[ノート]兵庫県姫路市における大気中粒子状物質及びガス状物質の並行測定（２）－PM2.5 の発生源解析－
中坪島
１

良平 １

正之 ２

常友
余田大資 １

佳子 ２

平木齊藤隆年 １

勝美 ２ , ３

兵庫県環境研究センター 大気環境科（〒654-0037 神戸市須磨区行平町 3-1-27）
２兵庫医科大学 公衆衛生学（〒663-8501 西宮市武庫川町 1-1）

３

環境計測株式会社（〒612-8419 京都市伏見区竹田北三ツ杭町 84）

Parallel measurement of atmospheric particulate and gases
in Himeji, Hyogo (2) - Source characterization of PM 2.5 Ryouhei NAKATSUBO 1, Daisuke TSUNETOMO 1, Takatoshi HIRAKI 1
Masayuki SHIMA 2, Yoshiko YODA2 and Katsumi SAITOH 2,31 Atmospheric Environmental Division, Hyogo Prefectural Institute of Environmental Sciences,3-1-27, Yukihira-cho, Suma-ku, Kobe, Hyogo 654-0037, Japan
2 Department of Public Health, Hyogo College of Medicine

1-1, Mukogawa-cho, Nishinomiya, Hyogo 663-8501, Japan
3 Eco Analysis Corporation84, Takeda-kita Mitsugui-cho, Fushimi-ku, Kyoto, Kyoto 612-8419, Japan

PM 2.5 の発生源に関する情報を得ることを目的として，兵庫県姫路市において粒子状物質（PM 10<，PM 10-2.5，PM 2.5）及びガス状物質（HCl，HNO 3，SO 2，NH 3，HONO）の 24 時間捕集を各季節に 20 日間ずつ実施した．
本報告では，PM2.5 の主要成分（イオン成分，炭素成分，無機元素成分）の測定結果に Positive MatrixFactorization（PMF）解析を適用し，PM2.5 の発生源とその寄与割合を推定した．PMF 解析の結果，製鋼業＋交通，重油燃焼，海塩，硝酸・塩酸系二次粒子，土壌及び硫酸系二次粒子の寄与を表す 6 つの因子が抽出された．PM 2.5 質量濃度に及ぼす各因子の寄与率は季節によって異なっていたが，全期間の平均は，硫酸系二次粒子が 29%，土壌が 10%，硝酸・塩酸系二次粒子が 9%，重油燃焼が 8%，製鋼業＋交通が 6%，海塩が 4%であった．

Ⅰ

はじめに

行研究によれば我が国のPM 2.5濃度は多くの地点で大 気 環 境 基 準 を 超 過 す る と 予 測 さ れ て お り 3) ，

空 気 動力 学 径 が 2.5μm以 下 の 微小 粒 子 状 物 質

PM 2.5濃度の低減に向けた的確な発生源対策が求め（PM 2.5）の健康影響については，国内外において1)られる．

2)

死亡率 や喘息発作 との関連が指摘され，我が国レセプターモデルは，ある地点で観測された成では平成21年9月に大気環境基準が告示された．先分濃度から，影響を及ぼす発生源とその寄与割合
21を統計的に推定する手法であり，これまでにSPM等様々な大気汚染物質の発生源解析に活用されてきた．本報告では，我々が環境研究総合推進費の助成を受けて兵庫県姫路市で実施している「大気中粒子状物質の成分組成及びオゾンが気管支喘息発作に及ぼす影響に関する疫学研究」により得られたPM 2.5の成分濃度データにレセプターモデルを適用し，発生源解析を行った結果について報告す
る．

Ⅱ方法

1. 大気中粒子状物質及びガス状物質の捕集
大気中粒子状物質は，開放型NILUフィルタフォルダに分級流速が10.0L/minに設計されたマルチノズルカスケードインパクタ（東京ダイレック製）を装着し，PM 10<，PM 10-2.5，PM 2.5の3段に分級捕集した．粒子の捕集にはPTFEフィルタ（PALL製サポートリング付きTeflo及びドーナツ型Zefluor，直径47㎜及び47×20㎜，各々ポアサイズ2μm）及び石英繊維フィルタ（PALL製2500QAT-UP，直径47㎜及び47×20㎜）を用いた．ガス状物質は，PTFEフィ
ルタを装填したフィルタフォルダの下流に 5種のFig.1.

ガス状成分（HCl，HNO 3，SO 2，NH 3，HONO）が捕集

sampling site

できるフィルタパックを連結して捕集した．

Location

andcharacteristicsoftheーを用いて分析した．イオン成分（Cl -，NO 3-，SO 42-，

捕集期間は，2010年7月30日～8月19日（夏季），

Na +，NH 4+，K +，Mg 2+，Ca 2+）は，イオンクロマトグ

2010年10月21日～11月10日（秋季），2011年1月11

ラフ法によりDIONEX社製ICS-2100を用いて分析し日～1月31日（冬季），2011年5月10日～29日（春季）た．無機元素成分（Na，Al，K，Ca，Sc，Ti，V，の4期間で，夏季のみ午前9時30分を，その他の季Cr，Mn，Fe，Ni，Cu，Zn，As，Sr，Mo，Cd，Sb，

節は午前10時を開始時刻とする24時間周期の捕集

Pb）は，誘導結合プラズマ質量分析法（ICP-MS法）を20日間連続して行った．

によりThermo社製Xシリーズ2を用いて分析した．

捕集地点は，兵庫県姫路市の姫路市飾磨市民センター屋上（北緯34.80度，東経134.68度，地上高3. 発生源解析約30m）である．捕集地点周辺の主な発生源として発生源解析は，米国環境保護庁のホームページ

は，約1km北側に国道2号が，約600m南側に国道2504)号が走っている．また，国道250号より南側は播磨で公開されているEPA-PMF3.0を用い，PositiveMatrix Factorization（PMF）解析を行った．PMF

臨海工業地帯であり，製鋼所や化学工場等が複数

解析は多変量解析の一種で，成分濃度の時系列デ存在している（Fig.1）．

ータセットをいくつかの因子に分解し，因子のプロファイル及び寄与を求める手法である．PMFモデ

2.質量濃度及び成分濃度の測定

ルは以下の[1]式で表される．ここで， xij は試料 i捕集前後のPTFEフィルタは，相対湿度約35%に調中の成分 jの濃度，gikは試料 iに対する因子 k の相対整したデシケーターに24時間程度静置した後，温寄与， fkj は因子 k における成分 j の濃度， eij は試料 i

度21.5±1.5℃，相対湿度35±5%に調整した秤量室中の成分 j の観測値と計算値の残差である．PMFモ内で，ウルトラミクロ天秤（Sartorius社，SE2-F）

デルでは任意の因子数 p を与えて計算を実行し，を用いて秤量した．炭素成分（有機炭素OC，元素[2]式で表される Q を最小にする gij ， fkj 及び p を求状炭素EC）は，熱分離光学補正法（IMPROVE法）にめる．なお，uijは試料 i中の成分 jの不確かさである．

よりSunset Laboratory社製カーボンアナライザ
22

30000.0150
Q
Q Theory
Relative standard deviation

2500

Q value・・・
本報告では，全期間の成分濃度データ（n=80）を解析対象としたが，全期間を通して分析を行っ

2000

0.01001500

0.00751000

0.0050500

0.0025ていない成分（Na，Sc，Mo）はモデルから除外し+0及びK，Ca2+及びCa）についてはイオン成分を解析

0.0000345678
Factor number

対象とし，無機元素成分は除外した．成分濃度が検出下限値未満の場合は検出下限値の1/2値で置

10

Cd

Sb

Pb

Sb

Pb

AsAs

Cd

Cu

Zn
Zn

Mn

FeCrV

Ti

Mg2+

NH4+K+Na+

NO3-

SO42-

Ni

は各成分分析における方法検出下限値及び相対標50

Ni100Cu

確かさを3倍に調整して解析に用いた．誤差データ

Cl-OC成分（OC，EC，Cl - ，K + ，Mg 2+ ，Ti，Ni，Sb）は不EC

deviation of the each factor numberの成分（Al，Sr）はモデルから除外し，2～20%のFactor 1: Steel mill and Traffic

0100

準偏差を用いた．以上の条件でPMF解析を行い，導Contribution (%)

出された因子プロファイルから指標となる成分を参考に各因子を解釈した．

Ⅲ9Fig.2. Q average, QTheory and relative standard

き換えた 5)．また検出下限値未満の割合が20%以上

Ca2+た．イオン成分と無機元素成分で重複する成分（K0.0125
Relative standard deviation・・・

0100

結果および考察

Factor 2: Heavy oil combustion

50Factor 3: Sea salt

500100Factor 4: Nitrate/Chloride rich secondary aerosol

501. 因子数の決定
PMF解析では，繰り返し計算により得られた Qの0100

分散が小さく，且つ Q の値が[3]式で算出される Q50の理論値（ QTheory ）に近くなる因子数が最適であ0100る．ここで， nは試料数， mは成分数である．

Factor 5: SoilFactor 6: Sulphate-rich secondary aerozol

50FeMnCrV

Ti

Ca2+Mg2+K+Na+NH4+

SO42-Cl-NO3-EC

OC0・・・

Fig.3. The calculated source profile of the each
因子数を3から10の間で変化させPMF解析を行い，20回の繰り返し計算で得られた Q の平均値及び相factor for PM 2.5

対標準偏差，併せて各因子数の QTheoryをFig.2に示荷が大きく，石炭燃焼に由来するとされるAsの負した．Qの相対標準偏差は因子数が7以上で増加す荷も大きいことから 6) ，石炭を主燃料とする製鋼る傾向がみられ，因子数6の Q が QTheory に最も近か業等の寄与を表す因子と解釈されたが，燃焼系のった．そのため因子数6が最適と判断した．因子数

OC，EC，ブレーキパッド由来とされるCu，Sbの寄決定後，計算値と実測値の決定係数が0.5以下の成与も大きいことから 7) ，自動車等交通関係の発生分（Cr，Pb）は，不確かさを3倍に調整して再度計源の混在が示唆された（製鋼業＋交通）．因子2は，算した．

重油中の含有率の高いVやNiの負荷が大きいことから 8) ，重油を燃料とする船舶や火力発電所等の寄与を表す因子と解釈された（重油燃焼）．因子3

2. 因子プロファイルの解釈
Fig.3には，因子数6で計算した場合に導出されは，Na +，Mg 2+及びCl -の負荷が大きいことから，海た各因子のプロファイルを，因子間の相対比で示洋由来の粒子の寄与を表す因子と解釈された（海した．因子1は，Cr，Fe，Ni，Zn等の金属元素の負塩）．因子4は，NO 3- ，Cl - の負荷が大きく，NH 4+ の23

Fig.4.

Sourcecontribution

expressed in percentage ofapportioned PM 2.5 mass for the
average of the all seasons andthe each season

負荷もみられることから半揮発性の塩化アンモニている 10)．捕集地点は播磨灘の沿岸から直線距離

ウムと硝酸アンモニウムの寄与を表す因子と解釈

で約5kmの位置にあり，特定重要港湾に指定されてされたが，ECの負荷もみられることから燃焼系発いる姫路港も近い．また，播磨臨海工業地帯にあ生源の混在が示唆された（硝酸・塩酸系二次粒子）．

る火力発電所は天然ガスを燃料としていることか

2+因子5は，Ca ，Ti，Mn，Feの負荷が大きいことから 11)，夏季は重油を燃料とする船舶の影響を大きら土壌由来の粒子の寄与を表す因子と解釈された．

く受けたと推測された．また，夏季は気温の上昇

また，土壌には植物等を由来とする有機性堆積物

により半揮発性の硝酸・塩酸系二次粒子の寄与が9)も含まれるため ，OCの負荷がみられたと推測さ2-小さかったと推測された．一方，冬季は気温が低+れた（土壌）．因子6は，SO 4 ，NH4 の負荷が大き下することにより半揮発性の硝酸・塩酸系二次粒

く，OC，ECの寄与もみられることから，燃焼起源子の寄与が大きかったと推測された．春季は， 5のSO 2 の酸化により二次的に生成した硫酸アンモ

月13日を中心に全国的に観測された黄砂の影響にニウム，または長距離輸送された硫酸アンモニウより 12)土壌の寄与が大きくなったと推測された．

ムの寄与を表す因子と解釈された（硫酸系二次粒Ⅳ子）．
3. 発生源寄与率の推定結論

兵 庫 県姫 路 市 に お いて 24時 間 単位 で 捕 集 し た

Fig.4には，各因子がPM 2.5質量濃度に及ぼす寄与

PM 2.5の成分分析結果を用いてPMF解析を行い，以下率の全期間平均及び季節別平均を円グラフで示しの結論を得た．

た．全期間の平均は，硫酸系二次粒子が29%，土壌①因子数は， Q の値及びその相対標準偏差から判が10%，硝酸・塩酸系二次粒子が9%，重油燃焼が8%，断し，6が最適と判断された．

製鋼業＋交通が6%，海塩が4%であった．季節別で②各因子は，製鋼業＋交通，重油燃焼，海塩，硝は，夏季は重油燃焼の寄与が大きかった．捕集地

酸・塩酸系二次粒子，土壌及び硫酸系二次粒子の点の姫路市は，通年で北寄りの風が多いものの，寄与を表す因子と推定された．

夏季は南寄りの風向頻度が高くなることが分かっ③PM 2.5質量濃度に及ぼす各因子の寄与率は季節に24Applications,

JAPCA,

よって異なっていたが，全期間の平均は，硫酸系

modeling

38(11),二次粒子が29%，土壌が10%，硝酸・塩酸系二次粒

1392-1402.

子が9%，重油燃焼が8%，製鋼業＋交通が6%，海塩9) Lewis, C.W., Norris, G.A., Conner, T.L.,が4%であった．

Henry, R.C.(2003) Source apportionment of
Phoenix PM2.5 aerosol with the unmix receptor

謝model, J. Air Waste Manage. Assoc. 53, 325-339.

辞10)河野仁，西塚幸子（2006）播磨平野の海陸風の本研究は環境省・環境研究総合推進費（課題番

統計的解析―海面水温との関係，天気，53，9，

号：C-1005）の支援を受けて実施した．

701-70611) 関 西 電 力 ㈱ :文献

http://www1.kepco.co.jp/energy/fpac/community/plant/10.html （ 参 照2011.12.18）

1）Dockery,D.W., Pope,C.A., Xu,X.P., Spengler,12)気象庁:2011年黄砂観測日および観測地点の表

J.D., Ware,J.H., Fay,M.E., Ferris,E.G.

（ 速 報 値 ）（ 2011 ）， http://www.data.kishou.

(1993)An association between air-pollution andgo.jp/obs-env/kosahp/kosa_table_2011.html（ 参mortality in 6 United-States cities, New照2011.12.18）

England Journal of Medicine , 329, 1753-1759.

Abstract

2）島 正之，余田佳子，黒坂文武，中谷裕司，寺田忠之，呉本良雄，岡勝巳，高橋宏暢，西川実徳，
藤原克彦，水守康之，最上朗，山田琢（2011）大We carried out the positive matrix factorization

気汚染が気管支喘息発作に与える影響：兵庫県姫(PMF) analysis of the PM 2.5 at the Himeji city, Hyogo

路市における調査，第21回日本疫学会学術総会発

prefecture. As a result of a PMF analysis, steel mill

表．

and traffic, heavy oil combustion, sea salt, nitrate /3) 微小粒子状物質健康影響評価検討会（2008）微chloride rich secondary aerozol, soil, sulphate rich

小粒子状物質健康影響評価検討会報告書．

secondary aerozol were adopted as a source factor of4)EPA:

Factorization

the PM 2.5 . The average of contribution rate of the

http://www.epa.gov/heasd/each source factors, the sulphate rich secondary

EPA(PMF)3.0

PositiveModel,

Matrixproducts/pmf/pmf.html (参照2011.12.18）

aerozol was 29%, the soil was 10%, the nitrate /5)Polissar,A.V., Hopke,P.K.,Pattero,P., Malm,chloride rich secondary aerozol was 9%, the heavy oil

W.C.

combustion was 8%, the steel mill and traffic was 6%,

andSisler,J.F.(1998)

Atmospheric

the sea salt was 4%, respectively.

aerosol over Alaska 2. Elemental compositionand source, J. Geophys. Res. ,103, 19045-19057.
6) Marcazzan, G.M., Vaccaro, S., Valli, G.,
Vecchi, R.(2001) Characterisation of PM10 andPM2.5 particulate matter in the ambient air ofMilan(Italy),Atmos.

Environ.

35(27),4639-4650.
7) Sternbeck, J., Sjödin, A., Andréasson,K.(2002) Metal emissions from road traffic andthe influence of resuspension e results fromtwo tunnel studies, Atmos. Environ. 36 (30),4735-4744.
8) Olmez, I., Sheffield, A.E., Gordon, G.E.,
Houck, J.E., Pritchett, L.C., Cooper, J.A., etal.(1988)

Compositionsofparticles

fromselected sources in Philadelphia for receptor
25