烏魯木齊氣溶膠粒徑分布及細(xì)顆粒物（PM2.5）濃度變化分析

劉新春，陳紅娜，趙克蕾，鐘玉婷，閆景武

1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所//新疆樹(shù)木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室//中國(guó)氣象局樹(shù)輪年輪理化研究重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站，新疆 塔中 841000；3.烏魯木齊市機(jī)動(dòng)車排污監(jiān)督管理辦公室，新疆，新疆 烏魯木齊 830054；4.北京乾潤(rùn)開(kāi)元環(huán)?？萍加邢薰?，北京 101300

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烏魯木齊氣溶膠粒徑分布及細(xì)顆粒物（PM2.5）濃度變化分析

劉新春1，2，陳紅娜3，趙克蕾4，鐘玉婷1，2，閆景武4

1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所//新疆樹(shù)木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室//中國(guó)氣象局樹(shù)輪年輪理化研究重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站，新疆 塔中 841000；3.烏魯木齊市機(jī)動(dòng)車排污監(jiān)督管理辦公室，新疆，新疆 烏魯木齊 830054；4.北京乾潤(rùn)開(kāi)元環(huán)?？萍加邢薰?，北京 101300

摘要：利用烏魯木齊市中心區(qū)域氣象局和黑山頭2013年1月1日─2014年2月28日期間Grimm180在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)烏魯木齊市大氣氣溶膠數(shù)濃度和PM2.5質(zhì)量濃度的分布特征及其影響進(jìn)行了分析，為深入了解烏魯木齊市顆粒物污染現(xiàn)狀，確定烏魯木齊市大氣污染治理重點(diǎn)，制定大氣污染防治規(guī)劃提供依據(jù)。結(jié)果表明，（1）氣象局和黑山頭氣溶膠數(shù)濃度分布趨勢(shì)一致，0.25～0.28 μm之間的粒子數(shù)濃度最大；整體趨勢(shì)表現(xiàn)為雙峰型，第1峰出現(xiàn)在0.30～0.35 μm之間，峰值分別為467.0 和455.4 particle·cm-3；第2峰出現(xiàn)在4.0～5.0 μm之間，峰值較??；粒徑小于2.5 μm的粒子數(shù)占到了粒子總數(shù)的99.88%；在粒徑0.25～0.45 μm范圍內(nèi)冬季氣溶膠粒子數(shù)濃度最高，在粒徑＞0.45 μm范圍內(nèi)秋季氣溶膠粒子數(shù)濃度最高；在粒徑0.25～1 μm范圍內(nèi)夏季氣溶膠粒子數(shù)濃度最低，在粒徑＞1 μm范圍內(nèi)冬季數(shù)濃度最低；0.25～0.5 μm粒徑段內(nèi)粒子占粒子總數(shù)的比例大小順序?yàn)槎敬海鞠模厩铮?.8～2.5 μm之間不同粒徑段的粒子占粒子總數(shù)的比例大小順序?yàn)橄模厩铮敬海径籔M2.5數(shù)濃度小時(shí)變化采暖期表現(xiàn)為雙峰型，非采暖期為不太明顯的三峰型。（2）觀測(cè)期間氣象局和黑山頭PM2.5平均質(zhì)量濃度分別為61.77，43.42 μg·m-3，日平均值超標(biāo)率分別是30.81%和16.44%。采暖期氣象局PM2.5質(zhì)量濃度小時(shí)變化呈現(xiàn)單峰，在19:00─21:00出現(xiàn)峰值；黑山頭則呈現(xiàn)雙峰，在6:00─8:00出現(xiàn)峰值，20:00出現(xiàn)一個(gè)不太明顯的小峰；非采暖期氣象局與黑山頭PM2.5質(zhì)量濃度小時(shí)變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為雙峰型。兩個(gè)站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)變化均表現(xiàn)為冬季＞秋季＞春季＞夏季，特殊的地理位置和不同季節(jié)污染源的排放強(qiáng)度、氣象條件是導(dǎo)致PM2.5質(zhì)量濃度隨季節(jié)變化的主要原因。

關(guān)鍵詞：大氣氣溶膠；數(shù)濃度； 質(zhì)量濃度；粒徑分布；細(xì)顆粒物（PM2.5）

引用格式：劉新春，陳紅娜，趙克蕾，鐘玉婷，閆景武.烏魯木齊氣溶膠粒徑分布及細(xì)顆粒物（PM2.5）濃度變化分析［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，25（4）:605-613.

LIU Xinchun，CHEN Hongna，ZHAO Kelei，ZHONG Yuting，YAN Jingwu.Analysis on the Size Distribution of Atmospheric Aerosol and the Mass Concentration Change Characteristics of Fine Particulate Matter （PM2.5） ［J］.Ecology and Environmental Sciences，2016，25（4）:605-613.

大氣氣溶膠的粒徑分布和化學(xué)組成等不僅會(huì)影響大氣組成、性質(zhì)及全球氣候變化，還會(huì)導(dǎo)致人類疾病發(fā)病率及死亡率的升高（Pope et al.，2006）?，F(xiàn)有的關(guān)于大氣顆粒物對(duì)人體健康影響的研究主要集中在PM10和PM2.5質(zhì)量濃度對(duì)人體的危害方面，事實(shí)上，大氣顆粒物，尤其是細(xì)顆粒物PM2.5的數(shù)濃度對(duì)人體健康也有著非常重要的影響作用（Delfino et al.，2005），而且大氣顆粒物的數(shù)濃度譜分布對(duì)大氣氣溶膠的光學(xué)特性以及云的凝結(jié)核數(shù)量也有重要的意義（Nishita et al.，2007）。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在烏魯木齊空氣污染的成因方面做了大量的研究。魏毅（2010）指出地形和氣象因素是導(dǎo)致烏魯木齊市空氣污染的主要因素，除此之外，機(jī)動(dòng)車尾氣排放和能源結(jié)構(gòu)不合理也是污染物濃度居高不下的重要原因。何清等（2010）指出烏魯木齊冬季多污染主要與冬季大氣混合層厚度及邊界層風(fēng)、溫廓線的特征有比較顯著的關(guān)系。宋彬等（2009）主要從烏魯木齊市的地形條件、氣象因素、工業(yè)結(jié)構(gòu)3個(gè)方面深入研究了造成采暖期空氣污染嚴(yán)重的因素，并針對(duì)空氣污染提出了綜合治理建議。王春華等（2010）認(rèn)為由地形因素導(dǎo)致的冬季小風(fēng)、低溫、穩(wěn)定的大氣層結(jié)等不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件，是造成烏魯木齊大氣嚴(yán)重污染的主要原因。劉新春等（2010）研究表明，不利的氣象條件使得空氣污染物的擴(kuò)散稀釋能力減弱，從而導(dǎo)致大氣污染嚴(yán)重。

針對(duì)烏魯木齊顆粒物及其理化性質(zhì)方面的研究已不少。王春華等（2010）指出烏魯木齊大氣中可吸入顆粒物PM10、SO2和NO23種污染物的濃度均表現(xiàn)為采暖期高于非采暖期。迪麗努爾·塔力甫等（2013）利用透射電子顯微鏡對(duì)冬季霧天條件下PM10樣品的形貌特征和集聚狀態(tài)進(jìn)行觀察，結(jié)果表明烏魯木齊冬季霧天污染物主要以有機(jī)物（來(lái)源于汽車、燃煤和工業(yè)排放等過(guò)程）為主，其次為礦物顆粒（來(lái)源于建筑揚(yáng)塵、風(fēng)起揚(yáng)塵、道路揚(yáng)塵和工業(yè)揚(yáng)塵等）。劉新春等（2012）利用離子色譜儀（ICS3000）對(duì)烏魯木齊大氣總懸浮顆粒物（TSP）樣品中的陰、陽(yáng)離子進(jìn)行測(cè)定，指出不同的天氣條件下，大氣總懸浮顆粒物中NH4+、Ca2+、NO3-和SO42-具有明顯差異。王敬等（2014）于2013年1月對(duì)烏魯木齊重污染天氣下對(duì)PM2.5樣品進(jìn)行采集分析，研究其主要的化學(xué)組分及來(lái)源構(gòu)成，指出揚(yáng)塵、煤煙塵是大氣中PM2.5的主要污染源。孫龍仁等（2009）研究表明烏魯木齊市夏季大氣可吸入顆粒物中Cr、Ni、Cu、Cd、Pb 5種重金屬污染物主要來(lái)源于人類活動(dòng)排放。亞力昆江·吐?tīng)栠d等（2012）分析了PM2.5、PM2.5～10的質(zhì)量濃度及其水溶性離子的特征和來(lái)源，表明細(xì)粒子PM2.5和粗粒子PM2.5～10中水溶性離子主要由SO42-、NO3-、NH4+3種二次離子組成。

目前對(duì)烏魯木齊空氣污染的成因及顆粒物的理化性質(zhì)已有一些研究，但是關(guān)于顆粒物的粒徑譜及PM2.5分布等方面研究還很少。本研究在前人已有的研究基礎(chǔ)上增加了烏魯木齊市顆粒物粒徑譜的分布特征及PM2.5質(zhì)量濃度變化特征分析，對(duì)大氣細(xì)顆粒物進(jìn)行更加系統(tǒng)、全面的分析，以期為深入了解烏魯木齊市顆粒物污染現(xiàn)狀，確定烏魯木齊市大氣污染治理重點(diǎn)，制定大氣污染防治規(guī)劃提供依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)和方法

1.1采樣地點(diǎn)

采樣地點(diǎn)布設(shè)在烏魯木齊市天山區(qū)和新市區(qū)，其中新疆自治區(qū)氣象局業(yè)務(wù)樓七樓樓頂烏魯木齊大氣成分觀測(cè)站（以下簡(jiǎn)稱氣象局）位于烏魯木齊市天山區(qū)，主要是商業(yè)和居民區(qū)。天山區(qū)采樣點(diǎn)經(jīng)緯度：43.80°N，87.64°E。海拔941.3 m，采樣點(diǎn)離地面高度26 m。烏魯木齊黑山頭氣象衛(wèi)星地面站（以下簡(jiǎn)稱黑山頭）位于烏魯木齊市新市區(qū)，是一個(gè)小山頭，明顯高于周邊區(qū)域。新市區(qū)采樣點(diǎn)經(jīng)緯度：43.86°N，87.56°E。海拔749.0 m，采樣點(diǎn)離地面高度10 m。

兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)視野開(kāi)闊，采樣設(shè)備周圍無(wú)樹(shù)木和高大建筑物遮蔽，距地面高度均超過(guò)6 m，能夠較好地代表烏魯木齊市中心城區(qū)顆粒物分布特性。其測(cè)量值亦能綜合反映烏魯木齊城市中心區(qū)域顆粒物的濃度水平和變化規(guī)律。

1.2采樣時(shí)間

2013年1月1日─2014年2月28日，利用顆粒物監(jiān)測(cè)儀Grimm 180（Grimm，德國(guó)），分別獲得氣象局、黑山頭的顆粒物在線質(zhì)量濃度和粒徑數(shù)濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)（n=122112）。粒徑譜選擇2013年1月1日─2013年12月31日的觀測(cè)數(shù)據(jù)（n=105120），PM2.5質(zhì)量濃度選擇2013年3月1日─2014年2月28日的觀測(cè)數(shù)據(jù)（n=105120）。

1.3采樣儀器

本文顆粒物自動(dòng)觀測(cè)使用的儀器為德國(guó)Grimm公司生產(chǎn)的顆粒物監(jiān)測(cè)儀（Grimm 180）。它分32個(gè)通道，各通道測(cè)量粒子直徑的起始值分別0.25、0.28、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.58、0.65、0.7、0.8、1、1.3、1.6、2.0、2.5、2.5、3、3.5、4、5、6.5、7.5、8.5、10、12.5、15、17.5、20、25、30、32 μm。粒徑范圍是指光學(xué)粒徑，采樣流量為1.2 L·min-1。儀器應(yīng)用90°激光散射原理，將粒子散射光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并根據(jù)電脈沖的幅度對(duì)粒子進(jìn)行分檔計(jì)數(shù)，同時(shí)根據(jù)顆粒物粒徑采用不同密度自動(dòng)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)尺度（PM10、PM2.5和PM1）的質(zhì)量濃度并記錄下來(lái)。數(shù)濃度測(cè)量范圍為1～2000000 particle·L-1，質(zhì)量濃度為0.1～1500 μg·m-3。為提高其靈敏度，在測(cè)量細(xì)粒子（0.25～2.5 μm）和粗粒子（2.5～32 μm）數(shù)濃度時(shí)，分別采用不同的激光功率（0.65和20 mW），故在2.5～3 μm通道有重疊。該套儀器除記錄不同通道的數(shù)濃度及PM10、PM2.5和PM1的質(zhì)量濃度外，還通過(guò)儀器上的溫濕度感應(yīng)器記錄相應(yīng)的溫濕資料，24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，每5 min獲得1個(gè)觀測(cè)樣本。

2　結(jié)果與討論

2.1大氣氣溶膠粒子數(shù)濃度變化特征

氣溶膠粒子按照其粒徑可以分為3種模態(tài)：粒徑＜0.1 μm的稱為愛(ài)根核模態(tài)，粒徑在0.1～2 μm之間的稱為積聚模態(tài)，粒徑＞2 μm的稱為粗粒子模態(tài)。

有研究表明，衡量大氣氣溶膠對(duì)人體危害程度的指標(biāo)可能是數(shù)濃度，而不是質(zhì)量濃度（Buzorius et al.，1999；Peters et al.，1997）。近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者為了更好地認(rèn)識(shí)氣溶膠污染特征，采用APS、SMPS、Grimm 180等儀器在北京（Shen et al.，2011；劉子銳等，2011）、天津（張金娜等，2007）、石家莊（翟晴飛等，2011）、青島（孫貞等，2010）、濟(jì)南（許鵬舉，2011）、南京（尚倩等，2011）、沈陽(yáng)（嚴(yán)文蓮等，2008）等地觀測(cè)氣溶膠數(shù)濃度譜分布。氣溶膠數(shù)濃度特征分析，尤其是細(xì)顆粒物的數(shù)濃度譜分布得到越來(lái)越多的關(guān)注。

本文PM2.5數(shù)濃度分布特征分析選擇2013年1 月1日─2013年12月31日的數(shù)據(jù)，數(shù)濃度單位為particle·cm-3。

2.1.1兩個(gè)大氣氣溶膠粒子數(shù)濃度分布特征比較

由圖1所示的數(shù)濃度譜可以看出：氣象局站和黑山頭站粒子數(shù)濃度譜分布趨勢(shì)一致，0.25～0.28 μm之間的粒子數(shù)濃度最大，分別為680.4和613.7 particle·cm-3；整體趨勢(shì)表現(xiàn)為雙峰型，第1峰出現(xiàn)在0.30～0.35 μm之間，峰值分別為467.0和455.4 particle·cm-3；第2峰出現(xiàn)在4.0～5.0 μm之間，峰值較小，不太明顯。雙峰型是目前我國(guó)城市污染大氣氣溶膠粒度譜分布的普遍性的特征，且第1峰的峰值較高，第2峰峰值較小不明顯。目前以燃煤為主的城市能源結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因（趙德山等，1987）。

從不同尺度粒子集中情況來(lái)看，氣象局站和黑山頭站不同粒徑段的粒子占粒子總數(shù)的比例相差不多，如圖2所示。以氣象局站為例進(jìn)行分析：0.25～ 0.28 μm之間的粒子占總數(shù)的29.88%，0.28～0.30 μm之間的粒子占總數(shù)的18.48%，0.30～0.35 μm之間的粒子占總數(shù)的20.51%，0.35～0.40 μm之間的粒子占總數(shù)的15.52%，0.40～0.45 μm之間的粒子占總數(shù)的7.02%，0.45～0.50 μm之間的粒子占總數(shù)的4.07%，0.50～0.58 μm之間的粒子占總數(shù)的2.10%，0.58～0.65 μm之間的粒子占總數(shù)的0.84%，在粒徑小于0.65 μm的范圍內(nèi)集中了約98.41%的粒子，這與北京在粒徑小于0.6 μm范圍內(nèi)集中了大約96%粒子（王明星，1991）、天津在粒徑小于0.65 μm范圍內(nèi)集中了約98.5%的粒子（張金娜等，2007）的情況類似；粒徑小于2.5 μm的粒子數(shù)占到了粒子總數(shù)的99.88%，說(shuō)明顆粒物數(shù)量基本集中在2.5 μm以下的粒徑范圍內(nèi)。

圖1　氣溶膠粒子數(shù)濃度分布特征Fig.1 The number density distribution characteristics of atmospheric aerosol

圖2　不同粒徑段粒子占粒子總數(shù)的比例Fig.2 The proportion of the different sizes particles

2.1.2氣溶膠粒子數(shù)濃度季節(jié)分布特征

由前文可知?dú)庀缶终竞秃谏筋^站氣溶膠粒子數(shù)濃度分布特征相同，故對(duì)于氣溶膠粒子數(shù)濃度季節(jié)分布以氣象局站為例進(jìn)行分析。為表現(xiàn)氣溶膠數(shù)濃度明顯的季節(jié)分布特征，圖3采用對(duì)數(shù)縱坐標(biāo)。由圖3可以看出氣溶膠粒子數(shù)濃度冬、春、夏、秋4個(gè)季節(jié)均以0.25～0.28 μm之間的粒子數(shù)濃度最大，分別為1175.7、514.3、294.3、843.8 particle·cm-3，4個(gè)季節(jié)粒子數(shù)濃度均在0.30～0.35和4.0～5.0 μm之間出現(xiàn)峰值，表現(xiàn)為雙峰型。4個(gè)季節(jié)中，在粒徑0.25～0.45 μm范圍內(nèi)冬季氣溶膠粒子數(shù)濃度最高，而秋季在這一范圍內(nèi)僅次于冬季，在粒徑＞0.45 μm范圍內(nèi)秋季氣溶膠粒子數(shù)濃度均為最高，在粒徑0.25～1 μm范圍內(nèi)夏季氣溶膠粒子數(shù)濃度最低，在粒徑＞1 μm范圍內(nèi)夏季氣溶膠粒子顆粒數(shù)增大，僅次于秋季，而冬季在這一范圍內(nèi)數(shù)濃度為4個(gè)季節(jié)中最低，春季氣溶膠粒子數(shù)濃度在不同粒徑中均處于第三高的水平。

圖3　氣溶膠粒子數(shù)濃度季節(jié)分布特征Fig.3 The seasonal number density distribution characteristics of atmospheric aerosol

這主要是由于冬季排放的污染物濃度大，高濕、靜風(fēng)、強(qiáng)逆溫的天氣條件不利于這些污染物的擴(kuò)散與遷移；另外較低的空氣溫度造成機(jī)動(dòng)車燃燒不充分，排出的尾氣更易冷凝成核（許鵬舉，2011），導(dǎo)致冬季氣溶膠粒子在0.25～0.45 μm范圍內(nèi)出現(xiàn)最高數(shù)濃度。夏季污染物排放小、降水較多，氣象條件對(duì)氣溶膠中細(xì)粒子的擴(kuò)散與清除能力強(qiáng)，但由于夏天空氣干燥、風(fēng)速較大，有利于土壤、道路揚(yáng)塵和建筑塵的懸浮，使得粗粒子的濃度增大。烏魯木齊入冬較早，從秋季10月中旬進(jìn)入采暖期，污染物排放量大，所以秋季氣溶膠的數(shù)濃度較高。

從不同尺度粒子集中情況來(lái)看，4個(gè)季節(jié)不同粒徑段的粒子占粒子總數(shù)的比例情況如圖4所示。在0.25～0.28 μm粒徑段粒子占粒子總數(shù)的比例夏季最高，為37.87%，其他3個(gè)季節(jié)比例相差不多；在0.25～0.45 μm之間不同粒徑段的粒子占粒子總數(shù)的比例冬季大于秋季，而大于0.45 μm粒徑的粒子占粒子總數(shù)的比例則為秋季大于冬季，這進(jìn)一步說(shuō)明冬季粒子主要集中在小于0.45 μm的粒徑范圍內(nèi)。有研究表明對(duì)能見(jiàn)度影響較大的是0.1～0.5 μm粒徑段（許鵬舉，2011），在本研究中0.25～0.5 μm粒徑段內(nèi)粒子占粒子總數(shù)的比例大小順序?yàn)槎敬海鞠模厩?，說(shuō)明這一范圍內(nèi)的氣溶膠粒子對(duì)冬季霧霾天氣能見(jiàn)度降低的貢獻(xiàn)較大；在0.8～2.5 μm之間不同粒徑段的粒子占粒子總數(shù)的比例大小順序?yàn)橄模厩铮敬海径?/p>

4個(gè)季節(jié)0.25～2.5 μm的粒子數(shù)分別占粒子總數(shù)的99.99%、99.90%、99.64%、99.78%，可見(jiàn)不同季節(jié)大氣氣溶膠粒子基本上全部集中在PM2.5中，因此對(duì)PM2.5的研究尤為重要，后文主要對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度及其理化特性進(jìn)行討論與分析。

2.1.3氣溶膠數(shù)濃度小時(shí)分布特征

圖4　不同季節(jié)不同粒徑段粒子占粒子總數(shù)比例Fig.4 The seasonal proportion of the different sizes particles

根據(jù)Grimm 180氣溶膠粒譜分析儀工作原理，將粒徑在0.25～2.5 μm之間的粒子定義為細(xì)粒子，粒徑在2.5～10 μm之間的粒子定義為粗粒子，分別計(jì)算得出觀測(cè)期間粗粒子和細(xì)粒子的數(shù)濃度小時(shí)平均值。觀測(cè)期間，氣象局站和黑山頭站粒子數(shù)濃度平均值分別為2277.3和2073.0 particle·cm-3，其中細(xì)粒子數(shù)濃度平均值分別為2274.5和2070.8 particle·cm-3，分別占總數(shù)的99.88%和99.90%，粗粒子數(shù)濃度平均值分別為2.8和2.1 particle·cm-3，分別占總數(shù)的0.12%和0.10%。

根據(jù)前文數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，大氣顆粒物基本集中在2.5 μm以下的粒徑范圍內(nèi)，所以只對(duì)2.5 μm以下的大氣顆粒物的數(shù)濃度進(jìn)行研究分析。采用常規(guī)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)2.5 μm以下粒子的數(shù)濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出小時(shí)平均值，并對(duì)其變化特征進(jìn)行討論。

圖5是烏魯木齊氣象局站和黑山頭站采暖期和非采暖期數(shù)濃度的小時(shí)變化圖。由圖可以看出，采暖期兩個(gè)站點(diǎn)小時(shí)變化都呈現(xiàn)為雙峰型，且數(shù)濃度值相差不多，故選取這一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行討論。采暖期在6:00─8:00出現(xiàn)1個(gè)不明顯的小峰，之后數(shù)濃度下降至11:00出現(xiàn)1個(gè)谷值，緊接著迅速增加，在15:00時(shí)達(dá)到峰值，之后開(kāi)始緩慢下降，到凌晨5:00達(dá)到最低值；非采暖期數(shù)濃度起伏相對(duì)較小，兩個(gè)站點(diǎn)變化趨勢(shì)基本一致，并且表現(xiàn)為不太明顯的三峰型，白天在7:00─9:00、13:00─15:00出現(xiàn)峰值，夜間在0:00左右出現(xiàn)峰值。在采暖期和非采暖期，數(shù)濃度均在上午8:00左右出現(xiàn)了峰值，這一時(shí)間正好是人類活動(dòng)、工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)母叻迤?，污染源排放量大；另外，這一時(shí)段大氣邊界層穩(wěn)定，有逆溫現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于污染物的擴(kuò)散、稀釋，導(dǎo)致PM2.5數(shù)濃度增大。11:00左右出現(xiàn)低值的原因是地面溫度上升，近地面垂直方向大氣湍流作用大，不穩(wěn)定的大氣使得污染物的擴(kuò)散、遷移能力增強(qiáng)，從而使得PM2.5數(shù)濃度降低。采暖期傍晚至次日早晨是集中供暖的時(shí)間段，燃煤燃?xì)庠黾樱瑢?dǎo)致顆粒物濃度較高，并在午夜前后出現(xiàn)夜間的峰值，之后PM2.5數(shù)濃度開(kāi)始下降，但下降幅度不大。由此可見(jiàn)，采暖期供暖對(duì)PM2.5數(shù)濃度的貢獻(xiàn)非常大。

2.2PM2.5質(zhì)量濃度分布變化特征

2012年初，我國(guó)環(huán)境保護(hù)部公布新擬定的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095─2012），將PM2.5納入空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)。環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)體系中，表征污染物水平的主要指標(biāo)為質(zhì)量濃度，PM2.5的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為日均值35 μg·m-3，年均值15 μg·m-3，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為日均值75 μg·m-3，年均值35 μg·m-3。烏魯木齊市屬于二類區(qū)域，執(zhí)行空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。將觀測(cè)得到的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)與《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095─2012）進(jìn)行比較分析，可得知觀測(cè)點(diǎn)PM2.5污染狀況。

選擇2013年3月1日─2014年2月28日PM2.5質(zhì)量濃度（μg·m-3）數(shù)據(jù)（5 min觀測(cè)資料）進(jìn)行分析。。采用常規(guī)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)觀測(cè)期間PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別獲得PM2.5質(zhì)量濃度小時(shí)平均值、日平均值、月平均值及季節(jié)平均值，并對(duì)其特征進(jìn)行分析、討論。

圖6是觀測(cè)期間兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度的變化曲線。觀測(cè)期間，氣象局和黑山頭的PM2.5質(zhì)量濃度范圍分別為9.60～331.31，7.16～218.05 μg·m-3，平均質(zhì)量濃度分別為61.77，43.42 μg·m-3。對(duì)比《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095─2012）中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5年平均濃度限值為35 μg·m-3，兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的PM2.5年平均質(zhì)量濃度均超標(biāo)。PM2.524 h平均濃度限值為75 μg·m-3，氣象局和黑山頭PM2.5質(zhì)量濃度日平均值的超標(biāo)率分別是30.81%和16.44%，說(shuō)明氣象局和黑山頭細(xì)顆粒物污染均比較嚴(yán)重；黑山頭站污染程度較輕，這主要與采樣點(diǎn)的地理位置有關(guān)，黑山頭站點(diǎn)位于山上，距離山下商業(yè)區(qū)、城市主干道較遠(yuǎn)。從圖中可以看出兩個(gè)站點(diǎn)均表現(xiàn)為2013年3─10月份PM2.5質(zhì)量濃度較低，大多數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值以下，2013 年10月—2014年2月份污染較重，超標(biāo)頻率增大。

圖5　PM2.5數(shù)濃度小時(shí)變化Fig.5 The hourly change of PM2.5mean number density

圖6　觀測(cè)期間PM2.5質(zhì)量濃度變化Fig.6 The change of PM2.5mean mass concentration during the observation period

2.2.1PM2.5質(zhì)量濃度小時(shí)變化

烏魯木齊冬季采暖期為6個(gè)月，從當(dāng)年10月10日─次年4月9日，其余時(shí)間為非采暖期。選取2013年4月10日─2014年2月28日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算得到氣象局、黑山頭在采暖期和非采暖期PM2.5小時(shí)平均濃度變化趨勢(shì)曲線，見(jiàn)圖7。PM2.5質(zhì)量濃度小時(shí)變化起伏較大，采暖期質(zhì)量濃度高于非采暖期。

采暖期：由圖7（a）可以看出，氣象局PM2.5濃度呈現(xiàn)單峰，在19:00─21:00出現(xiàn)峰值，最大質(zhì)量濃度為137.25 μg·m-3，氣象局出現(xiàn)峰值的時(shí)間與下午下班高峰期時(shí)間相對(duì)應(yīng)，車流量增大，污染物排放量大（王永宏等，2012），加之這一時(shí)間段大氣溫度下降幅度較大，容易產(chǎn)生逆溫層，導(dǎo)致污染物擴(kuò)散能力減弱；12:00出現(xiàn)最低值83.32 μg·m-3，這一時(shí)間段近地面層溫度逐漸升高，湍流變強(qiáng)，對(duì)流充分，有利于污染物的擴(kuò)散與遷移（紀(jì)玉玲等，2004）。黑山頭PM2.5濃度則呈現(xiàn)雙峰，在6:00─8:00出現(xiàn)峰值，最大濃度為80.06 μg·m-3。這是因?yàn)槿粘銮昂蟠髿膺吔鐚臃€(wěn)定，有逆溫層存在，不利于污染物擴(kuò)散；另外，這一時(shí)間段與早上人們出行活動(dòng)高峰期對(duì)應(yīng)，車流量較大，汽車尾氣的排放及揚(yáng)塵造成PM2.5質(zhì)量濃度增大。在20:00出現(xiàn)一個(gè)不太明顯的小峰，這與下班高峰期時(shí)間相對(duì)應(yīng)，人、車流量增大。最低值出現(xiàn)在9:00，濃度為62.95 μg·m-3，日出之后，大氣溫度開(kāi)始上升，風(fēng)速變大，對(duì)流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，有利于污染物的擴(kuò)散與遷移。

非采暖期：由圖7（b）可以看出，氣象局與黑山頭PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為雙峰型，在6:00─9:00出現(xiàn)第一個(gè)峰值，氣象局和黑山頭最大濃度分別為35.00和32.31 μg·m-3，這是由于這一時(shí)間段是上班高峰期，汽車尾氣和揚(yáng)塵導(dǎo)致污染物排放量大；在23:00─凌晨1:00出現(xiàn)第二個(gè)峰值，峰值分別為39.79和26.97 μg·m-3，由于夜間溫度較低，靜風(fēng)頻率高，逆溫強(qiáng)度大，不利于污染物的擴(kuò)散與稀釋；兩站點(diǎn)的最低值出現(xiàn)在17:00─19:00。

2.2.2PM2.5質(zhì)量濃度周變化

圖7　PM2.5質(zhì)量濃度小時(shí)變化Fig.7 The hourly change of PM2.5mean mass concentration

交通源排放對(duì)于城市地區(qū)來(lái)說(shuō)，是影響城市空氣質(zhì)量的一個(gè)重要因素。居民的生活習(xí)慣與作息規(guī)律會(huì)對(duì)交通源的排放強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)大氣成分在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到全年對(duì)應(yīng)PM2.5濃度的周平均值，并對(duì)周中和周末PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行分析。由圖8可以看出，氣象局和黑山頭PM2.5質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為不太明顯的周末效應(yīng)，表現(xiàn)為周中PM2.5質(zhì)量濃度略高于周末，均在星期三出現(xiàn)最大值，分別為65.81和45.38 μg·m-3；氣象局在星期一出現(xiàn)最小值53.32 μg·m-3，黑山頭在星期天出現(xiàn)最小值38.97 μg·m-3。氣象局的平均濃度比黑山頭高13.34～20.99 μg·m-3。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能與觀測(cè)站的位置有關(guān)，氣象局站受交通污染以及周邊居民日常生活的影響較大。但是整體上，烏魯木齊PM2.5質(zhì)量濃度周中、周末差距并不大，可能原因是：（1）與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中周末休息率比較低，周中、周末差距并不明顯。這使得烏魯木齊市區(qū)車流量在周末并無(wú)明顯的減少，污染物的交通源排放與周中相比差別不大（嚴(yán)文蓮等，2008）；（2）烏魯木齊特殊的地理位置和氣象條件限制了污染物的擴(kuò)散與遷移，污染物容易長(zhǎng)時(shí)間聚集，在一定程度上削弱了PM2.5質(zhì)量濃度在周中與周末間的差異。

圖8　PM2.5質(zhì)量濃度周變化Fig.8 The weekly change of PM2.5mean mass concentration

2.2.3PM2.5質(zhì)量濃度月變化

根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)大氣成分在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到全年對(duì)應(yīng)PM2.5濃度的月平均值。如圖9所示，氣象局和黑山頭PM2.5質(zhì)量濃度隨月份的變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)為11月─次年2月濃度較高，5─8月份濃度低。PM2.5質(zhì)量濃度最大月分別為氣象局2014年1月（143.81 μg·m-3），黑山頭2013年11月（85.50 μg·m-3），最小月都是7月，濃度分別為16.13和12.8 μg·m-3。整體上，氣象局PM2.5質(zhì)量濃度高于黑山頭。由于烏魯木齊市霧天氣集中出現(xiàn)在12月、1月和2月，而大氣顆粒物的濃度與霧產(chǎn)生頻率呈正相關(guān)（亞力昆江·吐?tīng)栠d，2010），較高濃度的細(xì)顆粒物可能是霧形成的重要因素。5─8月份由于污染物排放量小，另外，此時(shí)降水增加，大氣對(duì)流強(qiáng)烈，有利于PM2.5的清除和擴(kuò)散，所以PM2.5質(zhì)量濃度較低。

圖9　PM2.5質(zhì)量濃度月變化Fig.9 The monthly change of PM2.5mean mass concentration

圖10　PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化Fig.10 The seasonal change of PM2.5mean mass concentration

2.2.4PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化

全年的季節(jié)劃分按照春季3─5月，夏季6─8月，秋季9─11月，冬季12─次年2月。根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)大氣成分在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到全年對(duì)應(yīng)PM2.5濃度的季節(jié)平均值。由圖10可以看出，氣象局和黑山頭PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)變化均表現(xiàn)為冬季＞秋季＞春季＞夏季，氣象局冬季平均濃度為119.44 μg·m-3，夏季為22.11 μg·m-3，黑山頭冬季為73.27 μg·m-3，夏季為15.92 μg·m-3。其原因是烏魯木齊三面環(huán)山，冬季濕度高、風(fēng)速小，極易形成低空逆溫，在沒(méi)有較強(qiáng)的天氣系統(tǒng)侵襲時(shí)，氣流難以垂直上升（郭宇宏等，2006），大氣污染物不易擴(kuò)散。由于烏魯木齊冬季溫度比較低，需要大量燃燒天然氣進(jìn)行供暖，周邊郊區(qū)還存在燃煤現(xiàn)象，這使得PM2.5的濃度急劇增加。春季和秋季PM2.5質(zhì)量濃度相對(duì)較高，主要是因?yàn)榇杭練夂蚋稍铮邓?，并且頻繁發(fā)生沙塵天氣，對(duì)大氣中PM2.5有一定的貢獻(xiàn)；氣象局站和黑山頭站秋季PM2.5質(zhì)量濃度是春季的兩倍左右，這主要是因?yàn)榍锛緯円箿夭钤龃?，大氣層結(jié)穩(wěn)定，容易發(fā)生逆溫，污染物不易擴(kuò)散和遷移，除此之外，烏魯木齊10月中旬開(kāi)始進(jìn)入采暖期，燃煤燃?xì)饬康脑黾訉?dǎo)致污染物的排放量巨大，使得PM2.5質(zhì)量濃度處在較高的水平。夏季由于氣溫較高，大氣對(duì)流活動(dòng)旺盛，污染物可擴(kuò)散、遷移迅速，另外，夏季降水較多，對(duì)大氣中PM2.5的污染物有明顯的清除作用（趙克蕾等，2014），所以夏季PM2.5濃度最低。

3　結(jié)論

（1）氣象局站和黑山頭站氣溶膠數(shù)濃度分布趨勢(shì)一致，0.25～0.28 μm之間的粒子數(shù)濃度最大，分別為680.4和613.7 particle·cm-3；整體趨勢(shì)表現(xiàn)為雙峰型，第1峰出現(xiàn)在0.30～0.35 μm之間，峰值分別為467.0和455.4 particle·cm-3；第2峰出現(xiàn)在4.0～5.0 μm之間，峰值較?。涣叫∮?.5 μm的粒子數(shù)占到了粒子總數(shù)的99.88%，說(shuō)明顆粒物基本集中在2.5 μm以下的粒徑范圍內(nèi)。

（2）氣溶膠粒子數(shù)濃度4個(gè)季節(jié)均以0.25～0.28 μm之間的粒子數(shù)濃度最大，并在0.30～0.35和4.0～5.0 μm之間出現(xiàn)峰值，表現(xiàn)為雙峰型。在粒徑0.25～0.45 μm范圍內(nèi)冬季氣溶膠粒子數(shù)濃度最高；在粒徑＞0.45 μm范圍內(nèi)秋季氣溶膠粒子數(shù)濃度最高；在粒徑0.25～1 μm范圍內(nèi)夏季氣溶膠粒子數(shù)濃度最低；在粒徑＞1 μm范圍內(nèi)夏季氣溶膠粒子顆粒數(shù)增大，僅次于秋季，而冬季在這一范圍內(nèi)數(shù)濃度最低；0.25～0.5 μm粒徑段內(nèi)粒子占粒子總數(shù)的比例大小順序?yàn)槎敬海鞠模厩铮?.8～2.5 μm之間不同粒徑段的粒子占粒子總數(shù)的比例大小順序?yàn)橄模厩铮敬海径?/p>

（3）PM2.5數(shù)濃度小時(shí)變化表現(xiàn)為：采暖期在6:00─8:00出現(xiàn)1個(gè)不明顯的小峰，在15:00出現(xiàn)峰值，在5:00和11:00出現(xiàn)谷值；非采暖期數(shù)濃度起伏相對(duì)較小，表現(xiàn)為不太明顯的三峰型，白天在7:00─9:00、13:00─15:00出現(xiàn)峰值，夜間在0:00左右出現(xiàn)峰值。

（4）觀測(cè)期間，氣象局和黑山頭的PM2.5質(zhì)量濃度范圍分別為9.60～331.31、7.16～218.05 μg·m-3，平均濃度分別為61.77、43.42 μg·m-3，超標(biāo)率分別是30.81%和16.44%。采暖期PM2.5質(zhì)量濃度小時(shí)變化表現(xiàn)為：氣象局呈現(xiàn)單峰，在19:00─21:00出現(xiàn)峰值，12:00出現(xiàn)最低值83.32 μg·m-3；黑山頭則呈現(xiàn)雙峰，在6:00─8:00出現(xiàn)峰值，20:00出現(xiàn)一個(gè)不太明顯的小峰，最低值出現(xiàn)在9:00。非采暖期PM2.5質(zhì)量濃度小時(shí)變化表現(xiàn)為：氣象局與黑山頭PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為雙峰型，在6:00─9:00出現(xiàn)第一個(gè)峰值，在23:00─凌晨1:00出現(xiàn)第二個(gè)峰值，最低值出現(xiàn)在17:00─19:00。

（5）烏魯木齊市的社會(huì)活動(dòng)沒(méi)有明顯的周中、周末差異及特殊的地形和不利的氣象因素是氣象局和黑山頭PM2.5質(zhì)量濃度周中、周末差距不大的主要原因；兩個(gè)站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)變化均表現(xiàn)為冬季＞秋季＞春季＞夏季，氣象局冬季平均濃度為119.44 μg·m-3，夏季為22.11 μg·m-3，黑山頭冬季為73.27 μg·m-3，夏季為15.92 μg·m-3，特殊的地理位置和不同季節(jié)污染源的排放強(qiáng)度、氣象條件是導(dǎo)致PM2.5質(zhì)量濃度隨季節(jié)變化的主要原因。

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Analysis on the Size Distribution of Atmospheric Aerosol and the Mass Concentration Change Characteristics of Fine Particulate Matter （PM2.5）

LIU Xinchun1，2，CHEN Hongna3，ZHAO Kelei4，ZHONG Yuting1，2，YAN Jingwu3
1.Institute of Desert Meteorology，CMA，Urumqi 830002，China；2.Desert Atmosphere and Environment Observation Experiment of Taklimakan Station，Tazhong 831000，China；3.Administration Office of Motor Vehicle Emission Supervision，Urumqi City，Urumqi 830054，China；4.Beijing KingWing Environmental Protection Technology Co.，Ltd，Beijing 101300，China

Abstract：Based on online monitoring data of atmospheric aerosol form January 1，2013 to February 28，2014 with ambient dust monitor （Grimm 180） at Meteorological Administration （MA） and Heishantou （HST） in the center of Urumqi，distribution of number and mass concentration data of inhalable particles were analyzed.The results showed that，（1） Aerosol number concentration distribution had the same trend at MA and HST.The maximum values of particle number concentration were between 0.25 and 0.28 μm.Aerosol size distribution showed a bimodal shape with the first peak between 0.30 and 0.35 μm and the second peak between 4.0 and 5.0 μm.Aerosol particles with the diameter less than 2.5 μm in the number of particles accounted for 99.88% of the total number concentration.The number of particles within 0.25～0.45 μm in winter was the maximum value，while the number of particles larger than 0.45 μm in autumn was the maximum value.The number of particles within 0.25～1 μm in summer was the minimum value，while the number of particles larger than 1μm in autumn was the minimum value.Diurnal variations of PM2.5number concentration presented a bimodal shape during heating period and a trimodal shape during non-heating period.（2） The average concentration of PM2.5at MA and MSS were 61.77 and 43.42 μg·m-3，and the excessive rate were 30.81% and 16.44%，respectively.During heating period diurnal variations of PM2.5mass concentration presented a single peak which appeared in 19:00 to 21:00 at MA，but a bimodal shape at HST.While during non-heating period diurnal variations of PM2.5mass concentration presented a bimodal shape at two sites.The seasonal distributions of PM2.5mass concentrations were winter＞ autumn＞ spring＞ summer at two sites.

Key words：atmospheric aerosol； number density； mass concentration； size distribution； fine particulate matter （PM2.5）

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.009

中圖分類號(hào)：X51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2016）04-0605-09

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目“塔克拉瑪干沙漠與帕米爾高原沙塵氣溶膠特性觀測(cè)研究”

作者簡(jiǎn)介：劉新春（1977年生），男，副研究員，主要從事大氣環(huán)境科學(xué)研究。E-mail:liuxinchun2001@163.com； liuxch@idm.cn

收稿日期：2015-12-02