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北京的PM2.5
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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
https://wap.sciencenet.cn/blog-62226-528112.html
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