上海市浦東城區(qū)冬季顆粒物數(shù)濃度及其譜分布特征

崔虎雄，任小龍，張 華

1.上海市環(huán)境監(jiān)測中心，上海 200030

2.上海市浦東新區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，上海 200135

空氣中的顆粒物是固態(tài)、液態(tài)等物質(zhì)的混合體，會(huì)隨著化學(xué)組成和粒徑的變化而發(fā)生變化;其作為大氣污染的主要污染物之一，對人類健康造成了巨大危害。已有研究表明［1-6］，顆粒物粒徑越小，對人體危害越大。連續(xù)監(jiān)測氣溶膠顆粒物作為研究氣溶膠顆粒物的主要手段，而氣溶膠顆粒物在大氣環(huán)境中的行為取決于其粒徑大小及其譜分布特征;因此，連續(xù)監(jiān)測大氣顆粒物粒徑分布等是研究氣溶膠污染的基礎(chǔ)。

顆粒物的粒徑大小是關(guān)系到顆粒物在大氣中的壽命、傳輸及對環(huán)境和人體健康影響的重要參數(shù)。國內(nèi)已有很多學(xué)者開展相關(guān)研究。王振海等［7］對蘭州大氣顆粒物的濃度變化和粒徑分布特征研究得出，蘭州市大氣顆粒物的數(shù)濃度水平12月最高，6月最低，且數(shù)濃度的日變化呈現(xiàn)單峰特征即數(shù)濃度上午11:00最高，下午18:00最低;數(shù)濃度粒徑譜分布特征呈現(xiàn)單峰變化特征，峰值集中在0.673 μm附近。趙素平等［8-9］對蘭州特殊季節(jié)、特殊污染條件下的顆粒物數(shù)濃度分別進(jìn)行了研究。黃書華等［10］對北京市夏季高濕條件下顆粒物的數(shù)濃度進(jìn)行分析，得出在高濕度氣象條件下，細(xì)顆粒物(＜1 μm)的數(shù)濃度在整個(gè)粒徑中所占的比重顯著增加，原因主要由于顆粒物吸濕增長造成。張濤等［11］對2008年1月廣州顆粒物數(shù)濃度污染特征進(jìn)行研究且對灰霾和非灰霾天氣下顆粒物數(shù)濃度進(jìn)行比較分析，得出顆粒物數(shù)濃度與大氣能見度、相對濕度、風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與PM2.5質(zhì)量濃度、溫度呈正相關(guān)。高健等［12］對濟(jì)南夏季大氣顆粒物粒徑分布特征及來源機(jī)理進(jìn)行了研究，指出凝結(jié)核模態(tài)與埃根核模態(tài)顆粒物在相對清潔、高溫度、低濕度大氣環(huán)境下濃度較高，可能由于氣態(tài)前體物在光化學(xué)作用下的均相成核作用及異相凝結(jié)濃度作用推動(dòng)造成;500～1 000 nm的顆粒物在清晨達(dá)到最高值，可能由于混合層高度對地面污染擴(kuò)散的抑制造成。尚倩等［13］對南京冬季大氣氣溶膠粒子譜分布及其對能見度的影響進(jìn)行研究，數(shù)濃度譜呈雙峰分布，主峰集中在0.04～0.1 μm，直徑小于1 μm的粒子數(shù)濃度分布受相對濕度的影響較顯著。

上海市已有很多學(xué)者對顆粒物數(shù)濃度及其譜分布特征開展諸多研究與探索，但大多數(shù)研究集中于一些污染案例的研究［14］，對于長時(shí)間顆粒物數(shù)濃度特征，尤其新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之后，其數(shù)濃度特征研究相對較少。

研究主要采用APS-3321型空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀(美國)對2012年12月至2013年2月期間不同 AQI條件下上海浦東城區(qū)粒徑為0.5～20 μm大氣顆粒物的數(shù)濃度和粒徑譜特征進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合其他常規(guī)氣體污染物分析，以加深對上海市不同空氣質(zhì)量等級下大氣顆粒物譜分布特征、變化規(guī)律及其影響因素的認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步研究上海市氣溶膠來源、物理化學(xué)特征等提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 數(shù)據(jù)來源

采樣位于浦東中心城區(qū)，采樣位置距地面約20 m，站點(diǎn)周邊主要為住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)，是典型的城區(qū)監(jiān)測點(diǎn)。采用APS-3321型空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀連續(xù)在線測量大氣顆粒物數(shù)濃度譜分布。APS-3321型粒徑譜儀通過測量在加速氣流中不同大小粒子通過檢測區(qū)域的飛行時(shí)間實(shí)時(shí)地測量粒子的空氣動(dòng)力學(xué)直徑，測量范圍為0.5～20 μm，采樣流量為 5 L/min(其中樣氣流量為1 L/min，鞘氣流量為4 L/min)，可同時(shí)測量52個(gè)粒徑通道的顆粒物數(shù)濃度，觀測中設(shè)定采樣分辨率為5 min。觀測期間還同時(shí)觀測的因子包括氣象因子、常規(guī)污染物因子(PM10、PM2.5、CO、O3)，每天24 h連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測，PM10監(jiān)測設(shè)備型號為Thermo 1405，CO 為 API300E，O3為 API400E，PM2.5為Thermo 1405DF;自動(dòng)監(jiān)測質(zhì)控質(zhì)保措施嚴(yán)格按照相關(guān)專業(yè)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行，每周進(jìn)行一次零點(diǎn)和跨點(diǎn)檢查、校準(zhǔn)，每2周進(jìn)行1次精密度檢查;PM10、PM2.5切割頭每2個(gè)月進(jìn)行1次清洗。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

研究使用2012年12月至2013年2月共2 064 h數(shù)據(jù)?？諝鈩?dòng)力學(xué)粒徑譜儀直接測得的是顆粒物的數(shù)濃度譜，在假設(shè)粒子為球形的前提下，利用APS專用軟件AIM對每個(gè)樣本進(jìn)行計(jì)算和分析，得到每個(gè)樣本的數(shù)濃度、數(shù)濃度譜分布特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物數(shù)濃度變化特征

為便于研究不同粒徑顆粒物數(shù)濃度的變化，將0.5～20 μm的顆粒物分為 0.5～1.0、1.0～2.5、2.5 ～20 μm 3個(gè)粒徑段。

上海市浦東城區(qū)0.5～20 μm顆粒物數(shù)為360個(gè)/cm3，其中 0.5～1.0 μm顆粒物數(shù)為 345個(gè)/cm3，占顆粒物總數(shù)的 95.7%;1.0～2.5 μm顆粒物數(shù)為15個(gè)/cm3，占顆粒物總數(shù)的4.1%;2.5～20.0 μm顆粒物數(shù)為0.6個(gè)/cm3，占顆粒物總數(shù)的0.2%。這說明絕大多數(shù)顆粒物數(shù)基本處于小于1 μm水平。翟晴飛等［15］觀測到石家莊市2010年5月0.5～2.5 μm顆粒物數(shù)為554個(gè)/cm3，錢凌等［16］觀測得到南京郊區(qū)春季和冬季顆粒物數(shù)為673個(gè)/cm3，均高于上海市本次觀測結(jié)果。

此外，按照上海市環(huán)保局公布每日空氣質(zhì)量狀況，按 AQI≤50、50 ＜ AQI≤100、100 ＜ AQI≤200、AQI＞200分別對顆粒物的數(shù)濃度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，當(dāng)AQI≤50時(shí)，顆粒物數(shù)濃度僅為65.6個(gè)/cm3;當(dāng)50＜AQI≤100時(shí)，顆粒物數(shù)濃度增加到242.2個(gè)/cm3，比前者增加了2.7倍;當(dāng)100＜AQI≤200時(shí)，顆粒物數(shù)濃度增加到526.6個(gè)/cm3，比AQI＜50時(shí)增加了7倍;當(dāng)AQI＞200時(shí)，顆粒物數(shù)濃度達(dá)到 852.3個(gè)/cm3，比AQI＜50時(shí)增加了12倍。可見，隨著空氣質(zhì)量的惡化，顆粒物數(shù)濃度呈現(xiàn)大幅增加的變化特征。

圖1 不同AQI條件下顆粒物數(shù)濃度的日分布特征

不同空氣質(zhì)量狀況下，不同粒徑段的數(shù)濃度水平變化特征見表1、表2。結(jié)果顯示，隨著AQI的增加，0.5～1.0 μm的數(shù)濃度從61.6個(gè)/cm3增加到805.2個(gè)/cm3，1.0～2.5 μm的數(shù)濃度從3.7個(gè)/cm3增加到 45.9個(gè)/cm3，2.5 ～20 μm 的數(shù)濃度從0.3個(gè)/cm3增加到1.2個(gè)/cm3;可見，隨著空氣質(zhì)量狀況的下降，小粒徑顆粒物數(shù)濃度的增加更為突出。

表1 不同AQI條件下不同粒徑范圍內(nèi)顆粒物數(shù)濃度變化 個(gè)/cm3

表2 不同AQI條件下不同粒徑范圍內(nèi)顆粒物數(shù)濃度百分比變化 %

2.2 顆粒物數(shù)濃度的日變化特征

顆粒物數(shù)濃度的日變化也隨著AQI的不同而呈現(xiàn)不同的變化特征(圖1)。當(dāng) AQI≤50時(shí)，顆粒物數(shù)濃度基本處于50～150個(gè)/cm3，一天中數(shù)濃度基本隨著時(shí)間的變化呈現(xiàn)逐步增加的變化特征。當(dāng) 50＜AQI≤100時(shí)，顆粒物數(shù)濃度處于200～300個(gè)/cm3，夜間0:00時(shí)濃度最高，而下午15:00時(shí)濃度最低;當(dāng)100＜AQI≤200時(shí)，顆粒物數(shù)濃度基本處于400～600個(gè)/cm3，且顆粒物數(shù)濃度隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)先逐步上升(0:00—18:00)后迅速下降(18:00—24:00)的變化特征;當(dāng)AQI＞200時(shí)，顆粒物數(shù)濃度基本處于800～1 000個(gè)/cm3，且在6:00—10:00出現(xiàn)一個(gè)高濃度峰值，10:00之后數(shù)濃度迅速下降并維持在800個(gè)/cm3。由以上得知，由于受到人為污染源排放、氣象因素等的綜合影響，使得不同AQI條件下的顆粒物數(shù)濃度的日變化特征存在較大差異。

2.3 顆粒物數(shù)濃度譜的日變化特征

不同空氣質(zhì)量 AQI≤50、50 ＜ AQI≤100、100 ＜AQI≤200、AQI＞200條件下，顆粒物數(shù)濃度譜分布均呈現(xiàn)單峰的分布特征，且譜峰均在0.6 μm附近，但數(shù)濃度譜的陡峭程度卻隨著AQI數(shù)值的增加而更為陡峭，見圖2。

圖2 不同AQI條件下顆粒物數(shù)濃度譜變化特征

為進(jìn)一步分析不同空氣質(zhì)量條件對顆粒物數(shù)濃度譜的日變化特征影響，選擇每天凌晨2:00、上午8:00、中午12:00、下午18:00、傍晚22:00為典型時(shí)刻進(jìn)行分析，結(jié)果顯示隨著空氣質(zhì)量的不同而顆粒物數(shù)濃度譜特征也呈現(xiàn)較大差異，見圖3。

圖3 不同AQI條件下顆粒物數(shù)濃度譜的日變化特征

當(dāng) AQI≤50時(shí)，dN/dlogDp下午、傍晚(18:00、22:00)最高，上午、中午(8:00、12:00)次之，凌晨(2:00)最低;當(dāng) 50＜AQI≤100時(shí)，dN/dlogDp凌晨、上午 (2:00、8:00)最高，傍晚(22:00)次之，中午、下午(12:00、18:00)最低;當(dāng)100＜AQI≤200時(shí)，dN/dlogDp傍晚和上午(18:00、8:00)最高，中午、凌晨(12:00、02:00)次之，下午 (22:00)最低;當(dāng) AQI＞200時(shí)，dN/dlogDp上午(8:00)最高，凌晨、中午(2:00、12:00)次之，下午、傍晚(18:00、22:00)最低。由上可知，AQI≤50和50＜AQI≤100的顆粒物數(shù)濃度出現(xiàn)在高的時(shí)刻為傍晚22:00和夜間2:00，說明除了受到污染源排放影響之外，氣象條件(尤其逆溫層)的變化是造成該特征的主要原因之一;100＜AQI≤200和AQI＞200的最高的顆粒物數(shù)濃度出現(xiàn)在晚上18:00和上午8:00，說明早晚上下班高峰對該特征的變化存在顯著影響。

2.4 顆粒物數(shù)濃度與PM2.5質(zhì)量濃度關(guān)系分析

當(dāng)空氣質(zhì)量分別為 AQI≤50、50＜AQI≤100、100＜AQI≤200、AQI＞200 時(shí)，0.5 ～1.0、1.0 ～2.5、2.5～10 μm的數(shù)濃度與PM2.5質(zhì)量濃度的比值關(guān)系不同。空氣質(zhì)量由 AQI≤50變?yōu)?50＜AQI≤100 時(shí)，N0.5～1.0/PM2.5的數(shù)值快速增加，由2 945增加到 4 685，而 N1.0～2.5/PM2.5、N2.5～10/PM2.5卻分別由193降低到186和15降低到9，這說明隨著空氣質(zhì)量由優(yōu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱?，小顆粒物(N0.5～1.0)對 PM2.5的質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)增加;當(dāng)空氣質(zhì)量由 50＜AQI≤100增加到 AQI＞200時(shí)，N1.0～2.5/PM2.5增加幅度最明顯，由 186增加到235，增加幅度達(dá)26%，而其他2段粒徑的比值增加幅度不顯著，說明上海市空氣質(zhì)量重污染發(fā)生時(shí)，PM2.5中1.0～2.5 μm貢獻(xiàn)增幅最大，這對于上海市PM2.5污染防治具有重要的意義。

表3 不同AQI條件下不同粒徑數(shù)濃度與PM2.5質(zhì)量濃度比值變化

3 結(jié)論

上海市浦東城區(qū)冬季大氣顆粒物數(shù)濃度為360個(gè)/cm3，其中 0.5～1.0 μm顆粒物數(shù)為 345個(gè)/cm3，占總顆粒物的 95.7%;1.0～2.5 μm 顆粒物數(shù)為 15個(gè)/cm3，占顆粒物總數(shù)的 4.1%;2.5～20.0 μm顆粒物數(shù)為0.6個(gè)/cm3，占顆粒物總數(shù)的 0.2%。當(dāng)空氣質(zhì)量為 AQI≤50、50＜AQI≤100、100 ＜ AQI≤200、AQI＞200 時(shí)，顆粒物數(shù)濃度分別為 77.5、243.2、522.6、868.5 個(gè)/m3。隨著空氣污染的加重，小于2.5 μm顆粒物數(shù)濃度增加顯著且對總的顆粒物數(shù)濃度的貢獻(xiàn)也有所增加。不同空氣質(zhì)量條件下，顆粒物數(shù)濃度的日變化存在一定差異:AQI≤50顆粒物數(shù)濃度隨著時(shí)間的變化呈現(xiàn)逐步增加的變化特征，50＜AQI≤100顆粒物數(shù)濃度隨著時(shí)間變化卻呈現(xiàn)先減小后增加的特征，100＜AQI≤200、AQI＞200 條件下顆粒物數(shù)濃度均呈現(xiàn)先增加后減小的變化特征。當(dāng)AQI≤50變?yōu)?0＜AQI≤100時(shí)，PM2.5質(zhì)量濃度中0.5～1.0 μm顆粒物數(shù)量相對增加，當(dāng)空氣質(zhì)量由50＜AQI≤100增加到 AQI＞200時(shí)，PM2.5中1.0～2.5 μm顆粒物數(shù)量隨著AQI的增加而大幅增多。

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