大气环境中PM2.5的研究进展与展望

大气环境中PM2.5的研究进展与展望
摘要:概述了国内外关于大气环境中PM2.5的研究进展。

针对目前国内大部分城市阴霾天气日益加重，国内相关部门和领域更加重视PM2.5的监测和研究现状，调研了国内外大气环境领域关于PM2.5的研究情况，提出改善空气质量、加强PM2.5研究的建议。

介绍了PM2.5的定义，指出PM2.5对人体健康和能见度的不利影响。

国内关于PM2.5的研究工作包括:研究PM2.5与气象条件的关系；PM2.5的观测特征以及成分和来源分析；开展PM2.5的数值模拟。

叙述了沈阳地区关于PM2.5的研究现状，提出改善沈阳城市大气环境的措施，包括加强PM2.5的连续监测，调整产业结构和布局，提高能源效率,发展洁净能源、减少煤炭消费和防治机动车尾气污染。

关键词：PM:. 5 ;大气环境；改善措施;沈阳地区
Study progress on PM2 5 in atmospheric
Abstract!Study progress on PM25 in atmospheric environment was summarized at home and abroad. Now, the ur?ban haze weather is increasing in most cities of China, so the PM2 5 monitoring and the corresponding studies be?came a main focus in relevant departments in China. The current status of PM2 5 study was summarized, and some advices were brought up such as improving air quality and enhancing the corresponding studies on PM2 5. The defi?nition of PM 2 5 was introduced, and the disadvantageous effects of PM 2 5 on the human health and visibility were revealed. The studies on PM25 could be divided into three types in China, namely, analyzing the relationship be?tween PM2 5 and meteorological conditions；discussing the characters of PM2 5 and its source；simulating the values of PM 2 5 with the numerical model. The evolution of studies on PM 2 5 in Shenyang region was reviewed and some measurements were suggested such as
ensuring the continuous monitoring to PM25, adjusting the structure and the layout of industry, improving the energy efficiency, developing the clear energy, decreasing the coal consumption and controlling the automobile exhaust pollution.
Key words:PM25;Atmospheric environment;Improvement measurements;Shenyang region
引言：中国气象局国家气候中心监测数据显示,2011 年9月1日至12月20日，中国中东部地区雾霾天气多发，共发生12次较大范围的雾霾天气过程，不仅雾霾日数多，而且影响范围广。

中国城市空气污染的突出问题之一就是阴霾，特别是长江三角洲和珠江三角洲、京津冀地区的阴霾天气明显增加，在珠江三角洲的部分地区阴霾天气已经占到全年日数的一半。

上海市气象局在世界气象日公布的数据显示，长江三角洲地区大气气溶胶浓度有逐年增加的趋势，细颗粒物污染地区的面积也在逐年扩大。

中国的城市空气污染相当普遍，污染类型以煤烟型和沙尘型为主，主要污染物为总悬浮颗粒（TSP)、二氧化硫。

通常可以看到这样一种现象：官方发布的空气质量为优良，天空却是一片灰蒙蒙的景象；可吸入颗粒物还不到标准限值的十分之一，而人们总是感到呼吸不适……。

其实这并不是政府环保部门的工作失误，主要是因为中国日常环境空气质量监测体系中没有对细颗粒气溶胶进行监测。

中国是发展中国家，环境质量标准与发达国家相比相对宽松一些。

PMw、NOx、SO2是中国日常监测中引入的3项污染物指标,对于细颗粒物（PM2.5)并没有具体的质量标准。

以长江三角洲为例，各地政府对水污染的治理非常重视，但对空气质量的治理就显得比较欠缺，这在一定程度上造成了气溶胶污染逐年增加的现象1。

目前，中国还没有对PM2 5进行大规模的系统监测,只有部分城市进行了一些短期研究，相对于美国和世界气象组织WMO的空气质量标准（或推荐值），中国的细颗粒物污染非常严重2。

沿海地区如青岛、上海、香港、深圳和珠海以及厦门等城市PM。

.5 的污染水平较低，而内陆地区细颗粒物污染严重。

空气中的悬浮颗粒物肉眼是看不见的，但它们能降低空气的能见度，导致灰霾天气。

空气中不同大小的颗粒物都能降低能见度，不过，与粗颗粒物相比，细颗粒物（PM2.5)降低能见度的能力更强，是灰霾天气能见度降低的主要原因。

中国环境监测总站对2010年试点城市灰霾监测结果显示，发生灰霾天气时,PMW及PM2.5浓度明显增加，而且细粒子与能见度呈明显负相关关系（细粒子多，则能见度低；细粒子少，则能见度高），这表明灰霾天气状况与颗粒物浓度密切相关，颗粒物浓度增加是除了气象条件以外，灰霾产生的重要因素之一。

人们对颗粒物开展了大量的研究工作B-7]。

1.PM
2.5的定义
气溶胶颗粒物的大小是粒子最重要的性质。

按粒径可把颗粒物分为总悬浮颗粒物（TSP)和可吸入颗粒物（PMW和PM25)。

TSP是指空气动力直径小于或等于100.0 ^m的颗粒物,PM10是指空气动力学直径小于或等于10.0 pm的颗粒物。

PM25是指空气动力学直径小于或等于2. 5 pm的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，它的直径还不到人的头发丝粗细的
1/20。

虽然PM2 5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要影响。

此外, 粒径小于0. 1 pm的粒子又称为超细粒子08。

PM2.5的主要来源是人为排放。

人类既直接排放 PM2.5,也排放某些气体污染物，在空气中转变成 PM 2.5。

直接排放主要来自燃烧过程，比如化石燃料 (煤、汽油、柴油）的燃烧,生物质（秸轩、木柴）的燃烧和垃圾焚烧等。

在空气中转化成PM2 5的气体污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、氨气和挥发性有机物。

其他的人为来源包括:道路扬尘、建筑施工扬尘和工业粉尘等。

大气中的细颗粒物PM 2.5,往往会附着硫化物、氮氧化物和重金属颗粒等大多由工业污染源排放的污染因子，因而对人体的伤害很大。

2.PM2.5的污染影响
PM2 5的污染危害是广泛的，但最主要的是体现在对人体健康的危害和大气能见度的影响两个方面。

颗粒物进入人体，能引起人体疾病。

颗粒物的粒径决定了人体什么部位能受到损伤，这是因为颗粒物粒径越小，颗粒物进入人体呼吸系统的部位就越深，甚至能够穿透肺泡进入人体血液循环影响心脏、大脑等重要器官，造成的危害也就越大。

粗颗粒物PM 2. 5-i。

主要沉积在咽喉与气管等上呼吸系统，细颗粒物PMpu可以进入支气管等下呼吸系统，更细的颗粒物PM 0. H则能够进入肺部，超细颗粒物 PM〇. i能够穿透肺泡进入血液循环系统。

颗粒物的化学成分是对人类健康造成危害的关键因素。

颗粒物携带有毒重金属、硫酸盐、有机物和包括病毒、细菌在内的其他污染物能直接进入人的呼吸道和肺部，影响肺部及其他器官健康09。

细颗粒气溶胶PM2.5 因其粒径较小、同时比表面积较大，与粗颗粒物相比，它更容易富集有毒物质。

大量科学研究也表明了大气细颗粒物浓度在短期内小幅增加会提高呼吸系统疾病的死亡率，特别是细颗粒物可通过呼吸道进入肺泡,经过血液循环到达其他器官，从而造成对人体呼吸系统和其他功能系统的损害，其对人体健康的危害要远远超出粗颗粒物。

大气颗粒物不仅对人体健康造成严重的危害，同时也对全球气候、城市能见度造成很大的影响。

不同成分的颗粒物对太阳辐射有着吸收或反射的作用，从而改变当地的温度，
同时影响云的形成改变局部水循环，造成局部地区天气恶劣。

颗粒物对可见光具有散射、吸收和折射作用，从而降低城市能见度。

英国环保部门研究表明，TSP中粒径在10.0- 100.0 pm的粒子，由于重力的沉降作用，在空气中停留时间较少，传输距离较短，很快就沉降到地面，而粒径小于10.0 pm的颗粒物在空气中停留时间较长，尤其是粒径小于2.
5 pm的颗粒物在大气中能停留7-30 d,不易沉降到地面，并可以长距离传输。

中国气象局北京城市气象研究所和北京大学合作于 2001年春季(3月）、夏季（6月）、秋季（9月）和冬季 (12月）开展了大气细粒子与气象能见度的同步综合观测，结果表明，大气能见度与细粒子质量浓度呈现很好的负相关性，细粒子污染是造成大气能见度下降的主要原因M。

PM25的危害为大家所熟知，当前PM25所造成的污染事件越来越多，公民和有关部门越来越关心和重视环境中PM25浓度的情况，深入开展关于 PM 25的监测和研究工作势在必行。

3.国内PMi5的研究进展
国外许多国家在这方面的工作开展的较早。

美国对可吸入颗粒物的研究始于20世纪80年代初，并且于1985年美国国家环境保护局将原颗粒物质指示物总悬浮颗粒物（TSP)项目修改为PM w。

美国环境保护局在1997年又提议修改美国国家大气质量标准,规定了PM2 5的最高限值。

加拿大、西班牙等欧美其他国家也在PM25研究方面做了大量的工作。

中国在气溶胶细粒子研究方面起步较晚，近年国内PM 25的研究工作越来越受到重视。

前期的工作主要是分析PM2 5与气象条件的关系。

刘辉等 2008年6-9月在北京城区清华大学和郊区密云水库开展大气颗粒物观测，采集了 PM2 5样品共180 个，分析表明除污染源排放外，气象条件也是影响 PM 25及其水溶性离子浓度的重要因素。

气团来源分析显示，南方气流的区域性缓慢传输是导致2008年北京奥运会前两个PM2 5重污染过程的关键成因，而北方洁净气流频繁、快速的输入则是导致北京奥运会期间PM25浓度显著降低的重要原因之一。

樊文雁等012 2007年夏秋季节，在北京325 m气象塔8、 80 m和240 m平台梯度观测，分析雾、霾、晴3种典型天气状况下大气细粒子质量浓度垂直分布特点。

吴志萍等M在清华大学校园内研究草坪、篱草、阔叶乔木、针叶乔草、阔叶乔草和乔灌草6种城市绿地空气PM2 5浓度的日变化规律、月变化规律，分析不同类型绿地空气PM2 5浓度差异以及不同天气条件下 PM2.5浓度。

孟昭阳等014 2005年12月至2006年2 月在太原市区持续观测了气溶胶细粒子PM2 5,并应用Sunset碳分析仪进行了有机碳（Organic Carbon, OC)和元素碳（Elemental Carbon, EC)的测定，结果表明:太原冬季PM2.5, OC和EC浓度均较高，即太原市冬季PM。

」和碳气溶胶污染严重。

各种气象条件
对PM2.5,〇C,EC和OC/EC比值的变化都有不同程度的影响，特别是大雾天气、相对湿度、风速和降雪是影响碳气溶胶浓度变化的重要因素。

周丽15运用统计分析和气象统计预报的方法，使用北京白石桥小区的污染物观测资料和同期北京地区的气象观测资料,对影响大气污染的气象因子进行了综合分析,并分别建立了气溶胶PM 2.5粒子浓度与气体污染物、气象要素场的两类统计相关拟合模型。

近年来随着监测手段的进步，关于PM 2 5的观测特征以及成分和来源分析研究越来越多。

陶俊等M 于2009年4月19日至5月17日在成都城区每天采集PM2.5样品，然后对样品进行8种碳组分、水溶性有机碳、左旋葡聚糖及水溶性离子分析，初步探讨了碳气溶胶的来源。

因子分析结果表明〇C2、OC3、 OC4和WSOC主要来源于生物质燃烧排放,EC1主要来源于燃煤排放,EC2、EC3主要来源于机动车排放。

王巍等17探讨北京地区沙尘暴期间PMW、 PM 2 5中所含化学元素含量变化的规律和特点。

木拉提等M分析北京和内蒙古阿拉善盟两地沙尘天气期间大气颗粒物PM 25和PM 10质量浓度的变化及其部分元素浓度的变化特征，研究发现，污染元素Pb、As 容易在粒径较小的PM 25中聚集，并且主要受人为活动的影响，可能与沙尘天气无关联。

张永等1]研究家庭居室空气中PM 25浓度及其影响因素，结果显示室内空气浓度超过美国EPA环境空气中PM25标准且与室内PM10浓度具有统计学相关。

程鸿等20调查北京市住宅室内空气颗粒物的污染状况，研究室外颗粒物以及室内活动对室内颗粒物浓度变化的影响，为制订和修订相应的室内空气质量标准提供基础数据及相应的科学依据。

田芳等M通过在天津市塘沽区布设3个采样点，共采集12个PM25样品，测定其中16种优控 PAHs的含量，研究细微颗粒物PM2 5中PAHs的分布特征及来源，通过化合物之间的相对比值分析得出，市区点的PAHs污染主要源于煤的燃烧、人为活动和工业污染，工业点的PAHs污染主要源于交通和燃煤的综合作用，乡村点的PAHs污染主要源于煤的燃烧，可能是从城市中心和工业点长距离传输而来。

何宗健等122调查夏季南昌市大气颗粒物PM1。

、 PM25的污染水平，007年7-8月在南昌市5个典型城市功能区采集了 80个样品。

分析表明，南昌市 PM10和PM2.5污染很严重，在空间分布上，夏季5个采样点的污染情况基本为交通干线大于工业区大于商业混合区大于居住区大于远郊区。

王娟等123利用气相色谱一质谱技术分析了秋季鄂尔多斯市居民区、工业区和清洁区5个采样点大气PM2.5、PMW颗粒物中正构烷烃组分，通过与中国其他大中型城市对比发现，中国大部分城市市区大气PM2.5、PMW颗粒物中正构烷烃主要来自于人为污染排放。

刘刚等24研究杭
州市大气PM2.5中重金属和碳、氮、氢的污染状况得出，碳是杭州市大气PM2 5的重要组成部分，氮、氢分别主要以无机氮和有机氢的形式存在， Zn、Pb、Cu、Mn是主要重金属
污染。

刘章现等M调查平顶山市大中型商场室内空气可吸入颗粒物 (PMW)和细颗粒物（PM2 5)的污染情况得出，大中型商场内存在颗粒物的污染来源，商场内空气中颗粒物污染严重。

赖森潮等M调查广州市居民室内空气中PM 25的污染特征并探讨其污染来源得出，室内污染源（烹饪、吸烟等），室外污染源（机动车排放）以及房屋条件（通风条件、装修时间）等对室内的PM 2. 5浓度水平的影响较大。

郝明途等127用重量法测定了济南市PMW、PM2.5的质量浓度，分析表明，济南市 PMW和PM2 5污染严重,尤其是表现在采暖季。

黄鹂鸣等128初步调查南京市空气中颗粒物PMW、PM2.5 的污染水平，结果表明，南京市PMW、PM2.5的污染很严重,而且对人体健康危害更大的PM 25占颗粒物的大部分。

吴国平等29]研究中国广州、武汉、兰州、重庆4城市空气中PM2 5和PM10的污染水平，在这4个城市分别设一个污染点和对照点进行了为期2 a的卩皿2.5、？皿10和丁3?监测，结果表明，空气中颗粒物的污染是严重的，污染点比对照点更甚。

对人体健康危害较大的PM2 5普遍超过美国新标准的2-8倍。

目前关于PM 25所开展的数值模拟工作还是较少的。

费建芳等^利用多尺度空气质量模式系统 (Models-3/CMAQ)对2002 年 12 月 1-3 日北京及周边地区发生的_次大雾天气进
行数值模拟，分析了大雾天气下PM2 5二次无机粒子的演变及其影响。

中国关于PM 2 5的研究工作起步较晚，监测资料缺乏,与欧美等发达国家差距较大，所开展的研究都是局部的和试探性的，集中在北京、广州等少数大城市，严重缺乏系统性和连续性。

所做的研究工作也主要集中在资料的统计分析、影响因素分析等。

要想改变这种落后的状况首先要做的就是加强PM 2. 5 的系统监测，为开展PM25研究工作提供资料保证。

在探讨污染物形成、变化的机理，数值计算模拟方面的大量工作都是欠缺的，这些工作都需要大力开展。

4.沈阳区域PM2.5的研究现状
沈阳是中国典型的北方城市，近年受到雾霾天气影响越来越重，环保部门加大了对PM 2. 5的监管程度。

前期在大气环境领域开展的研究工作主要有，马雁军等61利用沈阳、鞍山、抚顺和本溪4城市 2007-2009年大气细粒子PM2 5及大气污染物 PMw、S〇2、N〇2
的观测资料,分析了 4城市大气细粒子的分布特征及其与空气质量的关系。

刘宁微等M 利用2009年6月1日至2010年5月31日沈阳大气成分站能见度和大气细粒子的小时观测数据，对沈阳霾与雾的时间变化特征进行初步探讨。

张云海等63利用1961 -2007年辽宁中部地区6个城市的地面常规气象资料和2002-2007年东亚地面、高空天气形势资料及
2005-2007污染监测资料,统计分析了辽宁中部地区气候环境特征对灰霾天气形成的有利形势与不利的地面天气形势，对比颗粒物资料和实况资料研讨了灰霾天气常见的天气形势。

刘宁微等M利用1980-2009年沈阳观象台观测气象要素资料,采用统计方法对沈阳的灰霾日进行判识和筛选，进而研究沈阳灰霾的长期变化趋势及分布特征。

杨洪斌等M统计分析了 2005-2009年辽宁14 个城市5种污染物逐日的污染指数API数据，基于东北低压型、南大风型、干冷锋北大风型和夏秋大雾型4种易形成辽宁地区沙尘污染的天气类型，对污染天气类型进行归类统计研究。

结果表明，重污染和中度污染天气中PMi。

污染所占比例最高，污染天气类型主要是干冷锋北大风型。

马雁军等36利用2006年8月至2007年10月辽宁中部沈阳、鞍山、抚顺和本溪4城市可吸入颗粒物PM10、PM2 5和PM1 及同期气象因子监测资料，分析了可吸入颗粒物分布特征、污染水平及其与气象因子的关系。

马雁军等67]分析2002年辽宁中部城市群的大气污染分布状况，将1月17 -19日作为典型污染日，分析其污染状况及对应的气象条件，得出该地区典型重污染的气象条件。

陈力强和杨洪斌M应用2003 -2004年主要污染物浓度和气象资料，对辽宁省全年的PMW 产生的区域性重度污染天气进行了环流分型。

马雁军等3]分析了辽宁中部城市群相对集中的5个城市 1987-2002年的大气能见度、影响能见度的气象因子和污染物的变化特征及能见度与气象因子、污染物浓度之间的相关关系，研究得出，沈阳的能见度1987-1997年逐年变好,1997年以后又逐年变差；其他城市的能见度呈逐年变差的趋势。

5个城市TSP, S〇2污染浓度年均值均呈下降趋势,NOx的年际变化趋势不明显。

马雁军等40根据2002年辽宁省中部城市群（沈阳、鞍山、本溪、抚顺和辽阳）的主要大气污染物（TSP、PM1o、SO2、NOx)的监测值及气象因子（能见度、风速、温度、湿度、降水、总云量和低云量）的观测资料,分析了辽宁中部城市群大气污染的现状、污染程度及污染物与气象因子的相关关系。

近年沈阳地区也开始进行了一些关于PM2 5的观测和来源、成分特征分析等工作。

王扬锋等[41利用2008年3月至2009年2月辽宁沈阳、大连、鞍山、抚顺和本溪p (黑碳）观测资料，分析了其变化特征及重要影响因子。

洪也等[42分析了沈阳冬季灰霾曰大气颗粒物元素粒径分布特征。

洪也等[43讨论了沈阳冬季典型霾日、非霾日和除夕日大气颗粒物元素质量浓度和富集因子粒径分布特征及来源。

洪也等44对沈阳地区PMW、PM2.5和PMi的质量浓度进行了分析。

洪也等[45分析了 2009年1月14日至2 月2日沈阳城区大气颗粒物的元素特征及来源，结果表明，沈阳冬季的燃煤，城市交通、建筑扬尘、春节
期间烟花爆竹的释放及工业释放是其主要来源。

洪也等[46对沈阳市不同功能区细颗粒物元素的浓度和分布特征进行了分析研究。

杜刚和张见昕47]研究了辽宁省典型城市大气中不同粒径颗粒物污染状况及分布特征，结果表明大气中？8?、？厘1。

、？厘2.5三种不同粒径颗粒物污染较重，颗粒物中PMi。

及以下细小颗粒所占比例较高。

对沈阳及辽宁中部城市群所开展的大气颗粒物监测以及颗粒物成分等研究工作在中国是位于前列的。

中国气象局沈阳大气环境研究所在大气成分监测分析领域有着较强的科研队伍和技术实力，已经建立了较完善的城市大气成分监测系统，为开展大气颗粒物污染的科研工作提供了强有力的资料保证。

所开展的污染物成分、变化分析，及影响天气系统分析等研究工作较全面，应继续基于数值模拟分析和面向公众服务等方面展开。

5.研究展望
⑴中国对PM2 5的监测是零散的、间断的，得到的结果也是局域性的，数据的系统性较差，有限的观测结果还不能全面地反映中国细颗粒物污染的整体状况，无法进行深入分析和比较0。

只有进行系统的、全面的监测、研究，才能对中国PM 2.5污染状况和变化有清楚的认识。

(2)目前关于沈阳大气污染物的数值模拟工作主要有，邹旭东等[48_50利用CALPUFF 做过关于沈阳市PMW浓度分布的模拟工作。

马雁军等利用美国第三代空气质量模式系统Models - 3对2002年 1月17-18日辽宁中部城市群大气污染物S〇2,N〇2 和PMW的浓度分布进行了数值模拟。

而关于PM2.5 所开展的数值模拟工作还是缺少的。

对数值模拟工作中PM 2.5的传输、迁移、转化和沉降等过程的特殊性值得关注。

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