浅谈宁德市中心城区环境空气PM2.5的污染成因

宁德市环境监测站 蔡建海

PM2.5即细颗粒物，它是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5μm 的颗粒物。由于粒径小，重量轻，PM2.5可以在空气中滞留很长时间，能显著降低大气能见度，而其巨大的比表面积能吸附较多的细菌、病毒、重金属等各种对人体健康有害的污染物。它可通过呼吸道直接进入人体肺部，并在肺泡内沉积，进入血液循环，对人体产生极大的危害。有研究指出，大气中 PM2.5与医院就诊率、呼吸器官疾病发病率乃至死亡率等诸多不利健康效应之间关系密切。[1]本文通过跟踪、分析宁德市中心城区2014—2015年间的环境空气PM2.5监测情况及污染过程，了解、掌握导致宁德市中心城区环境空气 PM2.5浓度的变化规律及产生 PM2.5污染的主要原因，并提出控制措施。

1 监测方法、原理

环境空气中的PM2.5监测方法是β射线吸收法。β射线吸收法的原理是：当一强度恒定的β射线穿过一定厚度的介质时，由于介质的吸附作用，β射线的强度会衰减，其衰减的程度与颗粒物的质量厚度成正比关系，在一定范围内其遵循如下规律：

式中，I、I0分别为β射线通过滤纸采样前后的β粒子数；k为β射线对介质的吸收系数，cm/g；d为质量厚度，g/cm2。

设一定时间内采样气体体积为 V，滤纸上收集 PM2.5的质量为△m，则PM2.5的浓度为：

其中R为圆形滤纸的半径；d为质量厚度。

将式⑴代入式⑵中得：

β射线对介质的吸收系数k近似为常数，可通过已知条件计算得出，因此测量出β射线通过滤纸采样前后的β粒子数I、I0，可计算出颗粒物（PM2.5）的浓度值[2]。

2 监测仪器

宁德市中心城区环境空气PM2.5监测采用美国热电5030型颗粒物监测仪。该仪器是基于β射线吸收法的原理，同时联用动态加热系统，能提供精确实时连续的监测数据，并通过国家环境监测总站的认证。

3 监测结果统计分析

3.1 浓度变化规律

为准确了解宁德市中心城区环境空气中 PM2.5的变化规律，选取宁德市中心城区2014年、2015年2个环境空气质量监控点的PM2.5监测结果进行对比分析。2014年和2015年宁德市中心城区的PM2.5月均浓度见表1。

表1 2014年和2015年宁德市中心城区环境空气质量监控点PM2.5月均浓度 （单位：mg/m3）

续表1

由表1可知，宁德市中心城区环境空气质量总体处于较好水平，PM2.5呈小幅变化趋势，2015年PM2.5的月均浓度比2014年有明显下降。具体分析如下：

（1）2013年以来，国家重视大气污染防治工作，随着污染防治措施的加强，宁德市中心城区 PM2.5的浓度水平出现明显的下降，防治成效显著。

（2）2个监控点PM2.5的浓度均为同时增大或降低，浓度变化一致，监测数据的相关性较好，2个监控点的均值基本能代表宁德市中心城区PM2.5的浓度水平。

（3）从月均浓度上看，宁德市中心城区环境空气 PM2.5的月均浓度在1月份最高，7月份最低，其中1～4月大多数为全年的高值。2014年、2015年宁德市中心城区PM2.5月均浓度变化趋势见图1。

图1 2014年、2015年PM2.5月均浓度变化趋势

（4）从季度变化上看，宁德市中心城区 PM2.5浓度第一季度（1～3月）较高，第二、三季度（4～9月）开始缓慢下降，第四季度（10～12月）又有所回升。季节性变化明显，第三季度为全年最低值，这表明宁德市中心城区的 PM2.5浓度在冬、春两季较高，夏季最低。2014年、2015年宁德市中心城区PM2.5浓度季度变化趋势见图2。

图2 2014年、2015年PM2.5浓度季度变化趋势

3.2 引起PM2.5污染的主要原因

3.2.1 PM2.5污染情况

为了解宁德市中心城区 PM2.5的污染情况，在选取的2014年和2015年PM2.5监测结果中，筛选出大于《环境空气质量标准》（GB3095-2012）规定的PM2.524小时浓度二级标准（0.075mg/m3）的日均值，并根据筛选结果查询当天的气象参数，具体结果见表2。

表2 2014年和2015年发生PM2.5污染的筛选结果

续表2

如表2所示，2014—2015年间，宁德市中心城区总共23天出现 PM2.5超标现象，绝大多数以轻度污染为主。根据筛选结果进行统计分析得出：

（1）1月份正值冬春季节交替，是全国各地雾霾多发的时段。宁德市中心城区的PM2.5超标时间也多发生在1～4月，其中2014年1～4月共出现11天超标现象，2015年的10次超标现象则全发生在1～4月，这也与我国大气污染的总体状况相一致。

（2）超标当日均发生雾霾现象。众所周知，PM2.5是引起雾霾天气的主要原因。一般情况下我们认为，相对湿度>90%的大气混浊视野模糊的能见度恶化是雾造成的，相对湿度<70%的大气混浊视野模糊的能见度恶化是霾造成的，相对湿度介于70%～90%之间的大气混浊视野模糊的能见度恶化是雾和霾的混合物造成的[3]。而宁德市中心城区PM2.5超标当日的相对湿度介于 60%～90%之间且依照能见度等级[4]划分在“较差”到“一般”之间（23个超标天数中，相对湿度≤70%的天数有11天）。

（3）绝大部份的超标当日大气扩散条件差。大气扩散条件直接影响环境空气质量的优劣，而近地表风速的大小则是决定大气扩散条件好坏的直接因素。超标当日的近地表风速均≤2.0m/s，大气扩散条件差。

（4）超标当日的主导风向绝大多数为西北风和西南风。从其地理位置上看，宁德地处我国东南部和福建省北部，西北和西南方向的气流都是从我国内陆移动至宁德，沿途较易携带各种污染物，这也加剧了PM2.5的超标现象。

3.2.2 引起PM2.5污染的主要原因分析

根据2014—2015年宁德市中心城区PM2.5超标的情况，结合宁德所处的地理位置、当天的气象条件及本地污染源排放情况，分析造成宁德市中心城区 PM2.5污染的主要原因。导致 PM2.5污染的各种原因在绝大多数情况下是相互叠加影响。

3.2.3 外源性污染传输的影响

宁德地处于我国东南部、福建省北部，位于大气环流的路径上，PM2.5极易受外源性污染传输的影响。当我国北方发生大面积PM2.5污染时（雾霾天气），随着大气环流的南下，外源性污染传输导致宁德中心城区的 PM2.5浓度上升。例如，2014年1月19日，宁德市中心城区PM2.5日均浓度为0.138mg/m3，中度污染，主导风向为西北风；2015年1月26日，宁德市中心城区PM2.5日均浓度为 0.094mg/m3，轻度污染，主导风向为西北风；而环保部同期的监测数据显示有我国中东部地区有发生大范围的雾霾天气。2014年1月19日与2015年1月26日PM2.5外源性污染传输过程监测数据见表3。

表3 2014年3月31日与2015年1月26日PM2.5外源性污染传输过程监测数据 （单位：mg/m3）

由监测数据可知，外源性污染传输有一个明显的传输过程，随着污染气团的移动，各城市的 PM2.5浓度依次提升，最终也随着污染气团过境消散后而恢复正常。这也与美国国家海洋和大气管理局空气资源实验室计算的大气污染物输送、扩散后向轨迹相吻合。2014年3月31日与2015年1月27日大气污染物输送、扩散后向轨迹示意图，见图3、图4。

图3 2014年3月31后向轨迹示意图

图4 2015年1月27后向轨迹示意图

3.2.3 本地污染源的影响

宁德中心城区虽然工业污染源较少，但城区面积小，居民生产、生活过程中产生的机动车尾气、厨房油烟等本地污染源会对环境空气质量产生影响，特别是在污染物集中排放时易产生PM2.5超标的现象。例如，2014年1月30日、1月31日，2015年2月18日、2月19日，是当年农历除夕、春节，城市居民集中燃放烟花爆竹，直接导致城区 PM2.5浓度飙升。2014年、2015年除夕春节宁德中心城区PM2.5小时值浓度变化曲线见图5。

图5 2014年、2015年除夕春节宁德中心城区PM2.5小时值浓度变化曲线

由上图可知，从除夕当日23点开始，PM2.5浓度出现上升，在次日凌晨 1时由于大量的烟花爆竹集中燃放，导致PM2.5浓度急剧飙升，出现最高峰值（考虑到安全因素，2015年春节期间宁德市政府对烟花爆竹的燃放活动有一定限制，因此浓度上升幅度不大）。

3.2.4 大气扩散条件的影响

大气扩散条件对城市环境空气质量的影响显著。当相对湿度在60%～90%范围内时，较高的相对湿度有利于颗粒物的吸湿性增长，从而导致霾天气的发展和加剧；当平均风速在2m/s以下，较小的风速使颗粒物不易扩散，大量颗粒物的集聚使霾更容易产生[5]。例如，宁德市中心城区PM2.5在2014年5月7日19时～24时、2015年5月15日5时～8时发生污染现象，而同期宁德周边的温州市和福州市环境空气质量均处于良好水平。2014年5月7日和2015年5月15日宁德中心城区PM2.5小时浓度值监测数据及气象条件见表4。

表4 2014年5月7日和2015年5月15日宁德中心城区PM2.5小时浓度值及气象条件

续表4

由以上数据可知，2014年5月7日19时～24时、2015年5月15日5时～8时发生PM2.5污染时的大气扩散条件差，风速较小（风速均≤0.5m/s）则颗粒物不易扩散、湿度较大（湿度均≥75%）则颗粒物易出现吸湿性增长，从而导致了PM2.5出现超标现象。

4 结论

宁德市工业基础薄弱，中心城区本地的工业污染排放源较少，环境空气质量虽然较好，但仍有雾霾天气出现，环境空气质量在福建省9个设区市（均为中心城区）中也只保持在中等水平，全年的空气质量优良天数比例仅在95%左右。宁德市中心城区PM2.5污染主要发生在冬春两季，特别是1～4月，而夏季由于地表气温高、大气扩散条件好，是全年PM2.5浓度最低的时段。引起 PM2.5污染的主要原因是外源性污染传输、本地污染源及大气扩散条件（特别是空气湿度和风速），当出现两种以上的原因相互叠加影响时，更加剧了 PM2.5的污染现象。大气扩散条件是自然因素，无法人为干预，同时由于宁德所处的地理条件造成外源性污染传输不可避免，因此要降低 PM2.5浓度、控制污染程度的首要任务就是减少本地污染源的排放。主要的控制措施有：

（1）向公众宣传搭乘公共交通出行，减少机动车尾气排放。

（2）加强对餐饮服务业的油烟污染治理，减少油烟、粉尘等废气排放。

（3）强化建筑工地、道路的扬尘治理。

（4）加大工业污染源的污染治理力度，减少工业废气排放。

（5）加强环保巡查，严禁露天焚烧垃圾、桔杆。

（6）加大环保宣传力度，促使人们自觉减少燃放烟花爆竹、焚香祭祀等人为活动。

此外，虽然外源性污染传输不可避免，但是外源性污染传输的影响是可以预见的。以北京为例，宁德距北京的直线距离约 2000公里，北方大气环流移动到宁德需要一定的时间。目前，全国已经建成国家城市环境空气监测网，当北方出现大面积 PM2.5污染时，可以根据国家空气网实时的监测数据预测污染气团到达宁德的时间，采取提前预警、暂时关停废气污染源企业、车辆限行等办法，最大限度地减少本地污染源的排放。在条件具备时，还可采取人工降雨的措施降低空气中的PM2.5浓度。

[1] 董娅玮,杜新黎,李扬扬,等.西安市区大气中PM2.5和PM10质量浓度污染特征[J].中国环境监测,2015,31(5):45-49.

[2] 刘军,冯艳君.基于 β射线吸收法的可吸入颗粒物检测仪[J].仪表技术与传感器，2011(9):39-40,58．

[3] 王宗海,杜肖肖.浅淡如何区别雾与霾[J].科技风, 2014(15):215-215.

[4] 中国气象局.X/T114-2010.能见度等级和预报标准[S]. 北京：气象出版社，2012.

[5] 张弛.上海霾的影响因素与特征[J].上海环境科学,2014(3): 115-118.