太原市細(xì)顆粒污染物PM2.5的時(shí)空變化特征及其戶外鍛煉決策的研究

韓業(yè)林，王 飛

太原市細(xì)顆粒污染物PM2.5的時(shí)空變化特征及其戶外鍛煉決策的研究

韓業(yè)林，王 飛

目的：探究太原市細(xì)顆粒污染物PM2.5的時(shí)空變化規(guī)律并據(jù)此提出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)決策建議。研究方法：本文采取文獻(xiàn)資料法和數(shù)據(jù)分析法，在探討了細(xì)顆粒污染物PM2.5對(duì)運(yùn)動(dòng)人體存在特殊健康風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，分析了2014-2015年太原市PM2.5濃度的時(shí)空變化特征及規(guī)律。研究結(jié)果：太原市PM2.5的污染情況，冬季污染程度最高，而夏季最低；僅處于冬季上風(fēng)區(qū)及新城區(qū)的上蘭站點(diǎn)和澗河站點(diǎn)污染情況較輕；工作日PM2.5的污染情況較重；PM2.5污染情況在早晨和午后的污染情況比較嚴(yán)重。結(jié)論：運(yùn)動(dòng)中，呼吸方式的改變，呼吸頻率的增加，肺擴(kuò)散能力增強(qiáng)，使得運(yùn)動(dòng)人群更容易受到PM2.5傷害；太原市PM2.5存在明顯時(shí)空差異，故太原市范圍內(nèi)的人群進(jìn)行戶外鍛煉時(shí)，應(yīng)盡量減少秋、冬季和工作日以及早晨外出鍛煉次數(shù)。 關(guān)鍵詞：PM2.5；損傷機(jī)制；時(shí)空特征；運(yùn)動(dòng)建議 Abstract: The temporal and spatial variation of fine particulate matter PM2.5 in Taiyuan is investigated and the corresponding motion decision suggestions are put forward. In this paper, literature data and data analysis are used to analyze PM2.5 concentration in Taiyuan during the period from 2014 to 2015 on the basis of discussing the special health risk of PM2.5 and the rule. The results show that PM2.5 pollution in Taiyuan has the highest pollution degree in winter and the lowest in summer. The pollution situation of PM2.5 in Shanglang and Jianhe is only in the upper wind zone and new city area in winter. Pollution situation of PM2.5 is more serious in the morning and afternoon. Conclusion: During the exercise, the changes of breathing patterns, the increase of respiratory rate and the ability of lung diffusion make the sports people more vulnerable to PM2.5 injury. There are obvious temporal and spatial differences in PM2.5 in Taiyuan, so the crowd in Taiyuan city is outdoor Exercise, should try to reduce the autumn, winter and working days and the number of morning outings. Key words: PM2.5; damage mechanism; temporal-spatial characteristic; exercise suggestion

前言

近年來(lái)，進(jìn)行戶外體育鍛煉的人數(shù)日益增多，但與此同時(shí)，大量化石燃料的使用導(dǎo)致大氣污染問(wèn)題也變得尤為突出，其中以氣溶膠形式懸浮在空氣中的大氣細(xì)顆粒污染物( particulate matter 2.5，PM2.5) 更是成為城市首要污染物[1]。PM2.5特指空氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5μm的大氣顆粒污染物( particulate matter，PM)，PM2.5表面上吸附大量有害物質(zhì)，且極為細(xì)小，人體對(duì)其過(guò)濾、阻攔能力很弱，粒徑小于0.1μm的PM2.5更可直接進(jìn)入血液循環(huán)，到達(dá)全身器官、組織[2]。流行病學(xué)證據(jù)顯示，于大氣顆粒污染物中暴露與人群死亡率增加有關(guān)[3]，PM2.5的濃度長(zhǎng)期高于10μg·m-3時(shí)，普通人群死亡風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)上升，濃度每增加10μg·m-3，總死亡風(fēng)險(xiǎn)會(huì)上升4%，得心肺疾病的死亡風(fēng)險(xiǎn)上升6%，得肺癌的死亡風(fēng)險(xiǎn)上升8%，對(duì)免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等也有著不可忽視的影響[4-6]。

在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于運(yùn)動(dòng)人體呼吸方式的改變、呼吸頻率的增加以及肺擴(kuò)散能力增強(qiáng)[7, 8]，會(huì)加劇PM2.5對(duì)人體的傷害[9, 10]，暴露于同等PM2.5濃度條件下，運(yùn)動(dòng)者吸入的有害物量是安靜狀態(tài)者的數(shù)倍乃至十幾倍[11-14]。鑒于無(wú)法短時(shí)改變污染現(xiàn)狀，通過(guò)探究PM2.5時(shí)空變化規(guī)律，在一定范圍內(nèi)用于指導(dǎo)戶外鍛煉的時(shí)間、地點(diǎn)的安排，以協(xié)調(diào)污染和運(yùn)動(dòng)這對(duì)矛盾，進(jìn)而更好的促進(jìn)身體健康，顯得迫切而必要。作為傳統(tǒng)重工業(yè)城市，太原市長(zhǎng)期以來(lái)形成了以煤炭初加工和能源產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，在同類工業(yè)城市中極具代表性。故以太原市作為研究對(duì)象來(lái)探索PM2.5的時(shí)空變化規(guī)律，并提出的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)決策建議，以協(xié)調(diào)污染和運(yùn)動(dòng)的矛盾，對(duì)同類工業(yè)城市而言有較好的借鑒意義。

1 太原市PM2.5污染數(shù)據(jù)的采集與分析方法

1.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集

圖一為太原市十個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布圖，基本覆蓋了太原市全區(qū)。本文采集了十個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2014年2月7日到2016年2月9日兩年的數(shù)據(jù)，樣品分析依據(jù)中國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3905-2012)[15]。

圖一 研究區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布地圖

站點(diǎn)名稱有效天數(shù)缺失天數(shù)缺失比例太原73300尖草坪72670.96%澗河72560.82%上蘭73030.41%晉源73300小店73210.14%桃園73030.41%塢城73120.27%南寨72940.55%金勝73120.27%

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失情況如表1所示，兩年內(nèi)，各站點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失比例僅為0.14%—0.96%，同時(shí)，缺失值用缺失日期前后3天監(jiān)測(cè)的平均值進(jìn)行替代。

1.2 數(shù)據(jù)的分析方法

太原市各監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5濃度時(shí)空變化的熱圖(Heat Map)圖譜分析均采用R語(yǔ)言“pheatmap”包pheatmap函數(shù)來(lái)做成的，熱圖中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的聚類劃分是基于各檢測(cè)點(diǎn)PM2.5濃度的歐式距離來(lái)確定的，由pheatmap函數(shù)自動(dòng)完成。

2 太原市PM2.5空間與季節(jié)變化特征的分析及運(yùn)動(dòng)建議

2.1 PM2.5的空間與季節(jié)特征的統(tǒng)計(jì)分析

圖二為太原城區(qū)10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5日濃度時(shí)空變化的熱圖，圖中漸進(jìn)的顏色梯度代表了污染的嚴(yán)重程度，顏色越深PM2.5污染越嚴(yán)重。圖二已基于各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)歐式距離的相關(guān)性自動(dòng)進(jìn)行了聚類。

圖二 太原市大氣細(xì)顆粒污染物PM2.5空間與季節(jié)變化熱圖

從空間上看，小店、晉源、塢城站點(diǎn)被劃分為一類(GroupⅠ)，該類所含站點(diǎn)處于城市冬季下風(fēng)區(qū)；南寨、金勝、尖草坪、桃園、太原站點(diǎn)被劃分為一類(GroupⅡ)，屬于城市繁榮區(qū)和傳統(tǒng)重工業(yè)區(qū)；澗河、上蘭站點(diǎn)被劃分為一類(GroupⅢ)，屬于城市新興區(qū)和城市冬季上風(fēng)區(qū)。圖中可見(jiàn)，GroupⅢ所包括的站點(diǎn)的污染情況要明顯比GroupⅠ和GroupⅡ所包含的站點(diǎn)的污染程度要輕，造成這一現(xiàn)象的原因可能是GroupⅢ所含站點(diǎn)屬于城市新興區(qū)人類生產(chǎn)活動(dòng)相對(duì)不頻繁，污染物排放比較少，加之，又處于冬季上風(fēng)區(qū)，避免了風(fēng)將城市繁榮區(qū)和重工業(yè)區(qū)的產(chǎn)生的大量污染物吹向這里。

從季節(jié)上看，在2014 年2月到5月(對(duì)應(yīng)的季節(jié)為冬季和春季)，2014年10月到2015年1月(對(duì)應(yīng)的季節(jié)為秋季和冬季)，以及2015 年11月—2016年1月對(duì)應(yīng)的季節(jié)為秋季和冬季)這三個(gè)時(shí)間段PM2.5色塊的顏色明顯偏深，說(shuō)明PM2.5污染情況比較突出，同時(shí)，兩年春夏交替，夏季，夏秋交替所在的月份色塊顏色比較淺，說(shuō)明PM2.5污染情況相對(duì)比較輕微，即，太原市PM2.5污染情況在季節(jié)上尺度上表現(xiàn)為，深秋，冬季，初春污染程度比較嚴(yán)重，而春末，夏季，初秋污染程度比較輕微。

2.3 運(yùn)動(dòng)建議

身處太原的人群應(yīng)對(duì)自身所處城市的位置有個(gè)基本的判斷，身處城市繁榮區(qū)，傳統(tǒng)重工業(yè)區(qū)以及冬季下風(fēng)區(qū)的人群在選擇外出鍛煉時(shí)需格外注意PM2.5的污染情況；與此同時(shí)，由于太原市不同季節(jié)PM2.5污染情況有明顯差異，故人們?cè)谶x擇外出鍛煉時(shí)應(yīng)盡量減少在深秋，冬季，初春季節(jié)外出鍛煉的次數(shù)，若外出鍛煉，務(wù)必做好針對(duì)PM2.5污染的防范措施。

3 PM2.5周與天的變化特征及運(yùn)動(dòng)建議

3.1 PM2.5一周內(nèi)的變化特征

人們?cè)谶x擇戶外鍛煉時(shí)間時(shí)，往往會(huì)以周為單位進(jìn)行一些計(jì)劃安排，并且會(huì)具體到一天中的某個(gè)時(shí)段，因此，為了便于更好對(duì)人們戶外鍛煉時(shí)間上提供決策建議，特對(duì)PM2.5做了周和天尺度上的熱圖，圖三和圖四。

圖三 太原市大氣細(xì)顆粒污染物PM2.5周變化特征熱圖

由圖三可以看出PM2.5污染程度在一周內(nèi)有著顯著的區(qū)別，周天的污染情況在多數(shù)時(shí)候要比其它幾天的污染程度相對(duì)要輕，而周二、周三、周四的污染情況多數(shù)時(shí)候在一周中最為嚴(yán)重，而這三天恰好處于一周工作日的中間位置。

由圖四可以看出，早晨6點(diǎn)左右和下午14點(diǎn)左右，PM2.5的污染情況明顯比其他時(shí)段要嚴(yán)重，上午和傍晚的PM2.5的污染情況較為輕微。

圖四 太原市大氣細(xì)顆粒污染物PM2.5日變化特征熱圖

3.2 運(yùn)動(dòng)建議

身處太原的人群在安排一周內(nèi)的戶外鍛煉計(jì)劃時(shí)，盡量避開(kāi)工作日中的周三、周四、周五，最好將外出鍛煉時(shí)間安排在周末，這樣可以有效的避開(kāi)污染的高峰期，同時(shí)，在安排一天內(nèi)的鍛煉時(shí)間時(shí)宜盡量不要選擇在早晨和午后，在此情況下，人們選擇上午和傍晚更為有利，再考慮到工作時(shí)間問(wèn)題，選擇在傍晚進(jìn)行鍛煉可能是最合適的。

4 結(jié)論

1.PM2.5因其極為細(xì)小，且表面上吸附大量有害物質(zhì)，故，對(duì)人體健康有嚴(yán)重的傷害；與此同時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，呼吸方式的改變，呼吸頻率的增加，肺擴(kuò)散能力增強(qiáng)，使得運(yùn)動(dòng)人群較普通人群更容易受到PM2.5傷害。

2.太原市PM2.5污染情況，在空間尺度上處于冬季上風(fēng)區(qū)及新城區(qū)的上蘭站點(diǎn)和澗河站點(diǎn)PM2.5污染情況要明顯優(yōu)于處于冬季下風(fēng)區(qū)和人類頻繁活動(dòng)區(qū)的其它站點(diǎn)；在季節(jié)上尺度上深秋，冬季，初春污染程度比較嚴(yán)重，春末，夏季，初秋污染程度比較輕微；在周的尺度上，工作日污染程度較嚴(yán)重，而周天的污染情況最為輕微；在天的尺度上，早晨和午后比較嚴(yán)重，上午和傍晚則相對(duì)較為輕微。

3．身處城市繁榮區(qū)，傳統(tǒng)重工業(yè)區(qū)以及冬季下風(fēng)區(qū)的人群在選擇外出鍛煉時(shí)需格外注意PM2.5的污染情況，盡量減少在深秋，冬季，初春季節(jié)外出鍛煉的次數(shù)，最好將外出鍛煉時(shí)間安排在周末及傍晚。

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Study on Temporal and Spatial Variation of Fine Particle Pollutants PM2.5 in Taiyuan and Its Outdoor Exercise Decision

Han Yelin，Wang Fei

高校學(xué)生體質(zhì)健康數(shù)據(jù)的模式識(shí)別及可視化研究(項(xiàng)目編號(hào)：2016218)

韓業(yè)林(1990-)，男，在讀碩士研究生，研究方向：運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)。

山西大學(xué)體育學(xué)院，山西 太原 030006 Physical Education Department of Shanxi University, Taiyuan 030006, Shanxi, China.

G812

A

1005-0256(2017)02-0046-3

10.3969/ j.issn.1005-0256.2017.02.019