烏魯木齊市PM10、PM2.5和PM1.0濃度及分布變化特征

韓茜，魏文壽，劉新春，鐘玉婷

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象局，新疆 烏魯木齊 830002）

烏魯木齊市PM10、PM2.5和PM1.0濃度及分布變化特征

韓茜1，魏文壽2，劉新春1，鐘玉婷1

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象局，新疆 烏魯木齊 830002）

利用GRIMM180氣溶膠粒譜分析儀采集烏魯木齊市PM10、PM2.5和PM1.0數(shù)據(jù)，研究表明：烏魯木齊市氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度在進入采暖季后急劇增加，冬季顆粒物中細粒子含量最高，PM2.5/PM10可達77.6%，PM2.5/PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/PM2.5三比值體現(xiàn)了顆粒物的分布特征，四季污染程度越高，細粒子含量越高。四季無降水日PM10、PM2.5、PM1.0的質(zhì)量濃度和分布的日變化基本呈三峰三谷型，出現(xiàn)早—午—晚峰值，上午—下午—午夜后谷值，各季節(jié)峰谷值具體出現(xiàn)時間略有差別，由于冬季逆溫層頂蓋等因素的影響，冬季質(zhì)量濃度和分布的日變化在此基礎(chǔ)上多了兩次波動。降水的發(fā)生對冬、春季質(zhì)量濃度的影響大于夏、秋季，對不同粒徑段粒子的分布影響有一定差別。

PM10；PM2.5；PM1.0；日變化；烏魯木齊市

大氣氣溶膠顆粒物是造成大氣污染的重要污染物質(zhì)，粒徑在0.1～10 μm之間的氣溶膠顆粒物存活壽命可達一周，大部分有毒物質(zhì)都易富集在這一粒徑段內(nèi)，其中猶以粒徑位于0.1～2.5 μm的氣溶膠吸附有毒有害物質(zhì)最多[1-4]，對人體健康造成危害最大[5-8]。同時這一粒徑段粒子的直徑與可見光波長相當，對大氣的消光作用較強[9]，易造成大氣能見度的下降[10]，在影響城市景觀的同時造成輻射強迫對局地氣候效應(yīng)產(chǎn)生一定影響。因此，我國對不同粒徑段粒子的濃度和譜分布進行了一定的研究[11，12]。

烏魯木齊市位于86°37′33″～88°58′24″E,42°45′32″～44°08′00″N，是新疆維吾爾自治區(qū)的首府，地處新疆中部的天山北麓，準噶爾盆地南緣，介于北部古爾班通古特沙膜和南部塔克拉瑪干沙漠之間，是世界上最遠離海洋的城市。由于所處地理位置的特殊[13]，城市大氣污染問題一直是困擾烏魯木齊市的一個大的環(huán)境問題[14-18]，而氣溶膠污染又是大氣污染的一個最重要的方面[19-21]。因此通過研究大氣氣溶膠的粒子尺度、譜分布對了解大氣氣溶膠的污染特征和對環(huán)境的影響有重要的意義。

1 資料及處理方法

PM10、PM2.5、PM1.0數(shù)據(jù)由安裝在烏魯木齊市沙漠氣象研究所7樓樓頂?shù)腉rimm180氣溶膠粒譜分析儀測得，Grimm180分31個粒徑通道，以激光測量核內(nèi)光散射原理來連續(xù)地觀測各通道運動的顆粒物個數(shù)，測量粒徑范圍為0.25～32 μm，儀器每6 s將測量到的31個粒徑通道的顆粒物數(shù)字濃度記錄并存儲，同時記錄了采樣時間和采樣流量（1.2L/M），數(shù)字處理器將以上數(shù)據(jù)再乘顆粒物密度就得到了此刻的31個通道的質(zhì)量分布，最后根據(jù)EPA對PM的定義，得到PM10、PM2.5和PM1.0的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，在整個研究時段內(nèi)，有效數(shù)據(jù)可達93.5%，將Grimm180所測PM10數(shù)據(jù)與站點內(nèi)TEOM400a型大氣粒子監(jiān)測儀所測PM10數(shù)據(jù)做相關(guān)分析，兩者表現(xiàn)出極顯著的相關(guān)性（R=0.948，P＜0.01），因此所選時段數(shù)據(jù)的有效性和連續(xù)性基本可滿足要求。

2 不同天氣條件下PM 10、PM 2.5和PM 1.0質(zhì)量濃度日變化特征

采用2009年12月—2010年11月數(shù)據(jù),12—2月劃分為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，將4個季節(jié)有降水發(fā)生日和無降水發(fā)生日的PM10、PM2.5、PM1.0質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)分別進行逐時統(tǒng)計，得到三粒徑段氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度的日變化圖（圖1）。由圖1可見，四季無降水日和有降水日各粒徑段質(zhì)量濃度差別較大，且日變化也不盡相同，說明降水的發(fā)生較大地改變了氣溶膠的質(zhì)量濃度，從而影響了其日變化的特征。

2.1 無降水日PM10、PM2.5和PM1.0質(zhì)量濃度日變化特征

由圖1可知，在無降水發(fā)生時，四季氣溶膠質(zhì)量濃度日變化基本上都有“三峰三谷”的變化特征，如出現(xiàn)于08—09時，13—14時和和晚間22—02時之間的峰值，和出現(xiàn)于凌晨05—06時，11—12時和17—18時的谷值，冬季在此基礎(chǔ)之上多了兩次波動，分別是發(fā)生在凌晨05時和19時的峰值。

早晨08—09時出現(xiàn)峰值，是由于夜間長波輻射冷卻效應(yīng)致使近地層形成的輻射逆溫還未完全破壞，該時段正值每日上班前，是交通最為擁塞汽車尾氣排放量最大最集中的時段，2009—2010年冬季年平均風速在此時段也維持在較低的水平，故大氣污染物不易擴散，形成09時峰值，春秋季也因同樣的原因出現(xiàn)早09時的峰值，而夏季日出較早，車流和生產(chǎn)活動等均提前，故各粒徑段顆粒物濃度最大值提前于08時出現(xiàn)。

之后，隨著氣溫的升高，輻射逆溫逐漸破壞，向上的垂直湍流熱量通量逐漸增強，使得顆粒物擴散量增加，各粒徑段氣溶膠濃度也逐漸減小，致使冬季PM10在10時出現(xiàn)谷值，PM2.5和PM1.0在11時出現(xiàn)谷值，細粒子晚1 h出現(xiàn)谷值是由于汽車尾氣排放是PM2.5和PM1.0細顆粒物的一個重要來源，車流在較晚時11時下降到谷值，故引起PM2.5和PM1.0下降滯后于PM10，春夏季這種下降趨勢更加明顯，考慮是由于春夏季受沙塵氣溶膠影響較大，粗粒徑粒子所占比例較大，因此也可說明影響此次顆粒物濃度下降的因素主要由輻射逆溫破壞引起的擴散稀釋的增加所引起的。秋季PM2.5和PM1.0于12時出現(xiàn)谷值，而PM10于13時出現(xiàn)谷值，可見，其它來源粒子對粗顆粒物的貢獻要晚于汽車尾氣對細顆粒物的貢獻。

中午，隨著上下班車流量的增多，各粒徑段顆粒物濃度均出現(xiàn)增加，秋冬季于14時、春夏季于13時達到峰值，這1 h的差別考慮也是由于作息時間的調(diào)整造成的。由于造成此時段顆粒物增加的主要是汽車尾氣來源的細粒子，故粗粒子比重較大的春季PM10只略有所增加。

午后由于近地層積聚能量逐漸增多，使得對流增強明顯，污染物減少也非常明顯，故冬季于17時，春夏秋于18時出現(xiàn)谷值。冬季早于其它季節(jié)一小時考慮是由于較弱的太陽輻射和較早出現(xiàn)的輻射逆溫所致。至于冬季多出其它季節(jié)的19時各粒徑段顆粒物濃度的峰值，考慮是由于時差原因，地方時晚于北京時約2 h，其它城市17—18時正是交通最為繁忙的時段，而本地交通運輸峰值在該時段還未開始增加，使得各粒徑段濃度增加較其它城市延遲了1～2 h，至19—20時達到極大值，19時出現(xiàn)的峰值可單純認為是由汽車尾氣的排放造成。而相應(yīng)的21時谷值同樣可認為是由于尾氣排放減少所致。

傍晚，隨著地面接收能量不斷減少，近地面氣溫逐漸下降，夜間近地層輻射逆溫逐漸形成，污染物的擴散稀釋受到制約，恰逢此時下班高峰，車流量增大，尾氣排放大幅增加。冬季夜間逆溫層結(jié)的進一步加強和夜間燃煤污染物排放的增多，使得21時以后，大氣顆粒物濃度持續(xù)增大，至0時出現(xiàn)極大值；春季PM2.5和PM1.0于夜間0時達到極值，而PM10晚2 h才達到極值，這一變化特征也體現(xiàn)了春季顆粒物構(gòu)成的特色，由于午夜過后車流已大幅減少，故細粒子顆粒物在0時達到極值，但由于構(gòu)成PM10的顆粒物來源較廣，如沙塵粒子和燃煤排放污染物的影響，所以PM10變化晚于細粒徑顆粒物的極值2 h出現(xiàn)；夏季各粒徑段顆粒物于凌晨2時達到峰值。秋季夜間峰值較其它3個季節(jié)出現(xiàn)的時間都要早，PM2.5和PM1.0于22時達到極值，PM10于23時達到極值。

午夜后，由于車流及人類生產(chǎn)活動減少，污染物來源上減少，使得四季各粒徑段顆粒物均在凌晨05—06時出現(xiàn)谷值，而冬季05時出現(xiàn)的濃度峰值，原因未明，可能是由于工廠偷排引起。其它季節(jié)除秋季谷值出現(xiàn)于05時外，其它季節(jié)均于06時出現(xiàn)谷值。之后，隨著新的一天的到來，輻射逆溫瓦解，污染物濃度又逐漸增加。

2.2 有降水日PM10、PM2.5和PM1.0質(zhì)量濃度日變化特征

由圖1可見，在有降水發(fā)生日期的日平均變化特征反映了受降水的影響，日變化特征的改變狀況，冬、春季降水的發(fā)生對顆粒物日變化特征的影響較大（圖1a、b），而對夏、秋季顆粒物日變化特征影響較小（由圖1c、d）。由于冬、春季降水形態(tài)主要為固體降雪，夏、秋季降水形態(tài)主要為液態(tài)降雨，因此可以認為降雪對氣溶膠顆粒物清除機制比降雨復雜。

3 烏魯木齊市PM 10、PM 2.5、PM 1.0的分布特征

3.1 烏魯木齊市PM10、PM2.5、PM1.0的季節(jié)分布特征

PM10、PM2.5、PM1.0的分布特征可大致反映粗細粒子的分布特征，從而進一步可反映出對應(yīng)時間的污染特征。PM2.5/PM10反映了細粒子占可吸入顆粒物的比例，從而也可反映粗粒子所占的份額，沙塵天氣較多的季節(jié)該值就比較低；PM1.0/PM10反映了亞微米級顆粒物占可吸入顆粒物的比例，PM1.0包含于PM2.5，單獨分析PM1.0占PM10的份額是為了更細化細粒子在可吸入顆粒物中的占據(jù)份額；PM1.0/PM2.5反映了細粒子顆粒物的分配比例。

由圖2可見，PM2.5/PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/ PM2.5三值有相似的變化趨勢，其值大小均為冬季＞秋季＞春季＞夏季，夏季雨水較多，細粒子上多富集親水性的化學物質(zhì)，更易被雨水沖洗，隨降水的頻率增加，細粒子季節(jié)平均濃度降低，而粗顆粒物由于多為不溶于水的沙塵粒子，所以濕沉降效應(yīng)不如細粒子明顯，故夏季出現(xiàn)PM2.5/PM10，PM1.0/PM10的最低值，其中夏季PM2.5/PM10值大于PM1.0/PM10值0.137，大于其它季節(jié)兩值的差距，而且，夏季PM1.0/ PM2.5值也是所有季節(jié)中的最低值，可見，夏季小于2.5 μm的顆粒物中0.25～1 μm粒徑段顆粒物的濕沉降率要大于1～2.5 μm粒徑段顆粒物，也可以說明亞微米級顆粒物更易被降水清除。

冬季大氣層結(jié)穩(wěn)定，整個冬季都籠罩在深厚的逆溫層中，即使白天天氣狀況良好，逆溫層頂蓋也未消失，故大氣顆粒物不易擴散稀釋，尤其是冬季工業(yè)排放、取暖燃煤和汽車尾汽排放等產(chǎn)生的細粒子顆粒物未能及時擴散出研究區(qū)，使細粒子比例大大增加，達到四季中的最大值。冬季PM2.5/PM10和PM1.0/PM10的差值最小，PM1.0/PM2.5的值也是四季中的最大值，充分說明冬季細顆粒物來源較多，但不能得到較好的清除，冬季降水少于夏季，且冬季降水多為固體形態(tài)，其對0.25～1 μm粒徑段粒子的濕清除作用明顯小于降雨。從而使得亞微米級顆粒物含量占到PM2.5的86.6%。

春秋兩季有類似的特征，兩個季節(jié)均包含采暖期與非采暖期，大氣層結(jié)穩(wěn)定度也均處于過渡期，秋季相應(yīng)三比值均高于春季，說明秋季細粒子含量明顯大于春季，反之說明，春季粗粒子含量明顯大于秋季，這是由于春季研究區(qū)受到沙塵天氣的影響，大氣中粒徑較粗的沙塵粒子含量增多，使得PM2.5/PM10的比例下降。秋季PM2.5/PM10和PM1.0/PM10的差值小于春季，且PM1.0/PM2.5的值為秋季大于春季，可見春季降水對0.25～1 μm粒徑段粒子的濕清除作用大于秋季。

3.2 不同天氣條件下烏魯木齊市PM10、PM2.5、PM1.0的日變化特征

將四個季節(jié)無降水發(fā)生的和有降水發(fā)生日的PM2.5/PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/PM2.5三比值分別進行逐時平均，PM2.5/PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/ PM2.5三比值反映了PM10、PM2.5、PM1.0的分布特征（圖3）。

3.2.1 無降水日烏魯木齊市PM10、PM2.5、PM1.0的日變化特征

無降水日，四季PM2.5/PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/PM2.5日變化特征與PM10、PM2.5、PM1.0日變化特征有一定類似。有明顯的早—午—晚峰值，和上午—下午—午夜后谷值。但不同季節(jié)具體出現(xiàn)時間有所差別。

清晨，正值每日上班前，是交通最為擁塞汽車尾氣排放量最大最集中的時期，大量的細顆粒物被排放進入大氣環(huán)境。冬季，由于夜間長波輻射冷卻效應(yīng)致使近地層形成深厚的輻射逆溫，致使于09時出現(xiàn)各粒徑段氣溶膠濃度的明顯峰值，3個比值也于09時出現(xiàn)相應(yīng)峰值，說明細粒子在此時段增加輻度最大，也體現(xiàn)了汽車尾氣在此時段對大氣顆粒物的貢獻。其它季節(jié)，三比值清晨峰值出現(xiàn)時間均早于顆粒物濃度出現(xiàn)時間2 h，即春、秋季07時，夏季06時，可見，春、夏和秋三季由于清晨輻射逆溫消散較早，致使細粒子在逆溫消散之前增加輻度較快，后期逆溫消散之后細粒子的累積效應(yīng)就不如粗粒子，因此會出現(xiàn)三比值峰值提前于濃度峰值的情況（圖3）。

上午，隨著氣溫的升高，輻射逆溫逐漸破壞，向上的垂直湍流熱量通量逐漸增強，使得顆粒物擴散增強，各粒徑段氣溶膠濃度呈下降趨勢，加之此時段汽車尾氣排放量的減少，對細粒子貢獻減少，三比值也逐漸下降。其中，冬季三比值的谷值于濃度谷值出現(xiàn)的11時出現(xiàn)；春、秋季三比值谷值早于濃度谷值1～2 h出現(xiàn)，即春季于09時，秋季于11時，這與清晨三比值的峰值提前于濃度峰值出現(xiàn)相一致，體現(xiàn)了此時段春、秋季擴散條件介于冬季和夏季的中間水平，春、秋季擴散條件對細粒子的減少作用較弱，因此此時段擴散條件達到最強之前三比值谷值就已經(jīng)出現(xiàn)。夏季三比值的谷值晚于顆粒物濃度谷值之后1 h，即12時出現(xiàn)，說明夏季擴散條件對細粒子的減少作用較大。所以，在濃度谷值之后一小時后才出現(xiàn)三比值的谷值。春、夏和秋三季，此時段PM2.5/ PM10，PM1.0/PM10比值明顯下降的過程中，PM1.0/ PM2.5比值基本處于穩(wěn)定不變或微弱下降的狀態(tài)，可見此時段時細粒子含量比較穩(wěn)定，細粒子的貢獻來源比較單一。

中午，由于車流再次增加，尾氣排放增多，使得細粒子含量快速攀升，除冬季三比值峰值出現(xiàn)時間與濃度峰值出現(xiàn)時間一致外，即09時，其它三個季節(jié)均晚于峰值出現(xiàn)時間1 h，即秋季于15時，春、夏季于14時，體現(xiàn)了這三個季節(jié)在此時段尾氣排放增加對細粒子的貢獻起主導作用。

午后，由于太陽輻射對近地面層的加熱效應(yīng)，使得大氣不穩(wěn)定度加強，四季氣溶膠顆粒物擴散增強，加之尾氣排放減少，故顆粒物濃度也相應(yīng)減小，三比值也于17—18時出現(xiàn)谷值。其中，冬、秋季三比值的谷值與濃度谷值相一致，春、夏季三比值谷值早于濃度谷值?？梢哉J為春、夏季此時段尾氣排放減少對細粒子含量減少貢獻較大。

傍晚過后，由于地面接收能量不斷減少，近地面氣溫逐漸下降，夜間近地層輻射逆溫逐漸形成，污染物的擴散稀釋受到制約，恰逢此時下班高峰，車流量增大，尾氣排放大幅增加，致使各粒徑段濃度出現(xiàn)峰值，細粒子增加較為明顯，冬、春季均于19時出現(xiàn)峰值，這與尾氣排放關(guān)系密切，但冬季19時過后三比值又出現(xiàn)下降，至22時又出現(xiàn)三比值的峰值，可認為冬季深厚的逆溫層結(jié)和大量的取暖排放對細粒子的增加貢獻較大，形成這一峰值。夏季于22時，秋季于21時出現(xiàn)三比值的峰值，也可以認為是由于該時段車流的增加引起尾氣排放增多而出現(xiàn)的。其時間上晚于冬、春季，認為可能是由于這兩個季節(jié)輻射逆溫形成時間較晚，且車流峰值出現(xiàn)時間也較晚的緣故。

午夜后，由于車流及生產(chǎn)活動減少，污染物來源減少，使得4個季節(jié)三比值在0—03時出現(xiàn)谷值。具體不同季節(jié)出現(xiàn)谷值時間不同可能與污染排放情況有關(guān)。其中冬季于02時出現(xiàn)峰值，可能與夜間采暖排放有關(guān)，之后相應(yīng)出現(xiàn)的05時的谷值也與污染物排放減少有關(guān)。之后隨著新的一天的到來，三比值又隨污染物排放的增加而逐漸增加。

3.2.2 有降水日烏魯木齊市PM10、PM2.5、PM1.0的日分布特征

由圖3可見，冬、春和秋季無降水日和有降水日PM2.5/PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/PM2.5三比值差別較小，而夏季有降水日三比值明顯小于無降水日，說明夏季降雨對細粒子的的清除作用要大于粗粒子。比較不同季節(jié)無降水日和有降水日PM2.5/ PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/PM2.5三比值小時平均值的日變化特征發(fā)現(xiàn)，三比值的日變化特征也有較大差別，說明降水對PM10、PM2.5、PM1.0分布的日變化特征有較大影響，也說明降水對不同粒徑段粒子的清除的作用是不同的。

4 結(jié)論

（1）烏魯木齊市各季節(jié)無降水日PM10、PM2.5、PM1.0的質(zhì)量濃度和分布的日變化基本呈三峰三谷型的變化特征，為早—午—晚峰值，上午—下午—午夜后谷值，不同季節(jié)峰谷值出現(xiàn)又有一定的差別，其中冬季在三峰三谷的基礎(chǔ)上又多了兩次波動。降水的發(fā)生對氣溶膠清除機制冬、春季比夏、秋季復雜，對不同粒徑段的清除也不相同。

（2）烏魯木齊PM2.5/PM10，PM1.0/PM10和PM1.0/ PM2.5三比值大小均為冬季＞秋季＞春季＞夏季，夏季雨水較多，出現(xiàn)PM2.5/PM10，PM1.0/PM10的最低值，且亞微米級顆粒物更易被降水清降。冬季固態(tài)降水對細粒子的清除作用明顯不如降雨，春秋兩季包括采暖期與非采暖期，春季由于沙塵天氣影響，三比值均小于秋季，而且春季降水對0.25～1 μm粒徑段粒子的濕清除作用大于秋季。

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Characteristic of the Concentration and Distribution of PM10，PM2.5 and PM1.0 in Urumqi

HAN Xi1，WEI Wenshou2，LIU Xinchun1，ZHONG Yuting1
（1.Institute of Desert Meteorology，CMA，Urumqi 830002，China；2.Xinjiang Uygur Autonomous Region Bureau of Meteorology，Urumqi 830002，China）

Through the analysis of GRIMM180 gathered PM10,PM2.5 and PM1.0 in Urumqi,the result showed:the aerosol mass concentration in Urumqi rapidly increased after the heating season beginning,the content of fine particles is the highest,PM2.5/PM10 can reach 77.6%,PM2.5/PM10, PM1.0/PM10,PM1.0/PM2.5 represent the particle distribution,the more serious the pollution was, the higher the content of fine particles was in four seasons.In the non precipatation day,the diurnal variation curves of mass concentration and distribution of PM10,PM2.5 and PM1.0 basically show the pattern of“3 peak-3 valley”in four seasons,the peak value appeared at“morning-noonevening”,and the valley values occurred at“after morning-afternoon-after midnight”.Due to the influences of temperature inversion and other factors in the winter,the mass concentration and distribution showed another two“peak-valley”based on the“3 peak-3 valley”pattern.The occurrence of precipation had greater influences on the particulate matter mass concentration in winter and spring than that in summer and autumn,and had different influences on the distribution of different diameter particles.

PM10；PM2.5；PM1.0；diurnal variation；Urumqi

X16

A

1002-0799（2015）01-0032-07

韓茜，魏文壽，劉新春，等.烏魯木齊市PM10、PM2.5和PM1.0濃度及分布變化特征[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（1）：32-38.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.006

2014-12-05；

2015-01-01

公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項項目（IDM201205）和中國沙漠氣象科學研究基金項目（Sqj2012009）共同資助。

韓茜（1983-），女，助理研究員，主要從事城市氣溶膠污染方面的研究。E-mail：hanxi1105@163.com