长沙市PM2.5质量浓度及其变化特征

李巧云，廖菊阳*，刘 艳，李高飞，廖 鹏，吴林世

(1.湖南省森林植物园 湖南省城市森林研究中心 生态景观环境研究所，湖南 长沙 410116；2. 湖南长株潭城市群森林生态系统定位观测研究站，湖南 长沙 410116)

长沙市PM2.5质量浓度及其变化特征

李巧云1,2，廖菊阳1,2*，刘 艳1,2，李高飞1,2，廖 鹏1,2，吴林世1,2

(1.湖南省森林植物园 湖南省城市森林研究中心 生态景观环境研究所，湖南 长沙 410116；2. 湖南长株潭城市群森林生态系统定位观测研究站，湖南 长沙 410116)

统计2015年9月到2016年8月长沙市PM2.5监测数据及气象数据，并分析其季节特征、温度特征及其与工作日和周末之间的关系，以期揭示城市PM2.5污染的主要特征及其变化趋势。研究结果表明：我国北部和南部的细颗粒物PM2.5的污染程度大于长沙市，长沙市PM2.5质量浓度的季节变化趋势表现为：冬天>春天>秋天>夏天；冬季空气污染较重，PM2.5日均值(75.32±38.12)μg/m3超过我国空气质量(PM2.5)二级标准；夏天空气质量相对良好，日均值(32.40±14.25)μg/m3，达到我国空气质量(PM2.5)一级标准；长沙市PM2.5质量浓度与月平均温度存在一定程度的负相关，当月平均温度最高达29.71 ℃时，对应PM2.5质量浓度最低，为29.71 μg/m3，当月平均温度最低为5.07 ℃时，对应PM2.5质量浓度最高，为80.9 μg/m3；PM2.5质量浓度在工作日和周末存在显著差异，冬季周末质量浓度高于工作日，而夏季则相反。

空气质量；颗粒物；PM2.5；变化特征

随着城市人口的急剧增长，城市化工业化的进程加快，城市环境空气污染也日益严峻。目前影响空气质量最主要的污染物之一就是大气中的悬浮颗粒物PM(Particulate matter)，PM是影响大气能见度和地球辐射平衡的主要污染物，也是大气化学反应的重要载体[1]。近年来对大气颗粒物的研究引起了人们越来越多的关注，已经成为我国乃至世界研究的热点，尤其对细颗粒物PM2.5的研究。PM2.5是指空气中直径小于或者等于2.5 μm的颗粒物，其携带大量有毒有害物质，严重威胁人类健康。美国是世界上最早开展室内空气污染研究的国家之一，并于1997年率先制定了PM2.5控制标准NAAQS(National Ambient Air Quality Standards)[2]。英国新的空气质量目标规定：到2020年其PM2.5浓度的年均值不超过25 μg/m3[3]。加拿大在1998年制定的环境标准中明确了PM2.5浓度参考值，并于2010年执行不超过30 μg/m3的PM2.5日均浓度限值[4]。我国于2002年由国家质量监督检验检疫局、卫生部和环境保护部联合发布的《室内空气质量标准》GB/T 18883—2002中,仅规定了可吸入颗粒物PM10的日平均浓度为150 μg/m3，而对PM2.5的日平均值未作规定。 2012年12月我国环境保护部颁布的《环境空气质量标准》(GB 3095—2012),新增了PM2.5等评价指标，第一次明确规定：PM2.5浓度日均值一级标准：PM2.5浓度<35 μg/m3；二级标准：35 μg/m3≤PM2.5浓度≤75 μg/m3；当PM2.5浓度日均值超过75 μg/m3即为超标。

目前各国学者从PM2.5的来源、特征、危害、形成机理等多个角度进行了细致的研究，也取得了较多进展[5]。但这些研究多集中在化学元素对其的影响，而单纯研究其自身变化特征的相对较少。本研究通过统计长沙市2015年9月到2016年8月PM2.5监测质量浓度和部分气象数据，分析了其季节特征、温度特征及与工作日和周末之间的关系，为有效预测PM2.5浓度的变化规律和制定合理有效的城市环境空气污染应急措施和防治对策提供科学依据。

1 数据获取

长沙城区共设有10个监测点，自2013年1月1日按新的《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)实行城市环境空气质量自动监测。长沙市PM2.5自动监测仪采用的是热电公司(SHARP5030)产品，采用一点多发的方式，相关业务部门可以共享查阅[6]。本研究所用PM2.5质量浓度数据以及部分气象数据均是从湖南省气象台官方网站上获取，都是已经面向公众发布的历史数据，跨度时间为2015年9月到2016年8月。

2 数据统计

2.1 PM2.5质量浓度的统计

统计长沙市2015～2016年研究时段的PM2.5月均质量浓度；按照四季划分，即3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12～2月为冬季，统计长沙市四季季均PM2.5的质量浓度；选择2015年12月(冬季代表月份)和2016年6月(夏季代表月份)PM2.5质量浓度作为研究区间，统计工作日与周末日均PM2.5质量浓度，分析不同季节情况下长沙市PM2.5质量浓度与工作日和周末之间的关系。

2.2 气象参数的统计

统计长沙市2015～2016年研究时段的月均气温值。

3 数据分析

用Microsoft Excel 2000软件和SPSS 11.0统计分析软件对数据进行相关性分析。

4 结果分析与讨论

长沙市地处湖南省东部偏北，湘江下游与长浏盆地的西缘，东经111°53′～114°15′,北纬27°51′～28°41′，属于亚热带季风性湿润气候，气温温和、雨热同期、四季分明。本研究数据期间为2015年9月到2016年8月，跨度时间1年，故本研究分析结果可以作为评估长沙市PM2.5污染现状及如何有效防治的依据。

4.1 长沙市PM2.5质量浓度的季节变化特征

对研究期间PM2.5质量浓度按季度统计分析，结果见图1。由图1可知，长沙春季、夏季、秋季及冬季的PM2.5平均质量浓度分别为(59.75±22.73)、(32.40±14.25)、(53.19±23.55)、(75.32±38.12)μg/m3,质量浓度季节变化趋势为：冬天>春天>秋天>夏天。其中冬季污染比较严重，其日均值超过了我国PM2.5日均值二级标准75 μg/m3；夏天的空气质量相对良好，小于35 μg/m3，达到我国空气质量PM2.5日均值一级标准。

长沙的春天和冬天相对比较寒冷，城镇居民及公共建筑多以燃煤满足生活热水和供暖需要，PM2.5污染明显加重。另一方面，冬季的温度比较低，低温有利于颗粒物的再生和堆积，使得PM2.5的质量浓度高于夏季。研究发现，长沙市PM2.5质量浓度在夏天相对较低，这种季节性差异的主要是因为夏季太阳辐射较强，地面的温度偏高，加强了空气的对流与湍流，不容易形成逆温天气，能够使PM2.5有效扩散。而冬季，冷空气活动频繁，逆温天气频繁发生且持续时间长，不利于PM2.5的有效扩散。Sun等研究表明北京PM2.5夏季质量浓度为77.3 μg/m3,冬季为135.7 μg/m3[7],分别为长沙市PM2.5质量浓度的2.4倍和1.8倍。Cao等研究显示珠江三角洲PM2.5夏季质量浓度为51.25 μg/m3,冬季为78.5 μg/m3[8],分别为长沙市PM2.5质量浓度的1.58倍和1.04倍。通过对比发现：我国中部城市长沙的细颗粒物PM2.5的污染程度比北部城市北京和南部城市珠江三角洲都轻，但我国北部的细颗粒物污染程度相对比较严重，其PM2.5质量浓度达到了中部城市长沙的2倍左右。

图1 长沙市PM2.5质量浓度的季节变化

4.2 长沙市PM2.5质量浓度与温度之间的关系

空气中的相对湿度、气团的湍流作用都会受到大气温度的影响，邓珍珍[9]研究发现，颗粒物的浓度与相对湿度具有一定的正相关性，与大气温度呈现一定的负相关。统计分析研究期间长沙市各月份平均温度与PM2.5质量浓度之间的关系，结果见图2。

图2 长沙市PM2.5质量浓度与月平均温度之间的关系

从图2可以明显看出，2016年7月平均温度最高30.65 ℃时，对应的PM2.5质量浓度出现了研究月份的最低值29.71 μg/m3；2016年1月平均温度最低5.07 ℃时，对应的PM2.5质量浓度是研究月份最高的80.9 μg/m3；从图2整体可以看到月平均温度与PM2.5质量浓度存在一定程度的负相关，该研究结果与邓珍珍[9]和陈上杰等[10]的一致。这是因为温度的变化会影响空气中的各项化学反应，细分到大气颗粒物中主要就是影响颗粒物的生消反应。越接近地面受温度的影响越大，温度在大气的垂直方向变化较水平方向变化更大，这种变化会影响近地面的大气颗粒物，从而影响PM2.5质量浓度发生变化。当温度较高时，近地面的空气对流作用会加强；当温度降低时，空气中的对流作用就会相对减弱。温度升高时空气对流作用的加强有利于污染物的向上漂浮，这样近地面PM2.5的质量浓度就会降低；当温度降低时由于空气对流作用的减弱，颗粒物就会下降沉积，从而使得PM2.5质量浓度上升。

同时用线性回归曲线验证PM2.5质量浓度和月平均温度之间的相关关系，如图3。可以看到关系函数斜率小于0，且R2=0.6923，表明月平均温度与PM2.5质量浓度有很好的负相关性。

图3 长沙市PM2.5质量浓度与月平均温度之间的关系

4.3 长沙市冬季PM2.5质量浓度与工作日和周末之间的关系

避开寒假及有重大节假月份，选取冬季代表月份2015年12月作为研究区间，分析长沙市冬季PM2.5质量浓度与工作日和周末之间的关系。对研究区间长沙市PM2.5质量浓度按周进行统计，得到长沙市冬季工作日和周末平均PM2.5质量浓度的周变化规律，如图4所示。

图4 长沙市冬季工作日与周末PM2.5质量浓度

由图4可知，冬季长沙市PM2.5质量浓度自星期一开始逐渐升高，星期二达到1个小高峰后慢慢下降，星期五达到工作日的最高峰85.6 μg/m3，星期六开始显著升高而星期日又迅速降低。对比我国《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)，星期五到星期天均超过国家PM2.5质量浓度二级标准75 μg/m3。在星期二达到一个小峰值71.6 μg/m3，即将接近我国二级标准，在星期六达到1个最高峰值102.2 μg/m3，是国家二级标准的1.36倍，这说明PM2.5质量浓度与人类活动紧密相关。星期一工作日的开始，人们的工作强度、人类活动逐渐增强，因此，与人类活动有关的基建、交通、工业等产生的颗粒物逐渐增多。在星期二达到一个稳定值后，星期三、星期四这几天的PM2.5质量浓度基本持平。但到了星期五，PM2.5质量浓度远远高于其它工作日，达到了85.6 μg/m3；长沙是湖南的省会，因为周末的临近，长沙周边城市浏阳、望城、湘潭、株洲等地的居民会加强到长沙的活动；另外长沙有很多外地学子求学，每到周五，家长都会从外地赶来接送子女，从而导致这些由人类活动产生的PM2.5质量浓度逐渐增加。星期六即周末的第1天，人们的户外活动明显增强，导致PM2.5质量浓度达到一周内的最高值102.2 μg/m3；星期日大多数人选择在家休息，为下周的工作做准备，出行活动明显减少，交通密度相对减弱，PM2.5质量浓度也随之降低。有文献表示，周末颗粒物浓度会高于工作日浓度[11]，可能在发展中国家，人们在度过一周紧张的工作日后，周末外出活动比较集中，这也是导致周末颗粒物浓度较高的原因之一。

4.4 长沙市夏季PM2.5质量浓度与工作日和周末之间的关系

避开暑假及有重大节假月份，选取夏季代表月份2016年6月作为研究区间，分析长沙市夏季PM2.5质量浓度与工作日和周末之间的关系。对研究区间长沙市PM2.5质量浓度按周进行统计，得到长沙市夏季工作日和周末平均PM2.5质量浓度的周变化规律，如图5所示。

由图5可知，并不是全年周末PM2.5质量浓度都高于工作日，不同季节工作日与周末PM2.5质量浓度存在明显差异。总的来说，夏季长沙市空气质量相对良好，星期一和星期二的PM2.5日均值符合国家空气质量(PM2.5)二级标准，星期三到星期天的PM2.5日均值符合国家空气质量一级标准。在夏季，工作日开始第一天星期一PM2.5浓度飙升到最高值38.8 μg/m3，然后慢慢开始下降，星期二跌到35.6 μg/m3，仍然在国家空气质量二级标准区间内。在星期五又有一个小回升，达到了28.4 μg/m3。与冬季不同的是，周末PM2.5质量浓度基本上与工作日持平，并没有一个很大的升高。这与研究所选月份6月份有很大关系，长沙因夏季炎热历来属于“火炉”城市之一，因为天气炎热，人们会相对减少周末的户外活动，选择在家休息。而到了工作日，尽管天气炎热，人们势必增加出行活动，所以在星期一，PM2.5质量浓度出现飙升情况,然后慢慢的人们的工作强度出现一定程度的松懈，导致这些由人工源产生的PM2.5质量浓度逐渐降低。这一结果与发达国家的研究结果相同，如Pey等[12]的研究表明西班牙巴塞罗那工作日的颗粒物质量浓度高于周末。可能是因为在发达国家，人们周末多以休闲娱乐为主，交通密度较工作日降低，从而导致颗粒物质量浓度降低。长沙市夏季空气质量相对良好，2016年6月月平均温度为27.17 ℃，太阳的辐射较强，气温较高，大气的稳定性被破坏。空气对流增大产生的空气垂直湍流有利于近地层空气中的悬浮颗粒物向上扩散而被带到高空稀释，使得颗粒物质量浓度降低。

图5 长沙市夏季工作日与周末PM2.5质量浓度

5 结论

长沙市细颗粒物PM2.5的污染程度小于我国北部和南部，PM2.5质量浓度受季节影响变化较大，其变化趋势为：冬天>春天>秋天>夏天。其中冬季污染比较严重，PM2.5浓度日均值(75.32±38.12)μg/m3超过我国空气质量(PM2.5)二级标准；夏天的空气质量相对良好，日均值(32.40±14.25)μg/m3，达到我国空气质量(PM2.5)一级标准。

长沙市PM2.5质量浓度与月平均温度存在一定程度的负相关，表现为月平均温度最高30.65 ℃时，对应的PM2.5质量浓度最低，其值为29.71 μg/m3；月平均温度最低5.07 ℃时，对应的PM2.5质量浓度最高，其值为80.9 μg/m3。冬季，长沙市PM2.5质量浓度周末高于工作日；夏季，长沙市PM2.5质量浓度周末低于工作日；并不是全年周末PM2.5质量浓度都高于工作日，存在季节之间的差异。

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(责任编辑：许晶晶)

Mass Concentration of PM2.5and Its VariationCharacteristics in Changsha

LI Qiao-yun1,2, LIAO Ju-yang1,2*, LIU Yan1,2, LI Gao-fei1,2, LIAO Peng1,2, WU Lin-shi1,2

(1. Institute of Ecological Landscape Environment, Hunan Urban Forest Research Center, Hunan Forest Botanical Garden, Changsha 410116, China; 2. Location Observation and Research Station of Forest Ecosystem of Chang-Zhu-Tan City Cluster in Hunan Province, Changsha 410116, China)

In order to reveal the main characteristics and variation trend of PM2.5pollution in city, we used the PM2.5monitoring data and meteorological data of Changsha city from September 2015 to August 2016, and analyzed their seasonal characteristics, temperature characteristics, and their relationships with weekday and weekend. The results showed that the pollution degree of fine particle matter PM2.5in north and south of China was higher than that in Changsha, and the seasonal variation trend of the mass concentration of PM2.5in Changsha was: winter>spring>autumn>summer. The air pollution was heavier in winter, and the diurnal average mass concentration of PM2.5was (75.32±38.12)μg/m3, which exceeded the secondary standard of the national ambient air quality standard (NAAQS). The air quality was better in summer, and the diurnal average mass concentration of PM2.5was (32.40±14.25)μg/m3, which reached the primary standard of NAAQS. The mass concentration of PM2.5in Changsha had a negative correlation with the monthly mean temperature: when the monthly mean temperature was the highest (29.71 ℃), the corresponding mass concentration of PM2.5was the lowest (29.71 μg/m3); when the monthly mean temperature was the lowest (5.07 ℃), the corresponding mass concentration of PM2.5was the highest (80.90 μg/m3). There was a significant difference in the mass concentration of PM2.5between weekday and weekend; the mass concentration of PM2.5on weekend was higher than that on weekday in winter, but it was on the contrary in summer.

Air quality; Particle matter; PM2.5; Variation characteristics

2016-11-24

美丽城镇森林景观的构建技术研究与示范(201404301);长株潭城市森林对PM2.5等颗粒物阻控技术研究(XLK201554)； 湖南城郊森林负氧离子监测规程(XLB201611)。

李巧云(1987─),女，工程师，主要从事环境生态方面的研究。*通讯作者：廖菊阳。

X831

A

1001-8581(2017)04-0089-05