烏魯木齊采樣點氣溶膠質(zhì)量濃度特征與影響因素探析

龐榮華　張鵬程　楊向榮　肖紅偉　熱孜艷?庫先艾力　張世凡

摘要：通過對采樣點在2018年3月～2019年2月采集到的氣溶膠進行質(zhì)量濃度變化特征的探究和對溫度、氣壓、風場等影響采樣點氣溶膠質(zhì)量濃度的因素的分析，我們發(fā)現(xiàn)細顆粒氣溶膠全年平均質(zhì)量濃度大于粗顆粒氣溶膠，并且由于沙塵氣溶膠的主導作用，采樣點采暖季的氣溶膠質(zhì)量濃度大于非采暖季;在采樣點，氣溶膠的沉降主要與雨雪天氣有關，雨雪天氣過后，氣溶膠質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)基本為原來的0.5倍以下，特別是細顆粒氣溶膠，沉降作用更為明顯;在通過對影響因素的分析后，我們發(fā)現(xiàn)風場是影響采樣點氣溶膠的主要因素，它主要通過影響源于附近沙塵區(qū)的氣流，對采樣點的氣溶膠造成影響，而溫度和壓力對采樣點氣溶膠的影響作用則十分有限。

關鍵詞：氣溶膠;質(zhì)量濃度;影響因素

中圖文分類號：X831 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）06-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.06.084

Analysis on the characteristics and influencing factors of atmospheric aerosol concentration in Urumqi

Pang Ronghua1，Zhang Pengcheng1，Yang Xiangrong1，Xiao Hongwei2，Koxenale·Razya1，Zhang Shifan1

（1.College of Geology and Mining Engineering，Xinjiang University，Urumqi Xinjiang 830047，China;2.Jiangxi Province Key Laboratory of The Causes and Control of Atmospheric Pollution，East China University of Technology，Nanchang Jiangxi 330013，China）

Abstract：Based on the study of the variation characteristics of aerosol concentration collected from March 2018 to February 2019 and the factors affecting aerosol concentration in sampling points，such as temperature，air pressure and wind field.We found that the average mass concentration of fine aerosol in the whole year was also higher than that in coarse aerosol，because of the dominant role of dust aerosol， the aerosol mass concentration in heating season was higher than that in non-heating season.The aerosol deposition at the sampling point is mainly related to the rain and snow weather.After the rain and snow weather，the aerosol mass concentration data are basically less than half of the original，especially the fine aerosol， the sedimentation effect is more.After analyzing the influencing factors， we found that the wind field is the main factor affecting the aerosol at the sampling point，which mainly affects the aerosol at the sampling point through the airflow originating from the nearby dust area，while the effect of temperature and pressure on the aerosol at the sampling point is very limited.

Key words：Aerosol;Mass concentration;Influencing factor

氣溶膠作為大氣成分的重要組成部分，在大氣環(huán)境中扮演著重要角色，直接影響著多種氣象情況[1-3]。近年來我國對大氣環(huán)境越來越重視，相關學者也對部分地區(qū)影響氣溶膠的因素進行了大量探究。韓道文，劉文清等人[4-5]在對影響氣溶膠質(zhì)量濃度垂直分布的氣象因素分析的前提下，對張立盛等人[6]建立的相對濕度對氣溶膠影響的模型進行了修正，加入了溫度這一因素，反演后進行了相關驗證，取得了較好的檢驗結果;黃菊梅等人[7]對洞庭湖湖濱氣溶膠特征及氣象條件進行了有關分析，也得出了一定的結論，我們基于前人的研究對采樣點的氣溶膠特點及主要影響因素進行了有關分析。

1 原理和采樣

采樣點位于烏魯木齊市新疆大學南校區(qū)地質(zhì)與礦業(yè)工程學院實驗教學樓旁邊（87°37′13″E，43°44′3″N，海拔高度約930.00m），過濾口距地表約1.30m。采樣點附近綠化較好，校外東北、正北、正西及西南方向為烏魯木齊市區(qū)，正南為紅雁池水庫，東南方向為紅雁池火力發(fā)電廠，正東為荒廢已久的金泉公園和僅有的幾條較寬道路，余者皆為荒林、荒地（圖1）。我們通過對2018年3月～2019年2月采集的數(shù)據(jù)進行分析，探究影響采樣點氣溶膠質(zhì)量濃度的不同時段的變化特征和主要影響因素，以期能更好地認識采樣點周邊的氣溶膠有關特性。

采用由東華理工大學江西省大氣污染成因與控制實驗室提供的KC-1000型大流量TSP采樣儀進行樣品采集，該儀器符合《總懸浮顆粒物采樣器檢定規(guī)程》。采樣器中的顆粒物切割器可將樣品分選為>10μm（以下簡稱“粗顆粒氣溶膠”）和2.5～10μm（以下簡稱“細顆粒氣溶膠”）的兩種不同粒徑的氣溶膠顆粒物，并用石英質(zhì)濾膜進行樣品收集。正常采集時間為北京時間9：30到次日9：00，每天正常采樣時長23.5h。采樣后的濾紙用樣品袋在室溫下保存，并自然陰干，使?jié)穸扰c室內(nèi)環(huán)境濕度相同。濾紙在使用前用精確度為0.001g的電子秤進行稱量并記錄質(zhì)量數(shù)據(jù)，在采樣并自然陰干后也進行稱量，前后稱量質(zhì)量差即為采集氣溶膠質(zhì)量。用樣品質(zhì)量除以采樣儀記錄的所過濾空氣在標準狀態(tài)下的體積，計算出氣溶膠每天的平均質(zhì)量濃度。每天在進行濾紙更換時記錄天氣情況及儀器顯示的平均溫度、大氣壓強及附近可能影響氣溶膠質(zhì)量濃度的突發(fā)事件。

2 氣溶膠質(zhì)量濃度特征

由于采樣點位于烏魯木齊市，該地區(qū)春秋季節(jié)短，一般僅有20天左右，在此期間溫度變化劇烈;而冬夏季節(jié)長，供暖期從2018年10月10日～2019年4月10日，長達6個月，一般意義上的四季之分并不明確，并且供暖與否也與當?shù)貧夂蛴嘘P，所以我們以供暖時間為節(jié)點，將全年分為采暖季和非采暖季。

2.1 沉降特征

從整體數(shù)據(jù)來看，氣溶膠質(zhì)量濃度下降時間主要集中在地表風力較小和發(fā)生雨雪天氣時，地表風場主要在風力、風向作用下影響氣溶膠的補給，而雨雪天氣則主要影響氣溶膠的沉降，且影響作用明顯。

在除去異常值后細顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度大于粗顆粒氣溶膠的質(zhì)量濃度，平均質(zhì)量濃度比值為2.77，平均倍數(shù)為3.61。全年中僅有的20天細顆粒氣溶膠低于粗顆粒氣溶膠的質(zhì)量濃度的天數(shù)中，當天雨雪天氣的占10天，雨雪天氣前后的有7天，晴天的則僅有3天;并且在全年71天雨雪天氣中，當天氣溶膠質(zhì)量濃度為沒有降水的前一天氣溶膠質(zhì)量濃度的0.5倍以下，并且就整體而言，細顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度下降倍數(shù)高于粗顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度下降倍數(shù)。

2.2 采暖季、非采暖季特征

從表1可知，采暖季、非暖季細顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度平均值分別為184.9μg/m?，123.2μg/m?，粗顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度平均值分別為70.5μg/m?，40.7μg/m?，并且采暖季所含月份氣溶膠平均質(zhì)量濃度明顯大于非暖季包含月份的氣溶膠平均質(zhì)量濃度。

由于采暖季、非采暖季兩季雨雪天數(shù)分別為37天和34天，因此造成氣溶膠顯著沉降天氣的天數(shù)相近，可以排除雨雪等沉降因素造成的兩季氣溶膠質(zhì)量濃度明顯不同這一可能。

采暖季烏市全市供暖，由于室外天氣寒冷，私家車流量增大，人為來源的氣溶膠質(zhì)量濃度理應遠大于非采暖季。根據(jù)記錄的風場特征，采樣點附近全年風向主要為東南風，市內(nèi)人為來源氣溶膠較少向采樣點擴散，在圖2樣品掃描電鏡圖片中也主要發(fā)現(xiàn)了規(guī)則礦物顆粒和礦物集合體，雖然也發(fā)現(xiàn)有粒度小、表面光滑的球狀煙塵集合體[8]（圖2b），但是數(shù)量極少。

出現(xiàn)這種情況是由于烏魯木齊特殊的地理位置（圖3），其地處干旱、半干旱地區(qū)，位于塔里木沙塵區(qū)盆地的東北方緣，準噶爾盆地的南緣，并且附近沙漠、戈壁等空曠地帶多，風區(qū)大，由于采暖季氣溫低等因素，沙塵氣溶膠不易擴散，這些起源于附近沙塵區(qū)的氣溶膠經(jīng)過相對較短距離搬運，沉降于烏魯木齊一帶，致使在采暖季氣溶膠質(zhì)量濃度大于非采暖季。如2018年12月1日，克拉瑪依市出現(xiàn)沙暴天氣，在當?shù)負P起的一些物質(zhì)未能及時沉降，隨氣流飄至烏魯木齊，以至于當天烏魯木齊市出現(xiàn)“黃雪”這一異?，F(xiàn)象，當天儀器采集的細顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度為914.6μg/m?，達到采暖季平均值的4.9倍，而粗顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度為1714μg/m?，更是達到了平均值的24.3倍。

3 影響因素

3.1 溫、壓對氣溶膠濃度的影響

在討論溫度對氣溶膠質(zhì)量濃度的影響時，我們僅討論微風條件下的數(shù)據(jù)，剔除大風、強風天氣下的數(shù)據(jù)和由異常天氣狀況（如沙塵暴）下的數(shù)據(jù)，以消除對溫度分析時風場帶來的影響。處理后的數(shù)據(jù)細顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度平均值為128.37μg/m?，粗顆粒氣溶膠平均質(zhì)量濃度50.18μg/m?。兩組數(shù)據(jù)的標準差分別為87.07和34.39，溫度與兩不同粒徑氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度相關系數(shù)分別為-0.0247和-0.280，相關性很差（用開爾文計算，數(shù)值相同）。從表2中也可以看出，氣壓與氣溶膠質(zhì)量濃度的相關性也很差，因此結合數(shù)據(jù)我們認為采樣點溫、壓條件對地表氣溶膠質(zhì)量濃度的影響十分有限，這與韓道文、劉文清等人[4]在2006年得出的低溫時，氣溶膠被抑制在近地面，濃度大;高溫時氣溶膠混合充分，污染層內(nèi)氣溶膠濃度不會很大這一結論并不相符，出現(xiàn)這一結果的原因可能是采樣點特殊的地理位置及當?shù)靥厥獾臍夂驐l件。

3.2 風場與氣溶膠質(zhì)量濃度的關系

風場是決定氣溶膠在大氣中擴散的最本質(zhì)影響因子，其他一切影響因子都是通過影響風場來影響氣溶膠的擴散[4]。決定風場的因素主要包括風向、近地湍流和高空氣流。從表3可知，2018年3月～2019年2月，烏魯木齊采暖季近地表平均風向為123°，非采暖季平均風向為170°，均為由郊區(qū)，經(jīng)過采樣點吹向市區(qū)方向，近地表平均風力3.5m/s，風力也較小;并且烏魯木齊地處干旱、半干旱地區(qū)，在塔里木沙塵區(qū)盆地的東北緣，是中國沙塵暴移動路線的西路邊緣區(qū)[9]，當?shù)貧馊苣z成分中的遠源物質(zhì)所占比例大，特別是冬季，附近沙塵區(qū)以近距離運輸為主，沙塵氣溶膠不易擴散[9]。因此結合對樣品的掃描電鏡圖片分析，在近地表風力正常條件下，采樣點氣溶膠來源為風場輸送的遠源沙塵氣溶膠和附近的人為來源氣溶膠，特別是采暖季;近地表風力較大情況下，采樣點氣溶膠來源則主要為近地表揚塵、遠源沙塵氣溶膠和附近的人為來源氣溶膠;根據(jù)表4中不同風力下氣溶膠的平均質(zhì)量濃度，地表風力對細顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度的影響隨風力增加而變大;當風力為5～8級時，粗顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度迅速增大3～4倍，其余風力條件下，對粗顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度影響較小。

4結論

（1）2018年3月～2019年2月，采樣點全年平均細顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度大于粗顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度，由于采暖季沙塵氣溶膠占比大，采暖季氣溶膠質(zhì)量濃度大于非采暖季。雨雪天氣對氣溶膠沉降作用明顯，對細顆粒氣溶膠沉降作用更加強烈。（2）風場是影響采樣點氣溶膠質(zhì)量濃度的主要因素，其主要通過影響附近源區(qū)的沙塵氣溶膠來影響采樣點的氣溶膠濃度，而溫度和壓力對采樣點的氣溶膠影響作用十分有限。（3）采樣點氣溶膠主要為自然來源的沙塵氣溶膠，人為來源氣溶膠占比較小。

參考文獻

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收稿日期：2020-03-14

基金項目：新疆大學國家大學生創(chuàng)新訓練計劃項目-大氣氣溶膠來源及變化規(guī)律（201810755038）

作者簡介：龐榮華（1998-），男，本科學歷，研究方向為環(huán)境礦物學。

通訊作者：楊向榮，教授，研究方向為礦物學、巖石學、礦床學方向及地球化學方向教學科研。

肖紅偉，校內(nèi)教授，研究方向為大氣氮穩(wěn)定同位素地球化學。