主题：【分享】PM2.5的时空分布：冬天最高，下午最低

文章内容转自赛先生的子晶作品，冬天已经到来，希望对大家对大气检测工作能够有所帮助！


10月份，《科学报告》刊载了南京大学章炎麟和曹芳的研究成果《中国城市的PM2.5》。这项系统性研究首次对中国190个城市进行了长达一年的PM2.5浓度监测。
研究结果表明，被监测的190个城市中，仅25个城市达到了国家环境空气质量标准。中国城市加权人均PM2.5是61μg/m3，是全球均值的3倍。从空间分布来看，中国北方城市的PM2.5浓度普遍高于南方。从时间分布来看，PM2.5浓度冬天最高，夏天最低。每天晚上最高，下午最低。
亚洲发展银行的一份报告称，全中国500个大城市中，只有不到1%的城市的空气质量达标(即，年均10μg/m3和日均25μg/m3)。世界卫生组织已将中国的一些城市列为全世界空气污染最严重的城市。
此前虽已开展过针对部分发达城市如北京、上海、重庆等地的PM2.5研究，但并未建立起大规模的全国监测网络。大规模实时监测对于研究中国城市PM2.5的空间和时间(如季节和昼夜)分布是非常必要的。从2013年底开始，近950个监测站在中国的190个城市投入使用，建立起大规模的全国监测网络，向公众实时发布空气质量结果。按照新的国家环境空气质量标准(II级)，受监测的190个城市中有165个城市不达标，占总数的87%。
PM2.5的空间分布


图1：(a)2014/2015年190个城市平均PM2.5浓度(b)春季(c)夏季(d)秋季(e)冬季

从空间分布来看，PM2.5浓度普遍较高的城市都位于中国北方和内陆地区，而南方和沿海地区的PM2.5浓度相对较低。京津冀地区PM2.5的年平均浓度最高。这里是重工业最密集也是烧煤最多的地区。全国雾霾最严重的的10个城市中有一半都位于京津冀地区，分别为保定、邢台、石家庄、邯郸和衡水。京津冀地区的气候特征也是污染加剧的原因之一。弱风静稳天气和较低的大气边界层利于气溶胶的聚积和形成。
海南省PM2.5的浓度最低，这是得益于较低的人为排放量以及当地有利大气扩散的气候条件。由于煤炭产业较少且大气扩散性较好，珠江三角洲的PM2.5浓度普遍低于其他两个大城市群，即京津冀和长江三角洲地区。
PM2.5的季节分布


图2：(a)2014/2015年190个城市平均PM2.5/PM10比值(b)春季(c)夏季(d)秋季(e)冬季

PM2.5浓度的季节性变化非常明显。通常来说，冬季PM2.5浓度最高，夏季PM2.5浓度最低。冬季PM2.5浓度高的原因主要在于燃煤供暖、生物质燃烧和不利于空气扩散的气候。其次，有机或无机的悬浮颗粒也会产生大量的空气污染物。
然而，在中国西北部和中西部的地区，污染最严重的季节是春季而非冬季，这期间灰尘颗粒在这片类沙漠地区急剧增多。中国西部污染最严重的城市之一的库尔勒，春季的PM2.5  / PM10比值比其他城市都要低的多(平均0.56±0.10)。  其他西北部和中西部城市也出现了类似现象。粗颗粒污染物主要来源于本地灰尘和就近区域灰尘。事实上，春天也是这些地区沙尘暴最频繁的时候。
夏季PM2.5的浓度明显降低，这与人为排放和以供暖为目的的生物质燃烧减少有关。此外，悬浮颗粒的大规模湿沉积以及海洋季候风带来的洁净空气都对空气污染有着很强的稀释作用。
有趣的是，中国东部秋季的PM2.5浓度较高，这可能因为丰收季生物质燃烧较为频繁，比如，中国农村传统的秸秆露天焚烧。来自美国宇航局的卫星图片显示，10月份，中国东北部和南部的生物质燃烧十分频繁。一份报告指出，珠江三角洲最大的城市广州，有高达19%的PM2.5来源于农业生物质燃烧。珠三角和东北地区的秋季PM2.5值比春季高。190个受监测城市中，有9个城市秋季的PM2.5值甚至比冬天还高。生物质燃烧对空气污染的影响之前显然被低估了。
PM2.5的昼夜分布
北京秋冬季的PM2.5浓度不仅明显比春夏季高，而且日昼夜变化幅度也明显比春夏季的大。夜间PM2.5峰值比下午要高出2倍。PM2.5浓度最低的时候是下午。这个时段内大气边界层升高，风速也增加。但从下午4点开始，PM2.5的浓度开始上升，大气边界层的高度不断降低，车辆排放以及二氧化氮的排放明显增加。此外，只允许夜间行驶的柴油货车也是加重空气污染的原因之一。重型车辆的污染物排放量是轻型车辆的6倍。
上海PM2.5浓度昼夜分布是非常独特的。冬天，上海全天PM2.5浓度都比其他季节高。这可以归因于人为排放的增多。此外，中国北方重度污染的空气随着东亚冬季季风被送到了长三角地区，因此影响到了该区域的空气质量。全天主要有两个PM2.5浓度的中等峰值：一个是在上午7点到10点间，另一个在夜间7点到10点间。而在夜间到清晨这段时间内，空气污染值达到最低。
广州PM2.5浓度昼夜波动较大的是秋季和冬季，其特点是下午最低、夜间最高。PM2.5浓度从下午开始上升。在春季和夏季，PM2.5的中等峰值通常出现在午后。这一现象(即高峰提前)可能是由太阳照射所致。更长和更强的光照增加了臭氧浓度和环境温度，导致悬浮微粒的光化学形成也相应增加。春季和夏季，生物有机挥发物也可能会增加PM2.5水平，因为广州属于亚热带气候，年平均气温达到25°C  并且有较高的常绿植物覆盖率。广州所有季节的夜间(即19～00至午夜)，PM2.5的浓度都保持在较高的水平。需要注意的是，广州PM2.5/CO比值低于北京和上海，这要得益于广州的燃油污染(汽油车辆排放和生物燃料)小于北京或上海的煤炭污染。
参考文献

http://www.nature.com/articles/srep14884