刀 谞，李健軍，唐桂剛，狄世英，孫家奇，李 潔，謝淑艷，王 帥，邢冠華

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012 2.衡水市環(huán)境保護(hù)局，河北 衡水 053000 3.南京市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 南京 210000

目前，中國面臨嚴(yán)重的大氣顆粒物污染問題[1]，總體呈現(xiàn)以細(xì)顆粒物(PM2.5)和臭氧(O3)為代表的大氣復(fù)合型污染，具有典型的區(qū)域性特征[2]。大氣顆粒物的來源、形成機(jī)理、影響條件等十分復(fù)雜[3-4]，既有一次排放也有二次生成，污染治理難度大[5-6]。一次排放源包括自然釋放和人民生產(chǎn)生活中的工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、烹飪?nèi)∨鹊呐欧牛欢紊蓹C(jī)理復(fù)雜，大氣氧化性、氣態(tài)前體物等多重因素影響新粒子的生成及增長[7]。隨著大氣污染防治要求的不斷提高，在常規(guī)的大氣污染監(jiān)測指標(biāo)(PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2、CO)基礎(chǔ)上，內(nèi)在機(jī)理監(jiān)測成為探求污染成因的新方向。國家于2016年正式啟動(dòng)大氣顆粒物組分監(jiān)測網(wǎng)(簡稱組分網(wǎng))建設(shè)，針對PM2.5的化學(xué)組分開展了系統(tǒng)監(jiān)測，旨在為中國大氣復(fù)合型污染形成機(jī)理的分析和控制提供科學(xué)依據(jù)。2018年國務(wù)院印發(fā)的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》中明確提出重點(diǎn)區(qū)域建設(shè)國家組分網(wǎng)。2018年組分網(wǎng)已覆蓋京津冀及周邊31個(gè)城市和汾渭平原4個(gè)城市。中國開展業(yè)務(wù)化的大氣顆粒物組分監(jiān)測，建設(shè)經(jīng)驗(yàn)尚不足。故系統(tǒng)研究組分網(wǎng)的需求、工作目標(biāo)、業(yè)務(wù)組織以及發(fā)展等具有重要意義，筆者就相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了深入研究。

1 監(jiān)測需求分析及國內(nèi)外進(jìn)展

1.1 中國大氣顆粒物組分監(jiān)測需求緊迫

中國現(xiàn)階段大氣污染的典型特征決定了中國開展大氣顆粒物組分監(jiān)測的總體布局?，F(xiàn)階段大氣污染的典型問題是PM2.5和O3的協(xié)同污染以及典型的區(qū)域性污染。區(qū)域性污染與城市群集中、大氣污染傳輸顯著等因素直接相關(guān)，脫離區(qū)域污染基本情況的單一城市的污染成因分析是片面而不科學(xué)的。因此，開展針對PM2.5化學(xué)組分及O3前體物的監(jiān)測將為探尋污染成因和指導(dǎo)大氣污染防治提供更有力的科學(xué)依據(jù)，著眼于顆粒物組分的區(qū)域性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)成為系統(tǒng)、全面分析區(qū)域污染成因的重要支撐。

2015—2018年，全國338個(gè)城市(不包括港、澳、臺(tái)地區(qū)，下同)環(huán)境空氣質(zhì)量總體呈好轉(zhuǎn)趨勢(圖1)。

圖1 2015—2018年全國338個(gè)城市各項(xiàng)污染物濃度年際變化Fig.1 Interannual variation of pollutant concentrations in 338 cities across the country from 2015 to 2018

如圖1所示，2018年，338個(gè)城市PM2.5平均濃度為39μg/m3，比2015年下降22%；PM10平均濃度為71μg/m3，比2015年下降18.4%；SO2平均濃度為14μg/m3，比2015年下降44%；NO2平均濃度為29μg/m3，比2015年下降3.3%；CO的95百分位濃度平均值為1.5 mg/m3，比2015年下降25%；但O390百分位濃度平均值為151μg/m3，比2015年上升12.7%。除O3外，其余污染物濃度均有所下降，但近年來的下降幅度明顯縮小，污染防治工作的難度越來越大，意味著未來需要對污染物進(jìn)行更加精細(xì)化的管控治理。

圖2顯示了2018年全國及重點(diǎn)區(qū)域各項(xiàng)污染物超標(biāo)率及超標(biāo)天數(shù)的比例。

圖2 2018年全國及重點(diǎn)區(qū)域各項(xiàng)污染物超標(biāo)率及超標(biāo)天數(shù)比例Fig.2 Proportion of excess pollutants and over-standard days in national and key regions in 2018

從圖2可以看出，不同區(qū)域超標(biāo)率最大的污染物存在一定的地域差別，京津冀、長三角和珠三角以O(shè)3超標(biāo)貢獻(xiàn)最大，其次是PM2.5；其他重點(diǎn)區(qū)域則以PM2.5超標(biāo)貢獻(xiàn)最大，其次是O3和PM10。其中京津冀及周邊“2+26”城市、汾渭平原和京津冀地區(qū)的超標(biāo)天數(shù)比例依然處于較高的水平，超標(biāo)率均大于40%。

另外，PM2.5的來源組成復(fù)雜，需根據(jù)來源進(jìn)行有針對性的管控治理，以便更有效地改善空氣質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要同時(shí)大幅削減一次PM、SO2、NOx、NMVOC和NH3等氣態(tài)前體物的含量[8]。

總體來說，中國PM2.5與O3污染形勢依然嚴(yán)峻，污染管控處于瓶頸期，未來幾年環(huán)境質(zhì)量的不斷改善不能依靠粗放式的關(guān)停來實(shí)現(xiàn)，而需要找到關(guān)鍵控制因子，有針對性地制定管控措施。

1.2 國內(nèi)外組分網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 國內(nèi)組分監(jiān)測工作現(xiàn)狀

目前，國控城市監(jiān)測站點(diǎn)規(guī)模達(dá)到1 436個(gè)，覆蓋了338個(gè)地級(jí)及以上城市，此外，還建立了16個(gè)國家空氣質(zhì)量背景站、96個(gè)空氣質(zhì)量區(qū)域站(含農(nóng)村站)，已初步形成了一個(gè)由背景站、區(qū)域站和城市站相結(jié)合的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為升級(jí)和發(fā)展中國顆粒物組分及光化學(xué)監(jiān)測打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

目前國內(nèi)已經(jīng)開展了多項(xiàng)與顆粒物組分相關(guān)的監(jiān)測工作。如中科院大氣物理所組建的CARE網(wǎng)，在全國不同區(qū)域共布設(shè)36個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位；北京、上海等直轄市及浙江、廣東等區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)也正逐步建設(shè)一批包括顆粒物組分監(jiān)測在內(nèi)的大氣綜合觀測站(超級(jí)站)，這些超級(jí)站以自動(dòng)監(jiān)測為主；另外，中國環(huán)境科學(xué)研究院在“總理基金”項(xiàng)目的支持下，對京津冀地區(qū)及汾渭平原開展了組分監(jiān)測等。

2016年11月，由原環(huán)境保護(hù)部組建的國家大氣顆粒物組分網(wǎng)正式啟動(dòng)。2018年建成了38個(gè)組分自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)和38個(gè)手工監(jiān)測站點(diǎn)，主要分布區(qū)域有京津冀及周邊城市和汾渭平原的少數(shù)城市。至2019年底，組分網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)位覆蓋了京津冀及周邊、汾渭平原和長三角地區(qū)共83個(gè)城市，有94個(gè)手工監(jiān)測點(diǎn)位和74個(gè)自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)位。

中國組分網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展處于起步階段，初期在儀器配置、數(shù)據(jù)應(yīng)用、資源共享等方面都面臨著諸多問題：①國家與地方、不同部門之間，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，地區(qū)發(fā)展不平衡，存在重復(fù)建設(shè)；②地方自建監(jiān)測站點(diǎn)缺乏統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)缺乏可比性；③結(jié)果缺乏深入分析，普遍存在數(shù)據(jù)零散化現(xiàn)象；④技術(shù)體系建設(shè)亟待加強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的研究發(fā)布需提速。

綜上所述，中國亟需在全國范圍內(nèi)統(tǒng)籌現(xiàn)有的顆粒物組分監(jiān)測資源，建成統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一質(zhì)控、統(tǒng)一分析的組分網(wǎng)，進(jìn)而滿足不同層次和維度的環(huán)境管理需求。

1.2.2 國外組分監(jiān)測工作形勢及動(dòng)態(tài)

1.2.2.1 美國大氣顆粒物組分監(jiān)測現(xiàn)狀

美國建立的大氣顆粒物化學(xué)成分監(jiān)測網(wǎng)(CSN)共包含151個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)，基于多重監(jiān)測目標(biāo)建立網(wǎng)絡(luò)，主要用于評(píng)估污染變化趨勢，制定州達(dá)標(biāo)實(shí)施計(jì)劃，制定污染排放控制戰(zhàn)略并跟蹤評(píng)估其進(jìn)展情況，評(píng)估PM2.5人體暴露水平和健康影響等。

CSN網(wǎng)的監(jiān)測點(diǎn)位有多種類型。一是城市站點(diǎn)，對城市區(qū)域顆粒物主要化學(xué)組分進(jìn)行觀測，評(píng)估各個(gè)組分的長期變化趨勢，以便衡量污染物減排方案的效果，支撐健康效應(yīng)的研究需要等；二是源區(qū)站點(diǎn)，可在制定大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃時(shí)，對更詳盡的化學(xué)組分信息需求、源解析工具所需數(shù)據(jù)需求以及評(píng)估空氣質(zhì)量模擬模型和源清單的數(shù)據(jù)需求提供支持；三是區(qū)域站點(diǎn)，對區(qū)域性霾污染過程進(jìn)行評(píng)判，提高對偏遠(yuǎn)地區(qū)環(huán)境顆粒物的認(rèn)識(shí)程度；四是超級(jí)站，主要是作為科學(xué)研究平臺(tái)，用于驗(yàn)證先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，研究大氣過程及其對公眾健康和流行病學(xué)的影響。

CSN網(wǎng)根據(jù)站點(diǎn)類型來判斷手工觀測的采樣頻次和分析組分。城市站點(diǎn)采樣頻次為1次/d，源區(qū)站點(diǎn)采樣頻次為1次/6 d，區(qū)域站點(diǎn)采樣頻次為1次/3 d，超級(jí)站的采樣頻次根據(jù)研究計(jì)劃的需要確定。所有站點(diǎn)都需要分析顆粒物質(zhì)量濃度、元素組分、水溶性離子和碳組分。源區(qū)站點(diǎn)和超級(jí)站的分析組分還會(huì)根據(jù)需要進(jìn)一步增加。質(zhì)量濃度采用稱量法分析，元素組分采用能量色散X熒光光譜法(EDXRF)分析，主要包括Na、Pb 等多種元素,水溶性離子采用離子色譜法分析，主要包括 NO3-、SO42-、Na+、NH4+和 K+等多種離子，碳組分包括有機(jī)碳(OC)和元素碳(EC)，主要采用IMPROVE A方法分析對應(yīng)組分。

1.2.2.2 日本大氣顆粒物組分監(jiān)測現(xiàn)狀

日本自2011年開始進(jìn)行顆粒物組分網(wǎng)的建設(shè)運(yùn)行，到目前已建立了10個(gè)自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)，180個(gè)手工監(jiān)測站點(diǎn)，用于評(píng)價(jià)PM2.5化學(xué)組分、來源的長期變化趨勢和探明O3的化學(xué)生成機(jī)制，其在監(jiān)測方案、監(jiān)測方法、質(zhì)量保證與質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)運(yùn)用上已形成了體系。

日本的PM2.5組分監(jiān)測主要包括2種類型：一是10個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的連續(xù)自動(dòng)小時(shí)測量(國家超級(jí)站點(diǎn))；二是在180個(gè)手工監(jiān)測站點(diǎn)，由國家和地方政府采樣，每個(gè)季度取連續(xù)的2個(gè)星期進(jìn)行季節(jié)性日常測量。10個(gè)自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)需共同測量分析的內(nèi)容包括PM2.5、PM10、OBC、NO3-、SO42-、WSOC以及H+，其中部分站點(diǎn)對金屬元素、其他水溶性離子、OC、EC、SO2和NOx等組分也進(jìn)行分析。手工監(jiān)測站點(diǎn)的采樣主要通過教育部和當(dāng)?shù)卣块T進(jìn)行，采樣期為56 d/年，通常在1、5、7、10月進(jìn)行為期14 d的連續(xù)采樣；采樣方法由教育部指導(dǎo)，在每個(gè)財(cái)政年度進(jìn)行報(bào)告；采樣頻率為1次/d，分析的顆粒物組分包括水溶性離子、EC、OC和金屬元素等；每個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的人工采樣數(shù)量取決于年份和從業(yè)者數(shù)量。

目前，大多數(shù)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在顆粒物組分監(jiān)測方案、監(jiān)測方法、質(zhì)量保證和質(zhì)量控制以及數(shù)據(jù)運(yùn)用上均形成了體系。中國需充分學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的建網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合中國實(shí)際污染情況，優(yōu)化建設(shè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。還應(yīng)進(jìn)一步建立國際合作機(jī)制，包括定期組織國際研討會(huì)，通過合作項(xiàng)目等加強(qiáng)合作溝通，進(jìn)行實(shí)地調(diào)研等進(jìn)一步加強(qiáng)國際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，以提升中國組分網(wǎng)建設(shè)的科學(xué)性、先進(jìn)性及世界影響力。

2 大氣顆粒物組分監(jiān)測業(yè)務(wù)組織的初步設(shè)計(jì)

組分網(wǎng)的目標(biāo)是為全國-區(qū)域-城市尺度大氣顆粒物污染成因分析、重污染過程診斷、污染防治及政策措施成效評(píng)估提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集和有效技術(shù)支持。在國家層面，有利于生態(tài)環(huán)境主管部門掌握國家整體的組分污染特征和重點(diǎn)區(qū)域的污染特征，為大氣污染防治戰(zhàn)略規(guī)劃制定提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為省級(jí)區(qū)域及單個(gè)城市的污染成因精細(xì)化分析提供重要支撐。組分網(wǎng)的應(yīng)用可以兼顧大氣環(huán)境評(píng)價(jià)、污染來源解析、重污染天氣應(yīng)對、控制措施效果評(píng)估等多種需求，為中國城市及區(qū)域空氣質(zhì)量改善提供持續(xù)、穩(wěn)定的科學(xué)支持。組分網(wǎng)的設(shè)計(jì)工作內(nèi)容圍繞上述目標(biāo)來進(jìn)行。

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1.1 點(diǎn)位布設(shè)

監(jiān)測點(diǎn)位的布設(shè)目標(biāo)是建立起涵蓋3種類型監(jiān)測點(diǎn)位(城市點(diǎn)、區(qū)域點(diǎn)和背景點(diǎn))的監(jiān)測網(wǎng)，主要以城市點(diǎn)為主、以區(qū)域及背景點(diǎn)為輔，構(gòu)建不同功能點(diǎn)位相結(jié)合的監(jiān)測體系，建立起科學(xué)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。城市點(diǎn)位重點(diǎn)是獲得城市區(qū)域的組分特征，區(qū)域點(diǎn)位是為了獲得重點(diǎn)區(qū)域邊界組分情況，為區(qū)域傳輸?shù)忍峁┛茖W(xué)依據(jù)，背景點(diǎn)位則是為取得背景基準(zhǔn)組分情況，為城市組分的變化特征樹立基準(zhǔn)參考值。點(diǎn)位的布設(shè)原則為①城市點(diǎn)以目前全國338個(gè)城市中PM2.5污染較重的區(qū)域?yàn)橹?，在年均濃度超?biāo)的城市開展監(jiān)測；②區(qū)域點(diǎn)在各省(區(qū)、市)的國家區(qū)域站中至少選擇1個(gè)具有代表性的點(diǎn)位，建立長期的區(qū)域監(jiān)測；③背景點(diǎn)位則布設(shè)在國家背景站，以獲得長期穩(wěn)定的觀測；④點(diǎn)位的布設(shè)要相對穩(wěn)定，同時(shí)還需根據(jù)實(shí)際情況定期進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2.1.1.1 城市點(diǎn)位篩選

中國大氣污染呈現(xiàn)區(qū)域特征。如長三角區(qū)域[9]，城市群分布密集，區(qū)域地勢平坦，區(qū)域內(nèi)多城市間大氣污染關(guān)聯(lián)作用突出[10]，呈現(xiàn)出區(qū)域性大氣污染格局。京津冀及周邊區(qū)域也具有突出的區(qū)域污染特征[11-12]。此外，汾渭平原、成渝等地區(qū)也存在典型的區(qū)域污染特征[13-14]。2017年采暖季(2017年11月15日—2018年3月15日)，京津冀及周邊區(qū)域共發(fā)生10次較為嚴(yán)重的污染過程，污染過程的區(qū)域性特征突出(表1)。

表1 2017年采暖季京津冀及周邊區(qū)域典型大氣污染過程匯總Table 1 Summary of typical air pollution processes in Beijing-Tianjin-Hebei and surrounding areas during the 2017 heating season

由表1可見，污染過程的具體表現(xiàn)為①較短的時(shí)間內(nèi)，區(qū)域內(nèi)多個(gè)城市集中出現(xiàn)PM2.5濃度的快速上升。采暖季出現(xiàn)的10次較為典型的污染過程中有6次為持續(xù)時(shí)間在3～4 d，3次為7～8 d，1次持續(xù)11 d；②污染覆蓋地域廣，同一污染過程中有10余個(gè)城市達(dá)重度以上污染；③污染程度嚴(yán)重。上述污染過程中，石家莊、邢臺(tái)、安陽、保定、晉城等城市PM2.5小時(shí)值甚至超過500μg/m3；晉城1月12日12:00 PM2.5濃度達(dá)594μg/m3，保定市2月16日09:00PM2.5濃度達(dá)588μg/m3。

根據(jù)2015—2018年338個(gè)城市PM2.5年均值的分布可知，PM2.5的超標(biāo)區(qū)域主要集中在京津冀及周邊“2+26”城市、汾渭平原、長三角地區(qū)、成渝地區(qū)、長江中游以及東北地區(qū)等。每個(gè)區(qū)域以及338個(gè)城市總的PM2.5年均值如表2所示。

表2 2015—2018年338個(gè)城市及超標(biāo)區(qū)域PM2.5年均值

組分網(wǎng)的點(diǎn)位設(shè)計(jì)應(yīng)覆蓋上述重點(diǎn)超標(biāo)區(qū)域，每個(gè)城市至少設(shè)置1個(gè)點(diǎn)位，設(shè)置的點(diǎn)位要能反映該城市的平均污染水平，參照國控站選址方式進(jìn)行選址，有條件的城市可增加監(jiān)測點(diǎn)位，對不同的功能區(qū)進(jìn)行監(jiān)測。

338個(gè)城市中，PM2.5濃度超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市數(shù)量在2015—2018年依次為261、241、226、201個(gè)，超標(biāo)城市的數(shù)量逐年減少。其中污染程度較重的城市需重點(diǎn)布設(shè)點(diǎn)位，而對于污染情況有所減輕的城市則需動(dòng)態(tài)調(diào)整，調(diào)整的基礎(chǔ)為連續(xù)3年P(guān)M2.5濃度低于國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)2018年的PM2.5監(jiān)測結(jié)果，被確定為城市點(diǎn)位的主要布設(shè)主體包括185個(gè)地級(jí)及以上城市。

2.1.1.2 區(qū)域及背景點(diǎn)位的選擇

根據(jù)各省(區(qū)、市)保證至少有1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位的原則，在現(xiàn)有的96個(gè)國家區(qū)域站中，篩選出具有區(qū)域代表性的點(diǎn)位(主要位于省界傳輸通道的關(guān)鍵位置)，建立共計(jì)27個(gè)顆粒物組分區(qū)域站點(diǎn)。背景點(diǎn)位則是在現(xiàn)有的16個(gè)國家背景站點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)。兩者的詳細(xì)點(diǎn)位布設(shè)如表3所示。

表3 組分網(wǎng)區(qū)域點(diǎn)位和背景點(diǎn)位分布Table 3 Distribution of regional and background points of atmospheric particulate matter network

2.1.2 監(jiān)測方式及指標(biāo)

監(jiān)測方式主要有自動(dòng)監(jiān)測、手工監(jiān)測和移動(dòng)監(jiān)測三大類。

手工監(jiān)測本身具有長期性，可作為組分網(wǎng)的基準(zhǔn)，能夠?yàn)橹虚L期的精細(xì)化污染成因分析和科學(xué)評(píng)估等提供數(shù)據(jù)支持[15]；自動(dòng)監(jiān)測具有較高的分辨率，用于捕捉污染過程中組分的精細(xì)變化特征，可以為重污染快速污染成因分析提供支撐，為城市的污染防治提供科學(xué)依據(jù)[16]；移動(dòng)監(jiān)測則可以在短期內(nèi)，為重點(diǎn)解決單個(gè)城市污染成因的加強(qiáng)監(jiān)測提供支撐[17]。因此，所有的城市點(diǎn)位均需開展手工和自動(dòng)監(jiān)測，區(qū)域和背景點(diǎn)位根據(jù)實(shí)際條件選擇手工監(jiān)測或自動(dòng)監(jiān)測，并輔助增加各重點(diǎn)區(qū)域的移動(dòng)監(jiān)測。

監(jiān)測指標(biāo)主要根據(jù)PM2.5的重要組成部分進(jìn)行確立，包括降低PM2.5污染程度的關(guān)鍵控制因子(如碳組分、水溶性離子等)[18]，以及對污染物的來源具有指示意義的特征元素(如Mg、Na、Cl、K和Fe等)[19]。最終根據(jù)當(dāng)?shù)乜蛇_(dá)到的監(jiān)測技術(shù)水平和已建立的分析方法標(biāo)準(zhǔn)等確定站點(diǎn)的必測和選測指標(biāo)。

碳組分是大氣顆粒物的重要組成部分，主要分為OC、EC和無機(jī)碳(IC)三大類。其中，EC主要來自不完全燃燒過程的排放；IC主要以碳酸鹽的形式存在于大氣顆粒物中，但是含量很低，一般可以忽略不計(jì)；OC主要包括來自污染源直接排放的一次有機(jī)碳(POC)和污染源排放的揮發(fā)性有機(jī)物在大氣中經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)生成的二次有機(jī)碳(SOC)。其中POC主要來源于機(jī)動(dòng)車尾氣、化石燃料燃燒、生物質(zhì)燃燒和工業(yè)生產(chǎn)等直接排放的污染物。

水溶性離子是PM2.5的重要組分，其中二次無機(jī)離子是表征區(qū)域污染的重要指標(biāo)(如SO42-與NO3-是顆粒物吸濕增長的主要貢獻(xiàn)者，污染過程大氣顆粒物的吸濕增長在很大程度上取決于其化學(xué)組成成分)。PM2.5中的硫酸鹽包括一次硫酸鹽和二次硫酸鹽，一次硫酸鹽主要是來自于一些工廠(如熱電廠和冶煉廠)的直接排放、生物質(zhì)燃燒、海鹽和火山噴發(fā)等[20-21]；二次硫酸鹽主要是二氧化硫(SO2)或其他的含硫物質(zhì)(如二甲基硫DMS)經(jīng)過一系列大氣化學(xué)轉(zhuǎn)化生成。近年來研究表明，有機(jī)硝酸酯、有機(jī)硫酸酯等是二次有機(jī)氣溶膠(SOA)的主要來源[22-23]。

此外，大氣顆粒物中的元素組分(尤其是重金屬)對人體健康具有重要的影響，其中Cd、Cs、Rb、Zn、Be和Bi等具有較高的氧化能力[24]，能夠促進(jìn)大氣中的二次生成。溫度、濕度和風(fēng)速等氣象因素也會(huì)對二次生成產(chǎn)生影響，使顆粒物的轉(zhuǎn)化機(jī)理復(fù)雜多樣[25]。

因此，將手工監(jiān)測的必測指標(biāo)確定為PM2.5質(zhì)量濃度、碳組分、水溶性離子、無機(jī)元素，選測指標(biāo)為有機(jī)物組分，具體監(jiān)測指標(biāo)如表4所示。

表4 組分網(wǎng)手工監(jiān)測項(xiàng)目Table 4 Manual monitoring project of national atmospheric particulate matter network

根據(jù)監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測指標(biāo)的要求，自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備必須配置包括在線水溶性離子色譜儀和在線碳組分分析儀等在內(nèi)的五大類設(shè)備，詳細(xì)監(jiān)測指標(biāo)如表5所示。其中氣象參數(shù)指標(biāo)是進(jìn)行污染過程中成因分析的必要輔助條件，單顆粒質(zhì)譜的配置則可以獲得實(shí)時(shí)的污染來源解析結(jié)果，而氣溶膠激光雷達(dá)能夠獲得污染過程中的傳輸信息。各地可以根據(jù)不同的需要對單顆粒質(zhì)譜和氣溶膠激光雷達(dá)等設(shè)備進(jìn)行選擇性配置。

表5 組分網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備配置需求和具體指標(biāo)Table 5 Automatic monitoring equipment configuration requirements and specific indicators of national atmospheric particulate matter network

移動(dòng)觀測平臺(tái)及其相應(yīng)設(shè)備則根據(jù)各省(區(qū)、市)需求適量配置，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行點(diǎn)位遷移，以滿足不同重點(diǎn)城市的不同監(jiān)測需求。移動(dòng)監(jiān)測平臺(tái)的設(shè)備配置需求和具體指標(biāo)可參考自動(dòng)監(jiān)測。

另外，對于監(jiān)測頻次的要求：所有自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)同時(shí)開展大氣顆粒物組分自動(dòng)監(jiān)測，全年運(yùn)行，時(shí)間分辨率至少為1 h；手工監(jiān)測，PM2.5年均值未達(dá)到國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市點(diǎn)位在每年10月到次年3月的污染嚴(yán)重時(shí)期，可進(jìn)行頻次為1次/d的監(jiān)測，其余月份的監(jiān)測頻次則參照美國標(biāo)準(zhǔn)(1次/3d)，若上一年P(guān)M2.5年均值達(dá)到了國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，則下一年的全年監(jiān)測頻次可改為1次/7d；區(qū)域點(diǎn)位與背景點(diǎn)位只需每隔1年開展一次監(jiān)測，每季度連續(xù)采集10 d有效樣品。

2.2 技術(shù)要求

大氣顆粒物組分監(jiān)測業(yè)務(wù)化工作剛剛起步，顆粒物組分監(jiān)測所需的監(jiān)測方法、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和分析評(píng)價(jià)方法等的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范較為欠缺，亟待完善。

2.2.1 確定統(tǒng)一的建網(wǎng)規(guī)范

建立區(qū)域顆粒物組分監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)規(guī)范，統(tǒng)一規(guī)范監(jiān)測點(diǎn)位的布設(shè)原則、點(diǎn)位選取的方法和點(diǎn)位數(shù)量等；建立區(qū)域顆粒物組分監(jiān)測采樣技術(shù)規(guī)范，根據(jù)組分監(jiān)測的需求，統(tǒng)一規(guī)范手工采樣的頻次、體積、時(shí)長、采集濾膜的材質(zhì)種類和數(shù)量等；建立自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及傳輸規(guī)范，統(tǒng)一規(guī)范顆粒物組分監(jiān)測相關(guān)組分和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的格式、傳輸方式等；建立質(zhì)量保證與質(zhì)量控制規(guī)范，統(tǒng)一規(guī)范監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行的質(zhì)量保證與質(zhì)量控制工作內(nèi)容、質(zhì)控結(jié)果考核評(píng)價(jià)等；建立監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性審核規(guī)范，統(tǒng)一規(guī)范手工及自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性審核流程、審核方法等，以確保組分網(wǎng)的技術(shù)要求和工作流程等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、科學(xué)和規(guī)范化。

2.2.2 開展分析方法標(biāo)準(zhǔn)化工作

分析測試方法的標(biāo)準(zhǔn)化是確保組分網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)。目前面臨監(jiān)測方式各異、測試方法不統(tǒng)一、關(guān)鍵方法參數(shù)要求不同等問題，這些問題對數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確度、精密度等造成較大影響，對不同來源監(jiān)測結(jié)果的可比性帶來嚴(yán)重的影響，下一步亟需制定組分自動(dòng)監(jiān)測方法的統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范。

2.2.2.1 實(shí)驗(yàn)室方法標(biāo)準(zhǔn)化

目前已經(jīng)建立的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析方法主要為實(shí)驗(yàn)室分析方法(表6)，包括水溶性離子、元素組分及多環(huán)芳烴的標(biāo)準(zhǔn)分析方法。測試原理包括離子色譜法、X射線熒光法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法和液相色譜法等。OC、EC組分的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)分析方法已立項(xiàng)，但尚未正式發(fā)布。

表6 現(xiàn)行的顆粒物組分標(biāo)準(zhǔn)分析方法匯總Table 6 Summary of current standard analysis methods for particulate matter components

其他多種重要有機(jī)組分的分析測試均尚未形成標(biāo)準(zhǔn)分析方法(表7)[26-48]。顆粒物組分中以下兩大類化學(xué)組分應(yīng)受到重視：一類為在顆粒物中的濃度較低，但對特定污染來源具有指示意義的組分，如左旋葡聚糖可指示生物質(zhì)燃燒，硝基多環(huán)芳烴可指示機(jī)動(dòng)車尾氣排放，霍烷、甾烷可指示來自潤滑油、機(jī)動(dòng)車尾氣的排放等[49]，膽甾醇可以作為城市大氣中烤肉等烹飪源的示蹤化合物，而β-谷甾醇可作為生物質(zhì)燃燒的有機(jī)示蹤化合物等[50]；另一類為顆粒物中濃度占比較大，是顆粒物形成的重要組分的組分，如水溶性有機(jī)碳、有機(jī)硫酸酯、有機(jī)硝酸酯等指標(biāo)在二次有機(jī)顆粒物中占比較大，且對顆粒物生成有重要意義。針對上述重要組分，應(yīng)組織具備相關(guān)分析測試經(jīng)驗(yàn)的單位開展方法標(biāo)準(zhǔn)化研究，分批分階段的形成標(biāo)準(zhǔn)分析方法，進(jìn)一步推動(dòng)組分網(wǎng)樣品測試的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

表 7 重要顆粒物組分及常用測試方法Table 7 Important particulate components and common test methods

2.2.2.2 自動(dòng)監(jiān)測方法標(biāo)準(zhǔn)化

目前組分網(wǎng)使用的自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)包括在線離子色譜法(測定大氣顆粒物中水溶性離子組分)、在線熱光透射法(測定大氣顆粒物組分中EC和OC組分)、在線X射線熒光法(測定大氣顆粒物中元素組分)、單顆粒質(zhì)譜法(大氣顆粒物污染來源解析)。此外，常見的自動(dòng)組分測試方法還有光學(xué)法(測定大氣顆粒物中黑炭組分)、飛行時(shí)間質(zhì)譜-氣溶膠化學(xué)組分監(jiān)測儀(TOF-ACSM)[51-52]、超高效液相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(UPLC-TOF-MS)等，上述方法均未建立標(biāo)準(zhǔn)方法。針對以上較為重要的組分且其自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)較為成熟的項(xiàng)目，應(yīng)組織具備相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的單位開展方法標(biāo)準(zhǔn)化研究，進(jìn)一步推動(dòng)組分網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測方法的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2.2.3 制定數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)規(guī)范

顆粒物組分監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于污染特征分析和污染成因探究，但目前數(shù)據(jù)綜合分析尚未形成統(tǒng)一體系，存在自動(dòng)監(jiān)測與手工監(jiān)測數(shù)據(jù)如何聯(lián)合使用的問題，以及如何與氣象、遙感、污染源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多元數(shù)據(jù)融合分析的問題?？偟膩碚f，使用顆粒物組分監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域污染成因分析尚未形成清晰的技術(shù)路線，缺乏數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)方法和結(jié)果指示意義的明確規(guī)定。建立統(tǒng)一的分析評(píng)價(jià)方法，將促進(jìn)不同區(qū)域獲得分析結(jié)果的可比性，有利于大區(qū)域尺度的污染成因診斷。

2.2.4 推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)規(guī)范

中國顆粒物組分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)嚴(yán)重缺乏，美國的國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)、歐盟的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與測量研究院(IRMM)、日本的國立環(huán)境研究所(NIES)和國家計(jì)量院(NMIJ)、英國的化學(xué)家實(shí)驗(yàn)室(LGC)和美國的Sigma-Aldrich等機(jī)構(gòu)研發(fā)了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)樣品[51]。目前國產(chǎn)化的顆粒物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)較少，早年研制的少量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)產(chǎn)品現(xiàn)在較難獲得，目前分析測試中僅可使用溶液標(biāo)準(zhǔn)樣品代替，如水溶性離子組分測試，使用標(biāo)準(zhǔn)溶液建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，無顆粒態(tài)的質(zhì)控樣品進(jìn)行同步分析，不能完全滿足全流程質(zhì)控的目標(biāo)。綜上，中國亟需開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研發(fā)，重點(diǎn)包括顆粒物中的水溶性離子、多種元素、OC、EC和多環(huán)芳烴等標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

2.3 管理模式

國家大氣顆粒物組分監(jiān)測剛剛起步，技術(shù)能力整體薄弱，需集中全國技術(shù)能力在國家層面建立專家團(tuán)隊(duì)，召集地方環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)及科研系統(tǒng)的相關(guān)專家形成工作團(tuán)隊(duì)，確立工作機(jī)制，制定工作目標(biāo)，集中攻克組分網(wǎng)建設(shè)初期的各種技術(shù)難題。

中國環(huán)境監(jiān)測總站的工作職責(zé)主要包括：①監(jiān)測技術(shù)體系建設(shè)，開展監(jiān)測技術(shù)研發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)化工作，開展自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備的硬件裝備配置研究，開展質(zhì)控管理體系研究，開展其他監(jiān)測技術(shù)規(guī)范研究，負(fù)責(zé)技術(shù)指導(dǎo)和技術(shù)培訓(xùn)；②開展監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行與質(zhì)控監(jiān)督工作，負(fù)責(zé)聯(lián)網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)建設(shè)、數(shù)據(jù)分發(fā)與共享；③監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的中長期規(guī)劃和工作指南等；④編寫重大研究報(bào)告，包括污染過程的實(shí)時(shí)分析，區(qū)域中長期回顧性分析，針對特殊問題的專題性分析，深入挖掘污染特征結(jié)果。

省級(jí)環(huán)境監(jiān)測機(jī)構(gòu)的工作職責(zé)包括：負(fù)責(zé)轄區(qū)內(nèi)城市、區(qū)域、背景點(diǎn)位的監(jiān)測工作的組織、實(shí)施、技術(shù)指導(dǎo)、技術(shù)培訓(xùn)、質(zhì)量保證(QA)和數(shù)據(jù)復(fù)核等工作。具體如負(fù)責(zé)組織轄區(qū)內(nèi)自動(dòng)站建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)和手工監(jiān)測等，負(fù)責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)審核及報(bào)告的報(bào)送，參與區(qū)域質(zhì)控檢查等。

社會(huì)化環(huán)境監(jiān)測服務(wù)機(jī)構(gòu)的職責(zé)主要包括：大氣顆粒物樣品采集、濾膜稱重及分析測試、自動(dòng)站的運(yùn)行維護(hù)、第三方的網(wǎng)絡(luò)檢查等。參與組分網(wǎng)運(yùn)行的社會(huì)化服務(wù)機(jī)構(gòu)需根據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(包括實(shí)驗(yàn)室操作的作業(yè)指導(dǎo)書、自動(dòng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程、統(tǒng)一的質(zhì)控要求及質(zhì)控評(píng)價(jià)要求、統(tǒng)一的工作流程要求等)開展工作，接受統(tǒng)一的平臺(tái)系統(tǒng)監(jiān)管。

顆粒物組分監(jiān)測是緊扣科研熱點(diǎn)的一項(xiàng)業(yè)務(wù)化工作，將業(yè)務(wù)化工作與科研有機(jī)結(jié)合將助力組分網(wǎng)建設(shè)向國際先進(jìn)水平發(fā)展?？蒲泄ぷ鞯膬?yōu)勢在于對顆粒物組分生成機(jī)制和來源等前沿問題的準(zhǔn)確把握，便于獲得第一手的新發(fā)現(xiàn)、新成果，產(chǎn)出成果具有較強(qiáng)的先進(jìn)性；業(yè)務(wù)化的環(huán)境監(jiān)測工作優(yōu)勢在于可以在全國執(zhí)行系統(tǒng)的、長期穩(wěn)定的規(guī)模觀測，在系統(tǒng)的質(zhì)量保證與質(zhì)量控制下獲得質(zhì)量較高的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

綜上所述，中國環(huán)境監(jiān)測總站負(fù)責(zé)統(tǒng)籌制定組分網(wǎng)的管理制度、質(zhì)量控制及制度規(guī)范的編制、數(shù)據(jù)的收集及最終審核；省級(jí)站負(fù)責(zé)組織站點(diǎn)建設(shè)、手工站點(diǎn)的樣品采集、運(yùn)輸及分析，自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)的日常運(yùn)維、質(zhì)量管理及所有數(shù)據(jù)的審核和上報(bào)；社會(huì)化服務(wù)機(jī)構(gòu)接受業(yè)主單位的委托，提供相關(guān)服務(wù)等。所有站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)按時(shí)上報(bào)中國環(huán)境監(jiān)測總站，并按照中國環(huán)境監(jiān)測總站統(tǒng)一要求進(jìn)行運(yùn)行管理，接受中國環(huán)境監(jiān)測總站的統(tǒng)一質(zhì)控監(jiān)督。

2.4 加強(qiáng)隊(duì)伍培訓(xùn)

加強(qiáng)全國監(jiān)測系統(tǒng)及社會(huì)化環(huán)境檢測機(jī)構(gòu)的技術(shù)人員培訓(xùn)。人員技術(shù)力量是組分網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，目前，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)僅北京市、廣東省、浙江省、上海市等開展了顆粒組分監(jiān)測。由于地方監(jiān)測站對于非國家要求的例行工作投入不多，總體技術(shù)水平也較薄弱，所以大多尚未開展顆粒組分監(jiān)測工作。社會(huì)化服務(wù)機(jī)構(gòu)所承接的顆粒物組分分析測試主要來源于疾控系統(tǒng)，監(jiān)測項(xiàng)目多為水溶性離子和元素等對人體有毒有害的組分。而環(huán)境領(lǐng)域多關(guān)注影響顆粒物生成及具有較強(qiáng)污染來源指示意義的多種組分。由于該項(xiàng)業(yè)務(wù)在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)剛剛開展，社會(huì)化服務(wù)機(jī)構(gòu)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)更為缺乏，僅少數(shù)公司具備了水溶性離子、碳組分和元素組分的CMA資質(zhì)，對于更加復(fù)雜的有機(jī)組分(如左旋葡聚糖、硝基多環(huán)芳烴、甾醇、霍烷等多種有機(jī)物)幾乎不具備監(jiān)測能力。目前社會(huì)化服務(wù)機(jī)構(gòu)所承接的顆粒物組分自動(dòng)監(jiān)測運(yùn)維業(yè)務(wù)還屬于新的業(yè)務(wù)范圍，僅有少數(shù)公司承接地方超級(jí)站的運(yùn)維工作，具備相關(guān)技術(shù)能力的技術(shù)人員也不多，社會(huì)化運(yùn)維水平總體薄弱。為了提升服務(wù)質(zhì)量，亟需開展社會(huì)化人才隊(duì)伍的培養(yǎng)?？梢劳袊疑鷳B(tài)環(huán)境主管部門組織的面向全國的監(jiān)測技術(shù)培訓(xùn)班，以及實(shí)驗(yàn)室的計(jì)量認(rèn)證和人員持證上崗等方式加強(qiáng)技術(shù)能力的培養(yǎng)。

3 預(yù)期成果

組分網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展處于起步階段，下一階段需著力提升大氣環(huán)境組分監(jiān)測的系統(tǒng)化、科學(xué)化、功能化、精細(xì)化和信息化水平，為闡明大氣復(fù)合型污染的成因，精準(zhǔn)解析污染來源，評(píng)估大氣污染防治措施的效果和科學(xué)支撐防治決策等提供關(guān)鍵依據(jù)。預(yù)期成果主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。

1)全面建成中國國家大氣顆粒物組分監(jiān)測網(wǎng)：建成主要涵蓋PM2.5超標(biāo)城市、關(guān)鍵區(qū)域點(diǎn)位和背景點(diǎn)位的監(jiān)測網(wǎng)，為中國大氣組分濃度變化情況積累科學(xué)的監(jiān)測數(shù)據(jù)；建立完善的技術(shù)體系，包括組分網(wǎng)運(yùn)行規(guī)范、實(shí)驗(yàn)室分析測試及自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范、質(zhì)量保證與質(zhì)控規(guī)范、數(shù)據(jù)運(yùn)用規(guī)范等，引導(dǎo)組分網(wǎng)向高標(biāo)準(zhǔn)和國際化的方向發(fā)展。

2)建立數(shù)據(jù)運(yùn)用機(jī)制，服務(wù)管理支撐：組分監(jiān)測既服務(wù)于國家生態(tài)環(huán)境主管部門對全國大氣污染防治的總體決策，也服務(wù)于各省(區(qū)、市)的污染防治，目前尚未形成國家與地方的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，組分監(jiān)測數(shù)據(jù)需要更多的地方污染源排放和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、地形和氣候特征等信息，以獲得更加科學(xué)和精準(zhǔn)的結(jié)論；地方生態(tài)環(huán)境機(jī)構(gòu)需結(jié)合本地排放和區(qū)域傳輸?shù)榷鄬哟味嘁暯堑木C合分析，獲取更加全面、系統(tǒng)、科學(xué)的結(jié)論為大氣污染治理提供更堅(jiān)實(shí)的科技基礎(chǔ)。