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初次关注PM2.5是2011年12月初。那几天空气能见度很差,呼吸也感到不舒服。在国内的一些网站查询了半天,都是说问题很严重,但相关的知识不系统。为了探个究竟,于是进入了Wiki查询。
1. 背景知识
据介绍,诸多空气污染物中包括有颗粒物质(particulate matter,简称PM),其中粒径小于2.5微米的颗粒物质被称作细颗粒物(fine particles),2.5微米大约是人头发直径的七分之一。细颗粒物由于粒径很小,吸入后会驻留在肺的深处(lodge deeply into the lungs),因此人们认为其危害也最大。空气中细颗粒物浓度就是常说的PM2.5,其含义是单位体积空气中所含细颗粒物的质量,常用单位为微克/米3(μg/m3)。
PM2.5与空气质量直接相关。由于目前国内还没有相关的指标,这里介绍美国的方法。美国含量空气质量的指标是空气质量指数(Air Quality Index,简称AQI)。PM2.5与AQI的关系如下表,是分段线性关系,其中C代表PM2.5(μg/m3),I代表AQI,下标low表示下限值,下表high表示上限值。根据AQI值可以评价空气的健康水平,美国将其分为6个等级,即优良级(Good)、适中级(Moderate)、敏感有害级(Unhealthy for Sensitive Groups)、有害级(Unhealthy)、非常有害级(Very Unhealthy)和危险级(Hazardous),并分别用不同的颜色表示,见下表。
表1 美国PM2.5、AQI、健康等级表
PM2.5(μg/m3) |
Air Quality Index (AQI) Values |
Levels of Health Concern |
Colors | ||
Clow |
Chigh |
Ilow |
Ihigh | ||
0 |
15.4 |
0 |
50 |
Good |
Green |
15.5 |
40.4 |
51 |
100 |
Moderate |
Yellow |
40.5 |
65.4 |
101 |
150 |
Unhealthy for Sensitive Groups |
Orange |
65.5 |
150.4 |
151 |
200 |
Unhealthy |
Red |
150.5 |
250.4 |
201 |
300 |
Very Unhealthy |
Purple |
250.5 |
350.4 |
301 |
400 |
Hazardous |
Maroon |
350.5 |
500.4 |
401 |
500 |
2. 北京PM2.5的数据来源
由于目前北京还没有公布PM2.5的官方数据,这里借用美国驻京大使馆在其网站(http://beijing.usembassy-china.org.cn/070109air.html)上公布的2011年12月7日~2012年1月6日一个月间的PM2.5数据,对北京的PM2.5特点进行分析。对于这个每小时公布一次的数据,美国大使馆的声明是,他们拥有一台PM2.5空气质量监测仪,用于量测大使馆地区的空气质量,是使馆人员健康的一个资源。但是,仅凭一台监测仪的数据无法对城区空气质量进行分析(The U.S. Embassy has an air quality monitor to measure PM 2.5 particulates on the Embassy compound as an indication of the air quality. This monitor is a resource for the health of the Mission community. Citywide analysis cannot be done, however, on data from a lone machine)。
3. 北京PM2.5的状况
3.1北京工作日PM2.5的特点
2011年12月26日~28日三天分别是星期一、星期二和星期三,为正常工作日。这三天的气象条件见表2,图1给出的是这三天的PM2.5小时分布图,图中一些特征数据见表3。
表2 北京海淀26日~28日气象条件表(来自“中国天气网”)
日期 |
星期 |
天气 |
最低气温℃ |
最高气温℃ |
最小风力 |
最大风力 |
最小相对湿度% |
最大相对湿度% |
26 |
星期一 |
多云 |
-8 |
2 |
1 |
2 |
31 |
78 |
27 |
星期二 |
多云 |
-5 |
3 |
1 |
2 |
33 |
73 |
28 |
星期三 |
多云 |
-8 |
6 |
1 |
2 |
22 |
84 |
图1 26日、27日、28日PM2.5分布图(来自“beijing.usembassy-china.org.cn”)
表3 美国驻京大使馆26日~28日PM2.5(μg/m3)特征数据表
日期 |
日最低值 |
日最高值 |
日变幅值 |
日小时 平均值 |
日小时平均值增值 |
0点~10点的小时平均值 |
12点~21点小时平均值 |
26 |
56 |
316 |
260 |
135.6 |
- |
100 |
152.3 |
27 |
116 |
356 |
240 |
198.9 |
63.3 |
182.6 |
199.3 |
28 |
63 |
437 |
374 |
171.8 |
-27.1 |
192.8 |
180.0 |
由图1和表3看出,三日的PM2.5呈河谷形分布,6点~14点PM2.5最低,20点~2点最高。三日的PM2.5日呈单峰高低波动,表明每日污染物不同时刻的排放不均。同时,波动幅值很大,可达260μg/m3~374μg/m3,这一数值可以在一日内将空气由“优良级(good)”劣化成“非常有害级(Very Unhealthy)”,甚至可达“危险级(Hazardous)”,表明污染源的每日排放能力是很大的。
另外,周二和周三的PM2.5平均值分别高于周一63.3μg/m3和36.2μg/m3,表明在当时的气象条件下,空气的自然净化能力无法将每日排放的污染物清除干净,并将出现污染物的日积累,导致空气逐日劣化。表3还给出了0点~10点和12点~21点的PM2.5的小时平均值,26日和27日是前小后大,28日是前大后小,没发现有什么规律,但这两个平均值与日平均值相差不大,可用于估计日平均值。表4给出了美国驻京大使馆12月7日~1月8日13:00~22:00时段PM2.5平均值,从中可以看出,如果最大风力为2级且持续数日,PM2.5会逐日攀升,如12月11日~13日升至232μg/m3,16日~20日升至先升至113.6μg/m3并随后在80μg/m3左右徘徊,25日~31日升至222.7μg/m3,1月4日~8日升至182μg/m3。
从表4的下午晚间时段PM2.5的平均值中还可以看出风力的明显影响:最大风力为2级时,PM2.5平均值最大可达232.25μg/m3;最大风力为3级时,PM2.5平均值最大为52.5μg/m3;最大风力为4级时,PM2.5平均值最大仅为27.6μg/m3。2012年1月10日早晨7:00,PM2.5曾达到513μg/m3的新高,11:00起风后,PM2.5很快降至20以下,见图2。
表4 美国驻京大使馆12月7日~1月8日13:00~22:00时段PM2.5平均值表
Date |
Day |
Time period |
PM2.5 mg/m3 |
Wind Power |
AQI |
Healthy Level |
2011-12-7 |
Weds |
13:00~22:00 |
14.9 |
4~0 |
48 |
Good |
2011-12-8 |
Thurs |
11:00~20:00 |
12.3 |
3~2 |
40 |
Good |
2011-12-9 |
Fri |
12:00~21:00 |
19.1 |
3~1 |
58 |
Moderate |
2011-12-10 |
Sat |
12:00~21:00 |
46.6 |
3~1 |
113 |
Unhealthy for Sensitive Groups |
2011-12-11 |
Sun |
12:00~21:00 |
40.1 |
2~0 |
99 |
Moderate |
2011-12-12 |
Mon |
13:00~22:00 |
63 |
2~1 |
145 |
Unhealthy for Sensitive Groups |
2011-12-13 |
Tues |
13:00~22:00 |
232.25 |
2~1 |
282 |
Very Unhealthy |
2011-12-14 |
Weds |
14:00~23:00 |
14.875 |
4~2 |
48 |
Good |
2011-12-15 |
Thurs |
13:00~22:00 |
11 |
4~1 |
36 |
Good |
2011-12-16 |
Fri |
13:00~22:00 |
24.5 |
2~1 |
69 |
Moderate |
2011-12-17 |
Sat |
12:00~21:00 |
113.6 |
2~0 |
179 |
Unhealthy |
2011-12-18 |
Sun |
13:00~22:00 |
75.5 |
2~1 |
157 |
Unhealthy |
2011-12-19 |
Mon |
13:00~22:00 |
86.9 |
2~1 |
163 |
Unhealthy |
2011-12-20 |
Tues |
12:00~21:00 |
80.1 |
2~1 |
159 |
Unhealthy |
2011-12-21 |
Weds |
12:00~21:00 |
14.1 |
4~1 |
46 |
Good |
2011-12-22 |
Thurs |
12:00~21:00 |
31.9 |
3~1 |
83 |
Moderate |
2011-12-23 |
Fri |
13:00~22:00 |
15.4 |
4~0 |
50 |
Good |
2011-12-24 |
Sat |
12:00~21:00 |
52.556 |
3~1 |
125 |
Unhealthy for Sensitive Groups |
2011-12-25 |
Sun |
12:00~21:00 |
99.89 |
2~0 |
171 |
Unhealthy |
2011-12-26 |
Mon |
12:00~21:00 |
163 |
2~1 |
213 |
Very Unhealthy |
2011-12-27 |
Tues |
13:00~22:00 |
222.7 |
2~1 |
273 |
Very Unhealthy |
2011-12-28 |
Weds |
11:00~20:00 |
180.4 |
2~1 |
231 |
Very Unhealthy |
2011-12-29 |
Thurs |
12:00~23:00 |
75.5 |
2~1 |
157 |
Unhealthy |
2011-12-30 |
Fri |
13:00~22:00 |
190.8 |
2~1 |
241 |
Very Unhealthy |
2011-12-31 |
Sat |
12:00~21:00 |
143.9 |
2~0 |
196 |
Unhealthy |
2012-1-1 |
Sun |
11:00~20:00 |
37.5 |
3~1 |
94 |
Moderate |
2012-1-2 |
Mon |
13:00~22:00 |
27.6 |
4~1 |
75 |
Moderate |
2012-1-3 |
Tues |
12:00~21:00 |
14.4 |
3~1 |
47 |
Good |
2012-1-4 |
Weds |
14:00~22:00 |
45.4 |
2~1 |
111 |
Unhealthy for Sensitive Groups |
2012-1-5 |
Thurs |
12:00~21:00 |
117.2 |
2~1 |
181 |
Unhealthy |
2012-1-6 |
Fri |
13:00~22:00 |
63.8 |
2~1 |
147 |
Unhealthy for Sensitive Groups |
2012-1-7 |
Sat |
12:00~21:00 |
167.8 |
2~1 |
218 |
Very Unhealthy |
2012-1-8 |
Sun |
13:00~22:00 |
182 |
2~1 |
232 |
Very Unhealthy |
2012-1-9 |
Mon |
14:00~23:00 |
233.5 |
2~1 |
283 |
Very Unhealthy |
2012-1-10 |
Tues |
13:00~22:00 |
15.0 |
4~1 |
49 |
Good |
表2 美国驻京大使馆2012年1月10日PM2.5及风力小时分布图
3.2北京12月的空气质量水平
由表4可得,12月PM2.5的月平均估计值为83.7μg/m3,相应的AQI月平均估计值为137.7,相当于月平均为敏感有害级(Unhealthy for Sensitive Groups)。各种级别天数比例见表5。
表5 美国驻京大使馆12月PM2.5级别分布表
|
Good |
Moderate |
Unhealthy for Sensitive Groups |
Unhealthy |
Very Unhealthy |
Hazardous |
天数 |
8 |
6 |
5 |
8 |
8 |
0 |
比例% |
22.9 |
17.1 |
14.3 |
22.9 |
22.9 |
0.0 |
虽然平均数均未达到危险级,但每天的一些特殊时段出现有害级也并不鲜见。表6给出12月底几天中有害时段的情况,PM2.5最高曾达到437μg/m3。2012年1月10日,PM2.5在7:00曾达到513μg/m3的新高,直至11:00一直在500μg/m3左右徘徊,创下了一个月以来的新纪录,并已超出了危险级(Hazardous)的上限值500μg/m3,所幸11:00以后起风了,导致了PM2.5快速下降,见图2。
表
6 美国驻京大使馆12月空气有害级时段示例
Date Day Time PM2.5 mg/m3 AQI Healthy Level 2011-12-26 Mon 20:00 268 318 Hazardous 21:00 307 357 Hazardous 22:00 302 352 Hazardous 2011-12-27 Tues 20:00 271 321 Hazardous 21:00 292 342 Hazardous 22:00 324 374 Hazardous 23:00 356 405 Hazardous 2011-12-28 Wed 0:00 333 383 Hazardous 1:00 262 312 Hazardous 18:00 316 366 Hazardous 19:00 437 458 Hazardous 2011-12-31 Sat 22:00 251 301 Hazardous 23:00 283 333 Hazardous 2012-01-01 Sun 0:00 275 325 Hazardous 1:00 303 353 Hazardous
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