國內(nèi)外PM2.5研究進(jìn)展綜述

謝心慶，鄭薇

(新疆財(cái)經(jīng)大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830012)

國內(nèi)外PM2.5研究進(jìn)展綜述

謝心慶，鄭薇

(新疆財(cái)經(jīng)大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830012)

對國內(nèi)外PM2.5的研究現(xiàn)狀、方向、結(jié)論及方法進(jìn)行回顧，以武漢市1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)為例，提出一種與PM2.5強(qiáng)相關(guān)因素的分析方法，對PM2.5數(shù)值進(jìn)行預(yù)測，并對我國PM2.5研究展望并提出研究發(fā)展方向。

PM2.5;研究現(xiàn)狀;因子分析與預(yù)測;發(fā)展方向

0 引言

近年來，我國發(fā)生大范圍持續(xù)霧霾天氣［1］。PM2.5是空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中顆粒物(粒徑≤2.5μm)濃度限值［2］，主要由水溶性離子、顆粒有機(jī)物和微量元素等組成。研究發(fā)現(xiàn)PM2.5因其粒徑較小、相對PM10比表面積較大，因此更容易富集空氣中的有機(jī)污染物、酸性氧化物、有毒重金屬、細(xì)菌和病毒。當(dāng)PM2.5被人吸入到體內(nèi)時(shí)，通過呼吸進(jìn)入血液就可以產(chǎn)生并導(dǎo)致人體呼吸、內(nèi)分泌、心血管、神經(jīng)及免疫等各系統(tǒng)疾病的發(fā)生［3－7］。

PM2.5的形成機(jī)理和過程比較復(fù)雜，主要來源有自然源和人為源，可以分為一次顆粒物和二次顆粒物。而我國近年來霧霾現(xiàn)象的出現(xiàn)主要來源于二次顆粒物，形成PM2.5的前體物包括:SO2，NOx，揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCS)，NH3等。本文主要討論國內(nèi)外PM2.5的研究進(jìn)展，總結(jié)已有學(xué)者的研究結(jié)論和方法，并針對我國PM2.5污染現(xiàn)狀的特征，提出在研究方法、研究方向上急需加強(qiáng)的方面。

1 國內(nèi)PM2.5研究進(jìn)展

1.1 我國大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置歷程

我國于1982年首次發(fā)布《大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095－82)，隨后在1996年、2000年和2012年進(jìn)行了三次修訂?，F(xiàn)在執(zhí)行的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095－1996)發(fā)布于1996年，該標(biāo)準(zhǔn)只針對可吸入顆粒物的質(zhì)量濃度設(shè)了限值，沒有將細(xì)顆粒物作為監(jiān)測項(xiàng)目。2012年2月29日，環(huán)境保護(hù)部公布了新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095－2012)，調(diào)整了環(huán)境空氣功能區(qū)分類，將三類區(qū)并入二類區(qū);增設(shè)了顆粒物(粒徑≤2.5μm)濃度限值和臭氧8h平均濃度限值;調(diào)整了顆粒物(粒徑≤10μm)、二氧化氮、鉛和苯并(a)芘等的濃度限值;調(diào)整了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的有效性規(guī)定。與新標(biāo)準(zhǔn)同步還實(shí)施了《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633－2012)。

1.2 我國大氣顆粒物PM2.5的地面監(jiān)測研究進(jìn)展

我國研究人員于20世紀(jì)80年代開始大氣顆粒物的研究工作。王瑋等［8］對多個(gè)城市的不同粒徑顆粒物的質(zhì)量濃度、酸度、酸化緩沖能力、元素濃度和來源進(jìn)行了分析。黃鸝鳴等［9］對在五個(gè)典型城市功能區(qū)對大氣顆粒物的污染狀況進(jìn)行了初步分析，結(jié)果表明PM2.5在PM10當(dāng)中占據(jù)的比重大約在68%。張新玲等［10］對可吸入顆粒物及氣象觀測資料進(jìn)行分析，并與1993年觀測資料進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)南京市PM10濃度顯著增加，而且可吸入顆粒物中的細(xì)顆粒物占有很高的比例。宋宇等［11］對北京市1999至2000年空氣污染物的消光系數(shù)和不同粒徑大小的顆粒物的質(zhì)量濃度進(jìn)行了觀測，北京市大氣顆粒物消光是導(dǎo)致能見度下降的首要原因，且能見度與PM2.5濃度存在較好負(fù)相關(guān)性，而與PM10的相關(guān)性較差。陳敏竹等［12］解析了南京市大氣可吸入顆粒物的來源，指出揚(yáng)塵等放源類是南京市可吸入顆粒物污染的首要因素。鄧?yán)旱龋?3］對成都市2009年夏季顆粒物濃度進(jìn)行了研究。張予燕等［14］對南京市大氣中的PM2.5的監(jiān)測和分析結(jié)果表明，細(xì)顆粒物并不僅是由局地污染源產(chǎn)生所影響，而是地區(qū)整體的混合和輸送過程的體現(xiàn)。魏玉香等［15］對2007年南京市PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行了月季變化、日變化特征分析，并利用同時(shí)期氣象資料分析了PM2.5與氣象條件的關(guān)系。楊復(fù)沫等［16］人對北京地區(qū)PM2.5中的元素、水溶性離子和含碳組分進(jìn)行分析;孟川平［17］對室內(nèi)環(huán)境大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)中多環(huán)芳烴污染組成及其粒徑分布特征研究;方春生［18］對城市大氣環(huán)境中PM2.5源解析成分譜的建立進(jìn)行研究。2014年盧鵬等［19］開展了PM2.5的時(shí)間分布與演變擴(kuò)散研究，建立了能夠反映風(fēng)速、溫度以及濕度對PM2.5擴(kuò)散產(chǎn)生影響的基本模型。由于我國對細(xì)顆粒物的監(jiān)測工作開展較晚，對大氣顆粒物的研究主要圍繞可吸入顆粒物展開，與細(xì)顆粒物有關(guān)的研究目前仍然較少。

2 國外PM2.5研究進(jìn)展

根據(jù)世界衛(wèi)生組織對空氣污染造成的疾病負(fù)擔(dān)的評價(jià)，每年有超過二百萬的過早死亡歸因于城市室外和室內(nèi)空氣污染，其中一半以上的疾病負(fù)擔(dān)由發(fā)展中國家承擔(dān)［20］。在美國國家環(huán)境保護(hù)局定量評價(jià)的與大氣PM2.5污染有關(guān)的健康效應(yīng)中，由死亡引起的經(jīng)濟(jì)損失占全部損失的89%［21］。與TSP和PM10相比，PM2.5上富集的有害物質(zhì)更多，對人類呼吸系統(tǒng)的穿透力更強(qiáng)，更難于被呼吸道的粘膜所吸附并經(jīng)由咳嗽等過程排出體外;且隨著粒徑的變小，PM2.5在空氣中的存留時(shí)間也隨之增加，對人體健康的影響也越大。

隨著人類對細(xì)顆粒物PM2.5產(chǎn)生危害認(rèn)識的愈加深入，各個(gè)國家都制定了嚴(yán)格的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，尤其是源解析的工作，逐步由粗顆粒物向細(xì)顆粒轉(zhuǎn)變。1997年美國率先將PM2.5列為空氣質(zhì)量檢測的監(jiān)測指標(biāo)之一，其后國際上主要發(fā)達(dá)國家均已制定PM2.5相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。隨后Rinehart等［22］在美國加利福尼亞地區(qū)建立20個(gè)觀測站，用以研究PM2.5的空氣質(zhì)量;Appel［23］，Senaratne［24］，Sisler和Malm［25］，Chen［26］等對PM2.5有關(guān)因素進(jìn)行分析。Waston［27］，Schichtel［28］，Muraleedharan［29］對城市PM2.5危害進(jìn)行研究。Chameides等［30］研究氣溶膠光學(xué)厚度和區(qū)域霾污染對水稻和小麥產(chǎn)量的影響?？梢妳^(qū)域霾不僅影響人的身體健康，對糧食經(jīng)濟(jì)也造成危害。

3 現(xiàn)有的PM2.5研究方向、方法分析

3.1 投影尋蹤回歸［31］

投影尋蹤回歸其原理是利用計(jì)算機(jī)模擬編程，將復(fù)雜、維數(shù)高的數(shù)據(jù)源通過線性組合的方法轉(zhuǎn)換為簡單的、低維的數(shù)據(jù)，并在低維數(shù)據(jù)上對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以達(dá)到便于統(tǒng)計(jì)的目的。影尋蹤回歸模型采取用一系列嶺函數(shù)的和來逼近回歸函數(shù)的方法，并通過多重平滑回歸計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。該模型建立了大氣污染物濃度分類預(yù)測模型，此模型的擬合合格率為84.7%。該模型雖然有很好的預(yù)測模擬功能，但此方法無法估計(jì)復(fù)雜PM2.5的變化，可用于PM2.5相關(guān)因素分析中，單個(gè)因子回歸分析。

3.2 質(zhì)量濃度的遙感估算模型［32］

該模型利用MODIS氣溶膠光學(xué)厚度與大氣細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度的相關(guān)關(guān)系，建立了細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度衛(wèi)星遙感估算模型，并結(jié)合不同氣象環(huán)境，分別修正模型，提高模型精度。該模型對不同季節(jié)和不同氣象環(huán)境下進(jìn)行模型修正，很好的模擬了不同季節(jié)PM2.5的濃度變化。該模型適用于估計(jì)分析各地PM2.5不同季節(jié)溶度變化，適用較廣，但模型欠缺PM2.5相關(guān)成因的分析，預(yù)測價(jià)值不大。

3.3BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［33］

該模型是利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將環(huán)境作為1個(gè)系統(tǒng)，把與污染物SO2有關(guān)的影響因素作為系統(tǒng)的1組輸入變量，將其SO2濃度視作環(huán)境系統(tǒng)的輸出變量，則可從系統(tǒng)角度出發(fā)建立環(huán)境污染的預(yù)測模型.該模型的預(yù)測精度優(yōu)于模糊識別模型的預(yù)測精度。該模型可以模擬預(yù)測SO2濃度變化，也可用于PM2.5濃度的預(yù)測，但不能綜合考慮氣象問題。

3.4 多元統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)測［34］

多元統(tǒng)計(jì)分析方法利用簡單的統(tǒng)計(jì)方法對PM2.5濃度的相關(guān)因素進(jìn)行分析。在多元素統(tǒng)計(jì)分析方法中，主成分分析可以作為建立PM2.5綜合預(yù)測模型的前提分析。

3.5 近地層PM2.5質(zhì)量濃度垂直分布

該方法是分析近地層不同高度PM2.5質(zhì)量濃度垂直分布，通過收集觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的統(tǒng)計(jì)分析得出分析報(bào)告。該方法提供了如何PM2.5濃度垂直分布的有關(guān)特征，但缺乏預(yù)測功能和水平方向變化的特征分析。

3.6 高斯擴(kuò)散模型［19］

該模型首先利用指數(shù)平滑法在不考慮氣象環(huán)境因素來分析PM2.5的時(shí)間分布情況，然后建立了基于高斯擴(kuò)散模型PM2.5污染物擴(kuò)散模型，然后又進(jìn)一步建立了關(guān)于風(fēng)速、溫度以及濕度對PM2.5擴(kuò)散產(chǎn)生影響的基本模型，具有一定的適用性。該模型分析效果較好，但缺乏綜合評價(jià)分析效果，可以結(jié)合此模型與空間統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)模型建立綜合評價(jià)系統(tǒng)。

4 因子分析與預(yù)測

4.1 因子分析

以武漢市1個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測的2013年1月1日至8月27日的SO2、NO2、可吸入顆粒物、CO、臭氧、PM2.5、空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)為例，建立主成分分析模型如下:

將上述數(shù)據(jù)代入模型，SPSS分析結(jié)果見表1。

表1 相關(guān)矩陣分析結(jié)果

從表1可以看出，PM2.5與空氣質(zhì)量指數(shù)相關(guān)關(guān)系為0.963，可見該地區(qū)空氣污染的主要來源為PM2.5。而PM2.5與SO2、NO2、可吸入顆粒物、CO、臭氧都存在一定的相關(guān)關(guān)系。

從計(jì)算結(jié)果可知，巴特利特球度檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的觀測值為1062.724，相應(yīng)的概率值接近0，說明相關(guān)系數(shù)矩陣與單位陣有顯著性差異。同時(shí)，KMO的值為0.811，從KMO的度量標(biāo)準(zhǔn)可知原有變量適合進(jìn)行因子分析。

計(jì)算可知，SO2、NO2、可吸入顆粒物、CO、PM2.5在第1個(gè)因子上有較高的載荷，臭氧在第2個(gè)因子上有較高的載荷。得到的因子分析模型:

從因子載荷計(jì)算可知，變量大部分都靠近兩因子坐標(biāo)軸，說明信息丟失較少。因子得分函數(shù)為:

4.2 預(yù)測分析

將式(3)代入式(2)得到:

式中:ε*=ε1+ε2

取近日12天SO2、NO2、可吸入顆粒物、CO、臭氧的數(shù)據(jù)將其代入式(3)與實(shí)際值比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由式(4)求得的預(yù)測值與實(shí)際值之間沒有存在奇異值，說明預(yù)測效果較好。雖然以上因子分析預(yù)測方法較好，但還存在缺陷，模型中沒考慮時(shí)間因素。

5 結(jié)語

PM2.5的研究可以利用空間統(tǒng)計(jì)學(xué)和大氣科學(xué)等實(shí)驗(yàn)檢測方法進(jìn)行研究并預(yù)測，其研究在社會(huì)意義方面將增強(qiáng)對大氣PM2.5的預(yù)測預(yù)警，并將研究成果進(jìn)行全面應(yīng)用各個(gè)地區(qū)。進(jìn)而提高政府對突發(fā)公共事件指揮應(yīng)急處置水平，不僅降低市民身體潛在危害，其推廣應(yīng)用能減少經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)的損失，如減少區(qū)域霾，使糧食產(chǎn)量增加，促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定和社會(huì)和諧，產(chǎn)生巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

［1］周銳.中國四分之一國土現(xiàn)霧霾近半數(shù)國人受影響［EB/OL］.中國新聞網(wǎng).http://www.chinanews.com/gn/2013/07－11/ 5032645.shtml?from=www.hao10086.com，2013－07－11.

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Reviewed of PM2.5research progress in domestic and abroad

Through the analysis of the domestic and foreign research status quo，direction，the conclusion and methods of PM2.5are reviewed.It takes a monitoring stations in Wuhan city as an example，a kind of strong and PM2.5related factors analysis method is discussed，the PM2.5numerical prediction，and the prospect of research to our country PM2.5and research direction are put forward.

PM2.5;present research;factor analysis and prediction;development direction

X701.2

B

1674－8069(2015)04－017－04

2015-02-10;

2015-05-24

謝心慶(1988-)，女，回族，河南商丘人，在讀研究生，研究方向?yàn)榻y(tǒng)計(jì)學(xué)。E－mail:celebration.1988@163.com

國家社科基金“新疆地區(qū)冰雹災(zāi)害預(yù)測研究”(14BTJ021);新疆自治區(qū)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目“烏魯木齊市PM2.5濃度動(dòng)態(tài)分析研究”