长沙市郊区环境大气中颗粒物PM₁₀的

质量浓度及其变化特性

王琪，邓启红，唐猛，刘蔚巍

(中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

摘  要：于2007-11—2008-10对长沙市郊区环境空气中的颗粒物PM₁₀的质量浓度采用TEOM 1400a进行实时监测，以揭示城市颗粒物污染的主要特征及其变化趋势。研究结果表明：长沙市郊区颗粒物污染相当严重，PM₁₀年平均质量浓度为(120.8±47.7) μg/m³，明显超出我国环境空气质量标准，其中秋、冬季节质量浓度高于夏季质量浓度；PM₁₀质量浓度日变化受城市交通密度的影响显著，峰值分别出现于9:00与18:00附近，与早晚交通高峰期吻合；PM₁₀质量浓度在工作日与周末存在明显差异，夏季周末质量浓度明显高于工作日质量浓度，而冬季则相反；颗粒物PM₁₀与PM_2.5质量浓度具有很好的相关性，说明我国现行采用的PM₁₀环境空气质量标准评价城市空气质量仍是合适的。

关键词：空气质量；颗粒物；PM₁₀；PM_2.5

中图分类号：X831；X513          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)06-2419-05

Mass concentration and variations of particulate matters PM₁₀ in suburban air of Changsha, China

WANG Qi, DENG Qi-hong, TANG Meng, LIU Wei-wei

(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: In order to investigate the mass concentration and variation characteristics of the particulate matters PM₁₀ in the suburban air of Changsha, the mass concentration of PM₁₀ was continuously measured by TEOM1400a during the period from November 2007 to October 2008. The results show that the particulate air pollution in Changsha is very serious, and the annual concentration (120.8±47.7) μg/m³ is much higher than the national ambient air quality standard (NAAQS). The average PM₁₀ mass concentration in autumn and winter seasons is higher than that in summer. The diurnal variations of PM₁₀ mass concentration consist of two peak values that are mainly attributed to heavy traffic in rush hours. There is significant difference between the weekday and weekend for PM₁₀ concentrations, and the concentration of weekends is higher than that of weekdays during summer but reverse phenomenon occurs during winter. The good relationship between PM₁₀ and PM_2.5 suggests that the underlying national PM₁₀ standard is still suitable for assessing urban air quality in China.

Key words: air quality; particulate matter; PM₁₀; PM_2.5

随着城市化和工业化的快速发展以及城市人口的迅速增长，城市环境空气污染日益加剧，其中悬浮颗粒物PM(Particulate matter)是目前最主要的污染物之一。颗粒物不仅能够影响全球气候与城市可见度，而且能够进入人体呼吸系统甚至穿透肺泡进入人体血液循环从而影响人们的身体健康^[1-2]。大量流行病学研究表明：颗粒物质量浓度与人类疾病(特别是呼吸系统疾病、心脑血管疾病)的发病率和死亡率具有显著的相关性^[3-4]。颗粒物质量浓度监测是评价城市空气质量的基础，也是进行城市污染控制与评估健康效应的重要依据。欧美等发达国家广泛开展了城市及区域环境空气中颗粒物质量浓度的长期监测与调查研究^[5-6]。近年来，以我国为代表的大多数发展中国家由于城市经济的快速发展导致环境空气中颗粒物污染十分严重，目前已引起人们的高度关注，但人们对其进行系统研究与报道非常少^[7-10]。据《湖南省环境状况公报》报道，长沙市空气中可吸入颗粒物PM₁₀(空气动力学直径小于   10 μm的颗粒物)污染相当严重，其平均质量浓度连续4年(2004—2007)超出国家环境空气质量标准。为控制空气污染，切实保护人们的身体健康，世界上许多国家制定了严格的国家环境空气质量标准。我国1996年制定的《环境空气质量标准》中明确提出了PM₁₀的控制指标，而美国1997年在原有PM₁₀质量标准基础上率先颁布并执行了更为严格的细颗粒物PM_2.5(空气动力学直径小于2.5 μm的颗粒物)控制标准。我国现行的PM₁₀质量标准是否合理也逐渐成为人们比较关注的问题。在此，本文作者对长沙市环境空气中的PM₁₀与PM_2.5进行同步监测，以揭示二者之间的相关性，以便为制定合理的空气质量标准提供科学依据。

1  测试方案与仪器

环境监测点位于长沙市郊区中南大学校园附近的一居民建筑楼顶，距地面约15 m，背靠岳麓山，紧邻交通环线，周边有少量的建筑施工与工业厂房。测试时间为2007-11—2008-10(其中在2008-02—2008-04，由于寒假中断了实验测试)。根据长沙地区气候特征，测试阶段可分为冬季(2007-11—2008-01)、夏季(2008-05—2008-07)、秋季(2008-10)。

采用环境大气颗粒物监测仪TEOM 1400a (Thermo R&P, USA)对长沙市环境空气中的颗粒物PM₁₀质量浓度进行实时监测，每分钟记录1次数据。此外，为分析颗粒物PM₁₀与PM_2.5的相关性，于2008-10同时采用智能粉尘监测仪DustTrak 8250(TSI, USA)对颗粒物PM_2.5的质量浓度进行实时监测。

运用SPSS统计学分析软件对测试数据进行均值比较、t-test检验、相关性分析等统计学分析，以研究长沙市大气环境中颗粒物浓度在全年、季节、周、日的变化规律。

2  结果分析与讨论

2.1  PM₁₀质量浓度的季节变化

监测期间PM₁₀日平均质量浓度总体变化趋势如图1所示，其中22 d PM₁₀质量浓度超出我国环境空气质量日平均二级标准(150 μg/m³)，占总测试天数的26.2%。秋冬季节超标天数明显多于夏季，这与季节性污染源及气象因素有关。由于秋、冬季节天气比较寒冷，居民家庭及公共建筑燃煤较多以满足生活热水与供暖需要，颗粒物污染明显加重；另一方面，由于冬季温度较低，有利于新颗粒物的生成和堆积，使得颗粒物质量浓度比夏季的高。日平均质量浓度最低值出现在冬季，这主要与气候突变有关。自2007-11-16起长沙地区气温骤降十几度，并伴随阴雨天气，这种气象条件不利于颗粒物在大气中积聚，从而导致颗粒物质量浓度降低。此后几天，气温又逐渐回升，颗粒物质量浓度渐渐升高。从图1可看出：长沙颗粒物污染相当严重，年平均质量浓度为(120.8±47.7) μg/m³，明显高于我国环境空气质量年平均二级标准(100 μg/m³)。

图1  2007-11—2008-10长沙市郊区PM₁₀日平均质量浓度

Fig.1  Average diurnal mass concentrations of PM₁₀ in suburban of Changsha from November 2007 to October 2008

对上述实时监测的长沙市郊区PM₁₀质量浓度按季节进行统计分析，结果如图2所示。从图2可见：长沙夏季、秋季及冬季的平均质量浓度分别为(116.4±42.6)，(122.3±46.1)和(125.0±57.4) μg/m³。冬季颗粒物日平均质量浓度最高，夏季的最低，秋季的居中。我国其他城市也表现出类似现象，如北京PM₁₀夏季质量浓度为172.2 μg/m³，冬季为184.4 μg/m^{3 [9]}；珠江三角洲PM₁₀夏季质量浓度为74.6 μg/m³，冬季为111.5 μg/m^{3 [10]}。上述结果表明：我国中部城市(长沙)的颗粒物污染程度比北部城市的轻但比南部城市的重。其他国家城市监测结果也表明：冬季颗粒物质量浓度要比夏季的高，如希腊雅典PM₁₀质量浓度夏季为73.9 μg/m³，冬季为77.0 μg/m^{3 [11]}；意大利米兰PM₁₀夏季为68 μg/m³，冬季为103 μg/m^{3 [12]}。

图2  长沙市郊区颗粒物质量浓度的季节变化比较

Fig.2  Particle mass concentrations in suburban of Changsha at different seasons

2.2  PM₁₀质量浓度的周变化

对长沙市郊区颗粒物实时质量浓度按周进行统计分析，得到工作日和周末日平均质量浓度变化规律。PM₁₀周质量浓度的变化趋势如图3所示。从图3可见：颗粒物质量浓度自星期一开始逐渐升高，星期三以后慢慢下降，但在星期六开始显著升高而后(星期日)迅速降低。颗粒物质量浓度在星期三与星期六各有1个峰值，其中，星期六质量浓度达到最大值。这表明PM₁₀质量浓度与人类活动密切相关。自星期一开始，人们的工作强度或人类活动逐渐加强，因此，由人类活动(基建、交通、工业等)产生的颗粒物逐渐增加。但自星期三以后，人们的工作强度又有一定程度的松懈，从而导致由这些人工源产生的颗粒物逐渐降低。周末第1天(星期六)，人们的户外活动(购物、交通等)明显加强，导致颗粒物质量浓度达到1周内最高值，而星期日大多数人选择休息，为下一周工作做准备，活动明显减少，交通密度减弱，颗粒物质量浓度也随之降低。

图3  长沙市郊区工作日与周末PM₁₀质量浓度

Fig.3  Average diurnal mass concentrations of PM₁₀ in suburban of Changsha during weekdays and weekends

通过文献分析发现：在发展中国家，人们在工作日期间工作强度与压力非常大，因此，周末外出活动比较集中。这可能是导致周末颗粒物质量浓度较高的原因。如印度新德里周末PM₁₀质量浓度高于工作日质量浓度^[8]。但发达国家研究结果则不同，如英国雷丁和西班牙巴塞罗那工作日颗粒物质量浓度高于周末的质量浓度^[13-14]。这可能是在发达国家，人们周末以休息娱乐为主，交通密度降低，从而导致颗粒物质量浓度降低。

经进一步研究发现：并不是全年周末PM₁₀质量浓度都高于工作日质量浓度，不同季节工作日与周末PM₁₀质量浓度有明显差异。如表1所示，夏季工作日与周末PM₁₀平均质量浓度分别为(103.8±33.9) μg/m³与(148.8±47.2) μg/m³，秋季分别为(127.7±56.9) μg/m³与(114.2±68.6) μg/m³，冬季分别为(130.1±54.0) μg/m³与(106.7±71.9) μg/m³。通过t-test检验发现：冬、夏季节工作日与周末颗粒物浓度有显著性差异(p＜0.001)，秋季则无显著性差异。冬季工作日颗粒物质量浓度高于周末质量浓度，而夏季周末颗粒物质量浓度远高于工作日质量浓度，这与夏季周末户外活动较多而冬季周末人们主要在家休息有关。

表1  长沙市郊区工作日与周末PM₁₀日平均质量浓度

     Table 1  Average diurnal mass concentration of PM₁₀ in suburban of Changsha during workdays and weekends     μg/m³

2.3  PM₁₀质量浓度的日变化

对颗粒物实时质量浓度按24 h进行统计分析，得到颗粒物PM₁₀逐时质量浓度变化特性，见图4。从图4可以看出：PM₁₀质量浓度日变化呈双峰曲线，第1个峰值出现在上午9:00附近，第2个峰值出现在下午18:00附近。上午颗粒物质量浓度峰值明显高于下午质量浓度峰值，但上午的峰值比较短暂，变化较快，而下午峰值则持续时间较长。

图4  长沙市郊区PM₁₀质量浓度日变化曲线

Fig.4  Average diurnal variation of PM₁₀ concentrations in suburban of Changsha

颗粒物质量浓度日变化趋势主要与上、下班交通高峰和气象因素有关。上午，人们上班时间(8:00-9:00)比较统一，导致该时段出现交通高峰期，随后，交通量由于人们集中工作而迅速降低。尽管人们的下班时间基本上是统一的(18:00)，但下班后人们回家的时间选择比较自由，而且晚上的各种活动比较多，因此，交通量一直比较大。此外，早晨近地层大气呈逆温，大气处于稳定状态，有助于空气中的颗粒物积聚，从而导致颗粒物污染最严重。下午太阳辐射增强，气温升高，大气稳定性破坏，对流量大，产生空气的垂直湍流运动，有利于近地层空气中的颗粒物向上扩散而被带到高空稀释，质量浓度降低。国内外大量相关研究均得到类似的颗粒物质量浓度日变化特性^{[6, 15]}。

2.4  PM₁₀与PM_2.5质量浓度的相关性

于2008-10同时监测PM₁₀与PM_2.5的质量浓度，日平均质量浓度变化如图5所示。从图5可以看出：10月PM₁₀ 与PM_2.5质量浓度具有十分类似的变化趋势，说明粗颗粒物与细颗粒物之间质量浓度存在很好的相关性(相关系数R=0.861)，如图6所示。这里要特别说明的是：PM_2.5质量浓度是采用DustTrak测试的，而PM₁₀质量浓度则采用TEOM 1400a测试，二者在数值上有较大区别。这主要是由于它们的测试原理不同，前者基于光散射原理，而后者基于微震荡天平称重原理。PM₁₀与PM_2.5质量浓度之间良好的相关性说明我国目前采用PM₁₀环境空气质量标准仍是可行的。与欧美等发达国家不同，我国目前城市空气中的颗粒物仍以土壤扬尘等粗颗粒物为主，因此，采用PM₁₀质量浓度能够很好地衡量颗粒物污染程度。但是，发达国家城市空气中主要以汽车尾气等细颗粒物为主，此时PM₁₀质量浓度不能很好地反映颗粒物污染程度，因此，必须采用细颗粒物PM_2.5空气质量标准。

图5  2008-10长沙市郊区颗粒物日平均质量浓度变化

Fig.5  Average diurnal mass concentrations of PM₁₀ and PM_2.5 in suburban of Changsha in October, 2008

图6  长沙市郊区粗颗粒物PM₁₀与细颗粒物PM_2.5质量浓度相关性

Fig.6  Relationship between mass concentrations of PM₁₀ and PM_2.5 in suburban of Changsha

3  结论

(1) 长沙市环境空气中颗粒物污染程度介于我国北部与南部城市的污染程度之间，颗粒物质量浓度受气象条件(环境温度)、人类活动强度及交通密度变化影响显著。

(2) 长沙城市大气环境中颗粒物PM₁₀质量浓度在2007-11—2008-10测试期间的平均质量浓度为(120.8±47.7) μg/m³，明显高于我国环境空气质量年平均标准；夏季、秋季及冬季平均质量浓度分别为(116.4±42.6)，(122.3±46.1)和(125.0±57.4) μg/m³。秋冬季节PM₁₀质量浓度较高，主要是温度较低不利于颗粒物扩散及人们在该季节燃煤较多所致。

(3) PM₁₀质量浓度周变化趋势与人类活动相关。夏冬季节PM₁₀质量浓度在工作日与周末存在显著差异：冬季工作日质量浓度高，而夏季周末质量浓度高。

(4) PM₁₀质量浓度日变化明显受城市交通密度的影响，峰值分别出现在上午9:00与下午18:00附近，与早晚交通高峰期吻合。

(5) 长沙城市空气中颗粒物PM₁₀与PM_2.5质量浓度具有很好的相关性，说明采用PM₁₀环境空气质量标准目前仍是可行的。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2010-01-18；修回日期：2010-04-15

基金项目：全国高等学校优秀博士学位论文作者专项基金资助项目(200545)；国家“十一五”科技支撑计划项目(2008BAJ12B03)

通信作者：邓启红(1973-)，男，河南潢川人，博士，教授，从事环境空气污染及其健康效应研究；电话：0731-88877175；E-mail: qhdeng@mail.csu.edu.cn