辽阳市PM2.5污染特征及来源分析.doc

惠洪宽 王敏 潘晓杰

摘要：基于2016年5月至2017年4月青岛市主城区大气自动监测站实时发布的数据，统计分析颗粒物PM2.5浓度的时空变化规律，并对PM2.5与其它颗粒物之间的相关性和影响因素进行了分析。结果表明，PM2.5颗粒物质量浓度在1月份达到最高为68.8μg/m3，8月份是全年最低为17.8μg/m3；冬、春季PM2.5浓度较高，而夏、秋季PM2.5颗粒物浓度相对较低；从空间分布特征情况分析发现仰口站PM2.5年均浓度为23.59μg/m3，为青岛市区最低，李沧区子站和黄岛区子站PM2.5年均浓度较高分别为44.13μg/m3和48.66μg/m3；根据PM2.5颗粒物与其它颗粒物之间的相关曲线看，PM2.5与SO2、NO2、O3之间呈现显著正相关，SO2、NO2、O3浓度的升高都会引起PM2.5颗粒物浓度增大，其来源相同或相关。

关键词：PM2.5颗粒；污染特征；动态分析；青岛

中图分类号：X831 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-8256.2018.02.010

0 引言

随着社会经济的发展和城市中心区的不断扩大，以城市为中心的大气环境成为人们居住选择的首选[1]，大气环境中的主要颗粒物存在多少决定着其环境质量，大气中既能以固态存在也能以液态存在，且空气动力学当量直径≦2.5 mm的颗粒物称为PM2.5颗粒物[2]。当空气污染状况越严重，PM2.5颗粒物的浓度就会越高，颗粒物粒径小且极易吸附大量的有毒物质，对人体健康尤其是心血管系统和呼吸系统的危害越大，不断增加的汽车尾气排放以及工业生产中的燃煤排放等是大部分城市灰霾天气的主要原因[3，4]，因此对PM2.5等大气颗粒物的监测与分析成为研究城市空气环境污染研究的热点问题[5-7]。

世界上开展空气细颗粒物PM2.5研究最早的国家是美国，它从20世纪60年代中期开始进行系统的科学研究[8]。我国对PM2.5的研究起步较晚，研究较少，主要集中在京津冀及长江三角洲等地区，对山东半岛蓝色经济区的研究较少。杜艳伟等采集了青岛市大气颗粒物浓度实时数据进行分析，结果表明冬季PM2.5污染最严重[9]；赵晨曦等对北京市的PM2.5和PM10污染特征进行了分析，并利用普通克里格插值（Original Kriging）法对其空间差异特征和时间性变化特征进行了探讨[10]；吴虹等通过分析PM10和PM2.5的污染源，总结出青岛市PM2.5颗粒物浓度季节差异明显，总体呈现春、冬季高，夏秋季较低，同时得出春、秋季二者的组成成分也不尽相同，而PM10和PM2.5颗粒物化学构成却极其相似[11]。

青岛市是山东半岛蓝色经济区规划核心区域龙头城市，是东部沿海地区重要度假旅游城市。有關青岛市主城区PM2.5颗粒物的研究时间较早，但多数基于短期、分散的观测，缺乏连续长时间、多点位空间和时效新的研究。本研究利用青岛市主城区大气监测站在2016年4月至2017年5月连续监测的PM2.5颗粒质量浓度数据，对青岛市PM2.5颗粒物质量浓度时空变化情况进行统计分析，揭示大气颗粒物的污染特征，分析PM2.5 与其它大气颗粒物之间的相关性，在此基础上探讨PM2.5的主要来源及其浓度变化所产生的环境效应，以期为青岛市空气污染防治及进一步开展环境治理提供科学依据。

1 研究区概况

青岛市坐落于山东半岛东南部沿海，濒临黄海，又称“岛城”。青岛市区现市辖6个区，包括市南区、市北区、李沧区、崂山区、城阳区和黄岛区[12]。截至2016年底，市常住总人口达920.4万人，同比增长1.18%，城镇化水平达到71.53%[13]。其中，市区总面积为3293 km2，海域面积约1.22万km2，海岸线（含所属海岛岸线）总长为816.98 km，大陆岸线约为710.9 km，占山东海岸线的1/4。青岛市处于北温带，属于温带季风气候区。海洋环境的直接影响和洋面上的东南季风及海流的调节，使青岛市气候具有一定的海洋性特点。据气象资料查考，青岛市年平均气温25.3 ℃，降水量年均660mm，主要集中于夏季。年平均相对湿度为73%，年平均风速为5.2m/s，以东南风为主，青岛市海雾多且频，年平均浓雾日达51 d，轻雾日达108 d。

2 数据采集与样品分析

本研究的主要数据来自青岛市国控自动监测站，涉及主城区6个监测站发布的主要颗粒物监测数据，监测时间段为2016年5月1日至2017年4月30日，监测仪器为武汉天虹TH-150智能中流量颗粒物采样器，然后进行室内分析。选取青岛市主城区6个空气质量监测站，主要包括：仰口站、城阳区子站、崂山区子站、黄岛区子站、李沧区子站、市北区子站。监测区域功能主要涵盖自然保护区、居商文教混合区及居商文教工混合区。

3 青岛市PM2.5颗粒动态时空变化情况

3.1 青岛市PM2.5浓度月变化

青岛市主城区PM2.5月均浓度最高为12月份和1月份（图1），分别为67.0μg/m3和68.8μg/m3，月均浓度最低月为8月份，浓度为17.8μg/m3。

这与已有研究表明，我国城市PM2.5颗粒物质量浓度具有明显的季节变化规律，即冬春季节污染较重而夏季相对较轻相符[3]。青岛市PM2.5月均浓度变化整体呈现为单峰单谷型。从各个站点看，3个监测站PM2.5月均浓度最高值出现在12月份，分别是崂山区子站，李沧区子站和市北区子站；国控监测站2个监测站PM2.5月均浓度最高值出现在1月份，分别是城阳区子站和黄岛区子站；仰口站PM2.5月均浓度最高值为2月份（47.2μg/m3）。从青岛市主城区各监测站月均PM2.5浓度变化箱型图看，城阳、李沧、市北、仰口站PM2.5月均浓度变化都呈现单峰单谷型，黄岛区和崂山区监测站PM2.5月均浓度变化呈波浪形，出现多个波峰和波谷。

3.2 青岛市主城区PM2.5浓度季节变化

通过对青岛市6个监测站不同季节PM2.5质量浓度进行统计分析（图2），从季节上看，冬季（12、1、2月）PM2.5颗粒物浓度最高，最高达60.78 μg/m3；其次是春季（3、4、5月）、秋季（9、10、11月）和夏季（6、7、8月），分别是41.96 μg/m3、35.98 μg/m3和24.25 μg/m3。从各站点看，李沧区监测站冬季PM2.5浓度最高，达到78.33 μg/m3；最低是仰口监测站，浓度为25.68 μg/m3。春季，李沧区监测站PM2.5颗粒物浓度较高，达到47.34 μg/m3，仰口监测站颗粒物浓度最低。秋季，李沧区监测站是PM2.5浓度最高监测站，达到44.90 μg/m3，仰口监测站颗粒物浓度最低；在夏季，市北区监测站PM2.5浓度最高，达到29.21μg/m3，仰口监测站颗粒物平均浓度最低，是15.16μg/m3。分季节来看，青岛市主城区不同站点PM2.5浓度的标准差较大，最高为冬季，其次是春季、秋季、夏季，说明时间序列上PM2.5浓度是非平均分布的，在冬季，短期内会出现较大幅度的波动，但在夏季PM2.5浓度变化较小。

3.3 青岛市市区PM2.5浓度空间变化

经统计分析（表1），青岛市不同监测站PM2.5颗粒物的全年平均质量浓度从小到大依次是：仰口站<市北区子站<崂山区子站<城阳区子站<黄岛区子站<李沧区子站。表中可以看出，仰口站PM2.5浓度较低，为23.59 μg/m3，而黄岛区和李沧区相对较重，分别达到44.13μg/m3和48.66μg/m3，均大于《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中二级标准[14]，超过标准0.26倍和0.39倍，总体上，离市中心距离越近，PM2.5浓度越高。

李沧区有着强大的工业基础，具有超过百家的大中型企业，近年来逐渐形成了以建材、服装业等行业为主的综合性产业体系[15]，有时间较长的国棉八厂、黄海橡胶、青岛碱厂、青岛钢铁公司、青汽公司等制造业公司，因此分析污染相对较严重。仰口监测站地处崂山区风景名胜区—仰口景区，在《青岛市城市总体规划（2011～2020年）》中属于核心生态保护区，PM2.5年均浓度最低。对空气颗粒物的研究分析得出，离市中心近的地区PM2.5颗粒浓度高于离市中心远的地区，而离交通点近的地区PM2.5浓度同样高于离交通点远的地区，智颖通过对呼和浩特市PM2.5污染特征研究，揭示了社会经济发达的地区，人类活动对颗粒物空间差异的会有较大影响，与本研究结果趋于一致[16]。

4 PM2.5与其他污染物相关性及生态效应

4.1 PM2.5浓度变化与其他污染物相关性分析

已有研究表明，SO2、NO2、O3能与PM2.5一起从污染源排放，且通过发生二次化学反应会重新转化成PM2.5[17]，所以大气中的PM2.5浓度与SO2、NO2、CO、PM10有密切联系。

利用SPSS软件对青岛市2016年5月至2017年4月PM2.5与PM10、SO2、NO2、O3的质量浓度数据进行统计分析（图3），青岛市主市区PM2.5与PM10呈正相关，SO2、NO2与PM2.5都具有正相关，即PM10、SO2、NO2、浓度的升高一定程度会引起PM2.5颗粒物浓度增大，所以控制空气中细颗粒物的含量对于改善青岛市空气环境具有重要作用。O3与PM2.5也具有相关性，呈显著负相关，其主要原因在于颗粒物能够吸收和散射太阳辐射从而减少空气中O3的产生[18]。

4.2 PM2.5颗粒动态变化及生态效应分析

PM2.5颗粒物浓度一般会与气象因子之间具有密切关系[19]。PM2.5浓度随着风速的增大而加速扩散，浓度降低，同时也会将PM2.5颗粒物输送至其它地方[20]。已有研究表明，青岛地区污染物浓度在吹陆风且风速越小时较高，空气质量指数高，在吹海风时污染物浓度较低。调查表明青岛最主要的颗粒物来源是城市扬尘，并且容易造成二次污染，说明机动车污染不容忽视，在汽车尾气和粉尘排放过程中会增加空气中颗粒物的浓度。

从图4中可以看出，青岛市主市区在夏季温度较高时颗粒物污染程度最低，其中8月份平均温度最高达到27.44℃，此时PM2.5颗粒物平均浓度最低为17.58 μg/m3。PM2.5月均浓度最高值为1月份66.76 μg/m3，此时均温为2016年最低值1.61℃，说明气温对颗粒物浓度变化影响之大。

风向能影响空气中颗粒物的转移、聚集和扩散。从图中可以看出，春季，WS（西南）、WN（西北）风向下PM2.5颗粒物浓度最高；夏季S（南）、WS（西南）、W（西）风向下PM2.5颗粒物浓度较高；秋季WN（西北）、S（南）风向下PM2.5浓度较高；冬季W（西）、WN（西北）风向下PM2.5颗粒物浓度较高，而一年四季中EN（东南）风向下PM2.5浓度较低，WN（西北）風向下颗粒物浓度较高，这是因为青岛三面环海，在WN（西北）风向时受上风向外部输送影响，来自西北内陆气团的空气会将内蒙古、北京、天津以及山东省内陆地区的污染物吹向青岛，造成污染物浓度升高。

除此之外，颗粒物对人类健康及社会发展都有影响，大气污染物侵入人体后对呼吸道危害巨大，因此会影响人类身体健康；大气污染物也会影响植物与外界环境之间的转换和能量，破坏细胞膜并损坏原生质的完整性，对根系的生长有一定的影响，对房屋建筑物、大气环境都有破坏性影响[11]。

5 结论

通过对青岛市主城区全年PM2.5颗粒物质量浓度时空变化特征分析，得出青岛市PM2.5颗粒物时间和空间分布规律，结论如下：

（1）青岛市2016年PM2.5浓度年均值为45μg/m3，根据最新国家环境空气质量标准《环境空气质量标准》（GB3095-2012），青岛市区2016年环境空气质量优良率为81.7%。

（2）从月变化情况看，青岛市主城区PM2.5月均浓度最高为12月份和1月份，分别为67.0 μg/m3和68.8 μg/m3，浓度最低为8月份，浓度为17.8 μg/m3。其中，城阳区子站和黄岛区子站PM2.5颗粒物浓度最高月份为1月份，崂山区、市北区、李沧区子站PM2.5颗粒物浓度最高月份出现在12月份；整体变化呈现单峰单谷型。

（3）从季节变化情况，青岛市各监测站PM2.5颗粒物浓度差异显著，具有明显的非均匀分布，均表现为冬春季高、夏秋季低。冬季PM2.5颗粒物平均浓度最高，最高达60.78μg/m3；其次是春季、秋季和夏季，分别是41.96μg/m3、35.98μg/m3和24.25μg/m3，而李沧区是青岛市重要的工业园集中区域，春季、秋季、冬季PM2.5颗粒物浓度均最高。

（4）从空间变化情况看，监测站按PM2.5质量浓度从小到大依次是：仰口站<市北区子站<崂山区子站<城阳区子站<黄岛区子站<李沧区子站。这是因为黄岛区和李沧区是青岛市主要工业区域，电力、钢铁、制造行业是主要污染行业。颗粒物的空间差异很大程度上受人类活动的影响，在人类活动强烈的城区和交通点位附近，颗粒物浓度要明显高于人类活动较少的地区。

（5）气温对PM2.5浓度影响显著，总体来看，在WN风向时PM2.5颗粒物浓度最高。PM2.5与PM10、SO2、NO2均呈显著正相关，说明SO2、NO2的二次转化都会影响PM2.5颗粒物的浓度，而PM2.5与O3呈负相关性，说明颗粒物具有消光作用能散射和吸收太阳辐射，从而减少O3的生成。

青岛市大气污染防治的主要问题是控制颗粒物排放，包括煤烟尘、汽车尾气等废气排放，其次是预防SO2、NO2等污染物二次转化，因此有效控制颗粒物二次污染是关键，包括减少污染源、控制区域输送及区域协同转化等问题需要继续在未来研究中深入探讨。

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（編辑：邵波）

Abstract： Based on the data released from the automatic monitoring station in the main urban area of Qingdao from May 2016 to April 2017， the temporal and spatial variation of PM2.5 particulate concentration was analyzed statistically， and the correlation between PM2.5 and other particles was also analyzed. The results show that the concentration of PM2.5 particles in January reached up to 68.8μg/m3， the lowest is 17.8μg/m3 in August. The concentration of PM2.5 was higher in winter and spring， and lower in summer and autumnrelatively. The result of spatial distribution shows that the lowest annual average concentration was 23.59μg/m3 in Yangkou station， higher in Licang District sub station and Huangdao district sub station， the concentration were 44.13μg/m3 and 48.66μg/m3， separately. According to the correlation curve between PM2.5 particles and other particles， showed a significant positive correlation between PM2.5 and SO2， NO2， O3. The concentration of PM2.5 particles increases with the increase of SO2， NO2 and O3 concentrations，which indicated the source of them were the same or related

Keywords：PM2.5 particles； pollution characteristics； dynamic analysis； Qingdao