门头沟区冬春PM2.5和TSP质量浓度变化特征分析

门头沟区冬春 PM 2.5 和 TSP 质量浓度
变化特征分析
摘要：为了解门头沟区冬、春季PM
2.5
和TSP质量浓度变化特征，选取了了门头沟区2018年12月-2019年5月高密度大气自动监测站点的观测数据，分析了
PM
2.5
和TSP的空间差异特征、时间变化规律与特殊天气的关系。

利用普通克里格插值（Original Kriging)法得到的门头沟区冬、春季颗粒物浓度分布图显示，
PM
2.5
和TSP浓度从由西面深山区向东面浅山区、城区逐渐增大，局部地区的颗粒物浓度存在一定差异，东部地区由北向南逐渐增大。

逐月变化表现为春季TSP的
质量浓度最高，冬季PM
2.5质量浓度最高。

逐日变化反映了TSP和PM
2.5
具有显著的
相关性，且受每日气象条件影响显著；逐小时变化呈现双峰趋势，PM
2.5
的小时变化与TSP相似，但变化幅度相对较平缓。

关键词：PM
2.5
；TSP；时空变化
近年来，随着工业发展，城市人口不断增长，机动车尾气的排放，城市环境空气质量的评价及防治成为一项重要的课题[1]。

大气污染物主要包括气态污染物
和颗粒态污染物，颗粒物按粒径大小可分为TSP、PM
10和PM
2.5。

在各项空气污染指
标中，北京地区以颗粒物污染问题较为显著，对环境、人体健康和大气能见度有
着较大影响。

研究发现，PM
2.5作为PM
10
的一部分，其化学成分复杂且危害较大，
当其浓度较高时，降低能见度，严重危害人体将康。

TSP浓度很高时,会大量吸收可见光降低大气能见度，吸收或吸附具有腐蚀性的化学物质，对建筑物和各种器械有一定的腐蚀作用[2]。

门头沟区位于北京市正西，全区地形以山地为主，山区占本区面积的98.5％。

地势呈扇形，由西北向东南倾斜。

以往的研究局限于门头沟区孤立的监测点，无法对门头沟区PM
2.5
和TSP污染水平进行整体分析，且局限
于细颗粒物。

本次研究，覆盖了门头沟区九镇四街的PM
2.5
和TSP的质量浓度监测
点，将门头沟地区冬春季PM
2.5
和TSP 质量浓度分布作对比分析。

研究表明，空气
中的污染物受时空和特殊天气影响，全区PM
2.5
和TSP分布不均匀，差异较大。

研究结果可为我区大气污染物防控提供参考。

1材料与方法
1.1监测点的选择与数据的收集
选取了北京市门头沟区九镇四街自动监测站点，各个站点及位置分布见图1
和图2，分别收集以上监测点2018年12月-2019年5月的PM
2.5
和TSP质量浓度
的24h日均值以及2019年5月PM
2.5
及TSP的实时浓度值。

1.2数据处理方法
通过对数据的整理计算，得到2018年12
月-2019年5月的PM
2.5
和TSP质量浓度的月均值，并以此为依据利用Arc GIS 10.2软件进行普通克里格插值（Original Kriging)分析，通过已知点的浓度预
测整个门头沟区PM
2.5和TSP质量浓度的空间分布特征。

PM
2.5
和TSP质量浓度的时
间特征主要通过SPSS 20.0软件整理分析。

结合PM
2.5
和TSP质量浓度分布，将门
头沟区划分3类区域，第一类是分布在深山区的监测点，第二类是分布在浅山区的监测点，第三类是分布在城区和东南部的监测点，来对比浓度区域差异。

2 污染源特征结果与分析
2.1 TSP和PM
2.5
质量浓度空间分布特征
2.1.1 门头沟区颗粒物质量浓度整体特征
门头沟区PM
2.5
和TSP质量浓度月均值见表1。

由表1可以看出，TSP质量浓
度12月份出现大高峰，4月份出现小高峰，呈现出双峰型。

PM
2.5
质量浓度从12月开始到4月份平缓升高，4月份之后开始降低。

表1 PM
2.5
和TSP质量浓度月均值
12
1月2月3月4月5月
月
TSP浓度
181123122137165131 /µg·m-3
PM2.5浓度
374147474831 /µg·m-3
2.2.2 TSP、PM2.5区域分布特征
冬春季门头沟区 TSP和PM
地面
2.5
浓度空间分布具有显著特征见图2。

从
地面浓度分图2可以看出，TSP和PM
2.5
布冬春季由西面深山区向东面浅山区、
浓度逐渐城区逐渐增大，局部地区存在一定差异，东面由北向南方向TSP和PM
2.5
增大。

TSP来源主要有建筑尘、土壤尘、汽车尘等。

PM
最主要的来源是燃煤和
2.5
机动车[3]，近年随着北京市推行清洁能源政策控制燃煤使用，交通源的占比提高［4］。

人类活动量大，植被覆盖率低，车辆多，建筑施工现场扬尘，都会增加质量浓度。

coHesketh等[5]的研究结果表明:粒径小于50μm的颗粒, TSP和PM
2.5
会因为浮力及涡流而悬浮于大气中相当长时间,并可以传送到远处；粒径介于50-100μm的颗粒,可以成为悬浮状态,但是很快就会沉降下来。

从地形上看，门头沟地势呈扇形，从西北向东南倾斜，沿山间河谷容易形成较周围地区风速明显偏大的风口，有助于TSP和PM
的扩散到远处。

从气候上来看，冬季门头区气候寒冷
2.5
干燥，每年从11月下旬到翌年2月份几乎受来自西伯利亚的干冷空气影响，以北风、西北风为主，大量颗粒物随气流被夹带到了东南部地区，风速在东南部平
原地带有所减弱，造成了颗粒物的积累。

春季多为东南风，对于南北梯度有一定的减弱作用，因此造成门头沟区颗粒物浓度分布冬春季节差异。

时间分布特征
2.2 TSP和PM
2.5
2.2.1 TSP和PM
月度变化特征
2.5
从2018年12月-2019年5月门头沟区各个高密度点的月平均浓度曲线（见图3、4）中可以看出，PM
的质量浓度在深山区、浅山区和城区2月份浓度达到
2.5
峰值。

TSP的质量浓度深山区、浅山区和城区在12月份出现大高峰，4月份出现小高峰，呈现出双峰型。

造成这一现象主要因为12月份北京市及其周边地区正处于采暖期，能源消耗不断增加，污染物的排放量增大，再加上出现不利于污染物扩散的天气条件，使得12月份TSP最高。

春天北京地区都会经历沙尘天气，
由于冬季能源不断消耗，这种区域传输是导致4月份TSP浓度较高的原因。

PM
2.5
的质量浓度随之升高。

随着冬季结束，天气污染物浓度增加，扩散条件差，PM
2.5
的浓度逐渐降低。

变暖，气候条件的改善，植被发芽，PM
2.5
逐日变化特征
2.2.2 TSP和PM
2.5
根据2019年5月门头沟区各个高密度站点的
24h的平均浓度的监测数据，从图6中可以看出门
质量浓度每日差异情况，二者
头沟整体TSP和PM
2.5
具有显著相关性(Spearmam秩相关系数为0.885，
P<0.01)，且日波动范围较大。

波动较大值出现在地面气压较弱、低风速、相对
湿度较大、温度明显偏高及逆温强的雾霾天，较小值出现在强风和雨雪后[6，7,8]。

和TSP质量浓度日均变化情况
图6 门头沟区整体PM
2.5
2.2.3 TSP和PM
小时变化特征
2.5
从门头沟区各监测点的平均日变化情况来看，不同区域监测点TSP质量浓度
随时间的变化情况见图7。

深山区，大体呈双峰趋势，在早晨6:00-8:00左右达到峰值，随着太阳的升起，辐射量增加，大气及地面继续累计温度继续升高，局部温差较大，空气流动
性增强，TSP平均小时质量浓度随之下降，随后夜晚到来，人们开始外出活动，TSP 质量浓度再次呈现攀升趋势，并在23:00-24:00达到峰值，从0:00之后，
变化趋势较为缓和，随时间降低。

浅山区，在早晨6:00-10:00有一个变化幅度很小的平台期，随着温度的升高，空气流动性增强，粒径小的颗粒悬浮于大气中被传送到浅山区，并不断积累，粒径大的颗粒会很快沉降下来，在11:00左右达到峰值，午后太阳辐射减弱，局
部温差大，空气流动性增强，浓度逐渐下降，随着夜晚到来，人们开始外出活动，车流量增大，在23:00-24:00达到峰值。

城区和东南部地区，随着太阳升起，辐射量增加，空气温度升高，人类活动
频繁，污染排放开始加剧，在11:00左右达到峰值，午后太阳辐射减弱，局部温
差大，空气流动性增强，TSP平均小时质量浓度降低，随着夜晚到来，下班高峰期，车流辆大，人类活动增多，在22:00左右达到峰值。

不同区域监测点PM
2.5质量浓度随时间变化情况见图8。

深山区，PM
2.5
变化曲
线变化幅度在10µg·m-3,在早晨6:00-8:00左右达到峰值，随着太阳的升起，辐
射量增加，大气及地面继续累计温度继续升高，局部温差较大，空气流动性增强，平均小时质量浓度随之下降，随着夜晚到来，人类活动不断增加、各种能源的消耗，再次呈现缓慢上升升趋势在23:00-24:00左右达到小高峰。

浅山区，随着温度的升高，空气流动性增强，粒径小的颗粒悬浮于大气中被
传送到浅山区，并不断积累，在早晨7:00-10:00有一个变化幅度很小的平台期，在中午太阳辐射最强的时间段11:00-12:00左右达到一天中峰值，午后太阳辐射
减弱，局部温差大，空气流动性增强，浓度逐渐下降，夜间来临人类活动不断增加、车流量增大和各种能源的消耗在18:00-20:00达到小高峰。

城区和东南部地区，随着太阳升起，辐射量增加，空气温度升高，空气流动
性增强，细颗粒物从浅山区被传送到城区，并在上班高峰后，污染排放开始加剧，在11:00-12:00左右达到一天中峰值，午后平均小时质量浓度随之下降，随着夜
晚到来，下班高峰期，车流辆大，人类活动增多，PM
2.5
质量浓度缓慢增加，在
18:00-20:00达到小高峰。

结论
（1）PM
和TSP的空间分布具有一定的梯度特征，从西面深山区向东面浅山
2.5
区、城区逐渐增大，局部地区的颗粒物浓度存在一定差异，东部地区由北向南逐渐增大，具体差异体现在潭柘寺地区>城区>军庄地区。

（2）颗粒物质量浓度的月变化曲线显示，PM
的质量浓度在深山区、浅山区
2.5
和城区2月份浓度达到峰值。

TSP的质量浓度各镇街在12月份出现大高峰，4月份出现小高峰，呈现出双峰型。

质量浓度每日差异情况，二者具有显著相关性（3）门头沟整体TSP和PM
2.5
(Spearmam秩相关系数为0.885，P<0.01)，且日波动范围较大。

（4）逐日变化反映，TSP浓度在深山区早晨6:00-8:00和夜间23:00-24:00左右达到峰值；浅山区6:00-10:00有一个变化幅度很小的平台期，在中午11:00和夜间23:00-24:00左右达到峰值；城区和东南部地区在中午11:00和夜间22:00左右达到峰值。

PM
的小时变化月与TSP相似，但变化幅度相对较平缓。

2.5
参考文献
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作者简介：杨金凤，女，1983年1月，北京市，汉族，硕士研究生，工程师，环境监测与治理。