1、第31卷 第1O期 2014年10月28日 计算机与应用化学 Computers and Applied Chemistry Vo131，No10 October 28，2014 上海市PM25的时空分布特征及污染评估 成亚利，王波 (上海理工大学管理学院，上海，200093) 摘要：首先选取2014年O1O5月的上海市空气质量(AQI)日报，对首要污染物出现的频率做出统计分析，同时借助SPSS，绘制 并分析全市日平均PM2 5的时间分布图。然后根据上海市PM2 5的10个监测站点2014年O1月一o4月的PM2 5实时数据，对监测 站点进行聚类分析，以发现各监测站点PM2 s的空间分布特征。
2、最后根据聚类结果，按照环境空气质量标准，对PM 分区 进行污染评估。研究表明，PM2 5是上海市现阶段空气中的首要污染物；全市日平均PM：s浓度整体呈下降趋势；冬季PM： 污 染程度整体明显高于春季；聚类结果第一类青浦淀山湖站属于一类区，其PM2 5平均浓度远远超出一级环境空气污染物的浓度 限值；第二三类属于二类区，其中浦东川沙站、浦东张江站PM2 平均浓度稍低于二级环境空气污染物的浓度限值，而其他监 测站点则高出二级环境空气污染物的浓度限值。 关键词：环境空气；PM2 时空分布；聚类分析；评估 中图分类号：X821 文献标识码：A 文章编号：10014160f2014)1011891l92
3、DoI：l01 1719comappchem20141009 1 引言 PM25已经成为影响中国城市空气质量的首要污 染物。Fang，Berger和DvonchU3等分别通过实验数据， 证明了人体心血管系统、心脏等器发生病变的危险度， 随环境中诸如PM 等的超细颗粒物浓度升高而明显增 加，对人类的健康极为不利。为此，PM2 5的相关研究需 要迫切地被提上日程。其中，关于PM25的时空分布和季 节变化特征，国内外的专家学者都进行了很多研究。 Chan等【4】通过对香港大气颗粒物的垂直分布分布的 研究，发现PM2 5的质量浓度随高度呈指数下降的趋势。 潘纯珍等【5】对道路附近的PM： 的垂直分布情
4、况进行了统 计分析，结果表明，PM 浓度变化在水平方向上并不明 显，但在垂直方向上，其质量浓度随高度呈先上升后下 降的趋势。而当高度上升到大约30 m时，其浓度的变化 趋于平缓，到大约90 m后才有明显下降趋势。刘君霞等 】对北京近年来大气细颗粒物浓度的做出了统计分析。从 PM25随季节变化的情况分析可知，其污染程度由轻到重 依次是夏季、秋季、春季和冬季，而夏季PM 5浓度日变 化有时会出现不太规则的现象。同时，PM25浓度有明显 的日变化趋势，下午浓度最低，傍晚随后升高，在夜间 到清晨呈升高趋势。欧阳琐等【_ 采用南京大学城市空气质 量数值预报模式系统 JUCAQPS)，对南京地区冬夏两 季
5、PM 的时间变化规律和空间分布状况进行了数值模 拟的研究。研究表明，南京市城近郊内冬夏二季PM2 5 浓度具有明显的时空变化特征，一般在夜间和清晨浓度 较高，午后至傍晚浓度较低。徐衡 8利用EYAM粒子 监测仪连续监测了宝鸡市建成区2012年4月2013年3 月的大气中PM 浓度。数据分析表明，宝鸡市大气中 PM25浓度在非供暖时期(4月10月)的污染程度较轻， 而在集中供暖时期(11月翌年3月)的污染程度较重， 这也说明了集中供暖期是治理PM25污染问题的关键时 期。 为了更科学有效的控制和有针对性治理上海市空气 中的PM2-5，改善整体空气质量，文章对现阶段上海市空 气中PM 的时间和空间
6、分布特征做出分析，并根据环 境空气质量标准【9】，对PM25分区进行污染评估。 2 上海市现阶段首要空气污染物 空气质量指数(Air Quality Index，简称AQI)是定 量描述空气质量状况的无量纲指数，针对单项的污染物， 还规定了空气质量分指数。1 0参与空气质量评价的主要 污染物有细颗粒物(PM25)、可吸入颗粒物(PM10)、二氧化 硫(so )、二氧化氮(N0z)、臭氧(O，)、一氧化碳(C0)六项。 收录上海市2014年1月5月的上海市空气质量 (AQI)日报，可知上海市每日空气的首要污染物主要有 NO2、O3-8、PMlo、PM25 4种类型。对每日首要污染物 出现的次数做
7、出统计分析，如表1。其中有效次数151 次，PM2 5出现69次，有效百分比为457，远远超出 其他污染物所占比例，成为现阶段上海市空气污染的首 要污染物。 收稿日期：20140724；修回日期：20140928 基金项目：上海市一流学科(系统科学)项目资助(xTKx20l2) 作者简介：成亚利(1989一)，女，河南人，硕士研究生，Email：yal _2010126corn 联系人：王波(196o-_)，男，江西人，博士，教授，Email：toddwang2000126tom l19O 计算机与应用化学 2014，3 1(10) 表1首要污染物分布 Table 1 Distribution
8、 ofprimary pollutants 3 上海市PM25时间分布特征 根据收录的2014年1月5月的上海市空气质量 (AQI)日报，选取全市日平均PM25浓度为研究对象，在 数据测量时间内，以24小时为统计单位，绘制全市日平 均PM25的时间分布图，寻找PM25在时间分布规律，如 下图1所示： 苫 Fig1 Time distribution ofPM2 5 in Shanghai 图1上海市PM2 的时间分布 图l可以看出，在2014年1月5月时间段内，上 海市全市日平均PM 质量浓度数值在0-250之间剧烈波 动，没有明显的规律性变动趋势。随着时间的变化，其 平均质量浓度数整体呈下降
9、趋势，其中1月份左右的质 量浓度明显高于其他月份，每月月初的PM25质量浓度数 值明显高于月中值。 从季节变化来看，冬季PM2 平均污染程度明显高于 春季，且冬季的PM： 质量浓度最值明显高于春季。从整 体变动程度来看，冬季的PM 质量浓度变动明显比春季 剧烈，且PM2 5浓度日变化有时会出现不太规则的现象。 4 上海市PM25地区分布特征 根据上海环保部门发布的信息了解到，上海市现有 10个经国家环境保护部门认定的空气质量监测点：普陀 监测站、杨浦四漂站、卢湾师专附小站、青浦淀山湖站、 虹口凉城站、静安监测站、徐汇上师大站、浦东川沙站、 浦东张江站和浦东监测站。其中，有9个站点位于人口 稠密
10、的中心城区，另外1个站点在市郊青浦的淀山湖。 上海环保局方面解释称，位于市区的9个监测点是评价 点，而青浦淀山湖只作为清洁对照点，并不参与上海市 整体空气质量水平的评价。 41数据来源 根据新浪“上海环境”官方微博每天发布的2-4次正 点实时数据(7：00、10：00、14：00、17：00)，收录整理2014 年1月4月上海市10个监测点PM25的实时数据。 由于空气质量情况的渐变性，对于监测数据中的缺 失值，采用点附近的线性趋势来替换。其中，替换的具 体情况，如表2所示。 表2缺失值的替换 Table 2 Displacement ofmissing values 监测站点 被替换个数 普
11、陀监测站 杨浦四漂站 卢湾师专附小站 青浦淀山湖站 虹口凉城站 静安监测站 徐汇上师大站 浦东川沙站 浦东张江站 浦东监测站 42统计分析 根据缺失值替换后的数据，以10个监测点PM2 的 实时数据为分析对象，计算各个检测点PM2 极值、均值 和标准差，如表3。 表3描述统计量 Table 3 Description ofstatistics 由表3可以看出，各个监测站点PM2 现阶段污染程 度不一样，且整体变动情况也有差异。其中，青浦淀山 湖PM： 的极大值和、极小值、均值均远远大于其他监测 站点，属于PM2 污染程度最重的区域。但官方表示青浦 淀山湖只作为清洁对照点，并不参与上海市整体空气
12、质 量水平的评价。 此外，杨浦四漂、徐汇上师大和浦东监测站3个站 点的PM25浓度变动较大，均值数量均超过80且均具有 较大的极大值，属于PM 污染成都较重的地区。而PM25 5 5 2 3 m 2 76 成亚利，等：上海市PIVI2 5的时空分布特征及污染评估 1191 污染程度相对较弱的则是浦东张江和浦东川沙地区，这 无疑跟所在地区产业的发展和分布有关。 43聚类分析 由于上海市各个监测站点PM2 5污染程度不同，故以 1O个监测点PM 的实时数据为分析对象，根据PM2 的污染程度及其分布，对监测点进行聚类，以使具有相 似特征的样本聚集在一起，使差异性大的样本分离开来， 实现对PM2 的分
13、区治理。 借助于SPSS11o12进行聚类分析，所得树状聚类图如 图2所示。 由图2可知上海市10个监测点的聚类情况。若是将 其分为三类，则(青浦淀山湖站)为第一类，(杨涌四漂 站)为第二类，其他的(普陀监测站、卢湾师专附小站、 虹口凉城站、静安监测站、徐汇上师大站、浦东川沙站、 浦东张江站、浦东监测站。)为第三类。青浦淀山湖站作 为唯一的景区单独分类，符合现实情况。 普陀监测站1 静安监测站1 卢湾师专附小1 徐汇上师大l 虹口凉城l 浦东监测站1 1 浦东Jll沙1 浦东长江1 杨浦四漂1 青浦淀山湖1 Fig2 Agglomeration tree 图2树状聚类图 5 上海市PM25分区
14、污染评估 根据环境保护部新修订的环境空气质量标准，环 境空气功能区可以分为两类：一类区为自然保护区、风 景名胜区和其他需要保护的区域；二类区为居住区、商 业交通居民混合区、工业区和农村地区。环境空气功能 区的质量要求：一类区适用一级浓度限值，二类区适合 二级浓度限值，如表4所示。 表4环境空气污染物基本项目浓度限值 Table 4 Concentration limits for basic items ofambient air pollutant 根据聚类结果，第一类青浦淀山湖站属于一类区， 第二三类均属于二类区。对照表3和表4可知，青浦淀 山湖站PM25平均质量浓度，远远超出一级环境空气
15、污染 物的浓度限值，急需相关部门采取针对性的治理措施； 浦东川沙站、浦东张江站PM25平均质量浓度稍低于二级 环境空气污染物的浓度限值，需要进一步控制保持；其 他的监测站点的PM25平均质量浓度均高出二级环境空 气污染物的浓度限值，需要进一步治理，改善整体环境 空气质量。所得聚类及分区结果与上文中统计分析结果 基本相符，证明了文章研究结论的严谨性和有效性。 6 结论 通过对上海市全市AQ1日报和PM25监测点的AQ1 日报数据进行统计分析，得出以下结论： (1)上海市每日空气污染的首要污染物主要有NO 、 O38、PM10、PM25 4种，其中PM2 5所占有效百分比 457，远远超出其他污染
16、物，成为上海市空气污染的 首要污染物。 (2)上海市全市日平均PM25质量浓度整体呈下降趋 势，1月份的质量浓度明显高于其他月份。从季节变化 来看，上海市冬季PM25污染程度整体明显高于春季，且 PM 浓度日变化有时会出现不太规则的现象。 (3)PM25的10个监测站点现阶段污染程度不一样， 且整体变动情况也有差异。其中，青浦淀山湖PM2 的极 大值和、极小值、均值均远远大于其他监测站点，属于 PM25污染程度最重的区域。 (4)根据PM25污染程度的不同，上海市PM2 5监测 点可以分为3类，其中，(青浦淀山湖站)为第一类，(杨 浦四漂站)为第二类，其他的(普陀监测站、卢湾师专 附小站、虹口
17、凉城站、静安监测站、徐汇上师大站、浦 东川沙站、浦东张江站、浦东监测站。)为第三类。 (5)根据环境空气质量标准，聚类结果第一类青 浦淀山湖站属于一类区，第二三类均属于二类区。且青 浦淀山湖站PM25平均质量浓度，远远超出一级环境空气 污染物的浓度限值；浦东川沙站、浦东张江站PM2 平均 质量浓度稍低于二级环境空气污染物的浓度限值；其他 的监测站点的PM25平均质量浓度均高出二级环境空气 污染物的浓度限值。 Rererenees： 1 Fang S C，et a1Acute changes in vascular function among welders exposed to metalr
18、ich particulate matterEpidemiology,2008， 19(2)：217225 2 Berger A，et a1Runs of ventricular and supraventricular tachycardia triggered by air pollution in patients with coronary hean diseaseOccup Environ Med，2006，48(11)：11491158 3 Dvoneh J et a1AcuteEffects ofambient particulatematter on blood pressur
19、e differential effects across urban communities Hypertension，2009，53(5)：853859 l192 计算机与应用化学 2014，3I(10) 4 Chan L Kwok W SVertical dispersion of suspended 8 particulates in urban area of Hong KongAtmos Environ，2000， 34(26)：44034412 9 中文参考文献 1U 5 潘纯珍，陈刚才，杨清玲，等重庆市地区道路PM。dPM2 5浓度 分布特征研究】西南农业大学学报自然科学版，2
20、004，26 (5)：576579 11 6 刘君霞，邵龙义，周林，等北京市近年来大气颗粒物污染水 平变化规律【J】北京工业职业技术学院学报，2010，9(3)：1621 12 7 欧阳淡，蒋维楣，刘红年城市空气质量数值预报系统对PM2 的数值模拟研究J环境科学学报，2007，27(5)：838845 徐衡，罗俊玲，张掌权集中供暖区大气PM 季节动态及其影 响因素一以陕西省宝鸡市为例【J_宝鸡文理学院学报(自然科学 版)，2013，33(1)：1-5 GB 3095。2012环境空气质量标准s北京：中国环境科学出 版社，2012 HJ 6332012环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)：
21、中华 人民共和国国家环境保护标准S北京：中国环境科学出版社， 2012 何晓群多元统计分析M】4版北京：中国人民大学出版社， 2004：54194 贾丽艳，杜强，SPSS统计分析标准教程M】北京：人民邮电出 版社。2010：253-309 Temporal and spatial distribution and contamination assessment of PM25 in Shanghai Cheng Yali and Wang Bo (Business School，University of Shanghai for Science and Technology,Shangha
22、i 200093，China) Abstract：First of all，according to daily air quality reports of Shanghai from January to May in 2014，a statistical analysis of pollutants was madeThen，throughusing SPSS，atimedistributionofPM2 5WaS drawn andanalyzedSecondly，in ordertofind spatialdistributionofPM2 5in each monitoring s
23、tation，cluster analysis WaS employed to claSsify monitoring stations according to realtime data of PM2 5 in ten monitoring stations from January to April in 2014Finally，according to the clustering results，contamination assessments were conducted respectively based on”Ambient Air Quality Standards”Th
24、e results have shown that PM2 5 WaS the primary air pollutant at the present stageDaily average concentration of PM2 5 had all overall downward trend and its pollution levels in winter was significantly higher than springThe first class of clustering results was station in Dianshan LakeQingpu distri
25、ct and it belonged to the first areaBut its average concentration of PM2 5 WaS far exceeded the limits of ambient air pollutants in the area111e other stations belonged to the second area and only two stationsaverage concentration ofPM25 were slightly lower than the limits while other monitoring sites were higher than limits Keywords：ambient air；PM2 5；temporal and spatial distribution；cluster analysis；assessment (Received：2014-07-24；Revised：2014-09-28)
