空氣自動監(jiān)測中PM2.5與PM10“倒掛”現(xiàn)象特征及原因

潘本鋒，鄭皓皓，李莉娜，汪 巍

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實驗室，北京100012

2012年中國頒布了新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)，新標(biāo)準(zhǔn)與《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—1996)相比增加了 PM2.5指標(biāo)。按照國家環(huán)保部關(guān)于空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)實施“三步走”的戰(zhàn)略部署，從2013年起全國直轄市、省會城市、計劃單列市、京津冀、長三角、珠三角等共計74個重點(diǎn)地區(qū)城市，按照空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)先行開展了 PM2.5監(jiān)測，并實時發(fā)布 PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3等6項指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果。其中PM10與PM2.5均是用來表征空氣中顆粒物污染狀況的指標(biāo)。

環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中將PM10定義為環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10 μm的顆粒物［1］，將PM2.5定義為環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物［1］，從定義可以看出，PM2.5屬于PM10的一部分，因此，理論上同一點(diǎn)位、同一時段PM10的濃度應(yīng)該大于PM2.5的濃度;而在監(jiān)測工作實際中，PM2.5與PM10監(jiān)測方法尚不統(tǒng)一，各方法的監(jiān)測原理和儀器設(shè)計各不相同，常常出現(xiàn)PM2.5濃度大于PM10濃度的現(xiàn)象，即人們常說的PM2.5與PM10出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象［2-9］。根據(jù)美國、日本等國家環(huán)保部門公布的PM2.5與PM10監(jiān)測結(jié)果來看，“倒掛”現(xiàn)象在這些國家也有發(fā)生。“倒掛”現(xiàn)象明顯不符合邏輯，使人們對PM10和PM2.5的監(jiān)測結(jié)果感到困惑，影響公眾對空氣質(zhì)量真實狀況的理解和判斷。結(jié)合中國環(huán)境監(jiān)測工作實際情況，從顆粒物自動監(jiān)測技術(shù)的原理和方法、顆粒物監(jiān)測儀器配置情況、測量誤差分析等方面對PM2.5與PM10“倒掛”現(xiàn)象的特征和原因進(jìn)行了研究和分析。

1 “倒掛”現(xiàn)象特征分析

1.1 常見監(jiān)測方法組合下“倒掛”現(xiàn)象分析

目前，在國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)PM10的監(jiān)測方法主要有2種，即β射線法(采樣管恒溫加熱)和振蕩天平法;PM2.5監(jiān)測方法也有2種，即β射線加動態(tài)加熱系統(tǒng)法和振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)測量系統(tǒng)法，因此PM10與PM2.5共有4種不同的監(jiān)測方法組合。據(jù)初步統(tǒng)計，中國環(huán)境空氣監(jiān)測網(wǎng)中PM10及PM2.5監(jiān)測采用振蕩天平法的比例約占15%，采用β射線法的比例約占85%。

中國環(huán)境監(jiān)測總站大氣監(jiān)測實驗室針對各種不同的PM10與PM2.5監(jiān)測方法組合分別進(jìn)行實驗，實驗時段涵蓋2013年冬、春、夏、秋4個季節(jié)，每個季節(jié)實驗天數(shù)至少30 d，實驗中所用儀器為FH62C14型PM10監(jiān)測儀、1405A型 PM10監(jiān)測儀、SHARP5030型PM2.5監(jiān)測儀、1405F型 PM2.5監(jiān)測儀等。每個季度實驗前后對每臺儀器進(jìn)行流量檢查(校準(zhǔn))和標(biāo)準(zhǔn)膜檢查(校準(zhǔn))，確保監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確及儀器之間的可比性。

實驗中不同PM10與PM2.5監(jiān)測方法組合下的“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率見表1。

表1 不同監(jiān)測方法組合下“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率

由表1可見，采用不同PM10與PM2.5監(jiān)測方法組合時，“倒掛”率存在較大差異?？傮w而言，當(dāng)PM10采用振蕩天平法時“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率明顯高于 PM10采用β射線法時的“倒掛”率;當(dāng)PM10與PM2.5均采用β射線法時“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率最低;日均值的“倒掛”率明顯低于小時值。

1.2 其他監(jiān)測方法組合下“倒掛”現(xiàn)象分析

目前，國際上對于PM10及PM2.5的自動監(jiān)測方法并不統(tǒng)一，雖然中國對國家環(huán)境空氣監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)的PM2.5監(jiān)測方法進(jìn)行了規(guī)范，但對PM10監(jiān)測方法并沒有明確要求。如對于振蕩天平法PM2.5監(jiān)測儀要求聯(lián)用膜動態(tài)測量系統(tǒng)，對于振蕩天平法PM10監(jiān)測儀是否也必須聯(lián)用膜動態(tài)測量系統(tǒng)，目前還沒有明確規(guī)定。因此在許多高等院校和科研單位的實驗室內(nèi)以及其他行業(yè)的監(jiān)測站點(diǎn)，PM10與PM2.5的監(jiān)測方法存在多種其他組合形式。對某些其他自動監(jiān)測方法組合下的“倒掛”現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。

表2 其他監(jiān)測方法組合下“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率

由表2可見，當(dāng)PM10與PM2.5都采用振蕩天平法時“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率為9.8%;而當(dāng)PM10采用振蕩天平法聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)，無論P(yáng)M2.5采用何種方法(包括振蕩天平法、振蕩天平法聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)、β射線加動態(tài)加熱系統(tǒng)法)，均未出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象;當(dāng)PM10采用β射線法(采樣管恒溫加熱)，PM2.5使用振蕩天平法時，也未出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象。

1.3 不同季節(jié)間的比較

中國大部分地區(qū)，冬、春、夏、秋4個季節(jié)的氣象條件存在明顯差異，并且受氣象條件及污染源排放特征的影響，4個季節(jié)間顆粒物污染濃度和污染特征也存在顯著差異。因此對各種PM10與PM2.5的自動監(jiān)測方法組合在冬、春、夏、秋4個季節(jié)的“倒掛”現(xiàn)象分別進(jìn)行統(tǒng)計分析，PM10射線法(采樣管恒溫加熱)，PM2.5β射線法(采樣管采用動態(tài)加熱系統(tǒng)法)，分析結(jié)果見圖1、圖2，實驗期間4個季節(jié)的氣象條件變化見圖3。

摘 要：結(jié)合當(dāng)前我國小學(xué)體育教學(xué)的情況，分析了小學(xué)體育教育中滲透德育教育的現(xiàn)狀及問題，從自身的教學(xué)經(jīng)驗實踐出發(fā)，多角度論述了我國小學(xué)體育教學(xué)滲透德育的對策，希望對今后小學(xué)體育教學(xué)的發(fā)展有所幫助。

圖1 不同季節(jié)“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率統(tǒng)計結(jié)果(小時值)

圖2 不同季節(jié)“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率統(tǒng)計結(jié)果(日均值)

圖3 實驗期間4個季節(jié)的氣象條件

由圖1、圖2和圖3可見，無論P(yáng)M10與PM2.5采用何種監(jiān)測方法，冬、夏季節(jié)PM2.5與PM10“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率相對較高，而春、秋季節(jié)“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率相對較低。

結(jié)合不同季節(jié)間的環(huán)境條件差異分析，冬、夏季空氣相對濕度最高，而春、秋季空氣相對濕度最低。表明大氣相對濕度對PM2.5與PM10“倒掛”現(xiàn)象的發(fā)生率有一定的影響。

1.4 不同顆粒物濃度下的“倒掛”現(xiàn)象分析

將 PM2.5濃度劃分為 35 μg/m3以下、35 ～75、75～150、150 μg/m3以上 4 個區(qū)間，將采用各種不同PM10與PM2.5監(jiān)測方法組合時所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析“倒掛”現(xiàn)象發(fā)生時PM2.5的濃度區(qū)間分布情況，結(jié)果見圖4(不同方法組合以PM10/PM2.5表示)。

圖4 不同方法組合“倒掛”時PM2.5濃度分布

由圖4可見，在各種不同的 PM2.5與PM10監(jiān)測方法組合中，針對PM2.5小時濃度而言，大于150 μg/m3的區(qū)間在“倒掛”樣本中所占比例最高;對于 PM2.5日均濃度，75～150 μg/m3區(qū)間在“倒掛”樣本中所占比例最高;小于75 μg/m3區(qū)間在“倒掛”樣本中所占比例均較低。實驗期間PM2.5小時濃度值在 35 μg/m3以下、35 ～75、75 ～150、150 μg/m3以上4個濃度區(qū)間的分布比例分別為30%、23%、22%、25%，4個濃度區(qū)間的樣本量基本相當(dāng)，表明對各種PM2.5與PM10監(jiān)測方法組合，均表現(xiàn)為當(dāng)PM2.5濃度較高時，出現(xiàn)PM2.5與PM10“倒掛”的幾率更大。

2 “倒掛”現(xiàn)象原因分析

2.1 測量誤差導(dǎo)致“倒掛”

《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》(HJ 653—2013)與《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝與驗收技術(shù)規(guī)范》(HJ 655—2013)中均規(guī)定PM10監(jiān)測儀器與PM2.5監(jiān)測儀器的測量誤差上限為15%［10-11］，因此當(dāng)特定條件下，環(huán)境中PM2.5占PM10的比例較高時(如90%以上)，PM2.5與PM10的濃度本身極為接近(相對偏差小于10%)，由于PM10和PM2.5在自動監(jiān)測過程中的隨機(jī)測量誤差不可避免，即使各自的測量誤差均小于15%，誤差本身也可能造成PM2.5與PM10的監(jiān)測結(jié)果發(fā)生“倒掛”，這在允許誤差范圍內(nèi)，監(jiān)測結(jié)果在實際工作中可以接受。

2.2 PM10與PM2.5監(jiān)測方法不同導(dǎo)致“倒掛”

目前，PM10與PM2.5常用的監(jiān)測方法有所不同，對同一時段內(nèi)采用振蕩天平法、β射線法和振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法測定PM10與PM2.5的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，幾種不同的監(jiān)測方法之間測定結(jié)果存在明顯差異。

分別用振蕩天平法、β射線法(采樣管恒溫加熱)和振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法同時測定環(huán)境空氣中的 PM10，所用儀器型號分別為1405A、FH62C14、1405F，測得結(jié)果見圖 5 和圖6。

圖5 3種不同方法測得的PM10監(jiān)測結(jié)果(小時值)

圖6 3種不同方法測得的PM10監(jiān)測結(jié)果(平均值)

由圖5和圖6可以看出，對于PM10來說，振蕩天平法(1405A)測得的結(jié)果最低，β射線法(FH62C14，采樣管恒溫加熱)測得的結(jié)果居中，振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法(1405F)測得結(jié)果最高。實驗期間振蕩天平法測得結(jié)果與β射線法的相對偏差為20.4%，與振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法相對偏差為35.3%。

2.2.2 各種監(jiān)測方法在PM2.5測定中的差異分析

圖7 3種不同方法測得的PM2.5監(jiān)測結(jié)果(小時值)

圖8 3種不同方法測得的PM2.5監(jiān)測結(jié)果(平均值)

分別用振蕩天平法、β射線加動態(tài)加熱系統(tǒng)法和振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法同時測定環(huán)境空氣中的 PM2.5，實驗所用儀器型號分別為1405A、SHARP5030、1405F，測得結(jié)果見圖 7 和圖8。由圖7和圖8可見，對于PM2.5來說，振蕩天平法(1405A)測得的結(jié)果最低，而β射線加動態(tài)加熱系統(tǒng)法(SHARP5030)與振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法(1405F)測得結(jié)果基本相當(dāng)。實驗期間振蕩天平法測得結(jié)果與β射線法相對偏差為26.5%，與振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法的相對偏差為27.0%。

2.2.3 β射線法恒溫加熱與動態(tài)加熱差異分析對于β射線法而言，在監(jiān)測過程中為防止采樣管結(jié)露對測量結(jié)果造成影響，通常需要將采樣管加熱。但是目前PM10監(jiān)測儀與PM2.5監(jiān)測儀的采樣管加熱方式并不一致。PM10采用了恒溫加熱方式，將采樣管及采樣平臺加熱至40℃，而在PM2.5監(jiān)測過程中采用了采樣管動態(tài)加熱技術(shù)，即根據(jù)樣氣濕度的大小自動調(diào)節(jié)采樣管加熱溫度。分別采用恒溫加熱方式和動態(tài)加熱方式同時測定環(huán)境空氣中PM10和PM2.5，實驗所用儀器型號分別為 FH62C14、SHARP5030，測得結(jié)果見圖9～圖12。

圖9 恒溫加熱與動態(tài)加熱測得的PM10結(jié)果(小時值)

圖10 恒溫加熱與動態(tài)加熱測得的PM10結(jié)果(平均值)

圖11 恒溫加熱與動態(tài)加熱測得的PM2.5結(jié)果(小時值)

圖12 恒溫加熱與動態(tài)加熱測得的PM2.5結(jié)果(平均值)

由圖9～圖12可以看出，分別用 β射線法(FH62C14，采樣管恒溫加熱)和β射線法(SH ARP5030，采樣管動態(tài)加熱)測定 PM10和 PM2.5，采樣管恒溫加熱時的監(jiān)測結(jié)果均低于采樣管動態(tài)加熱時，兩者之間相對偏差分別為7.7%和10.8%。

2.2.4 不同監(jiān)測方法間差異原因分析

國際上常用的PM10和PM2.5監(jiān)測方法主要有振蕩天平法、振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法和β射線法。振蕩天平法在測量過程中為了防止空氣中水分對測量過程的影響，需將采集樣品后的濾膜加熱并保持在50℃，在此過程中將會使顆粒物中的部分揮發(fā)性組分揮發(fā)而造成損失;而振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償法，由于增加了樣氣除濕裝置，所以不需將樣品高溫加熱，同時利用補(bǔ)償系統(tǒng)對揮發(fā)性組分的揮發(fā)損失進(jìn)行了補(bǔ)償，因此振蕩天平法聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償法后測得結(jié)果高于振蕩天平法。

對于β射線法，采樣管采用恒溫加熱時，加熱溫度過高也將造成顆粒物中揮發(fā)性組分的損失;而采用動態(tài)加熱時，可以根據(jù)空氣中相對濕度的大小自動調(diào)節(jié)加熱溫度，在防止采樣管結(jié)露的同時，最大限度地減少了采樣管加熱造成的揮發(fā)性組分損失，因此測得結(jié)果高于恒溫加熱法。

目前，國內(nèi)外對于PM10的自動監(jiān)測方法尚沒有統(tǒng)一，如在美國獲得認(rèn)可的PM10自動監(jiān)測方法是振蕩天平法［12］，而在英國則是振蕩天平法聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法［13］。隨著人們對顆粒物自動監(jiān)測技術(shù)認(rèn)識的深入，開展PM2.5自動監(jiān)測時，國內(nèi)外普遍要求采用振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)測量系統(tǒng)法和β射線加動態(tài)加熱系統(tǒng)法。

前述PM10與PM2.5不同監(jiān)測方法比較結(jié)果表明，振蕩天平法、β射線法、振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法之間本身存在顯著偏差。

在中國，環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的PM10與PM2.5自動監(jiān)測方法有2種，即振蕩天平法和β射線法［1］，并未規(guī)定對揮發(fā)性組分的補(bǔ)償方式和采樣管的加熱方式。在國家環(huán)境空氣監(jiān)測網(wǎng)能力建設(shè)中僅要求了PM2.5的監(jiān)測方法為振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法、β射線加動態(tài)加熱系統(tǒng)法，而對PM10的監(jiān)測方法并沒有做出明確要求。目前，采用振蕩天平法和β射線法(采樣管恒溫加熱)測定PM10時，受管路、測量室加熱等影響，測量結(jié)果偏低。而采用振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法和β射線加動態(tài)加熱系統(tǒng)法測定PM2.5時，測定結(jié)果得到補(bǔ)償，因此監(jiān)測方法之間的差異可能會導(dǎo)致“倒掛”。

3 結(jié)論與建議

1)環(huán)境空氣中顆粒物PM2.5與PM10采用不同原理的監(jiān)測方法組合時，“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率存在一定差異。當(dāng)PM10采用振蕩天平法時，“倒掛”現(xiàn)象發(fā)生率明顯高于PM10采用β射線法的結(jié)果;當(dāng)PM10與PM2.5均采用β射線法時“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率最低;而當(dāng)PM10采用振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法時，無論P(yáng)M2.5采用何種方法，未出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象。不同季節(jié)中冬、夏季PM2.5與PM10“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率較高;而春、秋季出現(xiàn)率較低。分析表明空氣相對濕度和溫度對“倒掛”現(xiàn)象的發(fā)生有一定影響。

2)導(dǎo)致PM2.5與PM10發(fā)生“倒掛”的原因，一是當(dāng)PM2.5占PM10比例較高時，測量過程中的誤差可能導(dǎo)致“倒掛”現(xiàn)象發(fā)生，但此時誤差在允許范圍之內(nèi)，監(jiān)測結(jié)果可以接受;二是當(dāng)PM2.5與PM10采用不同原理的監(jiān)測儀器和方法時，監(jiān)測儀器和方法之間的差異可能導(dǎo)致“倒掛”現(xiàn)象發(fā)生，而不同原理的監(jiān)測方法對樣品溫度、濕度的校正程度不同，以及對揮發(fā)性組分的補(bǔ)償程度不同可能是造成監(jiān)測結(jié)果差異的主要原因。

3)考慮到不同方法之間的差異性，建議在中國開展PM10與PM2.5監(jiān)測時，盡可能選用同樣原理的自動監(jiān)測設(shè)備，各地可根據(jù)具體情況，同時選用振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法或β射線加動態(tài)加熱系統(tǒng)法，以避免出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象，保證PM10與PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)的可比性。

［1］GB 3095—2012 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［2］張宇烽．PM2.5和 PM10監(jiān)測數(shù)據(jù)“倒掛”成因淺析［J］．廣東化工，2013，40(12):170-171．

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［11］HJ 655—2013 環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝與驗收技術(shù)規(guī)范［S］．

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