武當(dāng)山夏季顆粒物數(shù)濃度譜分布特征及氣團(tuán)來源影響研究

趙麗娜， 徐義生， 任麗紅*， 李 剛， 岳長(zhǎng)濤， 王 瑩， 劉 剛

1.中國石油大學(xué)(北京)理學(xué)院， 北京 102249 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 3.十堰市生態(tài)環(huán)境局， 湖北 十堰 442000 4.十堰市環(huán)境監(jiān)測(cè)站， 湖北 十堰 442000

大氣顆粒物的數(shù)濃度和粒徑大小是顆粒物重要的物理性質(zhì)，其能反映出顆粒物的來源，決定顆粒物在大氣中的壽命，揭示顆粒物在大氣中的演化過程，對(duì)大氣光化學(xué)過程、氣候和人類健康產(chǎn)生影響[1-3]. 大氣顆粒物具有跨界輸送的特征，擴(kuò)散范圍廣，具有顯著的時(shí)間和空間變化特征[4]，確定大氣顆粒物的來源及其輸送擴(kuò)散過程，可為大氣污染區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控措施的制定提供科學(xué)依據(jù).

近年來國內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)大氣顆粒物數(shù)濃度及粒徑譜分布特征開展了大量研究. Hussein等[5]跟據(jù)實(shí)際觀測(cè)的大氣顆粒物分布情況對(duì)Whitby給出的模態(tài)分布結(jié)果進(jìn)行了修改，定義4個(gè)模態(tài)分別為核膜態(tài)(3～25 nm)、愛根核膜態(tài)(25～100 nm)、積聚模態(tài)(100～1 000 nm)、粗粒子模態(tài)(>1 000 nm). 韓冰雪等[6]對(duì)廣州市城區(qū)大氣17～800 nm粒子譜進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)數(shù)濃度及譜分布日變化特征明顯，峰值出現(xiàn)在交通高峰及太陽輻射較強(qiáng)的時(shí)段. SHEN等[7]對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)0.01～10 μm顆粒物粒徑分布特征進(jìn)行了探討，結(jié)果表明數(shù)濃度平均值為 19 639個(gè)cm3，顆粒物愛根模態(tài)數(shù)濃度最高，其次為核膜態(tài)、積聚模態(tài). 大氣顆粒物數(shù)濃度受氣象條件、污染排放和氣團(tuán)傳輸過程的影響，不同來源的氣團(tuán)會(huì)造成顆粒物數(shù)濃度及其粒徑分布特征的差異. QI等[8]對(duì)長(zhǎng)三角西部地區(qū)6～800 nm顆粒物的長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)三角氣團(tuán)中積聚模態(tài)數(shù)濃度最高，沿海地區(qū)氣團(tuán)中積聚模態(tài)粒子數(shù)濃度最低. WANG等[9]通過對(duì)黃山及南京市0.01～10 μm氣溶膠數(shù)譜進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，海洋性氣團(tuán)會(huì)使10～50 nm顆粒物數(shù)濃度增加，并且有助于新粒子生成. 大陸性氣團(tuán)主要增加100～500 nm顆粒物數(shù)濃度占比，而海洋-大陸混合性氣團(tuán)則主要影響粒徑范圍為50～200 nm顆粒物的數(shù)濃度.

已有研究主要集中在地面觀測(cè)，容易受局地排放的影響，具有局地小尺度的變化特征，不能代表大氣邊界層頂?shù)念w粒物理化特性. 分析相對(duì)清潔的高山站點(diǎn)的大氣顆粒物理化特征，可以更好地了解大氣邊界層與自由對(duì)流層的交換過程和區(qū)域傳輸?shù)挠绊慬10]，同時(shí)可為研究城市大氣環(huán)境中的人為污染提供參考. 目前，國內(nèi)針對(duì)高海拔站點(diǎn)大氣顆粒物粒徑分布的研究相對(duì)較少，僅在黃山[11]、泰山[12]、華山[13]等開展了少量的研究，而關(guān)于不同氣團(tuán)來源對(duì)大氣顆粒物粒徑分布影響的研究較為鮮見.

為研究區(qū)域背景條件下大氣顆粒物的理化性質(zhì)，于2018年6月在武當(dāng)山(山頂海拔 1 200 m，可作為華中地區(qū)高山區(qū)域背景站點(diǎn))針對(duì)14.6～660 nm顆粒物的數(shù)濃度及其粒徑分布特征進(jìn)行了觀測(cè)研究，分析了新粒子生成日及非新粒子生成日顆粒物粒徑分布的日變化特征，并結(jié)合后向軌跡及潛在源分析方法，探討區(qū)域傳輸對(duì)武當(dāng)山大氣顆粒物的影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的區(qū)域代表性，以期為華中地區(qū)大氣污染防控對(duì)策的制定提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 觀測(cè)站點(diǎn)與儀器

武當(dāng)山位于十堰市武當(dāng)山景區(qū)大灣村，觀測(cè)地點(diǎn)位于武當(dāng)山空氣質(zhì)量清潔對(duì)照點(diǎn)，海拔高度為864 m，觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)地面高度4 m，采樣口周圍水平面有270°以上的自由空間，周邊50 m范圍內(nèi)無污染源，受人類活動(dòng)影響較小. 有效觀測(cè)時(shí)間為2018年6月1—27日，所用觀測(cè)資料主要包括顆粒物數(shù)濃度數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)(溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度、氣壓)及常規(guī)污染物數(shù)據(jù). 由于6月常規(guī)污染物數(shù)據(jù)與7月、8月數(shù)據(jù)差異較小，因此采用6月數(shù)據(jù)代表夏季顆粒物特征.

大氣顆粒物粒徑濃度譜分布的觀測(cè)主要使用美國TSI公司生產(chǎn)的3080型掃描電遷移率粒徑譜儀SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer). 該儀器由3081型靜電分離器Long DMA (測(cè)量范圍為14.6～660 nm)和3772型粒子計(jì)數(shù)器CPC組成，時(shí)間分辨率為5 min，其中DMA根據(jù)粒子電遷移特性不同從多分散氣溶膠顆粒中選擇出單分散顆粒，CPC對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量.

氣象及污染物數(shù)據(jù)來自武當(dāng)山空氣自動(dòng)站監(jiān)測(cè)設(shè)備. 其中，氣溫、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速及濕度由型號(hào)為WS500-UMB的氣象5參數(shù)檢測(cè)儀所得，原理分別為負(fù)溫度系數(shù)、MEMS電容式、超聲波、電容式；NO2、SO2、CO、O3、PM分別由美國賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)的42iNO2分析儀、43iSO2分析儀、48iCO分析儀、49iO3分析儀以及武漢市天虹儀表有限責(zé)任公司TH-2000PM 顆粒物(PM10、PM2.5)分析儀檢出，其原理分別為化學(xué)發(fā)光法、紫外熒光法、氣體過濾相關(guān)法、紫外分光光度法及β射線法.

1.2 研究方法

1.2.1軌跡聚類分析

利用美國大氣海洋局開發(fā)的HYSPLIT軌跡模式，結(jié)合美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和國家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合發(fā)布的全球再分析資料，對(duì)所有經(jīng)過測(cè)試點(diǎn)的氣團(tuán)軌跡分組聚類，以判斷觀測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)時(shí)段主導(dǎo)氣流方向和污染物潛在來源. 軌跡模擬采用的起始高度為距地面800 m，對(duì)應(yīng)于觀測(cè)點(diǎn)海拔864 m，軌跡推算時(shí)間為后向48 h.

1.2.2潛在源貢獻(xiàn)因子分析法(PSCF)

PSCF模型已被廣泛應(yīng)用于識(shí)別在觀測(cè)點(diǎn)污染物的可能來源區(qū)域，是基于條件概率發(fā)展而來[14-16]. 該方法將氣團(tuán)軌跡與某一要素值結(jié)合，得出后向軌跡特定時(shí)刻對(duì)應(yīng)值，計(jì)算過程中要求設(shè)定該要素的閾值、柵格經(jīng)緯度范圍、柵格精度等，進(jìn)而通過計(jì)算在某精度下經(jīng)過(i，j)網(wǎng)格的污染軌跡端點(diǎn)數(shù)(mij)與總軌跡端點(diǎn)數(shù)(nij)的比值，從而確定該網(wǎng)格所在地對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的貢獻(xiàn)因子. 為降低邊緣化網(wǎng)格引起的不確定度，規(guī)定當(dāng)一個(gè)特定單元格的端點(diǎn)總數(shù)小于每個(gè)單元格端點(diǎn)平均值的3倍時(shí)，引入權(quán)重函數(shù)，以降低這種不確定度，計(jì)算公式：

WPSCFij=PSCFij×Wij

(1)

式中，WPSCFij為加權(quán)之后所得貢獻(xiàn)因子，Wij為權(quán)重函數(shù)，PSCFij為點(diǎn)(i,j)處的潛在源貢獻(xiàn)因子.

該研究將研究區(qū)域劃分為0.1°×0.1°的網(wǎng)格，設(shè)置數(shù)濃度平均值為閾值，當(dāng)軌跡所對(duì)應(yīng)值高于該閾值時(shí)，即默認(rèn)該軌跡是污染軌跡，計(jì)算公式：

PSCFij=mijnij

(2)

(3)

式中，nave為每個(gè)網(wǎng)格的平均軌跡端點(diǎn)數(shù).

1.2.3濃度權(quán)重軌跡分析(CWT)

PSCF方法是計(jì)算單個(gè)網(wǎng)格中污染軌跡所占比例，半定量地給出網(wǎng)格對(duì)于受點(diǎn)污染物濃度的貢獻(xiàn)，不能明確顆粒物的數(shù)濃度范圍. CWT方法[17-18]計(jì)算了軌跡的權(quán)重濃度，可量化源區(qū)強(qiáng)度，反映以武當(dāng)山為接受點(diǎn)的各貢獻(xiàn)地區(qū)顆粒物數(shù)濃度分布情況. 設(shè)置CWT的網(wǎng)格精度同為0.1°×0.1°，計(jì)算公式：

(4)

式中：WCWTij為網(wǎng)格(i,j)上的平均權(quán)重濃度；Cl為軌跡l經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)時(shí)對(duì)應(yīng)的武當(dāng)山的顆粒物數(shù)濃度，個(gè)/cm3；τijl為軌跡l在網(wǎng)格(i,j)停留的時(shí)間，s.

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物數(shù)濃度特征分析

大氣顆粒物的粒徑大小可以決定顆粒物在大氣中的壽命、物理化學(xué)性質(zhì)，顆粒物的數(shù)濃度、化學(xué)組成則可以提供顆粒物的來源信息. 該研究根據(jù)Hussein等[5]對(duì)模態(tài)的分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)觀測(cè)結(jié)果劃分為核膜態(tài)(14.6～25 nm)、愛根核膜態(tài)(25～100 nm)和積聚模態(tài)(100～660 nm)，為結(jié)合后向軌跡進(jìn)行顆粒物潛在源分析，計(jì)算出顆粒物數(shù)濃度的小時(shí)均值，共得到647個(gè)有效小時(shí)數(shù)據(jù). 由表1可見，觀測(cè)期間總數(shù)濃度的變化范圍為2～15 577個(gè)cm3，核模態(tài)、愛根模態(tài)、積聚模態(tài)數(shù)濃度平均值分別為359、2 500、2 265個(gè)cm3，數(shù)濃度占比分別為7.01%、48.79%、44.21%，表明武當(dāng)山大氣顆粒物主要以愛根核模態(tài)為主，其次為積聚模態(tài).

表2為該研究與國內(nèi)外其他高山站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較. 由表2可見：相比于黃山，武當(dāng)山各模態(tài)數(shù)濃度均偏大，可能是因?yàn)槲洚?dāng)山海拔較低，受較多周圍地區(qū)環(huán)境傳輸?shù)挠绊戄^大；相比于泰山，武當(dāng)山各模態(tài)數(shù)濃度均較小，泰山站接受到的為代表華東區(qū)域背景水平的氣溶膠[19]，而武當(dāng)山位于華中區(qū)域，這也表明華中區(qū)域顆粒物水平低于華東區(qū)域；與瓦里關(guān)相比，武當(dāng)山核模態(tài)數(shù)濃度相對(duì)較低，但武當(dāng)山愛根模態(tài)與積聚模態(tài)數(shù)濃度均較高于瓦里關(guān)；與其他海拔較高的山脈比較，武當(dāng)山與喜馬拉雅山脈(印度境內(nèi))觀測(cè)粒徑段比較相近，但武當(dāng)山的數(shù)濃度更高；武當(dāng)山的觀測(cè)海拔與中國香港大帽山均在1 000 m以下，大帽山觀測(cè)粒徑范圍較小，武當(dāng)山顆粒物數(shù)濃度比大帽山非新粒子生成日低，這與大帽山處于中國香港云量較高區(qū)有關(guān)；Norikura(日本)觀測(cè)環(huán)境與武當(dāng)山較為相近，均為綠植環(huán)繞且遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)，可能是由于海拔較高，故其數(shù)濃度低于武當(dāng)山.

表1 觀測(cè)期間武當(dāng)山不同粒徑范圍顆粒物數(shù)濃度統(tǒng)計(jì)

2.2 新粒子生成日與非新粒子生成日特征比較

表2 不同高山站點(diǎn)顆粒物數(shù)濃度觀測(cè)結(jié)果

為分析顆粒物的形成增長(zhǎng)特點(diǎn)、數(shù)濃度譜分布演變規(guī)律及其影響因素，需要了解數(shù)濃度譜分布的日變化趨勢(shì). 根據(jù)Maso等[27]對(duì)新粒子生成事件的判別標(biāo)準(zhǔn)，即顆粒物數(shù)譜分布內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)明顯的新模態(tài)，該模態(tài)需在核模態(tài)的大小范圍內(nèi)(<25 nm)開始，且能在大氣中持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，并顯示出增長(zhǎng)趨勢(shì)，整個(gè)觀測(cè)期間共有4 d觀測(cè)到了新粒子生成事件.

圖1 非新粒子生成日與新粒子生成日不同模態(tài)數(shù)濃度、氣態(tài)前體物濃度及主要?dú)庀笠氐娜兆兓卣鱂ig.1 The diurnal variation of number concentrations of different modes, gaseous precursors and major meteorological elements on non-NPF days and NPF days

由圖1可見：武當(dāng)山大氣顆粒物數(shù)濃度呈明顯的日變化特征，即下午的顆粒物數(shù)濃度高于上午，主要是受邊界層的發(fā)展和山谷風(fēng)的影響[28]；夜間的顆粒物數(shù)濃度小于白天，主要是由于武當(dāng)山監(jiān)測(cè)點(diǎn)夜間處于自由對(duì)流層內(nèi)，空氣相對(duì)清潔干凈，而白天處于大氣邊界層內(nèi)，受人為活動(dòng)影響較大，顆粒物數(shù)濃度相對(duì)較大. 在非新粒子生成日，核膜態(tài)數(shù)濃度從11:00開始出現(xiàn)上升趨勢(shì)，并在13:00—18:00維持在500個(gè)/cm3左右，其中17:00數(shù)濃度值最高；愛根模態(tài)數(shù)濃度在12:00左右明顯上升，相較核模態(tài)數(shù)濃度滯后1 h，并于核膜態(tài)數(shù)濃度峰值出現(xiàn)之后的18:00達(dá)到峰值，表明在非新粒子生成日也存在顆粒物粒徑的增長(zhǎng)；積聚模態(tài)數(shù)濃度變化則不是十分明顯. 在新粒子生成日，核膜態(tài)數(shù)濃度于10:00開始上升，于11:00—17:00保持在 2 000個(gè)/cm3左右；愛根模態(tài)于11:00開始上升，并于12:00—18:00保持較高的數(shù)濃度值，峰值表現(xiàn)為三峰分布，分別在12:00、14:00和18:00達(dá)到峰值. 對(duì)于污染氣體，在新粒子生成日ρ(SO2)、ρ(O3) 均高于非新粒子生成日，且在新粒子生成日當(dāng)ρ(SO2) 與ρ(O3)出現(xiàn)上升趨勢(shì)之后，核膜態(tài)數(shù)濃度開始增長(zhǎng)，當(dāng)ρ(SO2)與ρ(O3)下降后，核膜態(tài)的數(shù)濃度也出現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明SO2和O3參與光化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物(硫酸及有機(jī)物)可能成為新粒子生成的重要前體物，從而促進(jìn)新粒子的生成和增長(zhǎng). 研究[26]表明：在新粒子生成日ρ(O3)與顆粒物數(shù)濃度變化規(guī)律一致，可能是因?yàn)槎咝纬蓹C(jī)制相同，或是前體物的關(guān)系；NOx在新粒子生成日與非新粒子生成日的日變化趨勢(shì)則無明顯區(qū)別.

對(duì)于氣象因素而言，與非新粒子生成日相比，新粒子生成日呈高溫、低濕、高風(fēng)速的特征(見表3). 新粒子生成日的溫度比非新粒子生成日高，表明高溫利于新粒子的生成，在我國長(zhǎng)三角地區(qū)、德國的鄉(xiāng)村以及意大利的博洛尼亞[8,29-30]等地也觀測(cè)到相似的現(xiàn)象. 新粒子生成日的相對(duì)濕度低于非新粒子生成日，主要是由于低濕少云的天氣情況下，向下的太陽輻射通量增強(qiáng)，有利于·OH的產(chǎn)生，水汽凝結(jié)[30]. 新粒子生成日的風(fēng)速大于非新粒子生成日，主要是由于較高的風(fēng)速有利于老化氣溶膠的稀釋和擴(kuò)散，從而促進(jìn)新粒子的生成.

2.3 氣團(tuán)來源對(duì)顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布的影響

2.3.1后向軌跡聚類分析

來自不同方向的氣團(tuán)對(duì)數(shù)濃度有不同的貢獻(xiàn)，該研究所用氣象資料為NCEP (美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心)提供的全球資料同化系統(tǒng)GDAS (Global Data As-similation System)2018年5—7月的數(shù)據(jù)，用Meteoinfo中Trajstat進(jìn)行后向48 h的軌跡計(jì)算與聚類分析，組間差異臨界值設(shè)置為30%，即前后兩個(gè)軌跡的差異在30%以內(nèi)則歸為同一類，通過聚類可得到四類氣團(tuán)軌跡，結(jié)果如圖2、3所示. 氣團(tuán)所經(jīng)之處海拔高低可由壓力曲線圖反映出來，壓力越低則海拔越高.

由圖2、3可見：第Ⅰ類東部氣團(tuán)的軌跡數(shù)最多，且該類氣團(tuán)占比最大(35.49%)，其主要來自武漢市東部、安徽省中北部、河南省以及源自渤海經(jīng)山東省煙臺(tái)市跨黃海又途經(jīng)江蘇省的氣團(tuán)，該氣團(tuán)到達(dá)武當(dāng)山過程中呈沿山體爬升的趨勢(shì)，大氣顆粒物可能會(huì)受到地形強(qiáng)迫抬升的影響；第Ⅱ類氣團(tuán)為西北氣團(tuán)，占比為27.93%，起源于海拔較高的阿拉善盟、西寧市等地區(qū)；第Ⅲ類氣團(tuán)為局地性氣團(tuán)，占比為26.54%，主要是湖北省內(nèi)部以及重慶市東北部、河南省西南部氣團(tuán)；第Ⅳ類為南西南方向氣團(tuán)，占比最少，僅為10.03%，氣團(tuán)縱向較為集中，覆蓋區(qū)域較長(zhǎng)，源于廣西壯族自治區(qū)經(jīng)貴州省與湖南省交界處由南向北傳輸而來. 就氣團(tuán)的傳輸路徑及傳輸速度而言，第Ⅰ類東部氣團(tuán)及第Ⅲ類局地氣團(tuán)的傳輸路徑相對(duì)較短，傳輸速度較慢；第Ⅱ類西北氣團(tuán)及第Ⅳ類南西南方向氣團(tuán)的傳輸路徑相對(duì)較長(zhǎng)，傳輸速度較快.

圖2 觀測(cè)期間氣團(tuán)軌跡聚類結(jié)果及壓力曲線變化Fig.2 Clustering results of air masses during observation and the change chart of pressure curve

2.3.2不同氣團(tuán)對(duì)顆粒物數(shù)濃度譜分布的影響

數(shù)濃度譜分布是描述大氣氣溶膠粒徑分布的重要特征函數(shù)，是影響氣溶膠在大氣環(huán)境中理化特性的重要參數(shù)[31-32]. 為進(jìn)一步獲得不同氣團(tuán)背景下顆粒物數(shù)濃度譜分布特征，對(duì)觀測(cè)期間四類氣團(tuán)背景下的氣溶膠數(shù)濃度譜分布特征進(jìn)行研究.

不同氣團(tuán)影響下顆粒物數(shù)濃度存在明顯差異. 由表4、5可見，在第Ⅰ類東部氣團(tuán)的影響下，總顆粒物數(shù)濃度較低，積聚模態(tài)的數(shù)濃度相對(duì)較高，可能是受部分海洋性氣團(tuán)影響. 研究[33]表明，海洋性氣團(tuán)總數(shù)濃度較低且以積聚模態(tài)為主. 在第Ⅱ類西北氣團(tuán)影響下，核模態(tài)和愛根膜態(tài)的數(shù)濃度分別為806和 3 078個(gè)/cm3，遠(yuǎn)大于其他幾類氣團(tuán)，總顆粒物數(shù)濃度(5 842 個(gè)/cm3)也最高. 此類氣團(tuán)影響下環(huán)境溫度較其他兩類氣團(tuán)背景下偏高，相對(duì)濕度最低，吸濕增長(zhǎng)較弱，且ρ(SO2)比其他氣團(tuán)中ρ(SO2)高，更有利于新粒子生成；同時(shí)，ρ(PM2.5)相對(duì)較小，顆粒物的碰并作用相對(duì)較小，在其影響下核膜態(tài)、愛根模態(tài)數(shù)濃度均較高，這與張曉茹[34]研究結(jié)果類似. 在第Ⅱ類氣團(tuán)影響下的顆粒物峰值粒徑為100 nm，顆粒物數(shù)濃度譜圖在粒徑<100 nm時(shí)較寬. 在第Ⅲ類氣團(tuán)影響下，總顆粒物數(shù)濃度也相對(duì)較高，且主要以積聚模態(tài)為主，顆粒物數(shù)濃度可達(dá) 2 596個(gè)/cm3，主要是由于第Ⅲ 類氣團(tuán)輸送距離較短，主要受當(dāng)?shù)嘏欧旁从绊懀?NO2)較高，從而使得相同粒徑下積聚模態(tài)數(shù)濃度較高. 在第Ⅳ類氣團(tuán)影響下愛根模態(tài)顆粒數(shù)較多，顆粒物數(shù)濃度約為 2 557個(gè)/cm3，積聚模態(tài)顆粒數(shù)較少，可能是由于第Ⅳ類氣團(tuán)具有高溫高濕的特點(diǎn)，前期高溫利于細(xì)小顆粒物的生成，后期受濕度影響碰并消除效應(yīng)更為明顯.

由圖4可見：不同來源的氣團(tuán)也會(huì)對(duì)顆粒物數(shù)濃度譜分布造成影響. 在第Ⅰ類東部氣團(tuán)和第Ⅲ類局地氣團(tuán)的影響下，顆粒物數(shù)濃度譜分布較為相似，峰值粒徑約為120 nm；在第Ⅱ類西北氣團(tuán)影響下，顆粒物的峰值粒徑前移至100 nm左右，顆粒物數(shù)濃度譜較寬；在第Ⅳ類南西南氣團(tuán)影響下，顆粒物的峰值粒徑最小，約為70 nm，主要以愛根核模態(tài)的顆粒物為主.

圖3 不同氣團(tuán)來源的后向軌跡Fig.3 Backward trajectory of different air mass sources

表4 不同氣團(tuán)影響下各模態(tài)數(shù)濃度及氣象參數(shù)平均值

表5 不同氣團(tuán)影響下污染物濃度統(tǒng)計(jì)

2.4 潛在源區(qū)聚類分析

利用PSCF分析對(duì)武當(dāng)山顆粒物數(shù)濃度產(chǎn)生影響的潛在污染源分布及其相對(duì)貢獻(xiàn). 由于積聚模態(tài)顆粒物在空氣中停留時(shí)間較長(zhǎng)，易于遠(yuǎn)距離輸送，因此其潛在分布與實(shí)際更為符合. 由圖5可見：對(duì)積聚模態(tài)顆粒物數(shù)濃度貢獻(xiàn)因子較低的區(qū)域有甘肅省東南部隴南市以及陜西省西南部漢中市至武當(dāng)山區(qū)域，也有來自廣東省云浮市西部，經(jīng)廣西壯族自治區(qū)梧州市、桂林市及湖南省懷化市直至武當(dāng)山的區(qū)域，潛在源分布較為密集的區(qū)域分別為安徽省六安市西部、河南省信陽市、湖北省隨州市北部、咸寧市西部及荊州市，以上分析潛在貢獻(xiàn)源影響因子較小，均在0.15以下；對(duì)積聚模態(tài)顆粒物數(shù)濃度貢獻(xiàn)因子較高的區(qū)域(WPSCF>0.45)為十堰市東部、丹江口市與老河口市連線區(qū)域、保康縣東南部區(qū)域以及南漳縣和宜城市附近區(qū)域，數(shù)濃度均在 1 740個(gè)/cm3以上. 綜上，對(duì)武當(dāng)山積聚模態(tài)數(shù)濃度影響較大的區(qū)域主要為十堰市與襄陽市，說明本地源對(duì)武當(dāng)山積聚模態(tài)顆粒物數(shù)濃度的影響最大.

注： d Nd lg Dp為歸一化的數(shù)濃度.圖4 不同氣團(tuán)來源下顆粒物數(shù)濃度譜分布Fig.4 Distribution of aerosol number concentration spectrum under different air mass sources

WPSCF值表示單個(gè)網(wǎng)格污染軌跡所占比例，而WCWT值可以直接反映該潛在污染區(qū)域所貢獻(xiàn)的顆粒物個(gè)數(shù). 由圖5可見：四類氣團(tuán)所經(jīng)之處對(duì)武當(dāng)山積聚模態(tài)數(shù)濃度均有一定影響，除本地氣團(tuán)之外，在其余三類氣團(tuán)影響下WCWT值均低于480個(gè)/cm3，對(duì)應(yīng)于WPSCF值均低于0.15，表明外源輸送區(qū)域面積較廣，但貢獻(xiàn)值不大；本地氣團(tuán)中主要是湖北省十堰市與襄陽市兩地污染源貢獻(xiàn)較大，其WCWT值在840個(gè)/cm3以上. 由污染網(wǎng)格分布區(qū)域可見，CWT分析得到的潛在源分布的結(jié)果與PSCF的結(jié)果較為一致.

圖5 觀測(cè)期間積聚模態(tài)數(shù)濃度的潛在源貢獻(xiàn)因子(PSCF)與濃度權(quán)重(CWT)分布Fig.5 Potential source contribution factor (PSCF) and concentration-weighted trajectory (CWT) distribution of accumulation mode number concentration during observation

3 結(jié)論

a) 武當(dāng)山夏季大氣顆粒物數(shù)濃度的變化范圍為2～15 577個(gè)cm3，核模態(tài)、愛根模態(tài)、積聚模態(tài)數(shù)濃度平均值分別為359、2 500、2 265個(gè)cm3，數(shù)濃度占比分別為7.01%、48.79%、44.21%，表明武當(dāng)山大氣顆粒物主要以愛根核模態(tài)為主，其次為積聚模態(tài). 與國內(nèi)研究相比，武當(dāng)山大氣顆粒物的數(shù)濃度高于黃山、低于泰山.

b) 后向軌跡聚類結(jié)果表明，影響武當(dāng)山監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣團(tuán)可分為四類，分別為東部氣團(tuán)、西北氣團(tuán)、局地性氣團(tuán)及南西南氣團(tuán). 其中，占比最高的為東部氣團(tuán)，為35.49%；占比最少的為南西南氣團(tuán)，僅為10.03%. 在西北氣團(tuán)、南西南氣團(tuán)影響下總數(shù)濃度主要以愛根模態(tài)為主.

c) 大氣顆粒物數(shù)濃度的日變化表現(xiàn)為下午大于上午，主要受邊界層的發(fā)展和山谷風(fēng)的影響. 夜間邊界層降低，觀測(cè)區(qū)域處在對(duì)流層，數(shù)濃度值平穩(wěn)且遠(yuǎn)低于日間. 在非新粒子生成日也存在顆粒物的增長(zhǎng)，與ρ(O3)有關(guān). 非新粒子生成日顆粒物數(shù)濃度的日變化均表現(xiàn)為單峰分布；新粒子生成日核模態(tài)數(shù)濃度日變化趨勢(shì)與ρ(O3)、ρ(SO2)相似，表明SO2與O3參與了新粒子生成的光化學(xué)反應(yīng).

d) 在東部及局地氣團(tuán)影響下，積聚模態(tài)數(shù)濃度相對(duì)較高；在西北氣團(tuán)影響下，核模態(tài)和愛根膜態(tài)的數(shù)濃度遠(yuǎn)大于其他幾類氣團(tuán)影響下的數(shù)濃度，在該氣團(tuán)影響下，環(huán)境溫度偏高，相對(duì)濕度最低，吸濕增長(zhǎng)較弱，且ρ(SO2)高于其他氣團(tuán)，更有利于新粒子生成，同時(shí)ρ(PM2.5)相對(duì)較小，顆粒物的碰并作用相對(duì)較小；在高溫高濕的南西南氣團(tuán)影響下，愛根模態(tài)顆粒數(shù)較多，前期高溫利于細(xì)小顆粒物的生成，后期受濕度影響碰并消除效應(yīng)更為明顯.

e) 四類氣團(tuán)影響下顆粒物粒徑濃度譜均為單峰型. 在東部氣團(tuán)和局地氣團(tuán)影響下譜型相似，顆粒物的峰值粒徑約為120 nm；在西北氣團(tuán)影響下，顆粒物的峰值粒徑在100 nm左右；在南西南氣團(tuán)影響下峰值粒徑位于70 nm.

f) 潛在源區(qū)分析表明，對(duì)武當(dāng)山積聚模態(tài)數(shù)濃度貢獻(xiàn)較大的源區(qū)為十堰市本地及襄陽市，其WCWT值大于 840個(gè)cm3；貢獻(xiàn)值較低但潛在源分布較為密集的源區(qū)為安徽省六安市西部、河南省信陽市、湖北省隨州市北部、咸寧市西部及荊州市，其WPSCF值均低于0.15，數(shù)濃度小于 480個(gè)cm3.

致謝：感謝中山大學(xué)趙軍老師團(tuán)隊(duì)及清華大學(xué)蔣靖坤老師團(tuán)隊(duì)對(duì)觀測(cè)試驗(yàn)的支持和幫助；感謝十堰市生態(tài)環(huán)境局和十堰市環(huán)境監(jiān)測(cè)站提供了觀測(cè)場(chǎng)地及后勤保障.