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1PM2.5與溫度、濕度及不同污染源關(guān)系的監(jiān)測與分析

1.1調(diào)研方法及測試手段為了探討不同的能源利用方式的排放物對大氣中PM2.5的影響，筆者（課題組）選取了6個(gè)典型的不同地點(diǎn)作為觀測點(diǎn)，自春末至夏初對六個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)測量，如圖1所示，六個(gè)觀測點(diǎn)分別為位于上海西南局部地區(qū)的建筑工地、高校、十字路口、居民小區(qū)、農(nóng)田和工業(yè)企業(yè)。分別代表了可能的建筑生產(chǎn)排放源、普通生活環(huán)境、汽車尾氣排放源、居民生活排放源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)用能排放源。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2014年4月下旬至2014年6月上旬，即傳統(tǒng)意義上的春末夏初季節(jié)。研究人員每天在11點(diǎn)-12點(diǎn)之間對上述6個(gè)采集點(diǎn)連續(xù)采集了PM2.5值、溫度和濕度，并取數(shù)學(xué)平均值作為當(dāng)天的數(shù)據(jù)點(diǎn)。其中采集PM2.5所使用的儀器為清華同方PM2.5數(shù)據(jù)測量儀，使用之前通過廠家進(jìn)行校準(zhǔn)，儀器誤差小于3%，最小量程為1ug/m³,數(shù)據(jù)采用30秒連續(xù)記錄并取數(shù)學(xué)平均值。PM2.5測量儀器示意圖如圖2所示。

1.2結(jié)果分析（1）樣本空間總覽筆者（課題組）采集了40d數(shù)據(jù)作為總體樣本空間，如圖3所示。在春末夏初40d中，晴天天數(shù)占總天數(shù)的50%，陰天為30%，雨天為20%。說明春末夏初季節(jié)上海地區(qū)在沒有入梅之前降水相對較少。圖4為污染天數(shù)示意圖。如圖4所示，根據(jù)PM2.5國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)等天氣占總樣本空間的5%；良好天氣占總樣本空間的半數(shù)以上；輕度污染、中度污染和重度污染分別占總測量天數(shù)的27.5%、7.5%和2.5%。特別注意的是，在此期間發(fā)生一天次的霧霾天氣，估測原因?yàn)橹車r(nóng)田焚燒秸稈所致。（2）相關(guān)系數(shù)PM2.5來源比較復(fù)雜，大氣的溫度、濕度均對空氣中PM2.5的數(shù)值有顯著影響。因此有必要通過數(shù)學(xué)手段來探討PM2.5和溫度、濕度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，以獲得溫度、濕度對大氣PM2.5的定量的影響關(guān)系。本文在數(shù)據(jù)測量的基礎(chǔ)上，運(yùn)用時(shí)間序列分析方法[3]，引入相關(guān)系數(shù)來說明溫度、濕度對大氣PM2.5的影響。相關(guān)系數(shù)是描述兩個(gè)測量值變量之間的離散程度的指標(biāo)。用于判斷兩個(gè)測量值變量的變化是否相關(guān)，即一個(gè)變量增大時(shí)，另一個(gè)變量相關(guān)聯(lián)增大(正相關(guān))；或一個(gè)變量減小時(shí)另一個(gè)變量相關(guān)聯(lián)增大(負(fù)相關(guān))；還是兩個(gè)變量中的值互不關(guān)聯(lián)(相關(guān)系數(shù)近似于零)。卡爾•皮爾森相關(guān)系數(shù)表達(dá)式為。r>0表示正相關(guān)，r<0表示負(fù)相關(guān)，|r|表示了變量之間相關(guān)程度的高低。特殊地，r=1稱為完全正相關(guān)，r=-1稱為完全負(fù)相關(guān)，r=0稱為不相關(guān)。通常|r|大于0.8時(shí)，認(rèn)為兩個(gè)變量有很強(qiáng)的線性相關(guān)性。PM2.5和溫度濕度之間的皮爾森相關(guān)系數(shù)如表1所示，PM2.5與溫度和濕度均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)特性，說明隨著溫度的升高，空氣中的微小顆粒受浮升力的作用而高度上升，PM2.5隨之下降。當(dāng)濕度增加時(shí)，污染物表面吸附水分，通過相互凝聚成較大顆粒發(fā)生沉降；當(dāng)相對濕度變小時(shí)，污染物表面吸附力小，不易凝聚沉降。所得數(shù)據(jù)表明，PM2.5與溫度、濕度的相關(guān)性均呈現(xiàn)弱相關(guān)特性，即PM2.5并非單獨(dú)與溫度濕度有關(guān)。（3）PM2.5與溫度、濕度之間的關(guān)系不同溫度對PM2.5的影響。圖5所示，春末夏初上海的溫度在15-33℃之間，可以看出，隨著溫度的升高，PM2.5濃度逐漸減小，當(dāng)溫度大于20℃時(shí)，PM2.5濃度達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的階段。由此可以看出，溫度對PM2.5有一定影響，溫度越高，空氣中的微小顆粒受浮升力的影響向高層運(yùn)動，所測高度PM2.5濃度下降。因此，上海大范圍的霧霾天氣常出現(xiàn)在氣溫相對較低的冬春季節(jié)。圖6為PM2.5濃度與相對濕度之間的關(guān)系。它表明PM2.5濃度的峰值出現(xiàn)在相對濕度小于30%的時(shí)期，隨著濕度的增大，PM2.5濃度明顯減小，并在相對濕度大于50%時(shí)保持穩(wěn)定，這是因?yàn)榭諝庵械奈⑿☆w粒被水分包裹從而引起下沉所致。同時(shí)，PM2.5濃度與風(fēng)速也有一定關(guān)系。2013年12月，由于影響上海的強(qiáng)冷空氣活動偏少，地面風(fēng)速小，大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，不利于污染物的擴(kuò)散；同時(shí)由于西南暖濕氣流將豐沛的水汽送來，空氣濕度明顯增加，有利于霧的形成，上海出現(xiàn)了嚴(yán)重的霧霾天氣。（4）PM2.5與排放源的關(guān)系PM2.5周平均濃度與不同檢測點(diǎn)排放源的關(guān)系示于圖7。隨著時(shí)間由春末進(jìn)入夏初，上海氣溫逐漸升高，周平均PM2.5指數(shù)呈現(xiàn)整體下降趨勢，第五周周平均PM2.5指數(shù)由于霧霾天氣的發(fā)生突然升高，這是由于上海周圍地區(qū)焚燒秸稈所致。此外可以看出，十字路口的PM2.5濃度指數(shù)明顯高于其他測點(diǎn)排放源對PM2.5的影響。分析表明，十字路口是汽車來往密集地帶，汽車尾氣排出的硫化物、氮氧化物等微小顆粒對于PM2.5濃度有直接影響，因此控制汽車尾氣排放對于改善環(huán)境有明顯作用。鍋爐廠作為工業(yè)用能排放源的代表，其PM2.5指數(shù)也相對較高。而居民小區(qū)和建筑工地的PM2.5指數(shù)相對較低，這是因?yàn)樯虾儆跍貛駶櫗h(huán)境，其相對濕度相對較高，因此建筑塵和普通塵土由于水分包裹著微小顆粒從而導(dǎo)致沉降，PM2.5濃度相對較小。高校環(huán)境和農(nóng)田由于存在大量的綠化帶，PM2.5的濃度最低。通過以上監(jiān)測和分析，可知PM2.5濃度與大氣濕度、溫度和風(fēng)速及排放源密切相關(guān)，根據(jù)2014年4月上海市環(huán)境監(jiān)測中心總工程師伏晴艷對上海大氣顆粒物源解析：“上海在常態(tài)源解析和重污染快速源識別兩個(gè)方面均取得進(jìn)展。態(tài)源解析初步揭示PM2.5來源，得出空氣中PM2.5本地人為污染排放貢獻(xiàn)占八成，交通和工業(yè)是重頭。”這與本課題監(jiān)測得出的結(jié)論基本一致。統(tǒng)計(jì)資料[4、5]表明：上海地處沿海，大氣濕度、溫度和風(fēng)速受季節(jié)變化和大氣環(huán)流影響較大，很難控制；同時(shí)，除了本地的各種排放源外，還有外地隨大氣環(huán)流輸送而來的各種排放物，在不利氣象條件下與本地排放物持續(xù)累積，互相疊加、共同作用的結(jié)果。這是造成上海霧霾的多方面主要因素。

2公眾對上海霧霾認(rèn)知情況調(diào)研與分析

2.1公眾對上海霧霾認(rèn)知情況調(diào)研分析筆者（課題組）共發(fā)放調(diào)查問卷200份，通過問答題目統(tǒng)計(jì)普通民眾對霧霾天氣及PM2.5的認(rèn)知程度。圖8為普通民眾對媒體公布的空氣質(zhì)量報(bào)告的關(guān)注程度，2013年上海開始公布局部地區(qū)PM2.5濃度的數(shù)據(jù)值，但是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明大多數(shù)人只是偶爾花費(fèi)時(shí)間關(guān)注空氣質(zhì)量信息，10%的民眾根本不關(guān)心空氣質(zhì)量信息。圖9為民眾對上海空氣質(zhì)量的滿意程度，表明絕大多數(shù)民眾不滿意上海當(dāng)前的空氣質(zhì)量。圖10是民眾對霧霾天氣與身體健康影響程度的認(rèn)識。所有人都認(rèn)為霧霾天氣對自己身體有影響，大部分人出現(xiàn)了胸悶、反胃、呼吸不暢反應(yīng)，眼睛近視的民眾不能在霧霾天氣下佩戴隱形眼鏡，絕大多數(shù)人均認(rèn)為霧霾天氣會影響自己的壽命。圖11為民眾對環(huán)境問題主要承擔(dān)者的認(rèn)識。55.5%民眾認(rèn)為政府相關(guān)部門缺乏合理、科學(xué)的管理政策，缺少對造成當(dāng)?shù)丨h(huán)境惡化應(yīng)有的獎(jiǎng)懲措施。34%的民眾認(rèn)為企業(yè)沒有執(zhí)行已有的環(huán)保政策規(guī)定，10.5%的民眾認(rèn)為公民的環(huán)保意識有待加強(qiáng)。圖12為減少霧霾天氣的措施。25.45%的民眾認(rèn)為應(yīng)當(dāng)減少私家車的擁有量；19.09%的民眾認(rèn)為應(yīng)當(dāng)增加城市中的綠化帶，以大面積綠色植物凈化空氣；12.73%的民眾認(rèn)為應(yīng)當(dāng)減少煙花爆竹的燃放；23.18%的民眾認(rèn)為應(yīng)當(dāng)嚴(yán)禁秸稈焚燒；19.55%的人認(rèn)為應(yīng)當(dāng)高效利用燃料，提倡利用清潔能源和開發(fā)新能源。

2.2統(tǒng)計(jì)結(jié)果的分析和啟示2013年嚴(yán)重霧霾給上海敲響警鐘。事實(shí)表明，霧霾不僅發(fā)生在北方沙塵嚴(yán)重地區(qū)，近年來也頻頻發(fā)生在全國各地。霧霾的產(chǎn)生嚴(yán)重危害民生、社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，應(yīng)引起政府高度重視。上海作為一個(gè)擁有2300多萬人口的國際大都市，人口密集程度高，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必須考慮到城市環(huán)境的可承受能力。為了城市的明天，應(yīng)盡快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，下決心淘汰各大化工區(qū)的落后產(chǎn)能，還人民一片藍(lán)天。治理霧霾是一項(xiàng)復(fù)雜的社會工程，不僅政府首當(dāng)其沖，每一個(gè)人都有一定的責(zé)任，應(yīng)“從我做起”。

3結(jié)論與思考

筆者（課題組）通過對上海市西南局部地區(qū)PM2.5濃度的調(diào)查研究，利用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地分析了PM2.5濃度與溫度、濕度、污染源之間的定量關(guān)系，結(jié)合調(diào)查問卷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析歸納，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）PM2.5濃度受天氣與溫度、濕度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著溫度和濕度的增大，PM2.5濃度下降，當(dāng)濕度達(dá)到50%以上時(shí)，PM2.5趨于穩(wěn)定。本文研究結(jié)果表明，PM2.5濃度與工業(yè)用能排放源之間有密切關(guān)系；目前上海機(jī)動車使用的各類燃油排出的尾氣是道路等地PM2.5的生成重要因素。而由于上海處于相對濕潤的地域環(huán)境，建筑生產(chǎn)排放和居民生活排放的污染相對較小。（2）普通民眾對上海的空氣質(zhì)量持否定態(tài)度，絕大多數(shù)民眾開始關(guān)注上海當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量報(bào)告。認(rèn)為政府應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)環(huán)境方面的監(jiān)管工作，應(yīng)從機(jī)動車保有量、清潔利用能源、嚴(yán)禁焚燒秸稈等方面控制空氣質(zhì)量。（3）從深層次解決影響上海大氣污染的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)性問題。上海的重工業(yè)占經(jīng)濟(jì)的比重過高；上海每年汽車保有量的增長速度太快，超過8%；上海居民選擇公共交通、地鐵出行比例只有25%左右，遠(yuǎn)低于其它國際大城市的60%～80%；上海清潔能源占全部能源消費(fèi)的比重只有15%，遠(yuǎn)低于歐洲國家的40%～60%等，只有深入解決這些問題，從源頭上減少污染物的排放，才能改善上海的大氣狀況。（4）我們的思考和建議：上海霧霾的形成具有復(fù)雜的成因，不是一朝一夕能夠解決的。要從根本上消除上海大氣污染，改善空氣質(zhì)量，要從源頭上進(jìn)行防治。筆者（課題組）提出三大關(guān)鍵措施：1）建議政府相關(guān)部門在充分調(diào)研基礎(chǔ)上，制定更加完備的能源可持續(xù)利用管理?xiàng)l例。在完善末端治理的同時(shí)，進(jìn)一步強(qiáng)化規(guī)劃布局、能源消耗、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、交通方式、生活方式等方面的治理?xiàng)l例。在強(qiáng)化常規(guī)行政管理的基礎(chǔ)上，支持以環(huán)境污染第三方治理、排污交易、差別電價(jià)、公眾監(jiān)督多種手段來推動能源的清潔利用、節(jié)能減排等有效措施的實(shí)施。2）與長三角兄弟省市聯(lián)合制定長效的協(xié)同機(jī)制。加強(qiáng)與長三角區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。與江蘇、浙江、安徽等省區(qū)建立長期區(qū)域協(xié)作機(jī)制，實(shí)行信息共享、預(yù)警應(yīng)急、聯(lián)動減排、聯(lián)合執(zhí)法等防治措施。3）要借鑒國外霧霾治理經(jīng)驗(yàn)。如建立嚴(yán)格的立法和執(zhí)法及懲處措施；成立專業(yè)的執(zhí)法機(jī)構(gòu)；加強(qiáng)科普宣傳，實(shí)行政府、企業(yè)及民眾等全社會共同參與；提高設(shè)備科技含量，開發(fā)清潔新能源等。霧霾的頻繁發(fā)生已經(jīng)引起上海市政府的高度重視。上海市確立了創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)型發(fā)展的方向，近年來新出臺了《上海市大氣污染防治條例》；通過車牌照限制城區(qū)汽車保有量；大力發(fā)展軌道交通；鼓勵(lì)購買新能源車等，受到居民的歡迎和理解。相信隨著各項(xiàng)治理措施的實(shí)施，上海的大氣質(zhì)量會得到根本改觀。

作者：王經(jīng)孫康杰單位：上海交通大學(xué)工程熱物理研究所上海市能源研究會