淳安縣PM2.5和PM10濃度變化特征分析*

陳躍華 齊 冰

(1.淳安縣氣象局,浙江 淳安 311700;2.杭州市氣象局,浙江 杭州 310051)

淳安縣PM2.5和PM10濃度變化特征分析*

陳躍華1齊 冰2

(1.淳安縣氣象局,浙江 淳安 311700;2.杭州市氣象局,浙江 杭州 310051)

通過對(duì)淳安2013年全年的大氣顆粒物PM2.5和PM10資料統(tǒng)計(jì)分析,得出該地區(qū)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的季節(jié)變化、日變化特征以及氣象因子對(duì)其的影響。結(jié)果表明:2013年淳安PM2.5年平均濃度為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的1.2倍,PM10年平均濃度優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);PM2.5和PM10均具有明顯的季節(jié)變化特征,表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季;并且均呈現(xiàn)雙峰型的日變化特征,二者出現(xiàn)峰值的時(shí)間基本一致,PM2.5和PM10峰值出現(xiàn)在18:00,次峰值出現(xiàn)在08:00,谷值均出現(xiàn)在14:00,主要與邊界層變化和人為活動(dòng)有關(guān);PM2.5和PM10變化存在明顯的線性關(guān)系。降水對(duì)顆粒物濃度影響較大,能有效降低顆粒物質(zhì)量濃度。

淳安;PM2.5;PM10;季節(jié)變化;日變化;降水

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,工業(yè)能源消耗大幅攀升,機(jī)動(dòng)車保有量急劇增長(zhǎng),污染物排放和城市懸浮物大量增加,灰霾現(xiàn)象頻繁發(fā)生,能見度降低,對(duì)人類生產(chǎn)生活的不利影響增大。而大氣顆粒物PM2.5和PM10是造成灰霾天氣的主要影響因子,已成為影響我國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量的重要因素。近些年來,國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)顆粒物開展了分析研究工作。主要研究顆粒物質(zhì)量濃度特征及其與氣象條件的關(guān)系[1-5]。但研究的對(duì)象,一般都是針對(duì)大區(qū)域、大城市的顆粒物濃度特征進(jìn)行分析,而對(duì)于縣域級(jí)及鄉(xiāng)村地區(qū)的分析較少。

淳安縣是國(guó)家首批5A級(jí)旅游景區(qū)千島湖所在地。淳安一流的生態(tài)環(huán)境是最具時(shí)代特征的戰(zhàn)略資源和最為寶貴的核心競(jìng)爭(zhēng)力。為更好地服務(wù)于生態(tài)淳安建設(shè),本研究主要利用2013年淳安國(guó)家基本氣象站大氣細(xì)顆粒物PM2.5和PM10的連續(xù)監(jiān)測(cè)資料,分析兩者特征及變化規(guī)律,結(jié)合氣象條件進(jìn)行分析研究,為目前開展的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和空氣污染氣象條件預(yù)報(bào)服務(wù)奠定基礎(chǔ),為采取措施保護(hù)和改善大氣環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù),為政府決策提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

淳安縣隸屬于浙江省杭州市,位于浙江省西部,是浙江省面積最大的縣,國(guó)家首批5A級(jí)風(fēng)景區(qū)千島湖所在地,全縣森林覆蓋率達(dá)65%,湖區(qū)面積573 km2,湖中有大小1078個(gè)島,風(fēng)景優(yōu)美,生態(tài)較好,有“長(zhǎng)三角后花園”的美稱。地處北緯29°11′～30°02′,東經(jīng)118°20′～119°20′,屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,溫暖濕潤(rùn),雨量充沛,四季分明。本研究采用的顆粒物監(jiān)測(cè)儀安裝在淳安國(guó)家基本氣象站內(nèi)(119°01′E, 29°37′N),位于淳安縣千島湖鎮(zhèn)崗家塢(山頂),海拔高度171.4 m,周圍無建筑物阻擋,視野開闊,觀測(cè)站點(diǎn)西、北面緊鄰千島湖,其余方向與居民區(qū)和林區(qū)夾雜,人為活動(dòng)的影響相對(duì)較小。本文的研究在一定程度上代表了鄉(xiāng)村地區(qū)的顆粒物濃度特征。

1.2 觀測(cè)儀器

采用美國(guó)賽默飛世爾1405D雙通道大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀。該儀器是以濾膜為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)測(cè)量大氣中顆粒物質(zhì)量的監(jiān)測(cè)儀。儀器主要由漸縮組件振蕩微量天平和系統(tǒng)控制單元組成,其工作原理是利用真空泵抽進(jìn)環(huán)境中的樣氣,切割頭控制顆粒物粒徑,通過一個(gè)恒定的流量過濾器控制進(jìn)入傳感部件的流量,錐形振蕩微量天平較粗一端固定,另一端利用電子回饋系統(tǒng)維持振動(dòng)。漸縮組件的振蕩頻率與濾膜上顆粒物沉積質(zhì)量有如下關(guān)系:

(1)

其中,M為顆粒物質(zhì)量;K0為振蕩常數(shù);f為振蕩頻率。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中,1405D儀器采樣總流量經(jīng)過校正為16.67 L·min-1,其中PM2.5通道流量為3.00 L·min-1,PM2.5-10通道流量為1.67 L·min-1,旁路流量為12.00 L·min-1。儀器每5 min讀取一次數(shù)據(jù),測(cè)量精度為±2.0 μg·m-3(1 h平均)和±1.0 μg·m-3(24 h平均),質(zhì)量測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.75%。主要通過定期的流量檢查、標(biāo)準(zhǔn)膜校準(zhǔn)及更換濾膜(負(fù)載率不超過90%)來保證儀器運(yùn)行的穩(wěn)定性和測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1.3 資料來源

研究所用氣象資料來源于淳安國(guó)家基本氣象站2013年常規(guī)地面觀測(cè)資料,包括氣溫、相對(duì)濕度、降水、風(fēng)向、風(fēng)速和能見度等觀測(cè)資料。顆粒物資料來源于淳安國(guó)家基本氣象站內(nèi)TEOM1405D雙通道大氣顆粒物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；根據(jù)GB3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[6]關(guān)于污染物數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的有效性規(guī)定,每小時(shí)至少有45 min的采樣時(shí)間、每日至少有20 h平均濃度值以及每年至少有324個(gè)日平均濃度值。利用5 min平均數(shù)據(jù)計(jì)算得出小時(shí)算術(shù)平均值,在小時(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上計(jì)算得出逐日的算術(shù)平均值。經(jīng)過數(shù)據(jù)整理分析,2013年淳安縣PM2.5和PM10日平均值缺測(cè)天數(shù)分別為15 d和19 d。同時(shí)按氣象劃分法將季節(jié)劃分為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12—次年2月)。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5和PM10平均濃度

2013年淳安縣PM2.5和PM10平均濃度分別為40.8±24.7 μg·m-3、65.4±36.3 μg·m-3,日平均濃度變化范圍分別為6.0～210.5 μg·m-3和10.4～301.9 μg·m-3,其中最小值均出現(xiàn)在6月8日,最大值均出現(xiàn)在12月7日。觀測(cè)站點(diǎn)屬于二類功能區(qū),根據(jù)GB3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的PM2.5和PM10年平均分別應(yīng)為35和70 μg·m-3,日平均濃度限值分別應(yīng)為75和150 μg·m-3。2013年淳安縣PM2.5年平均濃度為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的1.2倍,PM10年平均濃度優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。從超標(biāo)日數(shù)來看,PM2.5和PM10超標(biāo)日數(shù)分別為23 d和6 d。由表1可見,2013年淳安縣PM10的達(dá)標(biāo)率明顯高于PM2.5。PM10除了12月,其余月份達(dá)標(biāo)率均為100%;而PM2.5僅僅在2月、4—5月、7—9月達(dá)標(biāo)率為100%,冬季,PM2.5的達(dá)標(biāo)率明顯偏低。

表1 2013年淳安縣顆粒物月達(dá)標(biāo)率 %

2.2 PM2.5和PM10逐月變化

圖1和圖2分別為2013年淳安縣PM2.5和PM10濃度Box-plot圖。由圖1和圖2可見,淳安PM2.5和PM10月最高值均出現(xiàn)在12月,分別為76.1±44.5 μg·m-3和115.6±60.1 μg·m-3;最低值均出現(xiàn)在7月,分別為20.9±8.3 μg·m-3和36.5±11.8 μg·m-3。從4分位間距(75分位數(shù)與25分位數(shù)的差值)可以看出,春、秋、冬季要明顯高于夏季,說明春、秋、冬季PM2.5和PM10日均值的離散程度要遠(yuǎn)高于夏季。從天氣條件分析,秋、冬季大氣層結(jié)逐漸趨于穩(wěn)定,降水偏少,早、晚逆溫出現(xiàn)頻率高,污染物擴(kuò)散條件較差,易形成高污染事件,特別是2013年12月3—9日華東地區(qū)出現(xiàn)的大范圍、區(qū)域性持續(xù)污染天氣,導(dǎo)致12月顆粒物濃度異常偏高。另一方面,秋、冬季節(jié)一旦出現(xiàn)降水,對(duì)污染物的清除效應(yīng)非常顯著,這可能是秋、冬季顆粒物日均值變化差異大的重要原因。夏季,氣溫偏高,盛行的夏季風(fēng)由海洋吹向陸地,大氣相對(duì)較為潔凈,同時(shí)在熱力作用下湍流發(fā)展旺盛,垂直擴(kuò)散能力較強(qiáng),大氣擴(kuò)散條件好,降水也充沛,污染物不易長(zhǎng)時(shí)間積累,無論是PM2.5還是PM10濃度均處于低值區(qū),顆粒物濃度變化差異也較小。春季的3—4月,PM10的箱體變化幅度要高于PM2.5,主要原因可能是受到沙塵氣溶膠遠(yuǎn)距離輸送的影響導(dǎo)致粗顆粒物濃度增加。例如,2013年3月上旬北方出現(xiàn)大范圍沙塵天氣,涉及12省約280萬km2。圖3給出淳安縣2013年3月8日08時(shí)計(jì)算的過去72 h氣流后向軌跡,可以清楚的看出沙塵氣溶膠起源于內(nèi)蒙、新疆等地區(qū),途徑甘肅、陜西等地區(qū)東南方向輸送,最后到達(dá)淳安上空。

圖1 PM2.5逐月變化Box-plot圖

(柱形從上至下依次表示90分位數(shù)、75分位數(shù)、50分位數(shù)、25分位數(shù)、10分位數(shù),+表示平均值)圖2 PM10逐月變化Box-plot圖

圖3 淳安縣2013年3月8日后向氣流軌跡

2.3 PM2.5和PM10日變化

圖4為2013年淳安縣PM2.5和PM10質(zhì)量濃度日變化。由圖可見,淳安縣PM2.5和PM10均呈現(xiàn)雙峰型分布特征,且二者出現(xiàn)峰值的時(shí)間也基本一致。PM2.5和PM10峰值出現(xiàn)在18:00,濃度分別為47.6±32.8 μg·m-3和80.8±54.9 μg·m-3;次峰值出現(xiàn)在08:00,濃度分別為42.8±30.2 μg·m-3和68.1±45.8 μg·m-3;PM2.5和PM10的谷值均出現(xiàn)在14:00,濃度分別為36.2±24.8 μg·m-3和58.1±37.9 μg·m-3。這種變化特征與人為氣溶膠排放及邊界層變化有關(guān)。在早晚高峰時(shí)段,人們處于集中出行時(shí)期,交通流量大,人為排放的氣溶膠明顯增加,同時(shí)低層大氣易出現(xiàn)逆溫,邊界層高度低,污染物不易擴(kuò)散,容易形成峰值;而午后大氣對(duì)流和湍流加強(qiáng),污染物的垂直輸送增強(qiáng),近地面氣溶膠被稀釋,顆粒物濃度相應(yīng)降低。PM2.5和PM10白天變化非常明顯,而夜間基本維持穩(wěn)定。

圖4 PM2.5和PM10日變化

2.4 PM2.5與PM10相關(guān)性分析

圖5給出淳安縣PM2.5與PM10日平均濃度的散點(diǎn)圖。由圖可見,PM2.5與PM10日平均濃度存在明顯的線性相關(guān)關(guān)系,R=0.94。兩者的線性回歸方程為:[PM2.5]=0.64[PM10]-0.7,n=346。春季、夏季、秋季和冬季PM2.5與PM10的線性相關(guān)R分別為0.87、0.98、0.91和0.98。由上文分析可知,淳安縣春季偶爾會(huì)受遠(yuǎn)距離輸送沙塵氣溶膠的影響,造成粗粒子濃度增加,因此春季兩者相關(guān)性略偏低。總體而言,2013年淳安縣大氣顆粒物中粗、細(xì)離子相對(duì)含量的比例分布非常穩(wěn)定,也體現(xiàn)出大氣氣溶膠粒子的來源及影響在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

PM2.5與PM10濃度的比值可以反映出PM2.5在PM10中的相對(duì)含量,對(duì)于污染特征分析和污染源解析具有重要意義。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,2013年淳安縣PM2.5/PM10值在0.30～0.90之間,有62.5%樣本數(shù)的比值范圍在0.5～0.7之間,平均值為0.63±0.11。

圖5 PM2.5和PM10日平均濃度相關(guān)關(guān)系

2.5 降水對(duì)顆粒物濃度的影響

降水對(duì)大氣氣溶膠的清除是維持大氣中懸浮粒子源匯平衡、大氣自清潔的重要過程[7]。雨滴在降落過程中,主要通過慣性碰撞過程和布朗擴(kuò)散作用,捕獲氣溶膠粒子,使之從大氣中清除的過程[8]。根據(jù)降水量將雨量等級(jí)劃分為小雨(0.1～9.9 mm)、中雨(10.0～24.9 mm)、大雨(25.0～49.9 mm)、暴雨(50.0～99.9 mm)、大暴雨(100.0～249.9 mm)。圖6為不同雨量等級(jí)下PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度變化。由圖可見,小雨時(shí),PM2.5和PM10質(zhì)量濃度分別為33.1 μg·m-3和49.4 μg·m-3,隨著雨量的增加,二者濃度均呈現(xiàn)明顯下降,出現(xiàn)大暴雨時(shí),二者質(zhì)量濃度分別為6.4 μg·m-3和8.3 μg·m-3。因此,降水能有效降低顆粒物質(zhì)量濃度,改善大氣的自凈能力。

圖6 不同雨量等級(jí)下顆粒物質(zhì)量濃度變化

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用2013年淳安國(guó)家基本氣象站大氣顆粒物PM2.5和PM10觀測(cè)資料,分析兩者特征及變化規(guī)律,結(jié)合氣象條件進(jìn)行研究,得到如下結(jié)論:

1) 2013年淳安縣PM2.5和PM10質(zhì)量濃度平均值分別為(40.8±24.7)μg·m-3和(65.4±36.3)μg·m-3。二者具有同樣的季節(jié)變化規(guī)律,表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季,其中秋季和冬季日均值變化波動(dòng)范圍較大,超標(biāo)日數(shù)也多出現(xiàn)在冬季和秋季。氣象條件變化是造成顆粒物季節(jié)性差異的重要因素。

2)淳安縣PM2.5和PM10均呈現(xiàn)雙峰型日變化特征,二者出現(xiàn)峰值的時(shí)間基本一致。第一峰值時(shí)間均出現(xiàn)在18:00,分別為47.6±32.8 μg·m-3和80.8±54.9 μg·m-3;次峰值出現(xiàn)在08:00,濃度分別為42.8±30.2 μg·m-3和68.1±45.8 μg·m-3;。谷值均出現(xiàn)在14時(shí)。這種日變化特征主要與邊界層變化和人為活動(dòng)密切相關(guān)。

3)淳安縣PM2.5和PM10濃度變化存在明顯的線性關(guān)系,PM2.5/PM10的平均值為0.63±0.11,有62.5%樣本數(shù)的比值范圍在0.5～0.7之間。表明淳安縣大氣中細(xì)顆粒物占比依然較高。春季、夏季、秋季和冬季PM2.5與PM10的線性相關(guān)均在0.8以上,說明2013年淳安縣大氣顆粒物中粗、細(xì)離子相對(duì)含量的比例分布比較穩(wěn)定。

4)降水對(duì)顆粒物濃度影響較大,能有效降低顆粒物質(zhì)量濃度,改善大氣的自凈能力。

[1] 史宇,張建輝,羅海江,等.北京市2012—2013年秋冬季大氣顆粒物污染特征分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2013,22(9):1571-1577.

[2] 宋曉暉,畢曉輝,吳建會(huì),等.杭州市空氣顆粒物污染特征及變化規(guī)律研究[J].環(huán)境污染與防治,2012,34(7):60-63.

[3] 鄧?yán)?錢駿,廖瑞雪,等.2009年8—9月成都市顆粒物污染及其與氣象條件的關(guān)系[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2012,32(8):1433-1438.

[4] 謝敏,區(qū)宇波,陳斐.珠三角區(qū)域環(huán)境PM2.5細(xì)顆粒物污染特征分析[J].環(huán)境,2011,S1:32-34.

[5] 蘇彬彬,劉心東,陶俊.華東區(qū)域高山背景點(diǎn)PM10和PM2.5背景值及污染特征[J].環(huán)境科學(xué),2013,34(2):455-461.

[6] 環(huán)境保護(hù)部,國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB3095—2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2012.

[7] 彭紅,秦瑜.降水對(duì)氣溶膠粒子清除的參數(shù)化[J].大氣科學(xué),1992,16(5):622-630.

[8] 蒲維維,趙秀娟,張小玲.北京地區(qū)夏末秋初氣象要素對(duì)PM2.5污染的影響[J].應(yīng)用氣象學(xué),716-723.

2014-10-11

國(guó)家公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201206011)