2011-2014年杭州市大气PM2.5质量浓度变化特征分析

肖文丰，杨焕强，周 斌，于之锋，齐 冰，郑 雪

(1.杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036； 2.杭州师范大学理学院, 浙江 杭州 311121; 3.杭州市气象局, 浙江 杭州 310051)

2011-2014年杭州市大气PM2.5质量浓度变化特征分析

肖文丰1，杨焕强3，周 斌2，于之锋2，齐 冰3，郑 雪2

(1.杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036； 2.杭州师范大学理学院, 浙江 杭州 311121; 3.杭州市气象局, 浙江 杭州 310051)

利用杭州国家基准气候站内PM2.5观测资料，对杭州市2011至2014年大气PM2.5质量浓度进行年、季、月、日变化特征分析.结果显示，4年平均质量浓度均大于45.0 μg/m3，2011至2013年，杭州市PM2.5质量浓度逐年增加，2013年达到峰值52.2 μg/m3，2014年该值有所下降.季节变化结果显示，PM2.5质量浓度冬季最高，平均为56.9 μg/m3，夏季最低，平均为37.9 μg/m3，呈显著的季节变化特征.PM2.5日质量浓度变化分布呈双峰型，首峰值在9:00，平均质量浓度57.2 μg/m3；次峰值出现在19:00，平均质量浓度56.7 μg/m3，14:00出现谷值，平均质量浓度47.2 μg/m3.该变化特征与机动车污染物排放和气象条件变化密切相关.PM10平均质量浓度的峰值出现在11月，为100.7 μg/m3，谷值出现在8月，为49.8 μg/m3；PM2.5和PM10两者相关性为0.58，PM2.5占PM10的61%，该结果与美国东北部、印度、土耳其、上海等地的研究结论相近.

PM2.5；PM2.5/PM10；变化特征；相关性

0 引 言

杭州作为我国著名旅游城市之一，空气污染问题近20年内日趋严重.研究分析杭州市区1981～2006年能见度结果表明，杭州平均能见度由20世纪80年代的10 km减小至本世纪初的7 km[1].低能见度天气的主因为霾，由气溶胶粒子PM10、PM2.5和NO2气体引起[2-4].PM2.5较PM10与能见度有更好的相关性，两者在降雨和非降雨时呈现非常显著的乘幂负指数关系，经多元回归分析显示，气溶胶细粒子PM2.5是影响能见度的主要因子之一[5].

PM2.5是分散在大气中空气动力学粒径小于2.5μm且成分复杂的固态或液态颗粒状物质，是我国危害最严重的大气污染物，现已成为研究热点.针对近年来杭州市灰霾天气的频繁出现，有学者研究发现，杭州市大气PM2.5中总碳浓度占细颗粒物浓度的1/3左右[6]，其中多环芳烃主要以苯并[k]萤蒽、茚并[1，2，3-cd]芘、芘等为主[7].PM2.5中元素含量差异大，组分复杂，主要以S、Si、Ca、K、Al、Fe、Na、Zn、Mg、Cl、Ti、Pb、P元素为主[8].PM2.5含有害物质复杂多样，极小的粒径更使其可深达肺泡并沉积进入血液循环，对人体呼吸系统、心血管系统、免疫系统、生育系统等造成重要影响[9-10].国际环境流行病学领域已研究证实，长期或短期暴露于PM2.5可导致心肺系统的患病率、死亡率、人群总死亡率升高[11].

本文主要针对2011-2014年杭州市区大气PM2.5监测数据资料进行统计分析，分析连续4年内PM2.5和PM10的质量浓度资料的年、季、月、日变化特征和相关性比对，旨在为杭州市有效治理PM2.5提供科学数据.

1 数据和方法

监测站点位于杭州国家基准气候观测站(120°10′E，30°14′N)，拔海高度41.7m.该站点能够对PM2.5、PM10、SO2、NOx、O3等污染物进行实时在线监测.作为国家基准气候站，还能够同步获取风向风速、温度、相对湿度、能见度等气象要素.观测仪器采用美国R&P公司生产的TEOM1405D型双通道大气颗粒物监测仪.仪器采样流量为16.7 L/min，其中PM2.5通道流量为3.0 L/min，PM2.5-10通道流量为1.7 L/min，旁路流量为12.0 L/min.每5 min读取一次数据，测量精度为±2.0 μg/m3(1h平均)和±1.0 μg/m3(24 h平均)，质量测量准确度为±0.75%.

本文使用PM2.5连续监测数据时段为2011年1月—2014年12月.数据经过整理分析，2011—2014年PM2.5日均值无效天数分别为24 d、26 d、7 d、25 d.同时，将季节划分为春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(1-2月、12月).

2 结果和讨论

2.1 PM2.5平均质量浓度分析

2.1.1 PM2.5年均质量浓度分析

由杭州市2011至2014年 PM2.5质量浓度变化情况可知(见图1)，连续4年大气PM2.5平均质量浓度大于45.0 μg/m3.根据我国最新《环境空气质量标准》 (GB3095-2012)，杭州市2011年超出国标二级标准13.0 μg/m3，2012年超出15.0 μg/m3，2013年超出17.2 μg/m3，2014年超出12.6 μg/m3.杭州市大气PM2.5质量浓度由2011年的48.0 μg/m3上升为2013年的52.2 μg/m3， 2014年该数值有所下降，为47.6 μg/m3.连续4年杭州市大气PM2.5质量浓度是美国《国家大气环境质量标准》(NAAQS)年均质量浓度值15.0 μg/m3的3倍多.

相关资料表明，近年来随着杭州市机动车数量急速上升，以PM2.5为代表的细颗粒物污染及机动车尾气排放对大气细颗粒物的贡献，成为影响杭州市环境空气质量和大气能见度的关键因素.徐昶等人对杭州无车日大气细颗粒物进行研究，结果表明在管制期间NO2、NOx、CO 和PM2.5浓度比平日分别下降了17.5%、23.3%、20.6%和32.6%，PM2.5中OC、EC和二次无机组分浓度比管制前下降了13.8%、12.6%和15.7%[12].由此可知，限制机动车的数量和出行在一定程度上可以降低大气中细颗粒物含量.限制机动车的出行数量和提高机动车尾气排放标准作为国内外控制城市机动车污染的主要措施之一[13]，杭州可根据实际交通情况对该措施进行相应的调整和修改并贯彻实施.

图1 2011-2014杭州逐年PM2.5平均质量浓度Fig. 1 Comparison of annual average PM2.5concentrations in Hangzhou

图2 2011-2014年杭州PM2.5月平均质量浓度Fig. 2 Monthly average PM2.5 concentrationsin Hangzhou

2.1.2 PM2.5季节平均质量浓度分析

2011至2014年杭州市大气PM2.5月平均质量浓度分析结果表明(见图2)，杭州大气PM2.5质量浓度具有明显的季节变化特征.高质量浓度PM2.5集中在11月、12月和1月份，这3个月平均质量浓度超过60.0 μg/m3，超出《GB3095-2012》二级标准(35 μg/m3)25 μg/m3以上；低质量浓度PM2.5出现在7、8、9月份，平均质量浓度低于30 μg/m3，年连续变化呈“V”字型分布.杭州市PM2.5季节平均质量浓度和波动幅度结果显示(见图3)，杭州市PM2.5季节平均质量浓度变化特征明显.杭州市大气PM2.5最高质量浓度出现季节为冬季，平均56.9 μg/m3；最低在夏季，平均37.9 μg/m3.对PM2.5季节质量浓度变化分析，发现杭州市季节质量浓度变化趋势呈“V”字分布，表现为夏季质量浓度低，秋、冬、春季高的特点.

该季节变化特征与杭州市的地形特点，自然气象因素对PM2.5的影响有关，其中受大气稳定状况影响最为明显，当大气处于稳定状态时，污染物的扩散速率小，扩散范围狭窄[14].逆温作为大气稳定度的标志，对空气污染物的扩散起到决定性作用[15].研究表明，当近地层大气存在逆温层时，大气层结构稳定，空气污染物的稀释扩散能力减弱，近地面空气污染状况加剧[16].杜荣光等研究表明，杭州逆温现象冬季最强，夏季最弱，冬春近地逆温频率高，对污染物的扩散有抑制作用，污染物质量浓度较高；夏季逆温频率低，污染物易扩散，故质量浓度较低[14].据吴芝芳等研究，杭州秋季辐射逆温为主，且昼夜温差大于冬季，故秋季逆温辐射较强，且受强季节性、平均风速较小等气象因素影响，因而出现2012年秋季PM2.5质量浓度高于冬春季的现象[17].另外，杭州夏季的雨季作用利于大气空气污染物的湿沉降.夏季台汛期带来的强风有利于空气中污染物的扩散.杭州冬季天气形势相对稳定，降雨量少且逆温天气较多，三面环山的地形限制了大气污染物的扩散作用，使得冬季PM2.5质量浓度长期高居不下.

图3 2011-2014年杭州PM2.5季平均质量浓度Fig. 3 Seasonal average PM2.5 concentrations in Hangzhou

2.1.3 PM2.5日平均质量浓度分析

2013和2014年杭州市大气PM2.5质量浓度日变化结果表明(见图4)，杭州市2013年PM2.5质量浓度呈波浪型特征变化.日质量浓度在上午9点达到峰值57.2 μg/m3，下午19点出现第二峰值，质量浓度为56.7 μg/m3，谷值分别在凌晨4点和下午14点出现，两谷值质量浓度均为47.2 μg/m3.与2013年相比，2014年PM2.5日质量浓度变化波动幅度显著减小，日均质量浓度较2013年下降5 μg/m3.2014年PM2.5质量浓度虽有所下降，但日变化波动峰值仍在上午9点出现，谷值在下午14点，这种出现峰谷值的波动变化呈现一定的双峰性.根据双峰型特征分析，该变化与人为机动车污染物的排放和杭州气象条件变化密切相关.相关研究结果表明，杭州地区PM2.5日变化幅度较小且呈现双峰型特征，这种变化特征与人为活动和边界层演变相关，人们在早晚高峰时段集中出行，气溶胶人为排放明显增加，且低层大气易出现逆温，混合层高度低，污染物较难扩散，故易形成PM2.5的峰值[18].

杭州市作为全国汽车人均持有量最高的城市，机动车尾气排放已经对城市环境空气质量造成严重影响.杭州机动车尾气排放作为大气PM2.5的主要来源之一，其运行过程中排放和造成的PM2.5 颗粒物占很大比重.杭州市大气PM2.5日质量浓度变化“双峰”规律与人们出行的机动车行驶量密切相关.研究结果显示，杭州市区PM2.5中机动车尾气的总贡献率达39.5%[19].包贞等对杭州市PM2.5来源进行解析发现机动车尾气排放的贡献较大且逐年上升[20].王琼等对杭州市大气颗粒物组分的消光贡献进行估算，发现机动车排放的EC 占消光贡献的43.8%[21].研究表明，机动车尾气排放已成为中国大城市细颗粒物的重要来源[22-23].杨天智等对PM2.5主要来源的研究表明，PM2.5主要来源于土壤扬尘、二次颗粒物、交通排放、柴油机排放、煤燃烧和垃圾焚烧，其贡献量分别为38.2%、21.0%、11.6%、11.1%、10.8%及7.2%[24].Yang等对二冲程摩托车的排放物质的研究结果表明，83.5%及88.9%的颗粒物粒径分别在0.1 ～ 0.25μm 以下，颗粒物的粒径分布呈现双峰模式[25].徐昶等研究表明，机动车污染排放受管制措施的影响较大，PM2.5下降幅度较为明显，无车期间浓度较上班高峰显著下降，呈现出明显的低谷[12].

2.2 PM2.5和PM10相关性分析

2011至2014年杭州市大气PM2.5和PM10月平均质量浓度结果表明(见图5)，杭州市大气PM2.5与PM10呈现明显的相关变化特性.PM10与PM2.5质量浓度变化趋势相同，季节质量浓度峰值在11月，平均100.7 μg/m3，谷值在8月，平均49.8 μg/m3.全年PM10质量浓度夏季最低，秋冬季高，季节变化明显.该结果与包贞等2006年的PM2.5和PM10研究结论一致[20].

研究大气PM2.5质量浓度与其他空气污染物PM10、SO2、NO2、O3和 CO之间的相关性，Marcazzan & Querol等人证明，除O3外PM2.5与其他污染物均存在一定相关性，且与PM10的相关性显著[26-28].PM2.5/PM10的月平均比值常用作评价PM2.5和PM10之间关系的指标[29].由图6结果可知，考虑外部气候条件情况影响，PM2.5与PM10的相关系数为0.58，相关性较高.图5结果显示，2011—2014年月平均大气PM2.5在PM10中所占比例均值为0.61，PM2.5的污染占其中一半以上.在研究期间，PM2.5/PM10的值由7月(0.50)上升为12月(0.70)，这种粗细颗粒的变化来源复杂，主要为天然或人为源，以及杭州的产业结构和自然条件等因素有关[30].

杭州PM2.5/PM10比值与国内外研究结果对比如下：Pipal等研究发现印度阿格拉农村监测点的PM2.5/PM10为0.70，道路测点却为0.32[31].Tiwari等研究发现德里PM2.5/PM10为0.48，在0.18(7月)～ 0.86(2月)之间变化，该结果表明夏季粗模式颗粒占主导地位，冬季细模式颗粒占主导地位[32].Kocak等报告指出，土耳其的PM2.5/PM10从0.25～0.90变化不等，差异很大[33].Wang等人研究发现，由于产业效应的影响，我国上海的PM2.5/PM10高达0.7[34].基于美国城市和半农村地区的大量数据显示，PM2.5/PM10的值在0.3～0.7之间变化[35].夏季，当美国东北部以硫化物为主的PM10出现时，观察到PM2.5/PM10比值很高.相反，在美国西部的半干旱地区测得PM2.5/PM10比值很低，那里的PM10主要由土壤颗粒组成.Harrison等报告指出夏季PM2.5的比重较低，只占到PM10质量浓度的50%左右[36].在本研究中，PM2.5/PM10的平均比值为0.61，该结果与上述部分地区的结果相近.

图5 PM2.5和PM10的月平均质量浓度比较Fig. 5 Comparison of monthly average PM2.5 andPM10 concentrations

图6 PM2.5和PM10月平均质量浓度相关性Fig. 6 Correlations between PM2.5 and PM10concentrations

3 结论

杭州市2011年-2014年PM2.5年质量浓度范围在46.8～52.2 μg/m3，平均值为 49.5 μg/m3，大气PM2.5质量浓度连续4年超出我国最新《环境空气质量标准》 (GB3095-2012)13 μg/m3以上，是美国《国家大气环境质量标准》(NAAQS)的3倍多.此外，杭州市PM2.5质量浓度的季节性显著，夏季受污染的质量浓度最低，春季和秋季次之，冬季最高.PM2.5日质量浓度变化呈“双峰”曲线，该现象主要由早晚高峰机动车集中出行以及高压逆温等气象条件所致.与美国东北部、印度、土耳其、上海等部分地区PM2.5和PM10的研究结果相比，杭州市PM2.5和PM10质量浓度变化呈特性相关，PM2.5与PM10的相关性为0.58，大气PM2.5占大气PM10的61%，大气PM2.5/PM10的变化情况与上述各地研究结果相近.

致谢 感谢杭州市气象局胡德云和杜荣光高级工程师对本文提供的宝贵意见和指导.

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On the Concentration Variation Characteristics of Atmospheric PM2.5 in Hangzhou during 2011-2014

XIAO Wenfeng1, YANG Huanqiang3, ZHOU Bin2, YU Zhifeng2, QI Bing3, ZHENG Xue2

(1.College of Life and Environmental Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China; 2.School of Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 311121, China; 3.Hangzhou Meteorological Bureau, Hangzhou 310051, China)

Using the PM2.5 data measured by national basic meteorological station in Hangzhou, the mass concentration variation characteristics of atmospheric PM2.5 were analyzed by year, season, month, and daily from 2011 to 2014 in Hangzhou. The results showed that, for the time period from 2011 to 2014, concentration of PM2.5 increased year-on-year, the highest 52.2μg/m3in 2013, the date decreased in 2014. The seasonal variation results showed that the maximum concentration of PM2.5 occurred in winter, which was 56.9μg/m3, and the minimum was in summer, which was 37.9μg/m3, with significant seasonal variation. Diurnal variation of PM2.5 was a bimodal pattern, the highest was 57.2μg/m3, which happened in the morning around 9:00, the second peak was 56.7μg/m3at 19:00, and the valley was 47.2μg/m3at 14:00. The variation feature was closely related to changes in vehicles’ pollutant emissions and meteorological conditions in Hangzhou. In addition, the peak value of PM10 was 100.7μg/m3, which appeared in November, while the valley value was 49.8μg/m3in August. The correlation of PM2.5 and PM10 was 0.58, PM2.5 accounted for 61% of PM10. The results were similar to that in the northeastern United States, India, Turkey, Shanghai and other places.

PM2.5; PM2.5/PM10; variation characteristics; correlation

2015-06-14

杭州市科技发展计划项目(20120433B14，20130533B09,20150533B17)；浙江省自然科学基金项目(LY16D010006);国家级大学生创新创业训练计划项目(201410346014).

于之锋(1984—), 男, 讲师, 博士, 主要从事环境遥感研究. E-mail：zhifeng_yu@163.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2016.02.017

X513

A

1674-232X(2016)02-0214-06