福州市城区不同粒径颗粒物污染特征

陈 芳，颜志辉，饶清华，许丽忠

(1.福建师范大学福清分校 海洋与生化工程学院，福建 福清 350300；2. 福建师范大学福清分校 近海流域环境测控治理福建省高校重点实验室，福建 福清 350300；3.福建师范大学 环境科学与工程学院，福建 福州 350007)

随着全球经济的快速增长、人口的急剧膨胀、工业规模的扩大化，人类社会在取得快速发展的同时，对能源的消耗也在快速增长，尤其在工业生产过程中所排放的大量有毒有害的废气物不仅对地球的气候变化和生态平衡造成破坏，导致环境质量逐步退化，而且也威胁到人类正常的生存和发展[1-4].据统计，对人类健康和环境质量产生危害的大气污染物约有100多种，其中影响程度较深、范围较广的污染物主要有硫化物、含卤素化合物、挥发性有机化合物、氮氧化物、放射性物质和颗粒物等，而颗粒物被公认为是危害性最大、代表性最强的组分[5-7].大气颗粒物是指悬浮在空气中的液态或固态颗粒状物质，粒径的大小是颗粒物最重要的性质，它影响着颗粒物的形成、转化、迁移以及对有毒有害物质的负载能力.目前许多城市出现的空气污染问题主要以颗粒物污染为主，颗粒物粒径越小，危害就越大，它能吸附有毒有害物质，且在大气中停留时间长、输送距离远.由于其粒径小，能被人体直接吸入呼吸道造成危害，长期累积会引起呼吸系统等疾病，对人体健康造成极大的危害[8-9].不仅如此，颗粒物也是霾天气产生的主要因素，引起能见度降低，影响正常的交通道路安全[10-11].2012年2月，中华人民共和国环境保护部颁布新修订《环境空气质量标准》(GB3095-2012)，首次将PM2.5纳入我国环境空气监测的基本项目，并在全国范围内全面开展PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3这6个指标的监测工作，福州市作为福建省的省会城市成为第一批监测的重点城市之一.

福州市是我国东南沿海重要城市，地处福建省中部东面，闽江下游沿岸，北邻长江三角洲，南接珠三角地区，地理环境得天独厚，十分优越.气候类型属典型的亚热带季风气候，气温适宜，温暖湿润，雨热同期，霜少无雪.年平均气温19.3 ℃，全年无霜期在320 d以上，多年平均降水量为1 600 mm左右，降水季节主要在每年的4—6月份梅雨季节，占全年降雨量40%以上，7—9月份为台风雨季节，其他季节雨量较少.平均风速为2.8 m·s-1，大气稳定度以D类为主.虽然福州市空气质量整体上以优良为主，但城市环境空气仍受到一定的污染，有时也会有雾霾天气的发生，引起许多学者的关注：叶光营等[12]分析了福州区域9个气象站的雾霾天气时空分布特征；郑秋萍等[13]探讨了福建沿海城市霾与天气形式的关系；蒋永成等[14]研究大气边界层和区域传输对颗粒物PM2.5污染过程的影响.从福州市颗粒物研究成果来看，针对颗粒物污染特征的研究成果比较有限，研究时间尺度较短、周期划分比较简单.笔者将对PM2.5、PM10、PM2.5/PM10的年变化、季节变化、月变化、日变化、周末效应等进行全方面、长时间序列的分析，以期为福州市防治颗粒物污染提供基础资料.

1 研究方法

福州市城区共有6个国控监测站点，如图1所示.鼓山作为清洁对照点，五四北路、师大、杨桥西路、紫阳、快安为城区监测站点，其中，快安靠近工业区.研究数据来源于环保部全国城市空气质量实时发布平台，收集整理了PM2.5和PM10小时浓度数据以及日均浓度数据，并同步收集了气态污染物SO2、NO2日均浓度数据.日均浓度数据收集的时间为2013年4月—2017年3月，将日均浓度数据进行汇总整理，得出年均值、季均值、月均值.福州市四季划分为春季3—5月、夏季6月—9月、秋季10月—11月、冬季12月—翌年2月.因考虑小时浓度数据量大，依据福州市季节变化特点，将2013年5，7，10月及2014年1月作为春夏秋冬的代表月，收集整理这4个月期间PM2.5、PM10的小时浓度数据.

图1 福州市城区大气监测站点分布

2 结果与分析

2.1 年变化特征

福州市空气质量总体优良，除2013年PM2.5年平均浓度略超标外，其余年份均达到国家空气质量二级标准，PM2.5和PM10年平均浓度总体呈逐年下降趋势，如图2所示(数据来源于福州市环境质量公报).PM2.5浓度在2015年降幅最大，下降了14.71%，PM10浓度在2016年降幅最大，下降了17.86%，这都得益于福州市开展的一系列大气污染防控措施，不断强化对机动车尾气、工业废气、道路和工地扬尘、燃煤锅炉等方面的治理.细颗粒物PM2.5是可吸入颗粒物PM10的重要组成部分，PM2.5/PM10比值是空气污染中的一个重要指标.2013，2016年PM2.5/PM10比值相对较高，分别为0.56和0.57，说明细颗粒物污染程度较高.2014，2015和2017年PM2.5/PM10比值相对较低，均为0.52.

图2 2013-2017年PM2.5和PM10年均浓度变化

2.2 季节变化特征

PM2.5季均浓度具有明显的季节差异性，呈现冬季>春季>秋季>夏季的季节性特征(图3)，这与北京市、天津市、深圳市等地的情况相似[15-17].由于冬季晴冷少雨，逆温天气频繁，不利于污染物的扩散和迁移，加之冬季正值北方采暖季节，而福州盛行偏北风，污染物随北风南下进一步影响到南方的空气质量.春季与秋季大气层较稳定，极易在低空形成逆温，出现污染物的堆积，污染物的浓度也相对较高，因此春季与秋季PM2.5浓度值比较接近.福州属于亚热带季风气候，夏季强对流天气活跃，尤其夏季台风频发，降雨量充足，有利于冲刷和扩散空气中悬浮的颗粒物，并且大气逆温强度低，空气能得到良好的流通扩散，所以夏季的浓度值最低.PM10季节变化特征与PM2.5相似，春季与冬季PM10浓度值相当，基本也呈现冬季>春季>秋季>夏季的季节性特征.随着时间的变化和季节的改变，空气中污染物的组成成分也随之变化，PM2.5/PM10比值呈现冬季>春季>秋季>夏季的季节变化特征.Chan等[18]研究发现，当PM2.5/PM10比值大于0.6时，城市大气颗粒物以SO42-、NO3-、NH4+及二次有机物为主，而当PM2.5/PM10比值小于0.6时，城市大气颗粒物以道路扬尘、建筑扬尘为主.由此可见，福州市夏季污染物以道路扬尘、建筑扬尘贡献为主，冬季大气颗粒物主要以二次气溶胶为主.

图3 PM2.5、PM10和 PM2.5/PM10季均值变化

2.3 月变化特征

从月均浓度变化趋势来看(图4)，PM2.5月均浓度最大值出现在冬季(1月)，最小值出现在夏季(7月)，呈“W”型的变化趋势.夏季气温较高，空气对流强烈，逆温天气发生的频率低，台风、副热带高压、低涡锋面型天气发生的频率高，有利于PM2.5的扩散.随着秋季(10—11月)的到来，PM2.5月均浓度逐渐升高，由于秋冬季节气候干燥少雨，天气形势较稳定，逆温、雾霾天气发生频率高，容易出现污染物的累积，到冬季(12月—次年2月)的1月份达到最高值，这也说明了气候条件与PM2.5质量浓度的变化有重要的关联性，尤其是不利于污染物扩散的气象条件的存在，造成污染物的进一步累积.PM10月均浓度变化趋势与PM2.5较为一致，PM10月均浓度最大值出现在冬季的1月，最小值出现在夏季的9月，这与冬夏两季的季节性特征有关，冬季容易出现逆温天气，导致大气颗粒物的富集，而夏季有利的天气形式对颗粒物有很好的清除作用.PM2.5/PM10月均比值变化趋势成“U”型，月均比值变化范围为0.35～0.69，均值为0.51，月均比值最大值出现在冬季的12月，最小值出现在夏季的7月.一年中，有6个月份PM2.5/PM10月均比值超过0.5，分别是1，2，3，4，11，12月，多集中在冬春两季，说明冬春季节细颗粒物污染程度较高.有4个月份处于较低值，分别是7，8，9，10月，多集中在夏季，颗粒物主要以粗颗粒物为主.

图4 PM2.5、PM10和 PM2.5/PM10月均值变化

2.4 日变化特征

图5是PM2.5、PM10和 PM2.5/PM10的日变化特征.

图5 PM2.5、PM10和 PM2.5/PM10日变化特征

由图5可见，一天当中，PM2.5小时浓度日变化曲线呈双峰型，表现出起伏的昼夜变化特点，这与邯郸市的情况相似[19].从凌晨0时到5时，由于该时段人类处于休息时间，活动不强，无明显污染源的排放，PM2.5浓度值较低，处于较平稳的水平.上午6时到9时，随着上班早高峰期的到来，人们外出活动随之增强，该时段是人类生活、生产、车流量的高峰期，机动车尾气、建筑尘、扬尘等污染源向大气中排放，加之清晨日出前后大气边界层比较稳定，容易出现逆温现象，共同造成污染物的累积，使得PM2.5质量浓度快速升高，到上午9时达到一天当中的最大值，出现第1个大高峰.福州城区地处盆地中心，逆温天气较频繁，大气扩散条件较差，也是影响大气污染物累积的一个重要原因[20].临近中午，太阳辐射增强，近地面层温度升高，空气对流加强，创造了有利于PM2.5扩散的条件，PM2.5浓度也随之慢慢下降，在傍晚17时降到最小值.午后，随着下班晚高峰期的到来以及太阳辐射的减弱，而此时大气结构又趋于稳定，使得PM2.5浓度再次爬升，到21时左右出现第2个小高峰.到了夜间，人类活动逐渐减少，浓度慢慢开始回落，这种变化趋势符合交通出行高峰期的变化，污染高峰与交通出行高峰基本一致，说明PM2.5质量浓度变化与机动车尾气排放污染有关，机动车尾气排放源是PM2.5的重要污染源之一[21].在人类活动规律、大气结构以及气象条件的共同作用下，PM2.5小时浓度表现出明显的日变化特征.

PM10与PM2.5具有相似的日变化特征，呈现出明显的双峰型.PM10的日变化特征具有昼高夜低的浓度变化特点，第1个高峰值出现在上午9时，与PM2.5浓度日变化中出现的第1个高峰值时间一致，第2个高峰值出现在傍晚的17时，两个峰值大小相当，且峰值前后保持较高的浓度值.PM10日变化特征也是人类活动规律、气象条件、逆温层的生消等因素共同作用的结果[22].

PM2.5/PM10日变化呈双峰型的变化特征，比值范围在0.45～0.58之间，从凌晨0时到5时这个时段慢慢升高，在凌晨5时达到最高值，此时细颗粒物在大气中占主要部分，之后又慢慢降低，到上午9时降到低值.从上午9时又继续回升，到11时达到高值，然后又逐渐下降，到傍晚17时出现最低值，此时粗颗粒物在大气中占主要部分，17时至23时PM2.5/PM10比值又逐渐升高.从PM2.5/PM10日变化趋势可以看出，大部分时段PM2.5/PM10比值均大于0.5，说明细颗粒物占主要优势.

2.5 周末效应

根据工作制特点，以四季为划分点，对颗粒物的日均浓度进行统计，分析不同季节PM2.5工作日(周一至周五)和周末(周六和周日)季均浓度变化情况.PM2.5工作日和周末的季均浓度都呈现冬季>春季>秋季>夏季的季节性特点，如图6所示.PM10工作日和周末的季均浓度变化与PM2.5一致，也存在春季、夏季和秋季的工作日浓度都高于周末的浓度，冬季周末浓度显著高于工作日浓度，如图7所示.

图6 PM2.5工作日和周末季均浓度图7 PM10工作日和周末季均浓度

由图6可以看出，春季、夏季和秋季的PM2.5工作日浓度都高于周末的浓度，工作日浓度分别比周末浓度高出13.95%,10.73%,7.70%，存在周末效应，这是因为工作日是人们上班外出活动最强的时间，周末属于休息日，城市道路交通量降低，工业建设活动减弱，扬尘、工业污染源较少，导致大气颗粒物浓度相对比较低.而冬季则相反，周末浓度高于工作日浓度的27.79%，可能的原因在于冬季节假日多，尤其是春节期间，假期较长，我国有春节返乡过年的习俗，大批返乡的人流造成车流量的集中，再加上春节期间燃放烟花爆竹，在一定程度上也增加了污染物的累积.由图7可知，与PM2.5略微不同的是，PM10工作日季均浓度呈现春季>冬季>秋季>夏季的季节特点，而周末的季均浓度呈现冬季>春季>秋季>夏季的季节特点.冬季工作日与周末的浓度差最大，周末浓度高出工作日浓度的20.82%，春季、夏季、秋季工作日浓度分别比周末浓度高出11.97%,10.18%,6.15%.

图8为工作日和周末PM2.5/PM10比值变化情况.

图8 PM2.5/ PM10工作日和周末季均比值

由图8可知，春季、夏季、秋季PM2.5/PM10工作日和周末的比值基本持平，冬季PM2.5/PM10周末的比值略高于工作日，说明工作日与周末中细颗粒在空气中污染的比例没有发生显著的变化.

2.6 不同粒径颗粒物空间分布特征

由于各个监测站点所处区域的污染源、交通流量、人口密度等环境有所差异，所代表的局部区域污染物浓度也有所不同，对6个监测站点进行区域划分，鼓山站点代表清洁区，快安代表工业区，师大、五四北路、杨桥西路及紫阳4个站点代表市区.福州市不同粒径颗粒物呈现空间变化特点，均表现为工业区>市区>清洁区，这与北京市[23]、南京市[24]的情况一致，如图9所示.

由图9可以看出，鼓山作为城市背景点因其位于国家级风景名胜区内，人流量少、车流量少、没有工业区等污染源，加上植被具有滞尘作用，一定程度上降低了大气中颗粒物的浓度[25]，所以颗粒物PM2.5、PM10浓度值相对最低.清洁区PM2.5/PM10比值最高，由于鼓山站点位于城市的上风向，远离城市污染源，PM2.5/PM10比值的变化实际上反映了外来污染输送的影响.福州主导风向为东南风，鼓山风景区的下风向为快安工业区、长乐区以及福清市，上述3个地区的工业发展水平在福州市处于较高水平，排放的污染物以粗颗粒为主，但是经过几十公里甚至上百公里的较长距离输送，在输送过程中粗颗粒逐渐沉降，因此，上述3个地区的颗粒物对鼓山站点的贡献主要以细颗粒物为主.这也是鼓山站点PM2.5/PM10比值最高的可能原因.工业区PM2.5与 PM10浓度最高，PM2.5/PM10比值最低，污染源以粗颗粒为主.市区的4个监测站点位于商业区、居民区和交通密集区，浓度值较为接近，可见各站点所代表的局地污染已经转为区域污染，受各类污染源排放、传输、混合的共同影响，表现出空间尺度上的趋同性.并且4个站点PM2.5/PM10比值均低于0.5，说明颗粒物中以粗颗粒为主，来自道路扬尘、建筑扬尘等，福州如要改善大气颗粒物环境状况，应以道路扬尘、建筑扬尘的防治为主.

图9 不同功能区PM2.5、PM10、PM2.5/PM10空间变化特征

2.7 颗粒物与气态污染物的相关性

研究表明，气态污染物是大气颗粒物的重要前体物[26-27].大气中某些污染气体组分(如SO2、NOx、NH3等)通过复杂的物理反应(水解、吸湿增长、气-粒转化)和化学反应(催化氧化反应、光化学氧化反应)转化生成二次颗粒物，对大气颗粒物的浓度变化具有重要影响[28-29].城市中SO2主要来自煤炭、气体燃料等固定污染源，NO2主要来自机动车尾气等移动污染源.利用SPSS软件分析福州市城区不同粒径颗粒物与前体气态污染物(SO2、NO2)的相关关系，结果见表1.

表1 不同季节PM2.5、PM10和SO2、NO2的相关性分析

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关.

表1中，从全年来看，PM10和PM2.5存在显著相关性，并且PM2.5、PM10浓度与SO2、NO2均存在显著的正相关关系，这与黄晓虎等[30]的研究结果一致，可见两类污染源对颗粒物的浓度变化不容忽视.相比NO2，SO2与PM2.5、PM10的相关性更高，因此，福州市固定污染源对颗粒物的直接贡献比移动污染源更高.从不同季节来看，PM2.5和PM10相关性明显受季节影响，夏季显著高于其他季节，其次为秋季、冬季、春季，说明夏季不同粒径颗粒物的协同作用较强.PM2.5与SO2在秋季相关性最高，其次是春季、夏季、冬季， PM2.5与NO2在春季相关性最高，其次是夏季、秋季、冬季.PM10与SO2不同季节相关性与PM2.5相同.而PM10与NO2在春季相关性最高，其次是冬季、秋季、夏季.可见，各季节的气象条件不同，造成颗粒物与气态污染物的相关性呈现差异性.

3 结束语

(1) 福州市城区整体空气质量较好，PM2.5和PM10质量浓度呈逐年下降趋势.

(2) 从季节变化来看， PM2.5、PM10、PM2.5/PM10的变化规律具有一致性；呈现冬季>春季>秋季>夏季的季节性特征；从日变化来看，PM2.5小时浓度日变化呈双峰型，高峰值和次峰值出现在9时与21时，PM10日变化特征也呈双峰型，傍晚17时的峰值明显高于上午9时的峰值，PM2.5/PM10日变化呈双峰型的变化特征，高峰值和次峰值出现在凌晨5时与上午11时.PM2.5和PM10春季、夏季和秋季工作日浓度均高于周末的浓度，存在周末效应，冬季周末浓度则显著高于工作日浓度.

(3) 福州市不同粒径颗粒物呈现空间变化特点：工业区>市区>清洁区.清洁区PM2.5/PM10比值最高，其次是市区、工业区.

(4) PM10和PM2.5存在显著相关性，且相关性明显受季节影响，夏季相关性最高.颗粒物PM2.5、PM10浓度与SO2、NO2均存在显著的正相关关系，SO2与PM2.5、PM10的相关性更高.城市颗粒物与气态污染物(SO2、NO2)复合性较强，在控制大气颗粒物排放的同时，其他气态污染物的控制也不容忽视.