呼和浩特市PM2.5和PM10污染特征与相关性分析

徐曼，程宇飞，高际玫，任远哲，王鹏，郝峰，包卓兰，王成燕

（1.内蒙古自治区环境监测中心站，内蒙古呼和浩特010011；2.内蒙古能建环境监测有限公司，内蒙古呼和浩特010011）

近年来，人们对于大气颗粒物导致的空气污染对身体健康的影响意识逐渐提升[1,2]，大气颗粒物根据空气动力学直径分为总悬浮颗粒物(TSP)、可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)[3,4]，由于PM10和PM2.5粒径小、吸附性强，对人体健康会产生严重危害，流行病学和临床医学的证据均表明，大气颗粒物与心肺疾病的发病率和死亡率存在明显的正相关关系，对心肺功能受损影响显著，PM2.5已成为导致人类死亡的第四位死因，PM10日均浓度每增高10μg/m3，心肺疾病的死亡率相应增加0.62%[5]；同时PM10和PM2.5还会对能见度、酸沉降和大气的辐射平衡等造成重要影响，因此，PM10和PM2.5对大气环境造成的污染受到各界的广泛关注[6-8]。

PM10和PM2.5的质量浓度因各地气候条件、人为活动、经济政策和地形地貌等因素不同而呈现出不同的变化特征。目前，全国各地区学者对于PM10和PM2.5进行了不同方向的分析研究。王涛等[9]对南京市PM10和PM2.5的大致来源及污染特征进行了研究。结果表明，PM2.5的时刻变化呈“单峰单谷”型，而PM10的时刻变化呈“单峰双谷”型；颗粒物浓度城区高于郊区；植被茂盛区域的浓度较低。对PM2.5/PM10而言，分别受取暖和降水的影响，比值在冬季和梅雨期较大，在春季和夏末秋初较小。杨文涛等[10]利用地理时空加权回归对北京市PM2.5和PM10季节平均浓度间关系进行建模，依据回归结果分析PM2.5-PM10间关系的时空变异特征。实验结果表明，春夏季节PM2.5污染程度及空间变异程度均低于秋冬季节，各季节PM2.5浓度均表现为北部浓度低、南部浓度高的空间分布特征。李敏等[11]使用聚类和相关性分析上海市PM2.5/PM10的时空分布特征，结果表明，PM2.5和PM10的季节浓度从高到低为冬>春>秋>夏，PM2.5/PM10的季节分布在不同区域存在差异性。目前，对呼和浩特市PM2.5和PM10污染特征的研究常局限于特定年度或特定来源，尚未见到对PM2.5和PM10的多年污染特征与相关性研究。本文以呼和浩特市2016—2018年的PM2.5和PM10自动监测数据为基础，从不同时间角度分析呼和浩特市PM2.5和PM10的污染特征，反映大尺度时间内区域整体污染趋势，以期为呼和浩特市治理PM2.5和PM10污染提供数据支持。

1 研究方法

1.1 地区背景

呼和浩特市（110°46′~112°10′E，40°51′~41°8′N），位于内蒙古自治区中部。地处内蒙古自治区中部大青山南侧，有山地和平原两种地形；呼和浩特市位于环渤海经济圈、西部大开发、振兴东北老工业基地三大战略交汇处，是北方重要的航空枢纽。南部及西南部为土默川平原地形，地势由北东向南西逐渐倾斜。呼和浩特市属典型的蒙古高原大陆性气候，四季气候变化明显，年、日温差大，干旱少雨，年平均气温4.7℃，年平均降水量为397.2mm[12]。

1.2 数据来源及点位分布

本 文选 取2016年1月1日—2018年12月31日呼和浩特市全部（8个）环境空气自动监测国控站点（图1）的小时值数据，来自全国空气质量发布平台（http://106.37.208.233:20035/），文中研究所用的日、月、季节及年均值均由小时值通过计算算术平均值所得；本文所涉及的气象数据（气温、降水量等）来自中国空气质量在线监测分析平台(http://www.aq⁃istudy.cn/)；颗粒物来源解析数据来自在线源解析监测系统（型号SPAMS-0515）。

图1 呼和浩特市环境空气自动监测站点分布图

本文中季节划分按照《气候季节划分标准》（QX/T152—2012）划分为春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月至次年2月）[13]，日均值和年均值浓度与《环境空气质量标准》（GB3095—2012）[14]中相应的标准限值作比较。

2 结果与讨论

2.1 时刻变化特征

统计分析呼和浩特市2016-2018年PM2.5与PM10的每年的年际质量浓度时刻变化结果表明（图2）：

PM2.5与PM10的质量浓度的年际时刻变化的两个峰值分别出现在上午9:00—12:00和夜间21:00—24:00，两个谷值分别出现在早晨05:00—08:00和下午13:00—18:00。

从图2a中可以看出，PM2.5的质量浓度2017年最高，2016年次之，2018年最低，每年的时刻变化呈现出“双峰双谷”字型。峰值和谷值分别为52μg/m3和32μg/m3。

从图2b中可以看出，PM10的质量浓度2018年最高，2016年与2017年相近。每年的时刻变化趋势同PM2.5。峰值和谷值分别为45μg/m3和36μg/m3。

图2 PM2.5和PM10质量浓度年际时刻变化图

呼和浩特市2016-2018年PM2.5与PM10的四季质量浓度（3年的时刻均值）时刻变化结果表明（图3）：

PM2.5与PM10的质量浓度的时刻变化的两个峰值分别出现在上午9:00—12:00和夜间20:00—24:00，两个谷值分别出现在早晨05:00—08:00和下午14:00—17:00。

从图3a中可以看出，PM2.5质量浓度的时刻变化从高到低顺序为冬季>秋季>春季>夏季，冬、秋、春三季时刻变化呈出“双峰双谷”字型，且冬季峰谷样式最明显，夏季时刻变化虽有峰谷变化，但是基本趋于平稳发展。

从图3b中可以看出，PM10质量浓度的时刻变化从高到低顺序为春季>冬季>秋季>夏季，四季时刻变化基本呈出“双峰双谷”字型。

图3 PM2.5和PM10质量浓度四季时刻变化图

从年际和四季两个角度分析PM2.5与PM10的质量浓度的时刻变化特征，其结果表明，受不同时段人为活动以及边界层高度日变化的影响，3年期间PM2.5和PM10的质量浓度的峰值和谷值出现的时间段十分接近，且时刻变化几乎全部呈现“双峰双谷”特征。

2.2 月变化特征

统计分析呼和浩特市2016-2018年PM2.5与PM10的每年的质量浓度月份变化结果表明（图4）：

PM2.5与PM10的质量浓度的月份变化如下：8—11月逐渐上升，高峰值出现在11月，次高峰分别出现在12月和5月，5—8月逐渐下降，8月降到最低值。

从图4a中可以看出，PM2.5的质量浓度基本呈现出“单峰单谷”字型的变化趋势。峰值和谷值分别为65μg/m3和21μg/m3。

从图4b中可以看出，PM10的质量浓度呈现出“双峰单谷”字型的变化趋势。峰值和谷值分别为141μg/m3和53μg/m3。

图4 PM2.5和PM10质量浓度月变化图

2.3 季节变化特征

选取呼和浩特市2016年3月-2018年2月（2个四季）的数据，对PM2.5和PM10的季节质量浓度进行对比分析（图5），可以看出：

PM2.5的季节质量浓度的变化趋势从高到低顺序为冬季、秋季>春季>夏季；与四季的时刻变化趋势相同。PM10的季节质量浓度的变化趋势为从高到低顺序为变化趋势则为春季、冬季>秋季>夏季，变化趋势和PM2.5略有不同，与四季的时刻变化趋势相同。

从图5a中看出2017年冬季较2016年冬季PM2.5的质量浓度下降十分明显，其中2017年冬季的PM2.5的质量浓度为48μg/m3，以上年同期相比下降29.9%。据相关资料记载，截至2017年，呼和浩特市按照《大气污染防治目标责任书》要求，拆除并整合、改造和分散10t以下燃煤锅炉803台，实现了城区PM2.5质量浓度大幅降低，说明环保措施的落实，对大气颗粒物的污染防治有很大作用。

图5 PM2.5和PM10质量浓度季节变化图

2.4 年度变化

统计分析了2016-2018年呼和浩特市PM2.5和PM10的质量浓度的日均最大值、年均值、超标天数和超标天数比例，结果见表1。

表1 2016-2018年呼和浩特市PM2.5与PM10质量浓度超标统计表

受沙尘天气影响，PM2.5和PM10的日均最大浓度值均出现在2017年5月4日，分别为302μg/m3和1388μg/m3，均超过《环境空气质量标准》（GB3095-2012）日均浓度二级标准限值（75μg/m3、150μg/m3）要求，超标倍数分别为3.03倍、8.25倍。

2016-2018年PM2.5和PM10年均值分别为41μg/m3和100μg/m3，均未达到《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）年均浓度二级标准限值（35μg/m3、70μg/m3）要求，超标倍数分别为0.17倍、0.43倍，超标天数分别为146天和163天；超标天数比例分别为13.4%、14.9%。

PM2.5的年均质量浓度，2017年较2016年略有升高，在2018年有所下降。PM10的年均质量浓度呈逐年上升趋势。

2.5 PM2.5/PM10(p)值特征分析

P值反映了PM10中PM2.5的含量。根据呼和浩特市2016-2018年的PM2.5和PM10质量浓度（3年的月均值）的统计（图6），1—2月和10—12的月均比值均大于45%，依次为57%、53%、48%、46%、52%；3—9月的月均比值均小于45%，依次为38%、26%、27%、33%、41%、39%、37%。由此可知，在1月P值最高；4月p值最低。p平均值为41%。

图6 PM2.5/PM10质量浓度月变化图

2.6 PM2.5和PM10月均浓度与环境温、湿度的关系

根据2018年气象监测数据，经SPSS软件统计，PM2.5与温度、湿度的相关系数分别为-0.738、-0.544，呈现反相关性。由图7看出，环境温度高，气体分子运动活跃，有利于污染的扩散，因此夏季的颗粒物相对较低，冬季气温降低，易产生逆温现象，污染物不易扩散，所以颗粒物的含量较高。另外，环境湿度高也有助于稀释颗粒物的浓度。

图7 PM2.5、PM10与环境温、湿度关系

2.7 PM2.5和PM10的相关性

本文采用相关分析是通过计算两组变量之间的相关系数来确定变量间相关关系的一种统计分析方法。相关系数（r）是表示两个变量(x，y)之间线性关系密切程度的指标，其值在-1~+1间，r呈正值则表示两者呈正相关关系，r=1时为完全正相关；r呈负值则表示两者呈负相关关系，r=-1时为完全负相关；表现在线性相关图上时，完全正相关或负相关时所有图点都在回归直线上，图点分布在直线回归线附近，r绝对值越小，分布越离散。

选取2016-2018年呼和浩特市的PM2.5和PM10日均值质量浓度（已剔除2017年日均最大浓度值），以PM2.5质量浓度为横坐标，PM10质量浓度为纵坐标进行线性拟合，结果见图8。两者呈正相关性，拟合方程为y=1.9971x+11.844，回归方程的相关系数r为0.8623，说明直线对散点的拟合率较高，两者的相关性较好[20]。

图8 PM2.5和PM10质量浓度相关性分析

同时通过采用皮尔逊相关系数法得到，PM2.5与PM10的相关系数为0.74，相关系数越接近1，说明相关度越强；显著性sig值为0.00<0.05，说明二者的相关性具有显著性意义。

对2016-2018年PM2.5与PM10的季节质量浓度均值进行线性拟合，结果见表2和图9，线性关系随季节的变化而改变。由表2可得，PM2.5与PM10相关性在季节上有明显差异，四季PM2.5与PM10的相关系数关系为r秋季(0.9008)>r冬季(0.8557)>r夏季(0.8230)>r春季(0.7242)，秋季和冬季的相关性要大于夏季和春季。

表2 PM2.5质量浓度关于PM10质量浓度线性回归分析

图9 PM2.5和PM10的四季日均浓度相关性

3 结论

（1）呼和浩特市2016-2018年PM2.5与PM10的质量浓度时刻变化均呈现“双峰双谷”字型，PM2.5峰值和谷值分别为52μg/m3和32μg/m3；PM10峰值和谷值分别45μg/m3和36μg/m3。

月变化PM2.5呈现“单峰单谷”字型，峰值和谷值分别为65μg/m3和21μg/m3；PM10呈现“双峰单谷”字型，峰值和谷值分别为141μg/m3和53μg/m3。

季节变化趋势为PM2.5质量浓度从高到低排序：冬季、秋季>春季>夏季；PM10质量浓度从高到低排序：春季、冬季>秋季>夏季。

PM2.5与PM10的年均值均未达到《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）年均浓度二级标准限值（75μg/m3、150μg/m3）要求。PM2.5的年均质量浓度总体呈先上升后下降趋势，PM10的年均质量浓度总体呈上升趋势。

（2）PM2.5与PM10的浓度比值（p）主要集中在26%~41%，1月p值最高，4月p值最低，平均值为41%。PM2.5对人群健康危害较大，在1-2月和10-12月比值大于45%的月份，需要适当增加个人防护。颗粒物易受到环境温度和湿度的影响。高温高湿天气，有利于污染物的扩散，可以通过辅助例如人工气候箱等途径，降低颗粒物的污染。

（3）PM2.5和PM10拟合方程y=0.1.9971x+11.844，相关系数为0.8623，说明直线对散点的拟合率较高，线性相关性较好。同时通过采用皮尔逊相关系数法得到，PM2.5与PM10的相关度较强且相关性具有显著性意义。四季PM2.5与PM10的相关系数关系为r秋季(0.9008)>r冬季(0.8557)>r夏季(0.8230)>r春季(0.7254)，秋季和冬季的相关性明显大于夏季和春季。