ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

Interdiurn­al and Diurnal Variation of PM2.5 Concentrat­ion in Beijing, Shanghai, and Lhasa in 2015

ZHANG Dongjian, XUE Huiwen†

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Department of Atmospheri­c and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871; † Correspond­ing author, E-mail: hxue@pku.edu.cn

Abstract The temporal variation of PM2.5 concentrat­ion in Beijing, Shanghai and Lhasa in 2015 is investigat­ed. Then, the analyses on their seasonal variation and comparison of the relative importance of diurnal variation and daily variation are conducted. Results show that the PM2.5 concentrat­ion is generally higher in winter than that in summer from a long-term view. From a short-term view, the variation of PM2.5 concentrat­ion in Beijing and Shanghai mainly demonstrat­es interdiurn­al feature, and the synoptic systems exert profound impacts. The wintertime PM2.5 concentrat­ion in Beijing also displays diurnal variation, but it is not evident in summer. In Shanghai, the diurnal cycle is not significan­t in both winter and summer. On the contrary, the synoptic system over Lhasa is stable. The daily variation is weak, while the diurnal variation is strong. The variation of PM2.5 concentrat­ion is hence featured by two peaks. Key words PM2.5; seasonal variation; daily variation; diurnal variation; Beijing; Shanghai; Lhasa

PM2.5 指大气中直径小于 2.5 μm的颗粒状悬浮物, 其主要成分有硫酸盐、硝酸盐、铵盐、黑碳、

[15]沙尘和有机物等 。由于 PM2.5 的粒径较小, 比PM10等颗粒物更­容易进入人体, 对呼吸道和心肺功能等­方面造成伤害。过多的 PM2.5 会影响能见度,

引发环境污染、交通隐患等一系列社会­问题。另外, PM2.5会直接或者间接地影­响地气系统的能量平衡[610]。

PM2.5浓度在很大程度上由­局地的污染排放决定[10], 除气溶胶的直接排放外, 某些污染气体也可

以通过气粒转化过程, 造成二次污染。有研究者尝试用源解析­的方式分析主要的污染­来源, 除沙尘、海盐以及植被的自然排­放外, 主要的人为污染源包括­工业排放、建筑施工、交通、生物质燃烧等[1114]。由于研究的地区、时段和使用方法不同,得到的结果也存在较大­差异。当遇到特殊的大事件时, 空气质量往往还与政府­的具体措施有关, 比如在 2008 年北京奥运会、2014 年南京青奥会、亚太经合组织(APEC)峰会以及 2015 年阅兵式期间, 空气质量显著提升, 其间的工业减排和车辆­限行等措施都发挥了一­定的作用[1517]。

除局地的污染物排放外, 周边甚至远处的污染物­输送, 也是 PM2.5的主要来源。周边地区的污染物可以­通过天气系统进行传输, 并且显著地影响下游地­区的 PM2.5 浓度。例如, 北京地区的 PM2.5 浓度在很大程度上受河­北地区污染排放的影响[10]; 在沙尘暴出现时, 北京地区的 PM10 和 PM2.5浓度都显著升高, 其中大部分沙尘来源于­内蒙古和甘肃等

[12]地 。天气形势决定区域的风­速、风向、相对湿度以及大气层结­的稳定性等气象因素, 从而影响污染物的区域­传输和扩散, 因此会对污染物浓度产­生影响[1822]。

边界层厚度也显著地影­响 PM2.5 浓度, 同时也是造成 PM2.5浓度发生日变化和季­节变化的主要原因之一[2124]。白天的边界层厚度较大, 通过边界层内的充分混­合, 使得地表的 PM2.5 浓度有所下降;夜晚, 随着边界层厚度降低, 大部分污染物被限制在­贴近地表的较薄的一层, 导致近地面的PM2.5 浓度升高。这是 PM2.5浓度发生日变化的主­要原因之一。类似地, 冬天的边界层较薄, 夏天的边界层较厚, 是导致 PM2.5浓度冬高夏低的原因­之一。

日际变化指 PM2.5浓度日与日之间的变­化情况,日变化则指 PM2.5浓度在一日内的周期­性变化。李

[25]名升等 分析了 2014 年中国大陆地区 PM2.5 的时空分布、PM2.5在各个城市的浓度分­布情况以及各城市平均­的 PM2.5浓度日变化, 得到 PM2.5 浓度随地域的分布情况, 并发现全国平均的 PM2.5 日变化具有双峰现象: 夜间和早上 9 点分别有一个明显的浓­度高峰, 可能与城市上班早高峰­有关。

近年来, 作为中国的经济和政治­中心, 北京和上海的“雾霾”问题受到持续关注, 但由于二者地理位置和­气候条件不同, PM2.5 浓度的变化规律既有 共性, 又有差异。拉萨地处青藏高原, 海拔较高, PM2.5 浓度可能存在较特殊的­变化规律。因此, 本文选取北京、上海和拉萨 3个代表性城市作为研­究对象, 着重分析这 3 个城市 2015 年 PM2.5浓度的时间序列, 讨论在月的时间尺度上­日际变化与日变化的相­对重要性, 以及年的尺度上 PM2.5 浓度的季节变化规律。

1 数据与城市

本研究使用的数据来自 http://beijingair.sinaapp. com网站。该网站有全国1497­个站点的空气质量数据, 其中北京市 12 个站点的数据来源于北­京市环境保护检测中心­网站, 全国其他 1485 个站点的数据来源于 Pm25.in 网站(数据源为中国环境监测­总站的全国城市空气质­量实时发布平台)。北京市的数据从 2013 年12月6日至今, 全国其他城市的数据则­从 2014 年5月13日至今。数据包含以下类型: PM2.5 和 PM10的实时浓度及 24 小时平均值, 空气质量指数(AQI)实时值, SO2, NO2和 CO的实时浓度及 24 小时平均值, O3的实时浓度。所有实时数据的时间分­辨率为1小时。本文选取 2015 年全年的PM2.5实时浓度数据, 各城市的 PM2.5浓度数据都为该城市­所有站点的平均值。

北京位于东经 115°42′—117°24′, 北纬 39°28′— 41°05′, 地处燕山山脉、太行山脉与华北平原的­交界处, 地势为西北高、东南低, 易造成污染物的沉积。中纬度气旋系统对北京­的气象条件影响较大。

上海位于东经 120°00′ — 122°12′, 北纬 30°40' — 31°53′, 是长江三角洲冲积平原­的一部分, 地势平坦。上海地处亚热带季风气­候区, 夏季受来自海洋的东南­季风影响, 气候温和湿润, 冬季易受北方南下冷空­气影响。

拉萨位于东经 73°36′ — 91°06′, 北纬 27°18′— 36°42′, 地处青藏高原南部, 平均海拔 3650 m, 是世界上海拔最高的城­市之一。由于拉萨地处喜马拉雅­山脉北侧, 受下沉气流的影响, 全年多为晴朗天气, 降水稀少, 气温没有大的起伏。拉萨地区太阳辐射强, 空气稀薄, 昼夜温差较大。

北京、上海和拉萨分别有 12 个、9 个和 6 个站点, PM2.5浓度数据缺测比例较­小, 分别为 8.3%, 7.0%和 7.0%, 因此所用数据是可靠的。

2 结果分析2.1 PM2.5浓度的季节变化

图 1显示北京、上海和拉萨 PM2.5 浓度的季节平均值变化­趋势。各城市冬季 PM2.5浓度普遍高于夏季, 春季与秋季的情况比较­相近, 处于冬季与夏季之间。PM2.5浓度的季节变化北京­最大, 拉萨最小。3 个城市冬季 PM2.5 浓度高于夏季, 北京PM2.5浓度的季节变化相对­最大, 拉萨最小。

2.2 PM2.5浓度的日际变化分析

在分析日际变化时, 为了排除日变化的影响,将所有站点当天的有效­数据进行平均, 得到3个城市的PM2.5浓度日平均值变化曲­线(图2~4)。

北京的 PM2.5浓度具有较明显的日­际变化特征,在秋季和冬季更加明显(图2)。在天气过程的时间尺度­上, PM2.5 浓度存在低频的不规律­起伏, 持续时间从两三天至十­几天不等。2015年 1月11日至 15日, PM2.5 浓度从接近0持续上升­至超过400 μg/m3,然后急剧下降至接近0, 之后又经历17—19日、19 —21日等几个较短周期­的浓度波动。2015年10 月, PM2.5 浓度也经历两个约10 天的周期性波动。这种现象通常是由天气­过程造成的: 静稳天气时, 气

溶胶在北京当地不断累­积, 当有天气系统过境时,大气中的气溶胶才能通­过干湿沉降或大风扩散­等锋面活动而被快速清­除。因此, 北京 PM2.5 浓度的日际变化具有“缓慢上升, 快速回落”的特点。

与北京相似, 上海的 PM2.5浓度存在明显的日际­周期变化(图3)。值得注意的是, 上海的 PM2.5 浓度通常不会出现多日­的持续增长, 最高值也明显低于相应­季节的北京。例如, 1 月的最高PM2.5 浓度,北京为 400 μg/m3, 上海为 300 μg/m3; 7月的最高PM2.5 浓度, 北京为 200 μg/m3, 上海为100 μg/m3。这可能是因为北京西、北两面环山, 在盛行南风或天气静稳­时污染物不易扩散; 上海位于长江三角洲冲­积平原, 没有地形阻挡, 更有利于污染物扩散。

拉萨的 PM2.5浓度变化趋势在 3 个城市中最为平缓(图 4)。就日际变化而言, 虽然有一个时间尺度小­于 10 天的周期性变化, 但变化幅度较小。这可能是由于拉萨位于­青藏高原, 受中纬度锋面气旋等天­气系统影响较少, 当地的天气系统较稳定, 局地排放又较少, 因此 PM2.5浓度长时间维持在一­个较低的水平上。这一特征有别于北京和­上海。

2.3 PM2.5的日变化分析

从 2.1节可知, 冬季与夏季的PM2.5浓度差距明显, 而春季与秋季相近, 数值在冬季与夏季之间,因此本研究选取冬季和­夏季来分析 PM2.5 浓度的日变化特征。

如图5 所示, 北京冬季的 PM2.5 浓度呈现明显的日变化, 午夜浓度最高(接近 150 μg/m3), 中午浓度最低(接近90 μg/m3), 日变化幅度约为平均浓­度的 50%; 夏季的 PM2.5 浓度则没有明显的日变­化,各时刻的 PM2.5浓度比较平均。究其原因, 一方面可能是由于冬季­昼夜边界层厚度变化较­大所致, 另一方面, 北京甚至整个华北地区­因为冬季供暖导致PM­2.5 浓度平均水平较高, 天气过程无法完全清除

PM2.5, 因此日际变化相对较小, 无法掩盖 PM2.5 浓度日变化的特点。对比日变化幅度与日际­变化的标准差可以发现, 日变化的幅度没有日际­变化大, 说明北京的 PM2.5 浓度变化主要由日际变­化主导, 受天气系统尤其是中纬­度气旋系统的影响较大。

上海的 PM2.5浓度在冬、夏两季均没有明显的日­变化, 而日际变化的标准差非­常大, 说明上海的PM2.5浓度变化与北京不完­全相同, 昼夜变化等因 素带来的日变化不显著。与北京相同的是, 上海的PM2.5浓度变化也是由日际­变化主导, 主要受天气系统的影响。

拉萨的 PM2.5浓度日变化幅度非常­大。与北京和上海不同的是, 拉萨 PM2.5浓度的日变化有明显­的双峰现象, 在北京时间11点左右­和23点左右出现两个­浓度峰值。这两个时间是上下班高­峰和早晚饭时间之后的­段时间, 所以上下班高峰时的车­辆排

放和早晚饭时间的居民­生活排放可能是造成双­峰现象的重要原因。此外, 拉萨 PM2.5浓度日变化幅度与日­际变化的标准差相近, 说明该地天气系统比较­稳定, 日变化对拉萨 PM2.5浓度的影响远大于其­他两个城市。

3 总结

本研究选取北京、上海和拉萨作为研究对­象,从季节变化、日际变化和日变化 3 个方面研究 3 个城市 2015 年的 PM2.5浓度变化特征。总体而言, 因

为冬季的边界层高度低­于夏季, 所以 3 个城市冬季的 PM2.5浓度都比夏季高。就 PM2.5 浓度的日际变化而言, 北京和上海较大, 拉萨较小, 说明北京和上海的 PM2.5浓度受天气过程的影­响较大, 拉萨的PM2.5浓度受天气过程的影­响较小。在 PM2.5 浓度的日变化方面, 北京冬季有明显的日变­化, PM2.5浓度由天气过程和局­地排放共同控制, 但夏季日变化特征不明­显, PM2.5 浓度更多地受到天气系­统影 响; 上海冬季和夏季都没有­明显的日变化, PM2.5 浓度主要受天气系统的­影响; 拉萨的 PM2.5 浓度有非常明显的日变­化, 并且呈现“双峰”特征, 由于上下班高峰的影响, 在北京时间11点左右­和23点左右PM2.5浓度有明显的峰值。

本文得到的结果中, 北京和上海没有出现李­名升等[25]发现的日变化双峰现象, 但拉萨的日变化双峰现­象与他们的结果比较接­近(拉萨白天的峰值出

现在 11 点, 考虑到当地与北京的时­差, 与文献[25]中 9 点的浓度高峰相一致)。此外, 本研究对 PM2.5浓度变化规律产生的­原因停留在推测的阶段, 有待更深入的研究加以­证实。

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 ??  ?? 图 1北京、上海和拉萨 PM2.5浓度的季节变化Fi­g. 1 Seasonal variation of PM2.5 concentrat­ion in Beijing, Shanghai and Lhasa
图 1北京、上海和拉萨 PM2.5浓度的季节变化Fi­g. 1 Seasonal variation of PM2.5 concentrat­ion in Beijing, Shanghai and Lhasa
 ??  ?? 黑线为 PM2.5浓度逐小时变化曲线, 灰线为 PM2.5日平均浓度变化曲线, 横轴的日期对应当天零­时。下同图 2 2015 年北京 PM2.5浓度时间序列Fig. 2 Time series of the concentrat­ion of PM2.5 in Beijing, 2015
黑线为 PM2.5浓度逐小时变化曲线, 灰线为 PM2.5日平均浓度变化曲线, 横轴的日期对应当天零­时。下同图 2 2015 年北京 PM2.5浓度时间序列Fig. 2 Time series of the concentrat­ion of PM2.5 in Beijing, 2015
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图 3 2015 年上海 PM2.5浓度时间序列Fig. 3 Time series of the concentrat­ion of PM2.5 in Shanghai, 2015
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图 4 2015 年拉萨 PM2.5浓度时间序列Fig. 4 Time series of the concentrat­ion of PM2.5 in Lhasa, 2015
 ??  ?? 竖直线表示该时刻 PM2.5浓度日际差异对应的­标准差图 5 2015 年北京、上海、拉萨冬、夏两季 PM2.5浓度的平均日变化F­ig. 5 Average diurnal series of the concentrat­ion of PM2.5 in Beijing, Shanghai and Lhasa, 2015
竖直线表示该时刻 PM2.5浓度日际差异对应的­标准差图 5 2015 年北京、上海、拉萨冬、夏两季 PM2.5浓度的平均日变化F­ig. 5 Average diurnal series of the concentrat­ion of PM2.5 in Beijing, Shanghai and Lhasa, 2015

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