氣溶膠消光和顆粒物粒徑分布之間關(guān)系的分析

杜嵩山

（江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心〈江蘇省機(jī)動車排氣污染監(jiān)督管理中心〉，江蘇 南京210036）

大氣顆粒物污染除了對人體健康造成危害，也對氣溶膠消光系數(shù)造成一定影響，并最終導(dǎo)致大氣能見度下降，給人們的感官和生產(chǎn)生活造成一定影響。但是不同原因引起的顆粒物污染造成氣溶膠消光系數(shù)上升的程度是不一樣的，本文將就典型天氣下氣溶膠消光系數(shù)的變化和顆粒物數(shù)濃度之間的關(guān)系進(jìn)行初步的探討。[1-2]

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

大氣顆粒物粒徑及數(shù)濃度的測量由大氣細(xì)粒子譜分析儀完成。其中，空氣動力學(xué)粒徑譜儀原理：由于不同粒徑的顆粒物的飛行速度不同，利用粒子飛行時(shí)間測量粒徑。掃描電遷移率粒徑譜儀原理：利用不同粒徑的顆粒物帶點(diǎn)后在電場中遷移速度不同，使不同粒徑的顆粒物有效分離。氣溶膠消光系數(shù)、散射系數(shù)、吸收系數(shù)和黑碳采用光聲氣溶膠消光儀（PAX）分析，其原理是基于氣體的光聲效應(yīng)，用一束強(qiáng)度可調(diào)制的單色光照射到密封于光聲池中的樣品上，樣品吸收光能，并以釋放熱能的方式退激，釋放的熱能使樣品和周圍介質(zhì)按光的 調(diào)制頻率產(chǎn)生周期性加熱，從而導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)生周期性壓力波動,這種壓力波動可用靈敏的傳聲器檢測，并通過放大得到光聲信號。

1.2 觀測時(shí)間及地點(diǎn)

2013年3月-8月，對南京地區(qū)的大氣顆粒物和氣溶膠光學(xué)變化特征進(jìn)行連續(xù)觀測，并選取典型天氣進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)在江蘇省環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心站6層樓頂，采樣頭距離地面高度約為25m，周圍主要為居民區(qū)，無其他明顯污染源。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈焚燒、沙塵過境和正常天氣下光學(xué)性質(zhì)對比

2013年3月9-10日江蘇境內(nèi)出現(xiàn)一次沙塵過境，6月10-11日秸稈焚燒對南京市區(qū)造成影響，10日晚間至次日早晨，市內(nèi)出現(xiàn)煙霧，能見度大幅下降。兩次事件期間均出現(xiàn)大氣顆粒物濃度的短時(shí)飆升，但市民主觀感受卻有相當(dāng)大的差別。2013年7月21日-7月22日，南京市空氣質(zhì)量均處于良-優(yōu)水平，AQI小于100，以此時(shí)間段作為優(yōu)良天氣進(jìn)行參比。

如圖1所示，7月份正常天氣下，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度都很低，基本都在100ug/m3以內(nèi)，消光系數(shù)也相對較低。3月9-10日沙塵過境時(shí)，PM10濃度大幅上升，最高時(shí)超過750 ug/m3，PM2.5則基本保持不變，說明該種天氣下顆粒物以粒徑較大的PM10為主。6月10日晚到11日凌晨秸稈焚燒時(shí)，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度都出現(xiàn)大幅升高，峰值時(shí)均接近500 ug/m3且PM2.5/PM10超過0.5，這表明此時(shí)空氣中顆粒物主要以粒徑較小的PM2.5為主。

圖1 三種天氣下的PM2.5、PM10和消光系數(shù)

與此同時(shí)，兩種天氣下消光系數(shù)的變化也形成對比，沙塵過境時(shí)消光系數(shù)沒有明顯變化，秸稈焚燒時(shí)則大幅升高，接近1500 1/Mm，而消光系數(shù)越高能見度就越低，因此在顆粒物濃度都明顯升高的情況下，人們對大氣的視覺感官卻完全不同。

三種天氣下氣溶膠消光系數(shù)和PM10，PM2.5質(zhì)量濃度相關(guān)性的對比表明：粒徑較小的顆粒物是導(dǎo)致消光系數(shù)升高的主要原因。

2.2 秸稈焚燒、沙塵過境和正常天氣下粒徑譜分析

圖2 正常天氣下，粒徑變化圖

2013年7月21日-7月22日，南京市空氣質(zhì)量均處于良-優(yōu)水平，AQI小于100，以此時(shí)間段作為優(yōu)良天氣進(jìn)行參比。此段時(shí)間內(nèi)，顆粒物粒徑主要分布在50nm左右，數(shù)濃度峰值出現(xiàn)在21日下午6時(shí)，最高為4*104個(gè)/cm3。（圖2）

沙塵天氣時(shí)，顆粒物粒徑主要分布在100nm左右，南京顆粒物數(shù)濃度相對正常天氣下無明顯變化，數(shù)濃度在9日的零時(shí)和10日的4時(shí)出現(xiàn)峰值，最高僅為5*104個(gè)/cm3。（圖3）

圖3 沙塵天氣下，粒徑變化圖

秸稈焚燒時(shí)，南京地區(qū)顆粒物粒徑主要分布在150nm左右，數(shù)濃度在11日凌晨高達(dá)105個(gè)/cm3，是南京優(yōu)良天氣下的2倍。（圖4）

因此，結(jié)合第一部分的分析可以看出，沙塵天氣時(shí)雖然顆粒物質(zhì)量濃度大幅飆升，其顆粒物數(shù)濃度并未同時(shí)大幅上升，而秸稈焚燒時(shí)，不僅顆粒物質(zhì)量濃度升高，顆粒物數(shù)濃度也達(dá)到優(yōu)良天氣時(shí)的兩倍，粒徑較小的積聚模態(tài)粒子是影響氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的首要因素，也是秸稈焚燒導(dǎo)致能見度下降的主要原因。

圖4 沙塵天氣下，粒徑變化圖

3 結(jié)論

3.1 大氣中引起氣溶膠消光系數(shù)下降的主要是細(xì)顆粒物PM2.5濃度的上升。

3.2 沙塵天氣下，顆粒物質(zhì)量濃度上升，數(shù)濃度沒有明顯升高；秸稈焚燒時(shí)，顆粒物質(zhì)量濃度和數(shù)濃度都明顯上升。

3.3 粒徑較小的積聚模態(tài)粒子是影響氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的首要因素，也是秸稈焚燒導(dǎo)致能見度下降的主要原因。

［1］謝小芳,孫在,付志民,楊文俊,林建忠.杭州市大氣超細(xì)顆粒數(shù)濃度譜季節(jié)性特征[J].環(huán) 境科學(xué),2013,34(2)：434-440.

［2］黃祖照,王杰,劉建國,桂華僑,伍德俠,李鐵.廣州城區(qū)大氣細(xì)顆粒物粒譜分布特征分析[J].中國環(huán)境科學(xué),2012,32(7)：1177-1181.