徐曼，程宇飛，高際玫，任遠(yuǎn)哲，王鵬，郝峰，包卓蘭，王成燕

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站，內(nèi)蒙古呼和浩特010011；2.內(nèi)蒙古能建環(huán)境監(jiān)測有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010011）

近年來，人們對(duì)于大氣顆粒物導(dǎo)致的空氣污染對(duì)身體健康的影響意識(shí)逐漸提升[1,2]，大氣顆粒物根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)直徑分為總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物(PM10)和細(xì)顆粒物(PM2.5)[3,4]，由于PM10和PM2.5粒徑小、吸附性強(qiáng)，對(duì)人體健康會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，流行病學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的證據(jù)均表明，大氣顆粒物與心肺疾病的發(fā)病率和死亡率存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，對(duì)心肺功能受損影響顯著，PM2.5已成為導(dǎo)致人類死亡的第四位死因，PM10日均濃度每增高10μg/m3，心肺疾病的死亡率相應(yīng)增加0.62%[5]；同時(shí)PM10和PM2.5還會(huì)對(duì)能見度、酸沉降和大氣的輻射平衡等造成重要影響，因此，PM10和PM2.5對(duì)大氣環(huán)境造成的污染受到各界的廣泛關(guān)注[6-8]。

PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度因各地氣候條件、人為活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)政策和地形地貌等因素不同而呈現(xiàn)出不同的變化特征。目前，全國各地區(qū)學(xué)者對(duì)于PM10和PM2.5進(jìn)行了不同方向的分析研究。王濤等[9]對(duì)南京市PM10和PM2.5的大致來源及污染特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，PM2.5的時(shí)刻變化呈“單峰單谷”型，而PM10的時(shí)刻變化呈“單峰雙谷”型；顆粒物濃度城區(qū)高于郊區(qū)；植被茂盛區(qū)域的濃度較低。對(duì)PM2.5/PM10而言，分別受取暖和降水的影響，比值在冬季和梅雨期較大，在春季和夏末秋初較小。楊文濤等[10]利用地理時(shí)空加權(quán)回歸對(duì)北京市PM2.5和PM10季節(jié)平均濃度間關(guān)系進(jìn)行建模，依據(jù)回歸結(jié)果分析PM2.5-PM10間關(guān)系的時(shí)空變異特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，春夏季節(jié)PM2.5污染程度及空間變異程度均低于秋冬季節(jié)，各季節(jié)PM2.5濃度均表現(xiàn)為北部濃度低、南部濃度高的空間分布特征。李敏等[11]使用聚類和相關(guān)性分析上海市PM2.5/PM10的時(shí)空分布特征，結(jié)果表明，PM2.5和PM10的季節(jié)濃度從高到低為冬>春>秋>夏，PM2.5/PM10的季節(jié)分布在不同區(qū)域存在差異性。目前，對(duì)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來源，尚未見到對(duì)PM2.5和PM10的多年污染特征與相關(guān)性研究。本文以呼和浩特市2016—2018年的PM2.5和PM10自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從不同時(shí)間角度分析呼和浩特市PM2.5和PM10的污染特征，反映大尺度時(shí)間內(nèi)區(qū)域整體污染趨勢，以期為呼和浩特市治理PM2.5和PM10污染提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法

1.1 地區(qū)背景

呼和浩特市（110°46′~112°10′E，40°51′~41°8′N），位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部。地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部大青山南側(cè)，有山地和平原兩種地形；呼和浩特市位于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈、西部大開發(fā)、振興東北老工業(yè)基地三大戰(zhàn)略交匯處，是北方重要的航空樞紐。南部及西南部為土默川平原地形，地勢由北東向南西逐漸傾斜。呼和浩特市屬典型的蒙古高原大陸性氣候，四季氣候變化明顯，年、日溫差大，干旱少雨，年平均氣溫4.7℃，年平均降水量為397.2mm[12]。

1.2 數(shù)據(jù)來源及點(diǎn)位分布

本 文選 取2016年1月1日—2018年12月31日呼和浩特市全部（8個(gè)）環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測國控站點(diǎn)（圖1）的小時(shí)值數(shù)據(jù)，來自全國空氣質(zhì)量發(fā)布平臺(tái)（http://106.37.208.233:20035/），文中研究所用的日、月、季節(jié)及年均值均由小時(shí)值通過計(jì)算算術(shù)平均值所得；本文所涉及的氣象數(shù)據(jù)（氣溫、降水量等）來自中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺(tái)(http://www.aq?istudy.cn/)；顆粒物來源解析數(shù)據(jù)來自在線源解析監(jiān)測系統(tǒng)（型號(hào)SPAMS-0515）。

圖1 呼和浩特市環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)分布圖

本文中季節(jié)劃分按照《氣候季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)》（QX/T152—2012）劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月至次年2月）[13]，日均值和年均值濃度與《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095—2012）[14]中相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值作比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 時(shí)刻變化特征

統(tǒng)計(jì)分析呼和浩特市2016-2018年P(guān)M2.5與PM10的每年的年際質(zhì)量濃度時(shí)刻變化結(jié)果表明（圖2）：

PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度的年際時(shí)刻變化的兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在上午9:00—12:00和夜間21:00—24:00，兩個(gè)谷值分別出現(xiàn)在早晨05:00—08:00和下午13:00—18:00。

從圖2a中可以看出，PM2.5的質(zhì)量濃度2017年最高，2016年次之，2018年最低，每年的時(shí)刻變化呈現(xiàn)出“雙峰雙谷”字型。峰值和谷值分別為52μg/m3和32μg/m3。

從圖2b中可以看出，PM10的質(zhì)量濃度2018年最高，2016年與2017年相近。每年的時(shí)刻變化趨勢同PM2.5。峰值和谷值分別為45μg/m3和36μg/m3。

圖2 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度年際時(shí)刻變化圖

呼和浩特市2016-2018年P(guān)M2.5與PM10的四季質(zhì)量濃度（3年的時(shí)刻均值）時(shí)刻變化結(jié)果表明（圖3）：

PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度的時(shí)刻變化的兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在上午9:00—12:00和夜間20:00—24:00，兩個(gè)谷值分別出現(xiàn)在早晨05:00—08:00和下午14:00—17:00。

從圖3a中可以看出，PM2.5質(zhì)量濃度的時(shí)刻變化從高到低順序?yàn)槎?秋季>春季>夏季，冬、秋、春三季時(shí)刻變化呈出“雙峰雙谷”字型，且冬季峰谷樣式最明顯，夏季時(shí)刻變化雖有峰谷變化，但是基本趨于平穩(wěn)發(fā)展。

從圖3b中可以看出，PM10質(zhì)量濃度的時(shí)刻變化從高到低順序?yàn)榇杭?冬季>秋季>夏季，四季時(shí)刻變化基本呈出“雙峰雙谷”字型。

圖3 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度四季時(shí)刻變化圖

從年際和四季兩個(gè)角度分析PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度的時(shí)刻變化特征，其結(jié)果表明，受不同時(shí)段人為活動(dòng)以及邊界層高度日變化的影響，3年期間PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度的峰值和谷值出現(xiàn)的時(shí)間段十分接近，且時(shí)刻變化幾乎全部呈現(xiàn)“雙峰雙谷”特征。

2.2 月變化特征

統(tǒng)計(jì)分析呼和浩特市2016-2018年P(guān)M2.5與PM10的每年的質(zhì)量濃度月份變化結(jié)果表明（圖4）：

PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度的月份變化如下：8—11月逐漸上升，高峰值出現(xiàn)在11月，次高峰分別出現(xiàn)在12月和5月，5—8月逐漸下降，8月降到最低值。

從圖4a中可以看出，PM2.5的質(zhì)量濃度基本呈現(xiàn)出“單峰單谷”字型的變化趨勢。峰值和谷值分別為65μg/m3和21μg/m3。

從圖4b中可以看出，PM10的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出“雙峰單谷”字型的變化趨勢。峰值和谷值分別為141μg/m3和53μg/m3。

圖4 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度月變化圖

2.3 季節(jié)變化特征

選取呼和浩特市2016年3月-2018年2月（2個(gè)四季）的數(shù)據(jù)，對(duì)PM2.5和PM10的季節(jié)質(zhì)量濃度進(jìn)行對(duì)比分析（圖5），可以看出：

PM2.5的季節(jié)質(zhì)量濃度的變化趨勢從高到低順序?yàn)槎尽⑶锛?春季>夏季；與四季的時(shí)刻變化趨勢相同。PM10的季節(jié)質(zhì)量濃度的變化趨勢為從高到低順序?yàn)樽兓厔輨t為春季、冬季>秋季>夏季，變化趨勢和PM2.5略有不同，與四季的時(shí)刻變化趨勢相同。

從圖5a中看出2017年冬季較2016年冬季PM2.5的質(zhì)量濃度下降十分明顯，其中2017年冬季的PM2.5的質(zhì)量濃度為48μg/m3，以上年同期相比下降29.9%。據(jù)相關(guān)資料記載，截至2017年，呼和浩特市按照《大氣污染防治目標(biāo)責(zé)任書》要求，拆除并整合、改造和分散10t以下燃煤鍋爐803臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度大幅降低，說明環(huán)保措施的落實(shí)，對(duì)大氣顆粒物的污染防治有很大作用。

圖5 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度季節(jié)變化圖

2.4 年度變化

統(tǒng)計(jì)分析了2016-2018年呼和浩特市PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度的日均最大值、年均值、超標(biāo)天數(shù)和超標(biāo)天數(shù)比例，結(jié)果見表1。

表1 2016-2018年呼和浩特市PM2.5與PM10質(zhì)量濃度超標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

受沙塵天氣影響，PM2.5和PM10的日均最大濃度值均出現(xiàn)在2017年5月4日，分別為302μg/m3和1388μg/m3，均超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）日均濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值（75μg/m3、150μg/m3）要求，超標(biāo)倍數(shù)分別為3.03倍、8.25倍。

2016-2018年P(guān)M2.5和PM10年均值分別為41μg/m3和100μg/m3，均未達(dá)到《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）年均濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值（35μg/m3、70μg/m3）要求，超標(biāo)倍數(shù)分別為0.17倍、0.43倍，超標(biāo)天數(shù)分別為146天和163天；超標(biāo)天數(shù)比例分別為13.4%、14.9%。

PM2.5的年均質(zhì)量濃度，2017年較2016年略有升高，在2018年有所下降。PM10的年均質(zhì)量濃度呈逐年上升趨勢。

2.5 PM2.5/PM10(p)值特征分析

P值反映了PM10中PM2.5的含量。根據(jù)呼和浩特市2016-2018年的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度（3年的月均值）的統(tǒng)計(jì)（圖6），1—2月和10—12的月均比值均大于45%，依次為57%、53%、48%、46%、52%；3—9月的月均比值均小于45%，依次為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平均值為41%。

圖6 PM2.5/PM10質(zhì)量濃度月變化圖

2.6 PM2.5和PM10月均濃度與環(huán)境溫、濕度的關(guān)系

根據(jù)2018年氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)SPSS軟件統(tǒng)計(jì)，PM2.5與溫度、濕度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.738、-0.544，呈現(xiàn)反相關(guān)性。由圖7看出，環(huán)境溫度高，氣體分子運(yùn)動(dòng)活躍，有利于污染的擴(kuò)散，因此夏季的顆粒物相對(duì)較低，冬季氣溫降低，易產(chǎn)生逆溫現(xiàn)象，污染物不易擴(kuò)散，所以顆粒物的含量較高。另外，環(huán)境濕度高也有助于稀釋顆粒物的濃度。

圖7 PM2.5、PM10與環(huán)境溫、濕度關(guān)系

2.7 PM2.5和PM10的相關(guān)性

本文采用相關(guān)分析是通過計(jì)算兩組變量之間的相關(guān)系數(shù)來確定變量間相關(guān)關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。相關(guān)系數(shù)（r）是表示兩個(gè)變量(x，y)之間線性關(guān)系密切程度的指標(biāo)，其值在-1~+1間，r呈正值則表示兩者呈正相關(guān)關(guān)系，r=1時(shí)為完全正相關(guān)；r呈負(fù)值則表示兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，r=-1時(shí)為完全負(fù)相關(guān)；表現(xiàn)在線性相關(guān)圖上時(shí)，完全正相關(guān)或負(fù)相關(guān)時(shí)所有圖點(diǎn)都在回歸直線上，圖點(diǎn)分布在直線回歸線附近，r絕對(duì)值越小，分布越離散。

選取2016-2018年呼和浩特市的PM2.5和PM10日均值質(zhì)量濃度（已剔除2017年日均最大濃度值），以PM2.5質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，PM10質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見圖8。兩者呈正相關(guān)性，擬合方程為y=1.9971x+11.844，回歸方程的相關(guān)系數(shù)r為0.8623，說明直線對(duì)散點(diǎn)的擬合率較高，兩者的相關(guān)性較好[20]。

圖8 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度相關(guān)性分析

同時(shí)通過采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法得到，PM2.5與PM10的相關(guān)系數(shù)為0.74，相關(guān)系數(shù)越接近1，說明相關(guān)度越強(qiáng)；顯著性sig值為0.00<0.05，說明二者的相關(guān)性具有顯著性意義。

對(duì)2016-2018年P(guān)M2.5與PM10的季節(jié)質(zhì)量濃度均值進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見表2和圖9，線性關(guān)系隨季節(jié)的變化而改變。由表2可得，PM2.5與PM10相關(guān)性在季節(jié)上有明顯差異，四季PM2.5與PM10的相關(guān)系數(shù)關(guān)系為r秋季(0.9008)>r冬季(0.8557)>r夏季(0.8230)>r春季(0.7242)，秋季和冬季的相關(guān)性要大于夏季和春季。

表2 PM2.5質(zhì)量濃度關(guān)于PM10質(zhì)量濃度線性回歸分析

圖9 PM2.5和PM10的四季日均濃度相關(guān)性

3 結(jié)論

（1）呼和浩特市2016-2018年P(guān)M2.5與PM10的質(zhì)量濃度時(shí)刻變化均呈現(xiàn)“雙峰雙谷”字型，PM2.5峰值和谷值分別為52μg/m3和32μg/m3；PM10峰值和谷值分別45μg/m3和36μg/m3。

月變化PM2.5呈現(xiàn)“單峰單谷”字型，峰值和谷值分別為65μg/m3和21μg/m3；PM10呈現(xiàn)“雙峰單谷”字型，峰值和谷值分別為141μg/m3和53μg/m3。

季節(jié)變化趨勢為PM2.5質(zhì)量濃度從高到低排序：冬季、秋季>春季>夏季；PM10質(zhì)量濃度從高到低排序：春季、冬季>秋季>夏季。

PM2.5與PM10的年均值均未達(dá)到《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）年均濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值（75μg/m3、150μg/m3）要求。PM2.5的年均質(zhì)量濃度總體呈先上升后下降趨勢，PM10的年均質(zhì)量濃度總體呈上升趨勢。

（2）PM2.5與PM10的濃度比值（p）主要集中在26%~41%，1月p值最高，4月p值最低，平均值為41%。PM2.5對(duì)人群健康危害較大，在1-2月和10-12月比值大于45%的月份，需要適當(dāng)增加個(gè)人防護(hù)。顆粒物易受到環(huán)境溫度和濕度的影響。高溫高濕天氣，有利于污染物的擴(kuò)散，可以通過輔助例如人工氣候箱等途徑，降低顆粒物的污染。

（3）PM2.5和PM10擬合方程y=0.1.9971x+11.844，相關(guān)系數(shù)為0.8623，說明直線對(duì)散點(diǎn)的擬合率較高，線性相關(guān)性較好。同時(shí)通過采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法得到，PM2.5與PM10的相關(guān)度較強(qiáng)且相關(guān)性具有顯著性意義。四季PM2.5與PM10的相關(guān)系數(shù)關(guān)系為r秋季(0.9008)>r冬季(0.8557)>r夏季(0.8230)>r春季(0.7254)，秋季和冬季的相關(guān)性明顯大于夏季和春季。