天津市秋季一次典型灰霾過程中顆粒物污染及化學(xué)成分特征分析

邊瑋瓅, 董海燕, 元 潔, 陳 魁

(天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191)

天津市秋季一次典型灰霾過程中顆粒物污染及化學(xué)成分特征分析

邊瑋瓅, 董海燕, 元 潔, 陳 魁

(天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191)

灰霾過程；PM10；PM2.5；化學(xué)成分；污染特征

灰霾天氣是指大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使能見度小于10 km，空氣中普遍有混濁現(xiàn)象的天氣狀況，形成灰霾的大氣顆粒物來源于自然和人類活動排放[2]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模的擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的加快，化石燃料和生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的粉塵顆粒物以及工業(yè)生產(chǎn)和生活中排放的有毒有害顆粒物日益增加，大氣顆粒物已成為城市大氣中主要的污染物之一，并受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，而PM10和PM2.5是其中最重要的組成部分。

天津市地處京津冀腹地，是我國灰霾高發(fā)地區(qū)之一，環(huán)境空氣質(zhì)量受到越來越多的關(guān)注。目前，對于天津市灰霾評價體系、顆粒物的污染特征、化學(xué)組分及來源分析已有較多研究[3-8]，但針對灰霾過程中顆粒物變化特征的深入分析卻鮮見報道。在灰霾過程中，顆粒物的質(zhì)量濃度和化學(xué)組分可能表現(xiàn)出與長期觀測結(jié)果不同的變化特征[9-12]。筆者利用2011年10月17日～21日采集的天津市大氣中PM10和PM2.5的濾膜樣品，對發(fā)生在2011年秋季的一次典型灰霾天氣過程進(jìn)行了分析，探討了灰霾天氣發(fā)展過程中顆粒物濃度及化學(xué)組分變化特征，以期為天津市有效開展灰霾污染防治提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集采樣地點設(shè)在天津市中心城區(qū)內(nèi)，采樣位置距離地面約16 m，距離交通主干道200 m，站點周邊為居民文教區(qū)，南側(cè)30 m為7層高樓，其他方向較為開闊，周邊無明顯污染源。采樣儀器為武漢天虹智能儀表廠生產(chǎn)的TH-150AⅡ中流量總懸浮微粒采樣器，加載PM10和PM2.5切割頭同步采集，采樣流量為100 L/min；采樣濾膜為直徑90 mm的石英濾膜和聚丙烯濾膜；采樣時間為2011年10月17日～21日12：00至次日08：00，每次采樣共20 h。

1.3 氣象資料來源氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度等氣象數(shù)據(jù)來自天津市河西區(qū)大氣邊界層氣象觀測站；地面和高空天氣圖采用中央氣象臺網(wǎng)站公開的天氣圖分析資料(http://www.nmc.gov.cn/)。

2 結(jié)果與分析

2.1 灰霾天氣過程分析2011年10月17日～21日，天津市經(jīng)歷了灰霾形成-發(fā)展-緩解的全過程。從氣象形勢看，由于高空風(fēng)場減弱、低空暖濕氣流增強(qiáng)、地面高壓減弱變性為弱氣壓場而形成了穩(wěn)定的天氣形勢，不利于污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致灰霾形成并發(fā)展成為霧霾混合，后期由于高空淺槽過境，大氣垂直擴(kuò)散增強(qiáng)，近地面濕度減小，灰霾得到緩解。從具體發(fā)展過程來看，10月17日，高空槽脊東移并減弱，東北低壓移出本地，天津地面氣壓不斷升高，風(fēng)向由東轉(zhuǎn)南，風(fēng)力3級，能見度15 km，空氣擴(kuò)散能力較好；PM10、PM2.5樣品濃度分別為111和52 μg/m3，PM2.5/PM10比值為46.8%。10月18日，700 hPa西北風(fēng)場減弱，850 hPa天津附近明顯增溫，近地面形成逆溫層，阻礙大氣垂直擴(kuò)散，天津地面氣壓場逐步減弱，風(fēng)力減小，平流輸送能力變差，濕度為39%～85%，18日19：00開始能見度小于10 km，灰霾天氣形成；PM10、PM2.5樣品濃度分別升至289和174 μg/m3，PM2.5/PM10也升至60.2%。10月19日，850 hPa高度處于暖脊中，大氣垂直擴(kuò)散嚴(yán)重受阻，天津地面場仍處于高壓后部的弱氣壓場中，以偏南風(fēng)和靜風(fēng)為主，水平擴(kuò)散條件極差；受中低空西南氣流影響，天津近地面濕度增至88%，形成輕霧，大部分時段能見度小于5 km，灰霾發(fā)展成為霧霾混合；PM10、PM2.5樣品濃度分別達(dá)342和246 μg/m3，為此次過程中的日最大值，PM2.5/PM10高達(dá)71.9%。10月20日～21日，高空有分裂出的淺槽過境，華北地區(qū)受淺槽后的偏西氣流控制，大氣垂直擴(kuò)散能力較19日略有增強(qiáng)，天津地面轉(zhuǎn)為西風(fēng)2級，濕度降至39%，能見度升至10 km以上，灰霾有所緩解；PM10、PM2.5樣品濃度分別降至215和122 μg/m3，PM2.5/PM10也降為56.7%。由圖1可知，此次過程中顆粒物污染以細(xì)顆粒物污染為主，而細(xì)顆粒物的質(zhì)量變化較粗顆粒物(PM2.5～10)更為“敏感”。

表1 顆粒物中水溶性離子占總離子百分比 %

注：“-”表示未檢出。

2.3 碳組分特征碳組分是顆粒物的主要成分之一。對10月17日～20日顆粒物中碳組分分析結(jié)果表明，OC質(zhì)量濃度在PM10和PM2.5中占總質(zhì)量的比例分別為8.5%～12.5%和9.6%～12.6%，EC質(zhì)量濃度在PM10和PM2.5中占總質(zhì)量的比例分別為3.4%～4.4%和4.3%～7.1%?？梢姡琌C在PM10和PM2.5中分布較為相似，而EC富集在細(xì)顆粒物的比例更大一些。由圖4和5可知，OC、EC在PM10和PM2.5中濃度的最高值均出現(xiàn)在10月19日，PM10中濃度分別為42.84、11.68 μg/m3，PM2.5中濃度分別為29.26、10.56 μg/m3，OC、EC在灰霾過程中變化趨勢較為一致。

一般認(rèn)為，化石燃料燃燒直接排放的一次有機(jī)氣溶膠和經(jīng)過大氣化學(xué)反應(yīng)生成的二次有機(jī)氣溶膠是OC兩大主要來源，而EC則主要來源于化石燃料的不完全燃燒[18]。OC/EC比值常被用來評價顆粒物的二次來源[19]，當(dāng)OC/EC比值大于2時，大氣中存在二次有機(jī)氣溶膠污染[1]。此次灰霾過程中，PM10中OC/EC比值隨灰霾發(fā)展而升高，從17日的1.9逐步升至19日的3.7，20日下降為2.4；PM2.5中OC/EC比值只在灰霾最重的19日大于2，為2.8，說明此次灰霾存在二次有機(jī)氣溶膠污染，并在PM10中表現(xiàn)最為明顯。

2.4 無機(jī)元素特征此次灰霾過程中，無機(jī)元素的質(zhì)量總和分別占PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的21.8%～33.2%和16.7%～21.3%。其中質(zhì)量濃度較高的元素為Si、Al、Ca、Fe、Mg、Na、K等地殼元素，這7種元素在PM10中占元素總量的83.5%～94.0%，在PM2.5中占元素總量的78.5%～89.6%，比例的變化在灰霾過程中無明顯規(guī)律性。其他元素大多來自人為排放，其中含量較高的元素有Zn和S，Zn主要來自燃煤、垃圾焚燒和橡膠輪胎的磨損[13]，S主要是煤、油燃燒污染的產(chǎn)物[15]。S元素占PM10質(zhì)量濃度的比例隨灰霾發(fā)展上升，隨灰霾緩解下降，19日的最大比例為3.4%；Zn和S占PM2.5質(zhì)量濃度的比例隨灰霾形成發(fā)展上升，隨灰霾緩解下降，19日的最大比例分別為0.7%和3.6%；其他人為源元素占顆粒物質(zhì)量濃度的比例均小于1%，且在過程中變化規(guī)律不明顯，說明燃煤燃油污染對此次灰霾過程貢獻(xiàn)較為突出。

表2 顆粒物中主要無機(jī)元素占顆粒物質(zhì)量濃度百分比 %

注：“-”表示未檢出。

3 結(jié)論

(1) 2011年10月17日～21日，天津市出現(xiàn)了無灰霾-灰霾形成-灰霾發(fā)展-灰霾緩解的全過程，過程中隨著高空風(fēng)場減弱、低空暖濕氣流增強(qiáng)、地面氣壓場減弱、風(fēng)力減小、濕度增加，灰霾逐步形成并發(fā)展成為霧霾混合；之后受高空淺槽影響，大氣垂直擴(kuò)散增強(qiáng)，近地面風(fēng)力加大、濕度減小，灰霾得到緩解。19日灰霾加重，PM10、PM2.5日均濃度達(dá)最大，分別為342、246 μg/m3；PM2.5/PM10由17日的46.8%升至19日的71.9%，20日灰霾緩解，PM2.5/PM10回落至56.7%。細(xì)顆粒物是造成這次灰霾的主要污染物，且細(xì)顆粒物的質(zhì)量變化較粗顆粒物更為明顯。

(3)碳組分是顆粒物的主要成分之一，OC質(zhì)量濃度在PM10和PM2.5中占總質(zhì)量的比例分別為8.5%～12.5%和9.6%～12.6%，EC質(zhì)量濃度在PM10和PM2.5中占總質(zhì)量的比例分別為3.4%～4.4%和4.3%～7.1%，OC在PM10和PM2.5中分布較為相似，而EC富集在細(xì)顆粒物的比例更大一些，OC、EC在灰霾過程中變化趨勢較為一致。PM10和PM2.5中OC/EC比值均在19日達(dá)到最高，分別為3.7和2.8，此次灰霾存在二次有機(jī)氣溶膠污染，并在PM10中表現(xiàn)最為明顯。

(4)通過對無機(jī)元素的分析發(fā)現(xiàn)，PM10中人為源元素S最高比例(19日)為3.4%,PM2.5中人為源元素Zn和S最高比例(19日)分別為0.7%和3.6%，且濃度比例均隨灰霾發(fā)展上升，隨灰霾緩解下降，說明在此次灰霾過程中，燃煤燃油貢獻(xiàn)較為突出。

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Chemical Characteristics Analysis of Particulate Matter during a Typical Haze Process in Tianjin City in Autumn

BIAN Wei-li, DONG Hai-yan, YUAN Jie et al

(Tianjin Environment Monitoring Center, Tianjin 300191)

Haze; PM10; PM2.5; Chemical composition; Pollution characteristics

國家科技支撐計劃課題(2014BAC23B03)；天津市重大科技專項項目(14ZCDGSF00027)；2014年環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(201409002)。

邊瑋瓅(1979- )，女，天津人，工程師，從事環(huán)境監(jiān)測、大氣污染與防治方面的研究。

2015-03-26

S 181.3

A

0517-6611(2015)13-195-04