颗粒物监测出现“倒挂”现象分析

史鉴洪，王 超，唐光友

(天津市南开区生态环境监测中心,天津 300193)

1 引言

我国现行实施的《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中规定了6项环境空气污染物基本项目的监测要求[1]，其中包括细颗粒物(PM2.5)和可吸入颗粒物(PM10)，分别代表环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5 μm和10 μm的颗粒物。根据定义可以判定PM2.5应该是PM10的一部分，理论上同一站点同一时刻监测得到的PM2.5浓度应该小于PM10浓度。但是实际监测过程中，有时会出现PM2.5浓度大于PM10浓度的现象，称为“倒挂”。国内外环境空气质量监测中均出现过“倒挂”现象[2～6]，针对这一不合逻辑的现象，有必要深入开展“倒挂”现象的研究。

本研究基于长时间序列监测得到的颗粒物小时级别监测数据，从日变化、季节变化、年度变化等方面分析颗粒物“倒挂”率的变化特征，并结合污染物浓度、空气相对湿度、风速和风向等条件分析引起“倒挂”的主要因素[7～14]。

2 研究方法

数据来自2017年1月至2019年12月长时间序列颗粒物浓度监测数据，精度为小时数据。气象数据测量使用Vaisala气象变送器WST520，包括温度、相对湿度、压力、风速和风向等数据。为客观反映颗粒物的“倒挂”情况，本研究引用“倒挂率”来表述，即一段时间内PM2.5浓度超过PM10浓度的小时时长数与总小时数的比值[15]。

3 结果与分析

3.1 “倒挂”污染特征分析

3.1.1 年度变化特征

2017～2019年研究期间共计获得24607组有效颗粒物监测数据，发生颗粒物“倒挂”的小时数为3578个，平均“倒挂率”为14.5%。2017年、2018年和2019年的“倒挂率”分别为15.7%、11.9%和16.0%(图1)，PM2.5/PM10平均值分别为0.75、0.67和0.71，可见2017年和2019年“倒挂”情况较相近，2018年“倒挂率”最低，其PM2.5/PM10均值亦最低。

图1 2017～2019年颗粒物“倒挂率”均值

3.1.2 季节变化特征

颗粒物“倒挂率”呈现明显的季节分布特征，秋冬季较高，春夏季较低(图2)，其中秋季和冬季“倒挂率”分别为17.7%和17.9%，春季和夏季“倒挂率”分别为10.7%和11.8%。春季、夏季、秋季和冬季PM2.5/PM10平均值分别为0.62、0.77、0.74和0.71，可见秋冬季“倒挂”现象较重，PM2.5/PM10值亦较高，春季“倒挂”现象较轻，PM2.5/PM10值较低，夏季“倒挂率”较低，但是PM2.5/PM10值较高，说明夏季“倒挂”并不是影响PM2.5/PM10高低的唯一因素。

图2 不同季节颗粒物“倒挂率”分布

3.1.3 月度变化特征

PM2.5和PM10浓度“倒挂率”在7月份和10月份最高，分别达25.9%和22.3%， PM2.5/PM10均值分别为0.84和0.77；其次是9月份、6月份和11月份，“倒挂率”分别为16.4%、15.6%和14.2%，PM2.5/PM10均值分别为0.78、0.72和0.67；3月份和5月份“倒挂率”最低，仅9.8%和9.9%，PM2.5/PM10均值分别为0.65和0.59(图3)。

图3 不同月份颗粒物“倒挂率”分布

3.1.4 日变化特征

“倒挂率”呈现明显的日变化特征(图4)，一天当中1:00～15：00“倒挂率”整体维持较高水平，在凌晨4：00和中午13：00出现峰值，“倒挂率”分别高达21.3%和22.2%，PM2.5/PM10均值分别为0.80和0.77。晚上17：00～21：00“倒挂率”较低，仅6.5%～8.6%，PM2.5/PM10均值为0.55～0.68。

3.2 “倒挂”影响因素分析

3.2.1 相对湿度对“倒挂”影响

空气相对湿度对颗粒物“倒挂”有一定的影响，如图5所示，相对湿度与PM2.5/PM10小时变化呈现一定的相关性，线性相关系数为0.35，说明空气相对湿度越高，PM2.5/PM10比值越高。不同相对湿度情况下颗粒物“倒挂率”呈现明显的变化特征，如图6所示，当相对湿度大于80%的时候，平均“倒挂率”为50.9%， PM2.5/PM10均值高达1.30；当相对湿度为60%～80%时，平均“倒挂率”为31.1%，平均PM2.5/PM10比值高达0.94，“倒挂”小时数最高，为1492个；当相对湿度40%～60%时，平均“倒挂率”为11.7%，平均PM2.5/PM10比值为0.71；当相对湿度低于40%的时候，“倒挂率”仅6%左右，平均PM2.5/PM10比值低于0.60。说明空气相对湿度较高时颗粒物的“倒挂率”较高，尤其当相对湿度超过80%以上时约1/2以上的时间均产生“倒挂”现象，且整体的PM2.5/PM10比值已超过1.0，“倒挂”现象严重。该结论可以解释秋冬季和7月份和10月份“倒挂率”最高，与该时间段空气相对湿度较高有关。

图5 主要气象条件与PM2.5/PM10比值的关系

图6 不同相对湿度情况下的平均“倒挂率” 和PM2.5/PM10比值

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3.2.2 风向和风速对“倒挂”影响

颗粒物“倒挂率”在东北方向最高，为20.7%，其次是西北和偏西方向，分别为16.8%和16.2%，在西南和偏南风向“倒挂率”最低，仅13.7%和13.5%(图7)。不同风速下“倒挂率”也存在明显差异(图8)，风速低于1 m/s时“倒挂”率最高，达16.0%，平均PM2.5/PM10比值为0.75；风速在1～2 m/s之间时“倒挂率”较高，为12.2%，平均PM2.5/PM10比值为0.67；风速在2～3m/s之间时“倒挂率”最低，仅7.5%，平均PM2.5/PM10比值为0.55；当风速大于3m/s时，“倒挂率”却较2～3m/s时高，为9.2%，平均PM2.5/PM10比值为0.58。可见并不是风速越大“倒挂率”越低，当风速大于3m/s时“倒挂”现象却较严重。冷空气来临时通常以偏北风为主，此时风速较大，“倒挂”现象较严重。

图7 不同风向情况下的平均“倒挂率”

图8 不同风速情况下的平均“倒挂率” 和PM2.5/PM10比值

3.2.3 PM2.5浓度对“倒挂”影响

细颗粒物PM2.5浓度高低对“倒挂”也产生一定影响，如图9所示，整体上看PM2.5浓度越高，“倒挂率”越高。当PM2.5浓度在大于150μg/m3范围时，空气质量达到五级重度污染水平，此时“倒挂率”最高，高达29.7%，PM2.5/PM10均值最高，为0.96；当PM2.5浓度在115～150μg/m3和大于250μg/m3时，空气质量分别达到四级中度和六级严重污染水平，此时“倒挂率”次之，分别为23.7%和25.7%，PM2.5/PM10均值分别为0.90和0.91；当PM2.5浓度在75～115 μg/m3、35～75μg/m3和小于35μg/m3时，空气质量分别达到三级轻度污染、二级良和一级优水平，“倒挂率”依次降低，分别为20.1%、14.7%和8.1%，PM2.5/PM10均值依次降低，分别为0.84、0.74和0.55。

图9 不同PM2.5浓度情况下的平均“倒挂率” 和

PM2.5/PM10比值

3.3 “倒挂”典型案例分析

选取2020年2月18日6时至20日15时期间发生的一次典型过程，PM2.5浓度从19日1时的72μg/m3逐渐升高至20日7时的285μg/m3，达到六级严重污染水平，随后在20日13时降低至30μg/m3左右，改善至一级优水平。不同时段颗粒物“倒挂率”和PM2.5/PM10值存在显著差异。

污染前时段(18日6时至19日1时)风向逐渐从偏东向西南方向转动，平均风速1.3m/s，平均相对湿度高达36%，大气扩散条件一般，空气质量以优良为主，PM2.5平均浓度30μg/m3，PM2.5/PM10范围在0.60～1.21之间，平均值为0.83，“倒挂率”18.8%。

污染时段(19日2时至20日7时)风向以西南方向为主，平均风速1.3m/s，平均相对湿度高达76%，静稳高湿的气象条件不利于污染物扩散，使PM2.5浓度显著升高，平均PM2.5浓度为175μg/m3。污染时段期间PM2.5/PM10范围在0.96～1.40之间，平均值为1.02，“倒挂率”87.1%，颗粒物“倒挂”现象严重(图10)。

图10 2020年2月19～20日典型过程期间颗粒物浓度、PM2.5/PM10比值、风速和相对湿度小时变化特征

改善时段(20日8时至14时)冷空气来临，风向以西北方向为主，风速加大，在1.9～3.2 m/s之间，相对湿度显著降低，平均湿度仅33%，此时PM2.5/PM10比值急剧升高，在1.53～6.42之间，“倒挂率”87.5%，颗粒物“倒挂”现象十分严重，“倒挂率”和PM2.5/PM10均值均显著高于污染时段。

4 结论

(1)2017年、2018年和2019年的“倒挂率”分别为15.7%、11.9%和16.0%， PM2.5/PM10平均值分别为0.75、0.67和0.71。秋冬季“倒挂”现象较重，春夏季较轻。7月和10月“倒挂率”最高，3月和5月最低。一天当中“倒挂率”在凌晨4时和中午13时出现峰值，晚上17时至21时“倒挂率”较低。

(2)气象条件对颗粒物“倒挂”有一定影响，空气相对湿度较高时“倒挂率”较高，尤其当相对湿度超过80%以上时“倒挂”现象严重，约一半以上的时间均产生“倒挂”现象，整体PM2.5/PM10比值已超过1.0。“倒挂率”在东北方向最高，其次是西北和偏西方向，在西南和偏南风向“倒挂率”最低；风速在低于1m/s时“倒挂率”最高，再次是1～2 m/s之间和大于3 m/s时，在2～3 m/s之间时“倒挂率”最低，污染过程后期冷空气到临时“倒挂”现象最重。PM2.5浓度高低对“倒挂”也产生一定影响，整体上看PM2.5浓度越高，“倒挂率”越高，当PM2.5浓度在大于150μg/m3范围时，“倒挂率”最高。