中部及市区.

在春季,PM10质量浓度较低的监测点为金山、浦东新区和奉贤等,其中金山监测点的PM10质量浓度最低,说明这些地区的颗粒物排放源相对较少.PM10质量浓度较高的监测点为嘉定、宝山、松江、杨浦等,主要原因是这些基本都是上海市重要的工业区,PM10颗粒物的排放强度较大,因而质量浓度较高.

在夏季,离海边距离最近的金山、浦东新区和奉贤监测点的PM10质量浓度较低,一个重要的原因是夏季盛行的东南风带来了来自海洋的干净空气,可以有效稀释当地排放的颗粒物质量浓度.PM10质量浓度较高的监测点为宝山、普陀和嘉定等,其中宝山监测点的质量浓度最高.与春季相比,普陀PM10的相对质量浓度明显升高而松江有明显下降,原因是普陀受到了上风向(市区)污染物的影响,而松江由于上风向金山和奉贤等地的颗粒物质量浓度较低,传输后对本地污染物质量浓度有一定程度的稀释.

在秋季,PM10质量浓度较高的监测点依次为青浦、嘉定、松江、普陀.与夏季相比,秋季时的PM10高质量浓度区由夏季时的北部转向西部及西南部.嘉定、松江等地PM10的局地排放强度较大,同时,上海秋季的主导风向为东风和北风,市区及宝山工业区的颗粒物会向西及西南方向传输,使得上述地区的PM10质量浓度水平进一步升高.

图2 上海四季的PM10质量浓度空间分布Fig.2 Spatial distributions of PM10in Shanghai in di ff erent seasons expressed as the deviations from the averaged concentrations

与秋季及夏季相比(见图2,其中红色柱体表示高于对应季节全上海PM10质量浓度的平均值,绿色柱体表示低于质量浓度的平均值,红色实心圆表示与质量浓度的平均值相等),冬季时上海西北部的嘉定及西部的青浦的PM10质量浓度明显降低,嘉定的平均质量浓度甚至低于全上海的平均质量浓度,但中心城区尤其是徐汇和杨浦的相对质量浓度却有所升高.上海冬季盛行西北风和东北风,郊区及外来颗粒物往市区输送并和市区本身较高的颗粒物排放相互叠加,从而导致中心城区具有较高的PM10质量浓度水平.金山监测点相对质量浓度的升高(相比其他季节)反映了上风向松江及青浦等地污染物的输送影响.浦东新区和奉贤监测点虽然冬季PM10绝对质量浓度较高,但相对质量浓度较低.一个可能的原因是在东北风向及其他非西北风向时,这两个站点的PM10质量浓度较低,部分抵销了西北风及西风时污染物输送的影响,但具体原因仍有待进一步研究.

综上所述,不同季节上海PM10质量浓度空间分布的差异可能主要源于不同风向下上海不同区域间颗粒物的相互输送,而区域污染输送会对上海的总体质量浓度产生影响.

2.2 不同风向下PM10的质量浓度及空间分布

为了克服季节平均质量浓度计算中风向的变化对空间分布结果的影响,本研究对不同风向时上海PM10质量浓度的分布进行了分析,以便更好地了解当地污染物的扩散情况及污染输送的影响.分析过程中将风向分为13种,分别为北风(N,337.5◦～22.5◦)、东北风(NE, 22.5◦～67.5◦)、东风(E,67.5◦～112.5◦)、东南风(SE,112.5◦～157.5◦)、南风(S,157.5◦～202.5◦)、西南风(SW,202.5◦～247.5◦)、西风(W,247.5◦～292.5◦)、西北风(NW,292.5◦～337.5◦)和静风(风速小且风向无规则变动),以及4种变化的风向:N～W(风向在270◦和360◦之间变动)、W～S(风向在180◦和270◦之间变动)、S～E(风向在90◦和180◦之间变动)和E～N(风向在0◦和90◦之间变动).

图3为不同风向下上海全市PM10平均质量浓度的比较图(其中竖线为标准偏差).由图可知,静风及W～S风向时的PM10质量浓度较高.静风条件不利于污染物扩散,易造成颗粒物的积聚;而变动的风向常在风速较小时出现,污染物扩散较慢,且当风向来自W～S方向时,来自浙江、江苏的污染物会通过传输影响上海的空气质量[21,24].这可能也是当风向为W和SW时上海PM10质量浓度较高的原因.SE,E和NE风向时PM10质量浓度较低.这与在这些风向下来自于海面的清洁空气对上海本地污染物的稀释作用有关.E～N风向时上海PM10质量浓度最低的原因尚不清楚,有待进一步研究.

图3 不同风向下上海PM10平均质量浓度比较图Fig.3 Averaged PM10concentrations in Shanghai under di ff erent wind directions

图4是上海在静风、东南风、西北风和北风4种典型风向下的PM10空间分布图(其中柱体含义同图2).可见,静风时污染物的水平输送较弱,因此静风时PM10的空间分布反映着局地源排放的强弱.宝山、普陀、松江、嘉定和杨浦较高的PM10质量浓度说明这些区县的局地污染较严重,这与这些区县较强的工业活动一致.金山、奉贤和浦东新区的相对质量浓度明显较低,说明上海PM10的本地排放源主要集中在西部和西北部,较好地体现了上海的工业布局特征.

图4 4种典型风向下上海PM10质量浓度的空间分布Fig.4 Spatial distributions of PM10in Shanghai under 4 typical wind directions

当主导风向为东南风时,PM10质量浓度以宝山和嘉定为最高,空间分布与夏季平均质量浓度的分布基本一致.东南风向下来自海面的清洁空气对上海尤其是东部的金山、奉贤和浦东新区等地的局地污染物有较好的稀释作用.市区污染物对下风向监测点有影响,嘉定相对质量浓度的增加应该是与市区污染物的输送有关,而松江相对质量浓度的降低则说明东南风向对松江的本地污染物有稀释作用.

西北风是上海冬季的主导风向,因此西北风向时PM10质量浓度的空间分布与冬季PM10的空间分布有较好的一致性.西北风向时PM10质量浓度高于全市平均值的地区主要集中在中心城区,而西北部嘉定与宝山的PM10质量浓度均低于平均值.西北风向时宝山和嘉定处于中心城区的上风向,其较强的污染排放会输送至市区,导致市区的PM10质量浓度呈现一个相对较高的水平;与东南风向时相比,上海东南部金山和奉贤的PM10质量浓度虽仍低于全市平均值,但相对质量浓度明显升高,尤其是金山的PM10质量浓度已接近全市平均值,这反映了上风向地区尤其是松江等地的污染物输送对东南部地区的影响.

东北风(含北风)是上海分布频率较高的风向(尤其是秋冬季).从图4可以较清楚地看到,受东北风/北风影响时,上海PM10高质量浓度区向西南方向迁移.与西北风向时相比,松江、青浦以及闵行的PM10相对质量浓度明显升高,而杨浦的相对质量浓度明显下降,这与风向为东北及北风时宝山、杨浦处于市区的上风向而松江、青浦等地处于市区的下风向的地理分布相一致.

综合不同风向以及不同季节时上海PM10质量浓度的空间分布,不同功能区之间的相互影响是造成不同风向下PM10质量浓度空间分布变化的主要原因,中心城区的PM10质量浓度会明显受到郊区或工业区污染排放的影响,因此工业企业向郊区的转移对改善中心城区的空气质量作用有限.根据上海的风向统计结果(http://lishi.tianqi.com/shanghai/index.html),风向处于0◦～180◦之间的比例为总时间的70%左右,因此控制宝山工业区、浦东新区和金山的污染排放对改善及保障市区的空气质量具有重要作用.

2.3 不同气压下PM10质量浓度的分布

气压与PM10质量浓度的关系较为复杂,不同研究者得到的结论常有不一致之处.王开燕等[17]研究了北京市冬季气象要素对气溶胶质量浓度变化的影响,发现PM10质量浓度与气压呈正相关性.张国琏等[27]对上海市空气质量的研究也发现,气压与污染物质量浓度存在正相关性.金维明[28]发现PM10质量浓度与温湿低气压呈反相关,与冷高压呈正相关.郭利等[9]对北京地区PM10质量浓度与边界层气象要素的相关性进行分析后发现,6月观测期间PM10质量浓度与气压的相关性不显著,而11月观测期间二者呈负相关.

2010—2011年上海的日均大气压在995～1 036百帕之间变化.按气压从低到高分成995～1 008百帕(低气压)、1 009～1 022百帕(中气压)和1 023～1 036百帕(高气压)三组,并分别统计了各区PM10的平均质量浓度(见图5).可见,在低气压时PM10质量浓度明显较低,而在中高气压时PM10质量浓度无显著变化.气压较低时,气流上升,大气湍流较为剧烈,大气混合层高度较高,有利于PM10的扩散和稀释.低气压主要出现在夏季,清洁海风的稀释作用也是导致低气压时上海PM10质量浓度明显降低的重要原因.中高气压下的PM10质量浓度差别不大,说明气压和PM10质量浓度之间并不存在线性关系.

依据气压大小对全上海PM10质量浓度的日平均值进行了排序,并接每3个百帕气压差进行了分段平均,并利用分段后的结果分析了气压与PM10质量浓度的相互关系(见图6,其中竖线为标准偏差).由结果可知,当气压在1 025百帕以下时,PM10质量浓度具有随气压增加而增加的趋势,但当气压继续升高时PM10质量浓度不升反降,印证了气压和PM10质量浓度之间关系的非线性.由于不同气象因素会同时影响大气颗粒物质量浓度,这就大大增加了气象因素与大气污染程度相关性分析的复杂性.大气压力对大气颗粒物质量浓度的影响方式和程度需要更进一步的研究.

图5 不同气压下上海PM10质量浓度的空间分布Fig.5 Spatial distributions of PM10in Shanghai under di ff erent barometric pressures

图6 上海全市平均PM10质量浓度随气压的变化Fig.6 Variation of averaged PM10concentrations with barometric pressures

3 结论

(1)上海PM10质量浓度的总体空间分布较均匀,差异并不显著,说明区域传输对上海的大气污染有较大影响.

(2)风向对上海PM10质量浓度有明显影响,静风及W～S风向时PM10质量浓度最高,东风及东南风向时PM10质量浓度最低.

(3)不同风向时上海PM10质量浓度的空间分布改变与不同功能区之间污染物的相互输送有关.

(4)气压对上海PM10质量浓度有明显影响,低气压时PM10质量浓度明显较低,但气压与PM10质量浓度之间不存在线性关系.

[1]FUENTES M,SONG H R,GHOSH S K,et al.Spatial association between speciated fi ne particles and mortality[J].Biometrics,2006,62(5):855-863.

[2]BRUNEKREEF B,HOLGATE S T.Air pollution and health[J].Lancet,2002,360(9341):1233-1242.

[3]宋宇,唐孝炎,张远航,等.北京市大气能见度规律及下降原因[J].环境科学研究,2003,16(2): 10-12.

[4]李令军,王英,李金香,等.北京市冬春季大气颗粒物的粒径分布及消光作用[J].环境科学研究, 2008,21(2):90-94.

[5]龚识懿,冯加良.上海地区大气相对湿度与PM10浓度和大气能见度的相关性分析[J].环境科学研究,2012,25(6):628-632.

[6]WANG H L,ZHUANG Y H,WANG Y,et al.Long-term monitoring and source apportionment of PM2.5/PM10in Beijing,China[J].Journal of Environmental Sciences,2008,20:1323-1327.

[7]李曼,仲勉,荆亮,等.上海PM2.5中糖类化合物的组成及来源分析[J].上海大学学报:自然科学版, 2013,19(4):387-392.

[8]隋珂珂,王自发,杨军,等.北京PM10持续污染及与常规气象要素的关系[J].环境科学研究,2007, 20(6):77-82.

[9]郭利,张艳昆,刘树华,等.北京地区PM10质量浓度与边界层气象要素相关性分析[J].北京大学学报:自然科学版,2011,47(4):607-612.

[10]YANG K L.Spatial and seasonal variation of PM10mass concentrations in Taiwan[J].Atmospheric Environment,2002,36:3403-3411.

[11]ZHOU D P,QI Y,GAN L L,et al.Analysis on PM10pollution and meteorological conditions in Changchun city[J].Meteorological and Environmental Research,2010,1(6):53-56.

[12]王喜全,王自发,虞统,等.西太平洋热带气旋路径对北京PM10污染的预示作用[J].科学通报, 2009,54(1):93-97.

[13]胡敏,刘尚,吴志军,等.北京夏季高温高湿和降水过程对大气颗粒物谱分布的影响[J].环境科学, 2006,27(11):2293-2298.

[14]赵晨曦,王云琦,王玉杰,等.北京地区冬春PM2.5和PM10污染水平时空分布及其与气象条件的关系[J].环境科学,2014,35(2):418-427.

[15]潘建国,曹军骥,麦潮安,等.珠海空气中可吸入颗粒物(PM10)的时空变化特征[J].环境科学研究, 2003,16(5):6-10.

[16]任阵海,万本太,苏福庆,等.当前我国大气环境质量的几个特征[J].环境科学研究,2004,17(1): 1-6.

[17]王开燕,王雪梅,张仁健,等.北京市冬季气象要素对气溶胶浓度日变化的影响[J].环境科学研究, 2008,21(4):132-135.

[18]张晓勇,张裕芬,冯银厂,等.天气类型对天津大气PM10污染的影响分析[J].环境科学研究,2010, 23(9):1115-1121.

[19]周敏,陈长虹,乔利平,等.2013年1月中国中东部大气重污染期间上海颗粒物的污染特征[J].环境科学学报,2013,33(1):3118-3126.

[20]WANG Y,ZHUANG G S,ZHANG X Y,et al.The ion chemistry,seasonal cycle,and sources of PM2.5and TSP aerosol in Shanghai[J].Atmospheric Environment,2006,40:2935-2952.

[21]阴俊,谈建国.上海地区地面风向对空气污染物浓度的影响[J].气象科技,2003,31(6):366-369.

[22]王茜.利用轨迹模式研究上海大气污染的输送来源[J].环境科学研究,2013,26(4):357-363.

[23]陈海宇,王雯.上海市青浦城厢地区可吸入颗粒物污染状况分析[J].环境科学与管理,2012,37(8): 57-61.

[24]LI M M,HUANG X,ZHU L,et al.Analysis of the transport pathways and potential sources of PM10in Shanghai based on three methods[J].Science of the Total Environment,2012,414: 525-534.

[25]云慧,何凌燕,黄晓锋,等.深圳市PM2.5化学组成与时空分布特征[J].环境科学,2013,34(4): 1245-1250.

[26]WANG Y J,LI L,CHEN C H,et al.Source apportionment offine particulate matter during autumn haze episodes in Shanghai,China[J].Journal of Geophysical Research:Atmosphere, 2013,119:1903-1914.

[27]张国琏,甄新蓉,谈建国,等.影响上海市空气质量的地面天气类型及气象要素分析[J].热带气象学报,2010,26(1):124-128.

[28]金维明.主要气象因素对可吸入颗粒物浓度影响规律探讨[J].中国环境监测,2009,25(4):71-75.

本文彩色版可登陆本刊网站查询:http://www.journal.shu.edu.cn

Spatial distribution of PM10in Shanghai and the in fl uencing factors

JING Liang,XU Bin-hua,DU Yan,ZHONG Mian,FENG Jia-liang
(School of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Daily PM10concentrations during January 2010 and December 2011 collected from 17 monitoring stations in Shanghai were analyzed together with the meteorological conditions to reveal seasonal and spatial distributions of PM10.Generally speaking, homogeneous distribution of PM10concentrations between the monitoring sites was found in Shanghai,suggesting the in fl uence of regional transport of pollutants on the air quality in Shanghai.Wind directions and speed had strong impact on the air quality in Shanghai, with higher PM10concentrations under calm and W～S winds and lower concentrations under east and southeast winds.Through the analysis of the spatial distributions of the PM10concentration by plotting the deviation of PM10concentration at each site from the averaged concentration of all sites,regular shifting of the spatial distribution of PM10in Shanghai under di ff erent seasons and di ff erent wind directions was found.Transport of pollutants between di ff erent functional zones in Shanghai under di ff erent wind directions was responsible for the spatial variation of PM10concentration in Shanghai.Obviously lower PM10concentrations were found under low barometric pressure,but no linear correlation could be found between pressure and PM10concentration.

Shanghai;PM10;spatial distribution;meteorological condition;transport of pollutants

X 513

A

1007-2861(2015)04-0481-09

10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.003

2014-04-27

国家自然科学基金资助项目(41173097);上海市教委科研创新基金资助项目(12YZ027)

冯加良(1966—),男,研究员,博士,研究方向为大气颗粒物.E-mail:fengjialiang@shu.edu.cn