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环保科普知识

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为何PM2.5与PM10会“倒挂”?

时间:2017-02-27    来源:中国环境监测    阅读:     字体大小:      
什么是“倒挂”?
  环境空气质量标准中将PM10定义为环境空气中空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物,将PM2.5定义为环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物。
  按照定义,PM2.5属于PM10的一部分,因此理论上在同地、同时测量的PM10的浓度应该大于PM2.5。但在实际监测工作中,偶尔会出现PM2.5浓度大于PM10浓度的“怪现象”,也就是俗称的“倒挂”。这让公众感到困惑,影响公众对空气质量状况的理解和判断。那么倒挂现象合理吗?为什么会出现倒挂现象呢?
什么情况下容易出现倒挂?
  1、监测仪器不同
  目前,在国家环境空气监测网内PM10监测所采用的方法主要有两种,分别是β射线法(采样管恒温加热)和振荡天平法;PM2.5监测所采用的方法同样主要有两种,分别是β射线加动态加热系统法和振荡天平联用膜动态测量系统法。
  中国环境监测总站大气监测实验室针对各种不同的PM10与PM2.5监测方法组合分别进行试验,发现当PM10采用振荡天平法仪器监测,出现倒挂的概率较高。
  2、季节
  我国大部分地区,冬、春、夏、秋四个季节的温度、湿度存在明显差异,对不同季节倒挂现象出现的概率进行分析,发现冬、夏两个季节PM2.5与PM10出现倒挂的几率相对较高,而春、秋季节倒挂现象出现率相对较低。
  不同季节倒挂现象出现率统计结果(小时值)
  3、浓度水平
  将PM2.5浓度划分为35μg/m3以下、35μg/m3~75μg/m3、75μg/m3~150μg/m3、150μg/m3以上四个区间,分析倒挂现象发生时PM2.5的浓度分布情况。
  结果表明,对于PM2.5小时浓度而言,大于150μg/m3时出现倒挂的几率最高;对于PM2.5日均浓度而言,处于75μg/m3~150μg/m3这一区间时,出现倒挂的几率最高。
为什么会出现倒挂?
  1、测量误差
  从定义看,PM2.5属于PM10的一部分,显然PM2.5浓度理应小于PM10,但当环境中PM2.5占PM10的比例较高时,PM2.5与PM10的浓度本身就极为接近。譬如北方某城市2016年PM2.5日均值占PM10的比例平均为78.3%,其中占比超过90%的天数高达117天(占全年32.0%),多数情况下PM2.5浓度与PM10非常接近。任何测量误差都是不可避免的,当PM2.5浓度与PM10非常接近时,测量误差就有可能造成倒挂。
  这种倒挂是正常的,也是不可避免的。除了中国,美国、日本等国公布的监测结果也能看到倒挂发生。
  2、PM10与PM2.5采用不同的监测方法
  目前,常见的颗粒物监测方法主要有振荡天平法、β射线法两个大类, 我国环境空气监测网主要使用β射线法类仪器。随着技术的进步,β射线法类仪器又分为采样管恒温加热、动态加热等类型;振荡天平法类仪器又分为单纯的振荡天平法和联用膜动态测量系统的振荡天平法等类型。
  (1)是否增加膜动态补偿系统
  由于振荡天平法在测量过程中为了防止空气中水分对测量过程的影响,需将采集样品后的滤膜加热并保持在50℃,加热时颗粒物中的“挥发性组分”会发生挥发而造成损失。联用膜动态补偿法后,增加了样气除湿装置,而不需将样品高温加热,同时利用补偿系统对挥发性组分的挥发损失进行了补偿,因此振荡天平法联用膜动态补偿法后测得结果会高于振荡天平法。
  (2)是否采用动态加热
  对于β射线法,采样管采用恒温加热时,长时间加热也将造成颗粒物中部分挥发性组分的损失;而当采用动态加热时,由于可以根据空气中相对湿度的大小自动调节加热温度,在防止采样管结露的同时,最大限度地减少了采样管加热造成的挥发性组分损失,因此采用动态加热时测得结果会高于恒温加热法。
  PM2.5与PM10监测方法不同会导致倒挂。由于我国多数站点PM10监测起步于2002年左右,基于当时的监测技术水平,多采用了传统监测技术,部分仪器尚未更新膜动态测量系统或动态加热系统。而PM2.5基本上自2013年以后才开始监测,伴随着技术的进步,普遍采用了最新的监测技术。这样在同一站点,如果只有PM2.5监测仪器加装了膜动态补偿/动态加热系统,而PM10没有加装,就容易出现倒挂。
如何减少“倒挂”?
  考虑到不同方法之间的差异性,建议各地开展PM10与PM2.5监测时,尽可能选用同样原理的自动监测设备,并根据目前对颗粒物监测技术的最新认识,同时选用振荡天平联用膜动态补偿系统法或β射线加动态加热系统法,同步开展PM10与PM2.5监测,可有效降低倒挂现象的出现的几率。