曹云生，趙艷玲

中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083

0 前言

PM2.5等細顆粒物可到達人體的各臟器、血液和細胞；因其粒徑小，比表面積大，吸附有毒有害物質多，對人體健康危害極大[1]，為保障居民健康，亟需降低空氣PM2.5污染。綠色植物因其特殊的葉面特性和冠層結構而具有滯留、吸附、吸收和過濾PM2.5等顆粒污染物的功能，從而使大量顆粒物滯留在植物葉片表面。森林對空氣顆粒物的影響已成為研究者的熱點[2-3]，在德國發(fā)現(xiàn)混交林能減少大氣PM2.5中約 12%的有機碳含量[4]；在日本中部針葉林和挪威云杉林研究發(fā)現(xiàn)森林林冠明顯改變了PM2.5中硫的質量濃度和沉降速率[5-6]。在國內(nèi)也有學者關注不同緯度森林區(qū)域PM2.5的濃度變化和離子組成[7]，不同林分類型中總懸浮顆粒物、PM2.5和PM10 的濃度季節(jié)日變化規(guī)律等[8]。但不同地區(qū)由于污染源、氣候、地理位置等因素差異，PM2.5的質量濃度和變化特征也有較大區(qū)別，相關城郊對比分析還較少。因此，本研究基于北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心 PM2.5的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合氣象資料，研究了不同監(jiān)測點污染過程和不同天氣下的PM2.5質量濃度變化特征，探尋不同監(jiān)測點所處位置下PM2.5濃度的變化特點，并分析天氣變化對 PM2.5質量濃度的影響，以為城市PM2.5變化提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心提供的監(jiān)測點信息，日均值以及 PM2.5的實施濃度值。收集各區(qū)縣實時氣象因子數(shù)據(jù)，選取氣溫(Ta/℃)、相對濕度(RH/%)、風速(m·s-1)、降雨量(P/mm)等氣象因子。

1.2 研究點設置

圖1 城區(qū)與郊區(qū)PM2.5監(jiān)測點Figure 1 Urban and suburban areas stations of PM2.5

在北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心發(fā)布的35個PM2.5監(jiān)測點中選取6個監(jiān)測點，包括3對城區(qū)與郊區(qū)點，郊區(qū)點處于遠離城區(qū)，城區(qū)點作為郊區(qū)的對照點處于市鎮(zhèn)位置，以每對點彼此接近為原則。分別以海淀北京植物園、京西北八達嶺、京東北密云水庫為郊區(qū)點，海淀萬柳、延慶鎮(zhèn)和密云鎮(zhèn)為城區(qū)監(jiān)測點。

2 結果與分析

2.1 污染過程PM2.5變化分析

2013年10月3—8 日北京市出現(xiàn)污染過程，本研究選取北京西部地區(qū)的北京植物園和海淀萬柳這對監(jiān)測點為例(圖2)，按照變化顯著的顆粒物的演變特點為標準，將整個污染過程分為 4個階段，污染起始期: 10月3日；污染積累期: 10月4日；污染加重期: 10月5 —6 日；污染清除: 10月7 —8日。圖2a是實時顆粒物質量濃度變化，圖 2b是污染程度AQI變化趨勢。

在污染起始階段的10月3日，PM2.5質量濃度海淀北京植物園在 12—111 μg·m-3之間，均值為59.29 μg·m-3，海淀萬柳在 33—125 μg·m-3之間，均值為 70.13 μg·m-3；相對濕度在 49%—94%之間，而當天的風速在0.22—4.10 m·s-1之間，當風速在均值2.50 m·s-1以上時，所對應的空氣相對濕度在49%—52%之間，與之相對應的 PM2.5質量濃度海淀北京植物園和海淀萬柳分別在 93—111 μg·m-3與119—125 μg·m-3之間?？梢姡谖廴酒鹗茧A段PM2.5質量濃度表現(xiàn)為海淀北京植物園小于海淀萬柳。

在污染積累階段的10月4日，PM2.5質量濃度持續(xù)增大，海淀北京植物園在 42 —178 μg·m-3之間，海淀萬柳在 48—271 μg·m-3之間，這一天 24 小時中83.33%的時段均是海淀萬柳大于海淀北京植物園，相對濕度在 57%—95%之間，這段時間的風速在0.30—3.40 m·s-1之間。全天70.83%的時段相對濕度大于70%，62.50%的時段風速小于1.0 m·s-1。從全天AQI值來看，海淀北京植物園和海淀萬柳分別為106.16和 121.88，當 AQI值小于 100時，所對應的相對濕度較小，在 78%—81%之間，當 AQI值大于100時，相對濕度變化幅度較大，且最大值達 95%，38.46%的時段相對濕度均大于80%。

在污染加重階段的10月5 —6 日，PM2.5質量濃度和AQI值持續(xù)增大，并達到最大值。PM2.5質量濃度海淀北京植物園在 122—342 μg·m-3之間，海淀萬柳在 154—381 μg·m-3之間，這兩天 48 小時中87.50%的時段均是海淀北京植物園小于海淀萬柳。從 AQI值來看，海淀北京植物園在 142—338之間，海淀萬柳在191—387之間，均值為海淀北京植物園(276.96)＜海淀萬柳(324.96)。當空氣質量為五級重度污染時，PM2.5質量濃度均值海淀北京植物園(221.93 μg·m-3)＜海淀萬柳(299.50 μg·m-3)，相對濕度均值海淀北京植物園(75.53%)＜海淀萬柳(82.17%)，風速均值海淀北京植物園(1.65 m·s-1)＞海淀萬柳(0.91 m·s-1)。污染最嚴重的 10月 6日3:00—13:00，這11小時AQI值北京海淀植物園均大于 310，海淀萬柳均大于 380，PM2.5質量濃度北京海淀植物園在 189—269 μg·m-3之間，海淀萬柳在197—345 μg·m-3之間，相對濕度在8:00達100%，有5小時相對濕度均為99%，而風速均有6個小時均為0.55 m·s-1。

在污染清除階段的10月7—8日，PM2.5質量濃度持續(xù)下降，北京植物園從 10月 7日 2:00的 157μg·m-3減小到10月7日 19:00的6 μg·m-3，海淀萬柳從10月7日0:00的20 2 μg·m-3減小到10月7日18:00 的 3μg·m-3，均值為海淀北京植物園(55.92 μg·m-3)＜海淀萬柳(86.07 μg·m-3)；AQI值也持續(xù)減小，海淀北京植物園從10月7日0:00的240減小到10月8日9:00的42，海淀萬柳從10月7日0:00的303減小到10月8日10:00的63，呈直線下降。伴隨著 PM2.5質量濃度的下降，相對濕度也逐漸降低，從 100%下降到 26%，相對濕度減少了 3.85倍，相對濕度降低的同時風速從 0.55 m·s-1增大到 3.35 m·s-1，風速增加了6.09倍。當AQI值大于 230 時，相對濕度均為 98%，而風速均值為 0.75 m·s-1，海淀北京植物園和海淀萬柳的PM2.5質量濃度均值分別為147.33 μg·m-3和 197.67 μg·m-3。當 AQI值小于 100，為二級良的時候，PM2.5質量濃度均值為海淀萬柳(69.56 μg·m-3)＞海淀北京植物園(50.63 μg·m-3)，相對濕度均值為 66.32%，風速均值為 1.42 m·s-1，且63.16%的時段風速均大于1.2 m·s-1。

2.2 不同天氣過程與PM2.5濃度的變化

2.2.1 晴天

圖2 PM2.5重污染過程Figure 2 Complete pollution process showing PM2.5 variations and air quality trends

以北京植物園和海淀萬柳這對監(jiān)測點來分析晴天條件下的PM2.5質量濃度變化，選擇2014—2016年8月7—9日3天的數(shù)據(jù)，因為這3天在2014—2016年均數(shù)據(jù)氣溫相近、天氣晴朗、少云和微風天氣。經(jīng)圖3分析表明，在2014年8月7—9日溫度在 2 1—3 3℃之間，變化范圍不大，均值為(26.90±3.64) ℃。在晴天下北京植物園 PM2.5質量濃度變化范圍在 3—55 μg·m-3之間，最高值是最低值的 18.33 倍，均值為(25.93±13.37) μg·m-3；海淀萬柳 PM2.5質量濃度變化范圍在 11—65 μg·m-3之間，最高值是最低值的 5.91倍，均值為(29.65± 14.15)μg·m-3；3天72小時中73.61%的時段是北京植物園小于海淀萬柳。在溫度最高的 8月 7日白天13:00—18:00，溫度均在 30℃以上，位于 30—33℃之間，平均溫度為(31.83±1.26) ℃，北京植物園和海淀萬柳 PM2.5質量濃度分別為(9±2.29) μg·m-3和(13.17±1.36) μg·m-3，海淀萬柳是海淀北京植物園的1.46倍；在溫度最低的8月8日夜間1:00—8:00，溫度均在 25 ℃以下，平均溫度為(22.56±0.74) ℃，PM2.5質量濃度變化也表現(xiàn)為北京植物園(36.78±2.67) μg·m-3＜海淀萬柳(41.89±3.45) μg·m-3。2015 年為北京植物園(57.96±33.12) μg·m-3＜海淀萬柳(76.42±45.37) μg·m-3，2016 年 也 為 北京 植物 園(59.62±28.46) μg·m-3＜ 海 淀 萬 柳 (70.80±28.74)μg·m-3，這說明城區(qū)的PM2.5污染程度高于郊區(qū)。

圖3 晴天PM2.5質量濃度變化(2014—2016年8月7日—9日)Figure 3 PM2.5 variation under sunny conditions(August 7-9, 2014-2016)

北京植物園比海淀萬柳PM2.5質量濃度晚1—4小時到達高峰，8月 7日早高峰海淀北京植物園在12:00，值為 16 μg·m-3，海淀萬柳在 8:00，值為 15μg·m-3，8月 8日的早高峰海淀北京植物園在 9:00，值為 49 μg·m-3，而海淀萬柳在 8:00，值為 55 μg·m-3；8月 9日的早高峰 4北京植物園在 9:00，值為 60μg·m-3，海淀萬柳在 8:00，值為 45 μg·m-3。從變動大小來看，海淀萬柳更為劇烈，變動較大，8月 7日12:00—20:00，溫度均在 25 ℃以上，PM2.5 質量濃度海淀北京植物園在 3—18 μg·m-3之間，而海淀萬柳在 11—24 μg·m-3之間，從全天均值來看北京植物園位(25.93±13.37) μg·m-3為(29.65±14.15) μg·m-3，海淀萬柳變動更大。

2.2.2 降雨過程

以京西北八達嶺和延慶鎮(zhèn)這對監(jiān)測點來分析降水過程下的PM2.5質量濃度變化，2014年8月26日6:00—20:00、2015年7月16日2:00—7月17日9:00、2016年7月19日10:00—7月21日9:00全市范圍均出現(xiàn)降雨(圖4)，選擇2016年7月19—21日3天的數(shù)據(jù)進行分析。在降雨時段，降雨量位于 1—16 mm之間，在歷時48小時的降雨時段累計降雨量為181 mm。在降雨過程下京西北八達嶺PM2.5質量濃度變化范圍在 3—117 μg·m-3之間，延慶鎮(zhèn) PM2.5 質量濃度變化范圍在 3—142 μg·m-3之間，顯然降雨過程下 PM2.5質量濃度均值表現(xiàn)為京西北八達嶺(33.45±33.40) μg·m-3＜延慶鎮(zhèn)(36.15±32.68) μg·m-3；3天72小時中73.61%的時段是京西北八達嶺小于延慶鎮(zhèn)，有 5.73%的時段相近。降雨前 PM2.5質量濃度均值京西北八達嶺(95.11±22.11) μg·m-3＜延慶鎮(zhèn)(110±13.60) μg·m-3，降雨時京西北八達嶺(24.21±22.22) μg·m-3＜延慶鎮(zhèn)(25.98±27.50) μg·m-3，降雨后京 西 北 八 達 嶺 (19.43± 17.64) μg·m-3＜ 延 慶 鎮(zhèn)(29.64±17.53) μg·m-3；京西北八達嶺和延慶鎮(zhèn)在降雨后與降雨前相比分別下降了12.68 μg·m-3和19.57μg·m-3，下降的百分比并別是 39.50%和 39.76%。

降雨天氣下京西北八達嶺PM2.5質量濃度早于延慶鎮(zhèn)1小時到達峰值，7月16日早高峰京西北八達嶺也在 7:00，值為 107 μg·m-3，延慶鎮(zhèn)在 6:00，值為 105 μg·m-3。從變動大小來看，在雨前和雨中二者變動較大，雨后京西北八達嶺變化較小，延慶鎮(zhèn)變化較大，雨后的 PM2.5質量濃度京西北八達嶺在3—48 μg·m-3之間，延慶鎮(zhèn)在 3—56 μg·m-3之間?？梢?，京西北八達嶺 PM2.5質量濃度變動小于延慶鎮(zhèn)。

2.2.3 大風天氣

以京東北密云水庫和密云鎮(zhèn)這對監(jiān)測點來分析大風天氣下PM2.5質量濃度變化，選擇2014年4月1—3日、2015年4月15—17日、2016年4月13—15日 3天的數(shù)據(jù)。經(jīng)圖 5分析表明，以 2015年為例進行分析，4月15日—17日風速在0.2—6.8 m·s-1之間，平均風速為(2.05±1.77) m·s-1；61.11%的時段平均風速達2.60 m·s-1，風力均在二級以上。在大風天氣下京東北密云水庫 PM2.5質量濃度變化范圍在 3—186 μg·m-3之間，均值為 45.44± 39.44μg·m-3；密云鎮(zhèn) PM2.5 質量濃度變化范圍在 3—199μg·m-3之間，均值為(60.75±46.55) μg·m-3；3 天 72小時中90.28%的時段PM2.5質量濃度均是京東北密云水庫小于密云鎮(zhèn)，只有3個小時兩個監(jiān)測站的PM2.5質量濃度值相同；在風速最大的 4月 15日19:00—4月16日19:00，風速在1.5—6.8 m·s-1之間，平均風速達(4.05±1.50) m·s-1，這時PM2.5質量濃度表現(xiàn)為京東北密云水庫(25.04±35.83) μg·m-3＜密云鎮(zhèn)(32.45± 44.15) μg·m-3，京東北密云水庫是密云鎮(zhèn)的1.30倍。2014年大風天氣下為京東北密云水庫(55.15± 42.26) μg·m-3＜密云鎮(zhèn)(59.46±49.97) μg·m-3，2016年也表現(xiàn)為京東北密云水庫(55.23±70.98)μg·m-3＜密云鎮(zhèn)(62.10±82.09) μg·m-3?？梢姡诖箫L天氣下不同年份 PM2.5質量濃度均表現(xiàn)為郊區(qū)小于城區(qū)，說明在森林區(qū)域的PM2.5質量較好。

圖4 降雨天PM2.5質量濃度變化Figure 4 PM2.5 variation under rainy conditions

大風天氣下京東北密云水庫和密云鎮(zhèn)PM2.5質量濃度變化無滯后性，兩個監(jiān)測點在時間范圍變化上表現(xiàn)的較一致，時間相差不大，2015年4月15日高峰值門京東北密云水庫在 18:00，值為 186 μg·m-3，密云鎮(zhèn)的最高值在19:00，值為 199 μg·m-3，2016年4月 13日京東北密云水庫和密云鎮(zhèn)的峰值均在上午11:00。從變動大小來看，無論在風速＞5 m·s-1，還是在0.2—5 m·s-1之間，這兩個監(jiān)測點之間PM2.5質量濃度變動范圍無明顯變化，波動較小，大風過后PM2.5質量濃度迅速減小。

圖5 大風天氣下PM2.5質量濃度變化Figure 5 PM2.5 variation under windy conditions

3 討論

在自然生態(tài)系統(tǒng)中，顆粒物的沉降主要受氣象條件和下墊面層的粗糙度影響，就氣象條件來說，溫暖無風高濕性的環(huán)境最不利于顆粒物的沉降，而森林生態(tài)系統(tǒng)則有效的避免了該條件的形成，以其高聳的樹高和繁茂的枝葉組成的林冠層與多層次結構的綠色植被[9]，不僅能夠有效地調(diào)節(jié)該地區(qū)的溫濕度情況，更能大大增加地表的粗糙度，利于湍流的形成，從而增加 PM2.5等顆粒物的沉降速率，減輕PM2.5等顆粒物的濃度，在城區(qū)PM2.5等顆粒物的沉降速率低，這也導致城區(qū)的PM2.5質量濃度高于郊區(qū)。另一方面污染源也是決定因素，在城區(qū)人類活動頻繁，有眾多的工廠，污染物排放量遠遠大于郊區(qū)。

Tai等[10]結合美國1998—2008年的氣象數(shù)據(jù)和PM2.5觀測數(shù)據(jù)，利用多元線性回歸模型(multiple linear regression，MLR)研究了常見氣象因子對PM2.5及其中不同組成成分的影響，該研究通過修正數(shù)據(jù)，去除季節(jié)性變化造成的影響，只考慮天氣尺度變化的影響作用。總結的氣象要素主要有: 氣溫相對濕度、降水和環(huán)流情況，得出氣溫和降雨與PM2.5呈負相關，相對濕度與 PM2.5呈正相關，這與本研究結果一致。隨著溫度的升高，空氣垂直對流增強，顆粒物運動顯著，故顆粒物質量濃度逐漸減小，對細粒子 PM2.5的影響更顯著，原因是細粒子較輕，多聚集在低空，在強烈的空氣對流作用 下易擴散，這與宋宇等人[11]的研究結果不一致。原因是高溫天氣能加快大氣的光化學反應，多為不穩(wěn)定的大氣狀況，有利于污染物的擴散。

降水對 PM2.5的清除具有非常明顯的效果，當有降水出現(xiàn)時，PM2.5濃度顯著降低，城市空氣質量往往達到非常清潔的水平，降雨的增加對所有的PM2.5組成成分有所削減[11-12]。另有學者發(fā)現(xiàn)雨水對粗粒子的沖刷效率明顯，雨后大顆粒迅速減少，而可吸入顆粒物比重可能會加大[13]。這說明降雨的沖刷作用和雨后空氣濕潤使大氣顆粒物濃度減少，而且降雨首先沖刷減少粗顆粒物，所以雨后晴天小粒徑大氣顆粒物所占的比例會增加。關于降雨對大氣顆粒物的影響，日本廣島市曾用干濕沉降研究發(fā)現(xiàn)空氣中多環(huán)芳香烴濃度在晴天較高，在雨天顯著降低[14]，與本研究結果相符。郭二果等人[15]在春、夏、秋季均研究了降雨后的晴天城市森林內(nèi)大氣顆粒物濃度的變化，發(fā)現(xiàn)降雨后大氣顆粒物濃度均有不同程度的降低，這也與本研究結果一致。

風速大小對大氣顆粒物的傳輸擴散有重要的影響。本研究顯示風速驅散污染物，從而降低 PM2.5的質量濃度，這與王揚鋒等人[16]研究的隨風速的增大，大氣顆粒物質量濃度減小的趨勢減緩結果一致。風速越大，越有利于顆粒物的擴散，顆粒物的濃度就越低。風對大氣顆粒物的影響具有一定的復雜性和不確定性，先前有學者在美國猶他州、澳大利亞布里斯班等地的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，風能使污染物擴散而減少[17]，大氣顆粒物濃度隨風速增加而呈指數(shù)下降[18]，當風速為 3 m·s-1時，顆粒物擴散速率為 0.1 —0.3 cm·s-1，風速為 9 m·s-1時，顆粒物擴散速率為 2.9 cm·s-1[19]。郭二果等人[15]研究了春季和秋季北京百望山森林公園大風天氣下PM2.5等顆粒物的變化情況，指出雨后空氣和地面濕潤時風能在一定程度上使大氣顆粒物擴散減少，而在天氣干燥時刮風會增加城市森林內(nèi)大氣顆粒物的濃度，尤其是對地表相對裸露的林地，且多云會加重干燥天氣刮風后大氣顆粒物的污染程度。這與本研究結果一致，進一步證實了風對PM2.5等顆粒物的驅散作用。

4 結論

污染過程時，伴隨著PM2.5質量濃度和AQI值增大、減小的過程，PM2.5質量濃度和AQI值在污染的各個階段均表現(xiàn)為海淀北京植物園小于海淀萬柳，當PM2.5質量濃度較大時，風速卻較小，較小的風速不利于大氣污染物擴展稀釋，也無法帶走水汽，使得空氣相對濕度較大。在晴天、降雨過程和大風天氣下PM2.5質量濃度表現(xiàn)為郊區(qū)小于城區(qū)；晴天下，郊區(qū) PM2.5質量濃度相對城區(qū)具有滯后性，降雨過程和大風天氣下無滯后性；晴天下，郊區(qū)PM2.5質量濃度變動相對城區(qū)較小，降雨過程雨前雨中變化較大，雨后變動較小，大風天氣下變動范圍無明顯變化。