汕头市PM10和PM2.5时间分布特征分析

张 晓，林恬旎，郭丹妮，杜映玉，杜 蓉

（1.汕头市澄海区气象局，广东 澄海 515800；2.汕头市气象局，广东 汕头 515000）

1 引言

随着工业化和城市化的发展，城市大气环境污染越来越严重，可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5）成为影响我国城市大气环境质量的首要污染物，主要来源是人为排放，比如化学燃料燃烧、工业废气等。

PM10和PM2.5分别是指空气动力学等效直径≤10μm和≤2.5μm的气溶胶微粒，作为其他污染物的载体，不仅影响生态环境，还危害人类健康［1-2］。近年来，随着环保观念的增强，人们越来越关注生活环境的空气质量。2011年11月，美国驻华大使馆发布PM2.5浓度数据，“南京气象”官方微博在气象预报中出现了PM2.5浓度数值，PM2.5开始进入公众视野。许多学者也做了关于PM10和PM2.5的多方面研究，比如时间变化特征、区域分布特征、对环境大气的影响、对人类健康的影响等等［3-18］。江益等［16］分析了海口市PM10等颗粒物的年度变化特征及与气象条件的关系；吴燊先等［17］用API指数分析了桂林市的空气质量，结论是桂林市2009年以来空气质量有下降的趋势，且首要污染物变为以可吸入颗粒物为主；王开燕等［18］通过对南沙2016年PM10和PM2.5的质量浓度、能见度和气象要素等资料的分析，发现PM2.5是影响能见度变化的重要因素。

汕头市位于广东省东部、韩江三角洲南端，东南濒临南海，属南亚热带季风气候，阳光充足、雨量充沛、夏长冬短、雨热同季。2015年初，汕头国家基准气候站新增了大气成分观测项目，可实现24h自动观测。通过分析汕头市的可吸入颗粒物时间分布特征，研究结果可为汕头市的大气环境治理提供决策支持。

2 数据来源及评价标准

2.1 观测仪器

观测仪器为安徽蓝盾光电子开发的β射线法大气颗粒物（PM10和PM2.5）监测仪，利用β射线作为辐射源，采用恒定流量抽气，大气中的悬浮颗粒吸附在β源和探测器之间的滤纸表面，抽气前后探测器对β射线计数值的改变反映了滤纸上吸附颗粒物质量，根据抽气体积，可以换算单位体积空气中悬浮颗粒的浓度。

该仪器采用高精度质量流量控制器，恒流稳定性高，结合动态加热系统（DHS），消除湿度因素对测量结果的影响。切割器是根据空气动力学原理设计的，用于分离不同直径的颗粒物，切割效率流量为16.67L/min±2%。PM10采用的是冲击式切割原理，PM2.5采用的是旋风式切割原理。

仪器安装在汕头国家基准气候站观测场旁边的方仓内，观测场海拔高度约3m，采样口离地高度约5m。

2.2 数据选取

观测时间段选取2015年11月1日0时～2017年10月31日23时，每天24h连续采样观测，每小时正点记录一个浓度数据。

2.3 数据初步筛选

采样天数731d，每天24个数据，共17544个数据样本，剔除更换纸带和仪器故障时造成的缺测值和异常值（PM10共351个，PM2.5共75个），将剩余数据进行统计分析。PM10因仪器故障，有13d全天无数据，统计天数为718d。回归分析时，PM2.5也选取相同的天数。

2.4 评价标准

大气颗粒物的浓度是反映大气颗粒物污染水平的重要指标之一，通常用质量浓度来表示，单位为μg/m3。评价标准参照《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）［19］（见表 1）。

表1 环境空气污染物基本项目浓度限值（单位：μg·m-3）

3 结果分析

3.1 总体浓度水平

监测结果表明，汕头市区PM10日均浓度变化范围为30.5～230.7μg·m-3，其中达到一级标准282d，达到二级标准704d，达标率98.1%；PM2.5日均浓度变化范围为 5.3～114.1μg·m-3，其中达到一级标准395d，达到二级标准709d，达标率97.0%。

PM10的年平均日浓度为67.3μg·m-3，达到二级标准，PM2.5的年平均日浓度为35.9μg·m-3，接近二级标准，由此可见，汕头市大气颗粒物污染并不严重，空气质量很好。

3.2 月变化规律

将观测数据按照月份进行统计（见表2），并绘制成变化曲线（见图1）。汕头市PM10和PM2.5的全年变化趋势一致，大气污染物浓度谷值出现在6月，峰值出现在3月和12月。

PM2.5/PM10代表可吸入颗粒物中细粒子的含量，可以反映颗粒物的污染水平。汕头市PM2.5/PM10的年平均值为53.3%，各月比值见表3。

表2 汕头市PM10、PM2.5月平均质量浓度（单位：μg·m-3）

图1 PM10和PM2.5的月平均浓度变化

通常认为，比值在30%～40%属轻度污染，在50%～70%属重度污染。从上表可以看出，出现大气污染的时候，细粒子的贡献显著，低于50%的仅有4个月。不过从表2也可以看到，PM10的数值并不大，每年超标天数仅占2%～3%，汕头市也没有发生比较严重的大气污染事件。

3.3 季节变化规律

汕头市位于亚洲大陆南端，按传统划分的四季不太适用本地气候条件。我国在气候上常以候平均气温作为划分四季的标准：候温高于22℃为夏季，低于10℃为冬季，介于10～22℃之间则为春、秋季。按照此标准，汕头无气候意义的冬季，秋季和春季可连在一起，而夏季非常长，从4月初一直持续到10月末。结合表2的月平均质量浓度数值可以看到，整个夏季的大气颗粒物浓度都很低，而极大值出现在春夏交际和夏秋交际。夏季由于受东南季风和西南季风影响，污染物较易扩散，且季风从海洋带来充沛的水汽，降水对大气颗粒物的冲刷作用较大，空气质量较好。在季节交替之时，天气变化较大，冷暖气团交汇，云层较厚，且近地层常出现逆温现象，大气层结稳定，易使污染物积聚，而此时降水稀少，不能靠降水冲刷有效减少其浓度。

3.4 日变化规律

将观测数据按时次平均（见表4）。PM10的小时平均质量浓度为 64.3～75.0μg·m-3，PM2.5 为 31.9～40.1μg·m-3。可见汕头市大气颗粒物的日浓度变化并不大，在10μg·m-3左右。

从图2日变化曲线上可以看出，PM10呈双峰型分布，峰值出现时间分别为11时和16时，而PM2.5呈单峰型分布，峰值出现时间为10时。

图2 PM10和PM2.5日平均浓度变化

产生这种变化趋势的主要原因是人类活动和逆温层的影响。在深夜期间（0时～5时），人类活动较少，PM10和PM2.5浓度较低，且变化幅度很小；上午，随着人类活动增加，PM10和PM2.5浓度开始逐渐升高，而且通过大气光化学反应，还会形成二次污染粒子，浓度继续上升，在10～11时达到峰值，加之早上易发生逆温现象，导致污染物不易扩散；中午时段，由于温度升高，对流活动强，有利于近地面污染物的扩散，浓度逐渐下降。

由于汕头市靠海，受海陆风影响，午后一般风速会增大，有利于大气中污染物的扩散，所以和一些内陆城市的双峰型分布曲线相比，下午的峰值不太明显。而且由于总体浓度较低，个别污染较重的时段其浓度值可能对平均值产生较大影响，因此需要更长的时间序列来验证其日浓度变化特征。

表3 汕头市各月PM2.5/PM10比值（单位：%）

表4 汕头站PM10、PM2.5逐小时平均质量浓度（单位：μg·m-3）

3.5 PM2.5和PM10的相关性

对PM2.5和PM10的日平均浓度进行相关性分析，结果如图3，相关系数R达0.75，相关方程为y=0.426x+7.2728（y为PM2.5，x为PM10）。这结果与马宁等［3］对银川市大气颗粒物的分析一致。

图3 PM2.5和PM10质量浓度相关性分析

统计表明，PM2.5和PM10的月平均浓度与月平均气温、月总降水量呈显著负相关（n=12），相关系数＞0.7；与月平均相对湿度呈显著负相关，相关系数＞0.65；与月平均气压呈显著正相关，相关系数＞0.78。

4 结论

（1）2015年11月～2017年10月，汕头市PM10的年均日浓度为67.3μg·m-3，达到二级标准，PM2.5的年均日浓度为35.9μg·m-3，接近二级标准，达标率97%以上，总体空气质量很好。

（2）PM10的质量浓度日变化呈双峰型分布，峰值分别出现在上午和下午，而PM2.5呈单峰型分布，峰值出现在上午。

（3）PM10和PM2.5的月平均质量浓度变化趋势全年保持基本一致，谷值出现在6月，峰值出现在3月和12月，正值气候意义上的春夏交替和夏秋交替之际。

（4）汕头市的PM2.5/PM10比值为0.533，相关系数为0.75，存在显著的线性关系。月平均质量浓度与月平均气温、月总降水量、月平均相对湿度呈显著负相关，与月平均气压呈显著正相关。

汕头市的大气颗粒物污染程度尚轻，但不能掉以轻心，仍需加强污染防治工作，防患于未然。