南通市區(qū)大氣氣溶膠物理特性分析

李敏娜，錢 震，蔣 榮，陳 帥

(江蘇省南通環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南通 226006)

0 引言

大氣氣溶膠粒子是指懸浮在大氣中的固態(tài)和液態(tài)顆粒物，其粒徑范圍為10-3～102μm，能在大氣中駐留至少幾個(gè)小時(shí)[1]。氣溶膠粒子在大氣環(huán)境中的行為與其粒徑大小密切相關(guān)，其數(shù)濃度譜分布特征能深入揭示顆粒物在大氣中的生成、傳輸、轉(zhuǎn)化和去除，對(duì)氣溶膠理化特性及其影響的研究有重要意義[2]。

目前在國內(nèi)多個(gè)地方，多種環(huán)境下開展了大氣氣溶膠數(shù)濃度的在線觀測，包括長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)、京津冀地區(qū)、東北地區(qū)。分析內(nèi)容包括：不同季節(jié)的氣溶膠數(shù)濃度的變化及影響因子[2-5]，超細(xì)顆粒物粒徑譜的分布特征[6]，典型天氣條件下的數(shù)濃度譜分布特征[7-9]，氣溶膠數(shù)濃度變化與氣象條件的關(guān)系[5,8-9]。

國內(nèi)外對(duì)重大污染源區(qū)大氣氣溶膠特性研究工作開展較多[3,5,9-10]，而對(duì)較清潔或者二、三線城市大氣氣溶膠特性研究較少。雖然南通是沿海城市，也會(huì)受到北方污染源輸送的影響，本地污染源排放仍有減少空間，因此，有必要開展南通地區(qū)的大氣氣溶膠數(shù)濃度的相關(guān)研究，這對(duì)灰霾防治有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和觀測時(shí)間

南通市地處北緯31°1′～32°43′、東經(jīng)120°12′～121°55′，位于江蘇省東南部，東臨黃海，南臨長江。年平均氣溫在15℃左右，年平均降水量1000～1100mm，屬北亞熱帶和暖溫帶季風(fēng)氣候，雨熱同季，夏季雨量約占全年雨量的40%～50%。觀測時(shí)間為2017年12月1日—2018年11月30日。觀測地點(diǎn)是江蘇省南通環(huán)境監(jiān)測中心七樓樓頂，位于商業(yè)、交通、居民混合區(qū)。

1.2 儀器與方法

數(shù)濃度數(shù)據(jù)采用Grimm 180環(huán)境顆粒物監(jiān)測儀，測量粒徑范圍為0.25～32μm，用來連續(xù)觀測氣溶膠，可以實(shí)時(shí)測量31個(gè)粒徑的氣溶膠數(shù)濃度和PM10、PM2.5和PM1的質(zhì)量濃度，時(shí)間分辨率為1min，文中采用的均為小時(shí)均值數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果和討論

2.1 數(shù)濃度總體變化趨勢

由圖1可以看出，觀測期間南通市氣溶膠數(shù)濃度日平均為368個(gè)/cm3，最高值出現(xiàn)在冬季，為 1578個(gè)/cm3，最低值出現(xiàn)在夏季，為37個(gè)/cm3。春、夏、秋、冬氣溶膠數(shù)濃度平均值分別為396個(gè)/cm3、281個(gè)/cm3、265個(gè)/cm3、519個(gè)/cm3。冬季氣溶膠數(shù)濃度最高，春季次之，秋季最低。冬季數(shù)濃度整體波動(dòng)幅度明顯大于春、夏、秋季。表1對(duì)比了不同城市的大氣氣溶膠的數(shù)濃度。四個(gè)城市的季節(jié)變化類似，均是冬季最高，春季次之，夏季和秋季相對(duì)較低。采用相同儀器的福州四季平均數(shù)濃度比南通高，原因在于南通屬于沿海城市，空氣擴(kuò)散條件較好，氣溶膠數(shù)濃度處于較低水平。南京春季的氣溶膠濃度比南通和福州夏、秋兩季低一個(gè)量級(jí)，珠三角江門市和北京氣溶膠濃度比南通高1～2個(gè)量級(jí)，原因在于儀器不同，南京采用是APS-3321儀器測量，該儀器測量粒徑范圍為0.5～20μm，江門將SMPS和APS-3321兩個(gè)儀器結(jié)合起來測量，測量粒徑范圍為0.003～10μm，北京采用WPS-1000XP儀器測量，粒徑范圍為0.02～1μm，均與本文的儀器測量的粒徑范圍不同，且小粒徑粒子對(duì)數(shù)濃度的貢獻(xiàn)非常大[12]。

圖1 2017年12月-2018年11月氣溶膠數(shù)濃度日變化

表1 不同城市大氣氣溶膠數(shù)濃度對(duì)比

2.2 不同季節(jié)數(shù)濃度日變化

將粒徑分為四個(gè)部分：0.25～1μm，1～2.5μm，2.5～10μm，10～32μm，將一年的數(shù)濃度取均值，得出0.25～1μm占總數(shù)濃度的比值為99.94%，1～2.5μm占比為0.054%，2.5～10μm占比為0.0079%，10～32μm占比為0.000095%。圖2是不同季節(jié)四個(gè)粒徑段的數(shù)濃度隨時(shí)間的變化情況。由圖可見，南通市春季PM1-32日變化呈單峰分布，峰值位于11∶00，而春季PM0.25-1日變化較為平緩。夏季PM0.25-1和PM2.5-32日變化呈單峰分布，峰值位于12∶00，夏季高溫高濕的天氣利于新粒子生成[4]；PM1-2.5日變化呈多峰分布，在 8∶00、12∶00、19∶00出現(xiàn)高值，說明該粒徑范圍粒子的生成除了受太陽輻射影響，還有人為因素，比如汽車尾氣排放。秋季PM0.25-32日變化呈雙峰分布，峰值位于7∶00-8∶00和19∶00，與早晚高峰汽車尾氣排放有關(guān)。冬季PM0.25-2.5日變化呈雙峰分布，峰值位于8∶00-10∶00和18∶00-19∶00，與上下班高峰期吻合；冬季PM2.5-32日變化呈多峰分布，表明這個(gè)粒徑段粒子的生成受多種因素影響。

圖2 春、夏、秋、冬季四個(gè)粒徑段(0.25～1μm，1～2.5μm，2.5～10μm，10～32μm)氣溶膠的數(shù)濃度隨時(shí)間變化

2.3 不同季節(jié)數(shù)濃度譜分布

數(shù)濃度譜分布指的是單位粒徑范圍數(shù)濃度的大小，可以用譜分布函數(shù)描述。圖3是不同季節(jié)的數(shù)濃度譜分布情況。隨著粒徑增加，數(shù)濃度譜呈先增加后減少的趨勢。由于儀器觀測范圍的限制，四季數(shù)濃度譜均呈單峰分布，且譜峰值都出現(xiàn)在0.29μm附近?？傮w來看，冬季數(shù)濃度最多，春季次之，夏、秋季最少。春季、夏季、秋季在0.265～0.29μm粒徑段減少幅度最大，減少比例分別為21%、45%和43%。南通市區(qū)的氣溶膠數(shù)濃度主要由1μm以下的粒子貢獻(xiàn)，>1μm的粒子數(shù)濃度維持在較低水平。

圖3 南通市區(qū)不同季節(jié)數(shù)濃度譜分布

2.4 不同AQI條件下數(shù)濃度變化

表2和表3是不同AQI條件下不同粒徑范圍內(nèi)顆粒物數(shù)濃度變化及百分比變化。由表2可以看出，隨著AQI的增加，PM0.25-1的顆粒物呈現(xiàn)倍數(shù)增長趨勢，PM1-32的顆粒物增長速度略緩慢，表明隨著小顆粒數(shù)濃度的增加，空氣質(zhì)量狀況的下降更為突出。從表3可看出，隨著AQI的增加，PM0.25-0.5和PM1-32百分比呈減小趨勢，而PM0.5-1的百分比呈增加趨勢，表明PM0.5-1的增加對(duì)空氣質(zhì)量狀況的下降有重要貢獻(xiàn)。

表2 不同AQI條件下不同粒徑范圍內(nèi)顆粒物數(shù)濃度變化 (個(gè)/cm3)

表3 不同AQI條件下不同粒徑范圍內(nèi)顆粒物數(shù)濃度百分比變化 %

3 結(jié)論

(1)南通市四季氣溶膠數(shù)濃度表現(xiàn)為冬季>春季>夏季>秋季，冬季數(shù)濃度整體波動(dòng)幅度最大。

(2)南通市春季PM1-32日變化呈現(xiàn)單峰分布，峰值位于11∶00；夏季PM0.25-1和PM2.5-32日變化呈現(xiàn)單峰分布，峰值位于12∶00，PM1-2.5日變化呈現(xiàn)多峰分布，在8∶00、12∶00、19∶00出現(xiàn)高值；秋季PM0.25-32日變化呈現(xiàn)雙峰分布，峰值位于7∶00—8∶00和19∶00；冬季PM0.25-2.5日變化呈現(xiàn)雙峰分布，峰值位于8∶00—10∶00和18∶00—19∶00，PM2.5-32日變化呈現(xiàn)多峰分布。

(3)南通市區(qū)四季數(shù)濃度譜峰值均為0.29μm，氣溶膠數(shù)濃度主要由1μm以下的細(xì)粒子貢獻(xiàn)，粗粒子貢獻(xiàn)很少，>1μm的粒子數(shù)濃度維持在較低水平。

(4)隨著小顆粒物數(shù)濃度的增加，空氣質(zhì)量狀況的下降更為突出，尤其是0.5～1μm的顆粒物。