太原市沙塵和非沙塵天氣大氣細(xì)顆粒物質(zhì)譜特征及來源

張春梅

(太原市環(huán)境監(jiān)測中心站,山西 太原 030002)

0 引言

大氣細(xì)顆粒對空氣質(zhì)量、人類健康以及全球氣候都有著重要影響[1]。沙塵暴作為大氣顆粒物的重要來源之一,已受到大氣科學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。沙塵天氣是由于強(qiáng)風(fēng)將大量沙塵物質(zhì)吹到空中所引起的,會使空氣渾濁度大幅度增加,能見度明顯降低。沙塵天氣是造成顆粒物污染的最大自然流動污染源[2]。我國沙塵暴的主要源地分布在西北地區(qū),在較強(qiáng)的西北風(fēng)力驅(qū)使下,華北、東北和華東部分地區(qū)受沙塵暴的影響較大[3]。太原市東、西、北三面環(huán)山,屬于溫帶季風(fēng)氣候,由于其特殊的地形和氣候特點(diǎn),污染物不易擴(kuò)散,很容易引發(fā)重污染天氣;太原作為沙塵影響區(qū)域之一,沙塵天氣在一年中的任何月份都有出現(xiàn)的可能,尤其是在3～5月出現(xiàn)頻率較高,在此期間出現(xiàn)沙塵天氣的天數(shù)占到全年沙塵天氣天數(shù)的60%以上[4]。

雖然對太原市沙塵天氣形成的氣象因素和傳輸路徑[5]以及山西省沙塵天氣的空間分布特征[6]已開展過相應(yīng)的研究,但對于沙塵天氣情況下直接影響空氣質(zhì)量和人類健康的大氣細(xì)顆粒物的質(zhì)譜特征及來源的研究還相對較少。如何快速有效監(jiān)測分析沙塵天氣發(fā)生時(shí)大氣細(xì)顆粒物的組分、理化特征及來源,以便管理部門及時(shí)采取有效的防范措施將沙塵天氣對空氣質(zhì)量和人們健康的影響降至最低,同時(shí)為大氣顆粒物污染的有效治理提供科學(xué)的技術(shù)支撐是目前亟待研究解決的難點(diǎn)問題。

近年來,氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜儀在國際上已逐漸發(fā)展成為一種廣泛采用的氣溶膠研究手段[4,7],在國內(nèi),多家科研院所及高校[8-15]已經(jīng)在該領(lǐng)域開展了一系列研究,并在大氣氣溶膠的單顆粒理化特征、來源解析、灰霾成因分析及二次顆粒物形成機(jī)制等方面取得了重要成果。李思思等[16]研究以2016年春季張家口市的一次沙塵天氣為研究對象,利用在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS)對該時(shí)段大氣顆粒的粒徑分布和來源等進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)沙塵顆粒主要分布在0.5～1.1 μm粒徑段,非沙塵顆粒主要分布在0.4～0.8 μm粒徑段,并發(fā)現(xiàn)沙塵顆粒主要來源是我國新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)及蒙古國等地。劉文彬等[17]利用SPAMS結(jié)合氣溶膠激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)等對廣州市2017年4月21日至23日的一次遠(yuǎn)距離傳輸沙塵天氣過程進(jìn)行綜合觀測發(fā)現(xiàn):沙塵過境期間,含硅酸鹽細(xì)顆粒物在PM2.5濃度中的比例迅速增長至沙塵過境前的1.4倍,高達(dá)25.9%,同時(shí)發(fā)現(xiàn)PM2.5中揚(yáng)塵源對PM2.5的貢獻(xiàn)率也明顯增加,達(dá)到了17.3%。

本研究借助(SPAMS),對此次沙塵過程進(jìn)行在線監(jiān)測,重點(diǎn)研究了沙塵天氣過程中細(xì)顆粒物(PM2.5)的顆粒物化學(xué)組成、來源,并且與非沙塵天氣進(jìn)行了對比分析,以期通過對太原市沙塵過程中大氣細(xì)顆粒物的理化特征及來源探究,為有效防范沙塵天氣對太原市環(huán)境空氣質(zhì)量的影響及制定科學(xué)的防治措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣基本信息

監(jiān)測點(diǎn)位于太原市環(huán)境監(jiān)測中心站(37.8757°N,112.5495°E)三樓樓頂,靠近桃園三巷道路,距濱河?xùn)|路300 m。以監(jiān)測站為中心半徑15 km范圍內(nèi),多為居民區(qū)及商業(yè)區(qū)。監(jiān)測儀器為在線單顆粒氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(簡稱SPAMS,型號SPAMS 0515)。采樣時(shí)間為2017年04月26日01:00至5月5日20:00。大氣顆粒物經(jīng)PM2.5切割頭后進(jìn)入SPAMS連續(xù)監(jiān)測。監(jiān)測期間共采集到210 837個包含正、負(fù)質(zhì)譜信息的顆粒(MASS)。

1.2 SPAMS源解析原理及數(shù)據(jù)分析方法

SPAMS獲取的顆粒物質(zhì)譜信息將利用自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(ART-2a)對顆粒物進(jìn)行聚類,算法使用參數(shù)的相似度為0.7,學(xué)習(xí)效率為0.05[18]。利用ART-2a的方法依據(jù)質(zhì)譜特征的相似度進(jìn)行分類,將顆粒物主要分為若干類別,如含碳類物質(zhì),包括元素碳(EC)、混合碳(ECOC)、有機(jī)碳(OC)、高分子有機(jī)物(HOC)、左旋葡聚糖(LEV);金屬類物質(zhì)如富鉀(rich-K)、重金屬(HM)以及礦物質(zhì)(MD)等。通過SPAMS源解析算法[19-21]并依據(jù)各類污染源譜特征譜圖,與環(huán)境空氣顆粒物在線質(zhì)譜測量結(jié)果進(jìn)行比對,判別顆粒物來源,從而獲取源成分餅圖。參考《大氣顆粒物來源解析技術(shù)指南(試行)》[22]并根據(jù)太原市實(shí)際情況,將顆粒物的來源分為揚(yáng)塵源、機(jī)動車尾氣源、燃煤源、工業(yè)工藝源、生物質(zhì)燃燒源、其他源等六大類,其中,揚(yáng)塵源主要包括土壤塵、道路揚(yáng)塵、建筑揚(yáng)塵等;機(jī)動車尾氣源等主要包括汽油車、柴油車、各類非道路移動源等;燃煤源主要包括燃煤電廠、鍋爐及散煤等;工業(yè)工藝源包括冶金、建材、化工等行業(yè);生物質(zhì)燃燒源包括生物質(zhì)露天焚燒及生物質(zhì)鍋爐排放等;其他源是指未包含在上述源類以及未被識別的顆粒物。

1.3 質(zhì)量控制和質(zhì)量保證

為保證最終數(shù)據(jù)的可靠性,需進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制和質(zhì)量保證。采樣前需對儀器進(jìn)行粒徑校正,具體實(shí)驗(yàn)方法是將具有標(biāo)準(zhǔn)粒徑大小(0.20 μm、0.30 μm、0.50 μm、0.72 μm、1.00 μm、1.30 μm和2.00 μm)的聚苯乙烯小球(polystyrene latex spheres,PSLs)滴入100 mL蒸餾水中,利用氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠,通入氣溶膠質(zhì)譜進(jìn)行粒徑檢測,實(shí)現(xiàn)顆粒物粒徑校正,校準(zhǔn)系數(shù)R2>0.99。利用10 mg/mL的NaI標(biāo)準(zhǔn)溶液氣溶膠對儀器的質(zhì)荷比進(jìn)行質(zhì)量數(shù)的校正,以保儀器分析的準(zhǔn)確性。為避免進(jìn)樣口小孔片堵塞從而影響大氣的進(jìn)樣量和數(shù)據(jù)有效性,監(jiān)測期間每天清洗維護(hù)儀器進(jìn)樣處的小孔片,以保證進(jìn)樣處的壓力變化范圍不超過±6.66 Pa。

2 結(jié)果與討論

2.1 監(jiān)測期間空氣質(zhì)量情況和氣象條件

從2017年4月14日開始,中國內(nèi)蒙古中西部、甘肅西部、寧夏北部、華北北部以及新疆南疆盆地等局部出現(xiàn)沙塵暴天氣,根據(jù)中央氣象臺2017年5月4-6日的全國沙塵落區(qū)預(yù)報(bào)圖[23-24],太原處于落塵區(qū)。沙塵入境時(shí),通常會使得大氣顆粒物中可吸入顆粒物(PM10)的濃度急劇上升且與細(xì)顆粒物(PM2.5)的比值(PM2.5/PM10)顯著下降。

圖1為沙塵過程中監(jiān)測點(diǎn)大氣顆粒物(PM10和PM2.5)濃度及氣象條件變化,其中,PM10質(zhì)量濃度取用位于桃園站點(diǎn)的同步監(jiān)測數(shù)據(jù)。為了分析沙塵過程對空氣質(zhì)量的影響和顆粒物的理化特征,選擇了采樣期間3個典型時(shí)期進(jìn)行研究。沙塵前(4月26日00:00至5月4日02:00):沙塵前鋒尚未到達(dá)觀測點(diǎn)上空,相對濕度夜間高,白天低,PM10和PM2.5質(zhì)量濃度未有大幅度遞增且變化趨勢較為一致,PM2.5在PM10中占比為40.1%;沙塵中(5月4日03:00至5日09:00)相對濕度明顯降低,PM10濃度迅速飆升,最高小時(shí)濃度達(dá)到1 317 μg/m3,PM10和PM2.5小時(shí)濃度均值分別為609、187 μg/m3,PM2.5/PM10比值下降至30.7%;沙塵后(5月5日10:00至5日20:00,5日20:00后由于斷電未進(jìn)行樣品采集,但實(shí)際上沙塵過程已基本結(jié)束):PM10和PM2.5小時(shí)均值分別迅速下降至215和56 μg/m3。第1和第3時(shí)期為非沙塵天氣,第2時(shí)期為沙塵天氣。觀測期間平均風(fēng)速為1.6 m/s,最大風(fēng)速為3.6 m/s,風(fēng)向以偏南風(fēng)為主。氣溫范圍為6.6～25.1℃,相對濕度為10%～83%。觀測期間沒有降雨天氣。

Fig.1 Time series of PM2.5, PM10mass concentration and meteorological parameters圖1 PM10和PM2.5質(zhì)量濃度及氣象參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢

2.2 沙塵天氣對顆粒物化學(xué)成分的影響

由沙塵天氣和非沙塵天氣各類顆粒數(shù)量和百分比的時(shí)間序列圖(圖3)可以看出,沙塵天氣前以EC、OC和rich-K顆粒為主,沙塵天氣時(shí)礦物質(zhì)顆粒占比含量明顯升高。沙塵天氣期間出現(xiàn)了兩個比例高峰,小時(shí)峰值達(dá)到47.5%。沙塵天氣期間,MD顆粒占比與PM2.5質(zhì)量濃度的變化趨勢較為一致。沙塵天氣結(jié)束后礦物質(zhì)占比明顯降低,OC、EC和rich-K顆粒等成分占比再次升高,其他成分變化相對不明顯。

太原市沙塵天氣前后基于顆粒物的成分分類結(jié)果如圖4所示,從圖中可見沙塵天氣與非沙塵天氣主要成分占比差異明顯。非沙塵天氣的顆粒類別以EC、OC、rich-K和ECOC為主;沙塵天氣的顆粒類別以O(shè)C、ECOC、EC和MD為主。通過對比發(fā)現(xiàn),沙塵天氣MD顆粒物平均占比(14.2%)明顯高于非沙塵天氣(8.8%)。另外ECOC、OC、HOC和LEV在沙塵天氣的占比也不同程度的高于非沙塵天氣;非沙塵天氣的EC(26.4%)、HM(4.6%)和rich-K(15.3%)明顯高于沙塵天氣(比例分別為15.9%、2.8%和11.4%)。另外,顆粒物的組成也能在一定程度上反映其主要的污染排放源。EC主要來源于燃燒源的排放[13,25-26],而ECOC主要來源于機(jī)動車尾氣、燃煤燃燒[13]以及生物質(zhì)燃燒[27]的排放,OC顆粒主要來源于燃煤源和工業(yè)工藝源的排放[13,28],MD顆粒主要來源于揚(yáng)塵源的排放[29-30],rich-K顆粒和LEV顆粒都是生物質(zhì)燃燒源的排放標(biāo)志物[11,24,31-34],工業(yè)生產(chǎn)過程則可能是HM顆粒的主要排放源[13]。

Fig.4 Proportion of each type of particulate matter in dust and non-dust weather圖4 沙塵及非沙塵天氣下各類顆粒物占比

2.3 沙塵及非沙塵天氣顆粒物的主要來源對比

Fig.5 Sources of collected particles in the dust and the non-dust weather圖5 沙塵天氣和非沙塵天氣顆粒物來源構(gòu)成

Fig.6 Size distributions of dust source and non-dust source particles during the dust events圖6 沙塵期間揚(yáng)塵源和非揚(yáng)塵源顆粒的粒徑分布

Fig.7 Air mass back-trajectory by HYSPLIT4 model圖7 由HYSPLIT4模型計(jì)算得到的氣團(tuán)后向軌跡

沙塵天氣和非沙塵天氣顆粒物的主要來源貢獻(xiàn)情況如圖5所示。由圖可見,沙塵天氣前后各污染來源對顆粒物的貢獻(xiàn)有明顯差別。在非沙塵天氣,占比排名前3位的污染源分別為機(jī)動車尾氣、工業(yè)工藝源和燃煤,貢獻(xiàn)率之和高達(dá)71.8%,沙塵天氣占比最高的3類污染源則依次為燃煤、機(jī)動車尾氣和揚(yáng)塵,貢獻(xiàn)率之和高達(dá)71.3%。由此可見監(jiān)測期間本地大氣顆粒物主要受到機(jī)動車尾氣、燃煤、工業(yè)工藝源和揚(yáng)塵源的影響。沙塵天氣燃煤的貢獻(xiàn)比例(27.4%)明顯高于非沙塵天氣中的比例(13.7%),揚(yáng)塵源貢獻(xiàn)比例(20.5%)也高于非沙塵天氣中的比例(12.3%),圖6為沙塵天氣期間揚(yáng)塵源和非揚(yáng)塵源顆粒物個數(shù)隨粒徑變化分布情況,可明顯看出,沙塵期間揚(yáng)塵源顆粒粒徑峰值出現(xiàn)在0.5 μm處,而非揚(yáng)塵源顆粒粒徑峰值出現(xiàn)在0.46 μm處,小于揚(yáng)塵源顆粒,且揚(yáng)塵源顆粒在0.5～1.4 μm粒徑段上的分布明顯多于非揚(yáng)塵源顆粒,這與李思思等[17]研究的張家口市沙塵顆粒結(jié)果較為接近。非沙塵天氣的機(jī)動車尾氣貢獻(xiàn)比例(34.4%)遠(yuǎn)大于沙塵天氣中的比例(22.4%),工業(yè)工藝源貢獻(xiàn)比例(23.3%)大于沙塵天氣中的比例(16.1%)。生物質(zhì)燃燒源和其他源在沙塵天氣和非沙塵天氣占比差異不明顯。結(jié)合圖7中氣團(tuán)后向軌跡可見,沙塵氣溶膠來自中國西北地區(qū)。沙塵天氣下,燃煤源貢獻(xiàn)上升最為明顯甚至超過了揚(yáng)塵源的上升比例,這可能與西北地區(qū)燃煤燃燒較多有直接關(guān)系。這與劉文彬等[17]研究的廣州市沙塵顆粒結(jié)果存在差異,其研究發(fā)現(xiàn)沙塵天氣燃煤和移動源的貢獻(xiàn)率出現(xiàn)大幅下降,與此同時(shí)伴隨著揚(yáng)塵和生物質(zhì)燃燒源的貢獻(xiàn)率大幅增加,其中揚(yáng)塵的貢獻(xiàn)率增加最為顯著。對比研究結(jié)果也說明我國南北方的大氣顆粒物的來源存在較大差異。由HYSPLIT4模型計(jì)算得到4月30日21:00至5月5日20:00的氣團(tuán)后向軌跡,由圖7可知,東南方向的兩條后向軌跡是沙塵來襲前的后向軌跡,西北方向的兩條后向軌跡是沙塵期間的后向軌跡,北方的紅色軌跡是沙塵結(jié)束以后的軌跡,這些軌跡可以說明沙塵來自西北方向,并且西北方向的后向軌跡途經(jīng)多個沙漠,包括古爾班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠、毛烏素沙漠,因此沙塵含量高。

利用人工智能聚類算法(ART-2a)分類方法,并以質(zhì)譜圖中出現(xiàn)的礦塵特征因子作為為分類和命名依據(jù),將非沙塵天氣時(shí)段和沙塵天氣時(shí)段的揚(yáng)塵源顆粒分為揚(yáng)塵-鋁(Dust-Al)、揚(yáng)塵-鈣(Dust-Ca)、揚(yáng)塵-鐵-錳(Dust-Fe-Mn)、揚(yáng)塵-鎂(Dust-Mg)、揚(yáng)塵-硅(Dust-Si)和其他(Other)等6個子類別。圖8為主要揚(yáng)塵顆粒類別的平均質(zhì)譜圖,Dust-Al主要是揚(yáng)塵顆粒上所有地殼元素(鋁、鈣、鐵、錳、鎂、硅等)中鋁的質(zhì)譜信號(以相對峰面積表征)最強(qiáng)的顆粒,Dust-Ca主要是揚(yáng)塵顆粒上所有地殼元素中鈣的質(zhì)譜信號峰最強(qiáng)的顆粒,Dust-Fe-Mn主要是揚(yáng)塵顆粒上所有地殼元素中鐵的質(zhì)譜信號峰最強(qiáng)且含有錳離子信號的顆粒,Dust-Mg主要是揚(yáng)塵顆粒上所有地殼元素中鎂的質(zhì)譜信號峰最強(qiáng)的顆粒,Dust-Si主要是揚(yáng)塵顆粒上所有地殼元素中硅的質(zhì)譜信號峰最強(qiáng)的顆粒,Other為未進(jìn)行分類的顆粒。

Fig.8 Averaged positive and negative mass spectra for main dust particles圖8 主要揚(yáng)塵顆粒類別平均質(zhì)譜圖

從圖9中可知6個子類別中占比最大的是Dust-Si,比例為45.0%,與李思思等[17]研究的張家口市沙塵顆粒的結(jié)果不同。張家口市沙塵分類中,Dust-Al占比最高,為26.4%,Dust-Si占比為25.7%,僅次于Dust-Al,而本研究中Dust-Al類顆粒的占比僅有5.3%。沙塵天氣時(shí)段,Dust-Al、Dust-Mg、Dust-Si等三類顆粒占比明顯高于非沙塵天氣時(shí)段,其中Dust-Si顆粒物在沙塵天氣時(shí)段比例增加最大,增加了17.6%,這是因?yàn)榈貧ぴ刂蠸i是濃度占比前3位的元素,而沙塵暴中的揚(yáng)塵顆粒主要以自然界中的土壤風(fēng)沙塵為主, Dust-Si的占比也就相對最高。Dust-Ca、Dust-Fe-Mn和Other等三類顆粒占比在沙塵天氣時(shí)段比例低于非沙塵天氣,其中Dust-Fe-Mn顆粒在沙塵天氣中比例下降最大,下降了16.8%。

Fig.9 Classification of dust particles圖9 揚(yáng)塵源顆粒分類結(jié)果

3 結(jié)論

(2)沙塵天氣礦物質(zhì)顆粒物占比明顯高于非沙塵天氣,比例高出5.4%;有機(jī)碳類物質(zhì)(包括OC、LEV以及HOC、ECOC等)占比也均高于非沙塵天氣;非沙塵天氣的元素碳、重金屬和富鉀顆粒明顯高于沙塵天氣,分別高出9.3%、1.8%和3.9%。

(3)監(jiān)測期間本地大氣顆粒物主要受到機(jī)動車尾氣、燃煤、工業(yè)工藝源和揚(yáng)塵源的影響。沙塵天氣的燃煤貢獻(xiàn)比例(27.4%)明顯高于非沙塵天氣(13.7%),揚(yáng)塵源貢獻(xiàn)比例(20.5%)也高于非沙塵天氣(12.3%)。結(jié)合氣團(tuán)后向軌跡數(shù)據(jù)分析,沙塵氣溶膠主要來自中國西北地區(qū)。

(4)將揚(yáng)塵顆粒分為Dust-Al、Dust-Ca、Dust-Fe-Mn、Dust-Mg、Dust-Si和其他等6個子類別,其中占比最大的是Dust-Si,比例為45.0%。沙塵天氣時(shí)段,Dust-Al、Dust-Mg和Dust-Si三類顆粒占比明顯高于非沙塵天氣時(shí)段,與非沙塵天氣相比Dust-Si顆粒物在沙塵天氣時(shí)段比例增加最大。