北京市城区PM2.5浓度分布及影响因素研究

王晨龙，高佳佳，井 鹏，岳 涛，佟 莉，张晓曦，王 堃，左朋莱*

（1.北京市劳动保护科学研究所，北京 100054；2.中国环境保护产业协会，北京 100037）

北京市城区PM2.5浓度分布及影响因素研究

王晨龙1，高佳佳1，井 鹏2，岳 涛1，佟 莉1，张晓曦1，王 堃1，左朋莱1*

（1.北京市劳动保护科学研究所，北京 100054；2.中国环境保护产业协会，北京 100037）

对2015年4月1日至2016年3月31日期间北京市城区PM2.5的日均浓度变化及天气影响因素进行了研究。研究结果表明PM2.5的日均浓度变化幅度较大，且在秋冬季节明显高于春夏季节；PM2.5日均浓度统计结果的概率密度呈对数形式分布；由于北京市城区的地理位置原因，导致东南风向时城区PM2.5浓度普遍偏高；而温度与PM2.5浓度无明显相关性。

PM2.5浓度；概率密度分布；风场；天气；温度；空气质量

引言

在我国的环境空气质量标准中，将颗粒物按空气动力学当量直径的大小分为三种：1）空气动力学当量直径小于等于100μm的所有悬浮颗粒物称为总悬浮颗粒物（TSP）；2）空气动力学当量直径小于等于10μm的悬浮颗粒物称为可吸入颗粒物（PM10）；3）空气动力学当量直径小于等于2.5μm的悬浮颗粒物称为细颗粒物（PM2.5）。大量研究表明，可吸入颗粒物对人体的健康存在巨大的危害，粒径越小的颗粒物，危害越大，因为它可被人体吸入肺部并长期存在体内，而且其比表面积相对较大，可吸附重金属、致病菌等大量有毒有害物质；质量轻，在大气中停留时间相对较长、输送距离远[1]。Pope的研究表明，人体暴露在细颗粒物环境中，短期会引起下呼吸道疾病、哮喘加重以及咳嗽等症状[2]，长期会增高因心血管疾病造成的死亡率[3]。根据北京市环保局公布的研究成果，PM2.5的主要来源是本地污染排放，占64%～72%。在本地污染贡献中，机动车、燃煤、工业生产、扬尘为主要来源，分别占31.1%、22.4%、18.1%和14.3%；餐饮、汽车修理、畜禽养殖、建筑涂装等其他行业的排放约占14.1%[4]。本文通过对北京市近一年来的日均PM2.5浓度进行汇总与整理，并与相对应的天气情况进行分析，得出北京市城区PM2.5浓度分布规律及相关影响因素。

1 北京地区PM2.5浓度分布情况

2015年4月1日至2016年3月31日北京市城六区PM2.5日均浓度的分布情况[5]见图1。根据国家《环境空气质量标准》（GB3095-2012）规定的一类区和二类区PM2.5浓度限值对统计期内北京市城区的PM2.5浓度进行划分，共分为一级达标、二级达标和未达标三种情况。

统计时间段内，PM2.5浓度达到一级标准的有152天；达到二级标准的有88天，二级标准达标率为65.75%；全年超标共125天。从超标天数来看，多分布在2015年11月、12月和2016年3月，基本上是北京市供暖季范围内（2015年11月15日～2016年3月15日）。然而从图中可以发现，原本是供暖期的2016年2月，PM2.5超标的天数却出现了低峰，分析原因是由于中国传统假日春节处于2月份。据统计，北京城区有1500万外地人口返乡，造成“空城”现象，机动车减少、工业生产活动减少，污染物排放量减少，促成了当年2月PM2.5超标天数仅有4天。此外，从图中可以看出，在统计时间段内，北京市城区PM2.5浓度呈现明显的季节性变化趋势，其中秋冬两季的PM2.5污染水平明显高于春夏两季，约是春夏两季的1.6倍。

图1 北京市城六区PM2.5日均浓度变化

根据2015年4月1日至2016年3月31日期间北京市城区PM2.5日均浓度数据，统计分析并绘制了PM2.5浓度分布图，如图2所示。根据分析可看出，统计时间段内北京市城区PM2.5日均浓度主要分布在4～200μg/m3之间，占比为95.4%；200～400μg/m3分布占比为3.8%，高于400μg/m3的分布仅占0.8%。

图2 北京市城区PM2.5日平均浓度分布

2 风场对PM2.5日均浓度的影响

在大气传输过程中，风场会直接影响区域内大气组分的分布及各种污染物的浓度水平。根据北京市气象局的天气数据资料，绘制出2015年4月～2016年3月的北京市风玫瑰图，并统计各风向上PM2.5日均浓度的平均值，与风玫瑰图叠加显示。如图3所示。

从图3可看出，当风向为西北风时，PM2.5的平均浓度为54.95μg/m3，为所有风向中浓度最小；而当风向为偏东南风时，PM2.5的平均浓度在77.82～112.5μg/m3之间，是所有风向中浓度最大的。究其原因，与北京市的地理位置有很大关系。北京市位于华北平原北部，北部和东北部为军都山，最低的地面为通州区东南边界。地势西北高、东南低，形成一个向东南展开的半圆形山弯[6]（如图4所示）。此种特殊地形使北京市的山谷风较明显，当形成西北风天气时，风速较大，且容易将污染物吹向较为空旷的东南方，使颗粒物等污染物较易扩散；相反，当东南风形成时，会将颗粒物重新吹回这个特殊的山弯中，造成污染物聚集且不易扩散。

图3 北京市城区PM2.5日均浓度与风场分布情况

图4 北京市地形图

3 天气条件对PM2.5日均浓度的影响

本文分析了统计时间段内的天气情况与PM2.5日均浓度的相关性。在研究的时间段内不同天气情况所对应的PM2.5日均浓度分布见图5。

从图5可看出，在霾、雾、沙尘暴、雨夹雪、雷阵雨、阴这六种天气情况下，PM2.5平均浓度均超过环境空气质量二级标准。而在晴、雨、雪、阵雨等天气情况下，PM2.5的平均浓度都在环境空气质量二级标准以内。

根据天气学的相关定义，霾是指大量极细微的干气溶胶粒子悬浮在空气中，使水平能见度小于10公里，空气普遍浑浊[7]。当空气中水汽较多时，干气溶胶粒子会吸水、变大，最终活化成云雾的凝结核，产生更多、更小的液滴，使能见度进一步降低，此时便是雾[7]。在霾和雾的天气情况下，空气中的PM2.5主要是形成雾和霾的气溶胶粒子；在遇到沙尘天气时，由于风力作用，地面扬尘或是从上游地区带来沙尘，此时空气中的PM2.5主要是固体颗粒；雷阵雨、阴等天气情况下，PM2.5的日平均浓度也相对较高，原因是空气中相对湿度较大，PM2.5中的一些吸水性很强的粒子如硫酸盐、硝酸盐等极易吸收空气中的水分，从而膨胀，造成颗粒物的累积[8]，导致污染加重，而阵雨对于空气的冲刷力度远不足以将空气净化，因此部分阵雨天气时的PM2.5浓度超标。而持续雨雪天时，降水增多会将空气中的各种颗粒物进行冲刷，降低大气中颗粒物的浓度。

图5 不同天气情况对应PM2.5平均浓度

4 温度对PM2.5日均浓度的影响

温度与相对应PM2.5日均浓度的相关性如图6所示。

图6 温度与PM2.5日均浓度相关性

从图6可看出，温度与PM2.5日均浓度的相关性并不明显（R2= 0.0091）。通过以往的研究[9]可以发现，温度较高时有利于大气垂直对流，加快颗粒物扩散，颗粒物的日均浓度低；而温度较低时，近地面容易形成逆温层，不利于颗粒物扩散，颗粒物的日均浓度高。但持续性的高温会导致光化学反应等持续性光污染发生，生成O3等强氧化性物质，容易出现高浓度PM2.5[10]。所以综合考虑以上原因，温度并不是影响PM2.5浓度的主导因素。

5 结论

通过对2015年4月至2016年3月这12个月内北京市城区PM2.5日均浓度的统计分析，得出以下结论：

（1）北京市城区年均PM2.5浓度为73.97μg/m3，超过国家二级标准年均浓度1.1倍。其中PM2.5日均浓度主要分布在0～200μg/m3区间的占95.4%；分布在200～400μg/m3区间的占3.8%；高于400μg/m3的范围内仅分布了0.8%。秋冬两季节PM2.5污染水平明显高于春夏两个季节。

（2）对北京市而言，偏西北风会在较大程度上疏解城区内的大气污染物，而偏东南风时，不利于污染物的扩散，易造成空气质量不达标。

（3）在霾、雾、沙尘暴、雨夹雪、雷阵雨、阴这六种天气情况下，PM2.5的平均浓度均超过环境空气质量二级标准。而在晴天、雨、雪、阵雨等天气情况下，PM2.5的平均浓度都是在环境空气质量二级标准以内。温度不是主导PM2.5日均浓度的主要因素。

[1] Xiang Tieli，Zhou Qian and Yang Peisheng.Research process of PM2.5in China.China Environment.Science Society Annual Conference Proceedings，2013，5 : 4597-4600.

[2] Pope C A. Epidemiology of fine particulate air pollution and human health: biologic mechanisms and who’satrisk [J].Environmental Health Perspectives，2000，108（S4）: 713.

[3] Pope C A，Burnett R T，Thurston G D，et al. Cardiovascular mortality and long-term exposure to particulate air pollution epidemiological evidence of general pathophysiological pathways of disease [J].Circulation，2004，109（1）: 71-77.

[4] 北京市环保局.北京市正式发布PM2.5来源解析研究成果[Z].2014.

[5] 北京市环境监测.http://weibo.com/u/2516831703.

[6] 王琪，孙巍，张新宇.北京地区PM2.5日均浓度分布及其与天气条件影响关系分析[J].计算机与应用化学，2014（10）：1193-1196.

[7] 中央天气局.地面天气观测规范[M].北京：天气出版社，1979.

[8] 董雪玲，刘大锰，袁杨森，等.北京市2005年夏季大气颗粒物污染特征及影响因素[J].环境工程学报，2007（9）：100-104.

[9] 田谧.京津冀地区霾污染过程大气PM2.5及前体物变化特征研究[D].北京化工大学，2013.

[10] 宋宇，唐孝炎，张远航，等. 夏季持续高温天气对北京市大气细粒子（PM2.5）的影响[J].环境科学，2002（4）：33-36.

Study on Distribution of PM2.5Concentration and its Infuencing Factors in City Zones of Beijing

WANG Chen-long, GAO Jia-jia, JING Peng, YUE Tao, TONG Li, ZHANG Xiao-xi, WANG Kun, ZUO Peng-lai

X513

A

1006-5377（2017）02-0047-03

本文受北京市科学技术研究院2015启萌项目《室内外细颗粒物浓度水平及相关性研究》资助。

*注：本文通讯作者为左朋莱。