武汉市城区空气颗粒物PM2.5和PM10时空特征及与气象条件的关系
摘要：指出了深入了解大气颗粒物浓度的时空变化格局，对于大气污染防治、预警预报等具有重要理论和实践意义。结合2015年1月至2015年12月武汉10个监测站点每小时PM2.5和PM10浓度数据和气象数据，研究了武汉市城区大气颗粒物浓度时空分异特征及与气象环境条件的关系。研究结果表明：武汉市城区PM2.5和PM10浓度均呈现出西部最低、东部居中、中部高低斑块状分布的空间格局。时间上各城区均呈现颗粒物浓度随着月份变化先降低后升高，1月份最高，7月份最低，且浓度呈现夏季<秋季<春季<冬季的变化规律。相关性分析表明，武汉市城区大气颗粒物浓度时空变化特征与降水量、气温等气象因子呈现出显著负相关关系，与风速关系不显著。
关键词：大气颗粒物；时空变化；气候条件；武漢城区
中图分类号：X16
文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10006604
1 引言
空气颗粒物质（PM）是指直径范围为0.001～100 μm极小的固体或液体颗粒，其在空气中悬浮时间长达数小时至数周，其颗粒物越小，在空中停留时间越长[1]。流行病学研究显示直径小于10 μm的细颗粒物能对人类健康产生显著影响[2]。目前，由于空气颗粒物质对人类健康[2]和气候变化产生显著影响[3]越来越受到广泛关注[4～7]。
PM2.5和PM10是空气动力学当量直径≤ 2.5 μm和10 μm的大气颗粒污染物，是表征我国空气质量6个核心指标中的两个主要指标。目前关于空气质量方面的研究也主要集中在PM2.5和PM10这两个指标上。目前其研究主要集中在化学特征[1，7]、排放源清单 [6，8，9]、不同区域时空分异及与气象条件的关系[1，4，5，10]和流行病学研究[2]等方面。这些研究表明PM2.5和PM10无论是从排放源清单、化学特征，还是流行病学研究等方面其时空格局及影响因素均与区域自然和社会因素密切相关[1，4，5，10]，因此对PM10和PM2.5研究都需要结合区域固有特征进行。
武汉位于中国中部，是中国超大城市和国家中心城市之一。近年来，随着社会经济快速发展，武汉中心城区空气污染严重，以空气颗粒物污染问题尤为突出。研究武汉中心城区空气颗粒物时空分布格局及影响因素对于指导其大气污染防治具有重要意义。以2015年1～12月武汉市城区10个空气监测站点PM2.5和PM10每小时质量浓度信息，研究武汉中心城区PM2.5和PM10季节变化规律及空间分布特征及与气象条件关系，以期为武汉市中心城区空气污染治理提供理论依据。
2 材料与方法
2.1 数据来源
PM2.5和PM10浓度数据来源于武汉市城区10个大气环境质量监测站点2015年1月1日至2015年12月31日PM2.5和PM10小时数据（数据来源见http：//59.172.208.45：8080/）。2015年逐月气温、降水量与风速等气象数据从2016年武汉市年鉴[11]中获得。
2.2 数据分析
根据PM2.5和PM10质量浓度小时均值计算获得武汉市城区PM2.5和PM10质量浓度月度、季度与年均值。将其年均值数据信息导入ArcGis10.0，采用IDW（Inverse Distance Weighted）空间插值法，进行PM10和PM2.5的空间分布格局分析。利用PM2.5和PM10质量浓度月均值与逐月气象因子数据，采用相关性分析方法（SPSS20.0）研究气温、降雨量和风速等气象条件对PM10和PM2.5之间的相互关系。
3 调查结果
3.1 武汉市中心城区PM2.5和PM10质量浓度空间分布特征
2015年武汉市PM2.5年均质量浓度值为69.04 μg/m3；PM2.5年均浓度最高和最低监测站点分别为沌口新区监测站点和青山钢花监测站，其值为分别61.67 μg/m3和76.92 μg/m3（图1）。2015年全市PM10年均浓度位于87.79 μg/m3（沉湖七壕）至120.89 μg/m3（武昌紫阳）之间；全市年均质量浓度为112.38 μg/m3（图1）。
大气颗粒物PM2.5和PM10呈现出较强的空间异质性，其质量浓度总体上均呈现西部城区浓度较低、东部城区浓度较高和中部城区浓度高低呈斑块状分布的空间分布格局（图 1）。从各监测站点PM2.5年均质量来看，吴家山、沉湖七壕、青山钢花和汉口江滩四个监测点年均质量浓度较低，沌口新区、汉阳月湖、武昌紫阳和汉口花桥四个监测站点年均质量值浓度较高。对PM10年均质量浓度而言，沉湖七壕和汉口江滩两个监测站点的值较低，沌口新区、汉阳月湖、武昌紫阳和汉口花桥四个监测站点年均质量值浓度较高（图1）。
3.2 武汉市中心城区PM2.5和PM10质量浓度时间变化格局
2015年武汉市各监测站点PM2.5质量平均浓度在时间上呈现夏季<秋季<春季<冬季的变化规律。2015年武汉市空气颗粒物PM2.5夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、春季（3～5月）、冬季（12～次年2月）平均浓度为分别为42.44 μg/m3、59.66 μg/m3、66.94 μg/m3和113.91 μg/m3（图2）。
2015年武汉市各监测站点PM10质量平均浓度呈现与PM2.5相同的时间格局，其夏季浓度最低，冬季浓度最高。空气颗粒物PM10夏季、春节、秋季和冬季平均浓度分别为82.55 μg/m3、102.83 μg/m3、115.41 μg/m3和152.49 μg/m3（图3）。
3.3 武汉市中心城区PM2.5和PM10质量浓度与气象因子相关关系
相关性分析表明各区月均气温与各监测站点PM2.5和PM10质量浓度均呈现显著负相关，即月均温度越高，空气中PM2.5和PM10质量浓度越低。同样，月均降雨量也显著影响着空气中PM2.5和PM10质量浓度，除少数监测站点外，各监测站点空气中PM2.5或PM10的质量浓度均随着月均降雨量的增加而显著减少。相反，除沉湖七壕監测站点外，风速对空气中颗粒物PM2.5或PM10的质量浓度影响不显著（表1）。
4 讨论
2015年武汉城区PM2.5和PM10年均质量浓度分别为69.04 μg/m3和112.38 μg/m3，均超过国家空气质量二级PM2.5和PM10质量浓度限值（PM2.5 < 35 μg/m3；PM10< 70 μg/m3），空气质量较差。
PM2.5是PM10的组成部分，但二者的属性和来源又有所差别，因此二者时空特征具有相似一面也存在差异性的一面[12]。研究发现武汉城区PM2.5和PM10时空格局基本一致，具有很强的同步性（图1、2、3），说明武汉城区空气颗粒物PM2.5在PM10中占有较大比重。
武汉城区PM2.5和PM10年均质量浓度在时空上呈现较强异质性。空间上整体呈现出西部低，东部较高，中部高低镶嵌分布格局；该分布格局主要可能是因为武汉市各区域人口密集程度、交通运输压力和建筑施工（如地铁等）等人为活动和各区域下垫面性质差异等自然因素共同造成的。除空气颗粒物质量空间分布差异外，武汉城区空气颗粒物时间差异明显，PM2.5和PM10质量浓度均呈现夏季低，冬天高的分布格局，其主要原因可能是夏季日照较强，热力湍流发送强烈，热力和机械湍流共同作用是大气混合层高度大气高于其他季节[13]。大气混合层高度越高，大气的湍流交换和垂直扩散能力越强，有利于空气颗粒物的扩散和运输[13]。而冬季武汉城区空气颗粒物质量浓度高主要原因可能是，冬季的气温较低，大气层结构稳定容易形成较厚的逆温层，不利于颗粒物的稀释和扩散，使颗粒物在空气中不断积累而造成严重的空气污染[14]。同时武汉城区由于冬季的西北季风带来的内地污染物和冬季的低温少雨也加剧了空气污染。
大气颗粒物污染成因可以分为内因和外因两种，内因主要为空气颗粒物源的排放，外因主要为气象条件。早期研究表明气温、降雨和风速等气象因子显著影响大气环境中PM10和PM2.5浓度的时空分布 [1，4，7，13～15]。空气温度对大气颗粒物扩散有重要作用[13，14]，一些研究表明由于气温较高时，大气垂直对流作用显著，有利于扩散使得气颗粒物浓度与气温呈负相关[14]；但另有研究表明由于夏季持续高温使大气光化学反应异常活跃，生成更多的二次气溶胶而使得PM2.5和PM10质量浓度与气温呈正相关[13]。该研究发现武汉城区PM2.5和PM10浓度与气温呈现出显著负相关，表明武汉城区气温主要通过对大气湍流和垂直对流作用来影响空气颗粒物都浓度。
降雨也是影响空气颗粒物质量浓度的主要气象条件之一，其主要原因是由于在降水过程中，部分颗粒物在云层内被水汽吸附做了云滴和雨滴的凝结核，从而被雨水冲刷而清除。其许多研究表明降水量与空气颗粒物PM2.5和PM10均有较好的去除效果[16，17]，另一些研究表明降雨量对PM2.5和PM10的去除作用不同，且对PM10去除作用效果更明显[15]。与绝大多数研究结果一致，武汉市城区绝大多数大气监测站点的降雨量与颗粒物质量浓度呈显著负相关，表明降雨量对武汉城区大气中PM10和PM2.5去除效果较好。
风是影响污染物稀释扩散的重要因子，风速对大气污染物的稀释扩散和输送起着重要作用。一般而言，风速大，大气污染物被混合稀释及向下风向水平输送和扩散能力较强，大气颗粒物浓度越低；但一些研究表明风速对空气颗粒物浓度的影响较小[18]，因此不同的风速模式对不同粒径的颗粒物浓度的影响难以一概而论。研究还发现武汉城区月均风速与月均PM2.5和PM10浓度相关性不显著。表明武汉城区大气污染物PM2.5和PM10质量浓度受风速调节作用较小。
影响PM2.5和PM10排放和时空分布的因素较多，如排放源、人类活动、下垫面性质和社会经济影响等；此处仅研究了武汉城区污染物时空格局及与气象条件关系，因此需要进一步研究武汉城区PM2.5和PM10来源及人为活动对其影响，为武汉城区空气污染防治提供重要的理论支撑和指导。
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