錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)大氣顆粒物污染特征

姜其敏 姜海梅

摘 要：本文利用在錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)野外觀測(cè)場(chǎng)采集的2008年大氣顆粒物PM10、PM2.5、PM1.0顆粒物質(zhì)量濃度和數(shù)濃度數(shù)據(jù)，分析了顆粒物質(zhì)量濃度和數(shù)濃度的時(shí)間變化特征及其主要影響因子。研究結(jié)果表明：2008年，錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)PM10、PM2.5、PM1.0的年平均質(zhì)量濃度分別為27.41、11.75、7.63 μg/m3;PM10、PM2.5和PM1.0質(zhì)量濃度的年變化表現(xiàn)為雙峰型;不同季節(jié)的PM10質(zhì)量濃度平均值為：春季>秋季>冬季>夏季，PM2.5的季節(jié)變化特征與PM10相似，PM1.0質(zhì)量濃度平均值為：春季>冬季>夏季≈秋季;數(shù)濃度分析表明該站大氣顆粒物數(shù)以積聚模態(tài)為主;沙塵是該站大氣顆粒物污染的主要來源。

關(guān)鍵詞：大氣顆粒物;質(zhì)量濃度;數(shù)濃度;沙塵

中圖分類號(hào)：X831文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）07-0122-03

Characteristics of Atmospheric Particulate Pollution in Xilinhot National Climate Observatory

JIANG Qimin1 JIANG Haimei2

（1.School of Automation， Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210044;2.School of Atmospheric Physics， Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210044）

Abstract： Based on the data of PM10， PM2.5 and PM1.0 in 2008 collected at the field observation station of Xilinhot National Climate Observatory， the temporal variation characteristics and main influencing factors of PM10， PM2.5 and PM1.0 were analyzed. The results show that： in 2008， the annual average concentrations of PM10， PM2.5 and PM1.0 are 27.41、11.75、7.63 μg·m-3 respectively. The annual variations of PM10， PM2.5 and PM1.0 appeared a double peak change. The average concentrations of PM10 in different seasons are in the order of spring > autumn> winter>summer， the seasonal variation of PM2.5 was similar to that of PM10， and the average concentrations of PM1.0 are in the order of spring>winter>summer≈autumn. The number concentration analysis shows that atmospheric particulate matter is mainly in accumulation mode， and dust is the main source of atmospheric particulate matter pollution of this station.

Keywords： atmospheric particulate matter;mass concentration;numerical concentration;dust

大氣顆粒物是指以固態(tài)或液態(tài)形式存在于大氣中的顆粒物，按照空氣動(dòng)力學(xué)等效直徑，可將顆粒物分為可吸入顆粒物（PM10）、細(xì)顆粒物（PM2.5）和PM1.0。當(dāng)大氣中的顆粒物濃度超過大氣循環(huán)能力和環(huán)境容量承載度時(shí)，大氣顆粒物濃度就會(huì)持續(xù)增加，從而形成大氣污染事件，對(duì)環(huán)境、氣候和人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。因而，大氣顆粒物濃度的監(jiān)測(cè)和相關(guān)研究受到了科學(xué)界和全社會(huì)的廣泛關(guān)注[1-3]。

近年來，國(guó)內(nèi)外開展了大量關(guān)于大氣顆粒物PM10、PM2.5、PM1.0污染特征的研究工作[4-12]。但目前，針對(duì)大氣顆粒物的研究主要集中于我國(guó)中東部等城市化程度高、人口密集的地區(qū)，而北方干旱/半干旱區(qū)的相關(guān)研究還較為缺乏。錫林浩特市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，與北京直線距離350 km。該地區(qū)地處中溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，全年降水較少，氣候干燥，春季多風(fēng)沙、揚(yáng)塵天氣，特別是春季的沙塵天氣，導(dǎo)致大氣顆粒物濃度急劇增加，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和人民健康造成了巨大影響。為了深入了解當(dāng)?shù)氐拇髿馕廴緺顩r，自2007年起，錫林浩特市國(guó)家氣候觀象臺(tái)野外觀測(cè)站開展了大氣顆粒物濃度和氣溶膠消光特性的連續(xù)監(jiān)測(cè)，為大氣顆粒物的監(jiān)測(cè)和研究奠定了基礎(chǔ)。

本研究以2008年錫林浩特市國(guó)家氣候觀象臺(tái)野外觀測(cè)基地的大氣顆粒物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，分析錫林浩特地區(qū)大氣顆粒物的污染特征和主要影響因子。

1 研究區(qū)域及資料來源

本研究選用的資料來源于錫林浩特市國(guó)家氣候觀象臺(tái)。該觀象臺(tái)位于錫林浩特市東北方向25 km，占地面積為10 km2。觀測(cè)站遠(yuǎn)離市區(qū)，周圍污染源較少。

本研究應(yīng)用的數(shù)據(jù)為2008年1月至12月（其中9月份數(shù)據(jù)缺失）的GRIMM180顆粒物監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)的PM10、PM2.5、PM1.0質(zhì)量濃度以及31個(gè)粒徑范圍的顆粒物數(shù)濃度。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 大氣顆粒物的質(zhì)量濃度

圖1是2008年錫林浩特大氣顆粒物PM10、PM2.5、PM1.0月平均質(zhì)量濃度的變化。PM10、PM2.5和PM1.0的月平均質(zhì)量濃度的變化范圍分別為6.50～71.91μg/m3、4.85～22.44 μg/m3和3.89～16.53 μg/m3;PM10和PM2.5的主峰值出現(xiàn)在5月，而PM1.0的主峰值出現(xiàn)在4月;PM10、PM2.5和PM1.0的次峰值均出現(xiàn)在10月，谷值均出現(xiàn)在8月。該地年P(guān)M10、PM2.5和PM1.0的平均質(zhì)量濃度分別為27.41、11.75、7.63 μg/m3，PM10和PM2.5年均濃度均低于國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，空氣質(zhì)量較好。

由觀測(cè)值班記錄可知，2008年共發(fā)生沙塵天氣10次，其中5月份發(fā)生7次，與之對(duì)應(yīng)的是，5月的PM10、PM2.5質(zhì)量濃度均達(dá)到年最大值，這表明錫林浩特市PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度受沙塵天氣影響較大。

大氣顆粒物PM10、PM2.5和PM1.0質(zhì)量濃度季節(jié)變化特征如圖2所示。從圖2可知，PM10質(zhì)量濃度在春季最高，夏季最低，秋季高于冬季;PM2.5的質(zhì)量濃度季節(jié)變化特征與PM10基本相似，但不同的是，PM2.5質(zhì)量濃度在秋冬季節(jié)相近;PM1.0的質(zhì)量濃度春季最高，冬季次之，夏秋季節(jié)接近。春季PM10、PM2.5的質(zhì)量濃度最高，主要是由該年頻繁發(fā)生的沙塵天氣引起的;夏季雨水較多，對(duì)PM10、PM2.5、PM1.0的清除作用明顯，所以夏季粗顆粒物的質(zhì)量濃度最低;冬季PM1.0質(zhì)量濃度略高于秋季，可能與當(dāng)?shù)囟静膳济号欧庞嘘P(guān)。

根據(jù)對(duì)該年P(guān)M[10]、PM[2.5]和PM[1.0]日平均濃度的逐日變化趨勢(shì)、地面觀測(cè)的氣象要素和觀測(cè)日志記錄的天氣現(xiàn)象的綜合分析（圖略），發(fā)現(xiàn)該站的大氣顆粒物濃度與天氣狀況有密切關(guān)系，大風(fēng)、沙塵暴、揚(yáng)沙、揚(yáng)塵天氣均會(huì)導(dǎo)致大氣顆粒物的質(zhì)量濃度顯著增加，而降水天氣可以在一定程度上降低大氣中顆粒物的質(zhì)量濃度。在天氣晴朗、無大風(fēng)天氣時(shí)，大氣顆粒物濃度均低于國(guó)標(biāo)規(guī)定的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值。晴天無大風(fēng)天氣，該站的PM[10]、PM[2.5]、PM[1.0]質(zhì)量濃度可以作為北方半干旱草原地區(qū)大氣顆粒物研究的濃度參考。

2.2 大氣顆粒物的數(shù)濃度

表1列出了觀測(cè)期間四個(gè)不同粒徑范圍的顆粒物數(shù)濃度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。年平均的PM10和PM2.5數(shù)濃度分別為1 269 336.5個(gè)/L、1 265 580.0個(gè)/L，PM2.5數(shù)濃度占總顆粒物數(shù)濃度的99.69%。

由表1中的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，夏季粒徑大于2.5 μm的大氣顆粒物數(shù)濃度和數(shù)濃度占總顆粒物數(shù)濃度的比值均顯著低于其他季節(jié)，表明夏季的大氣顆粒物以尺度較小的粒子為主。其他3個(gè)季節(jié)PM2.5的數(shù)濃度占比基本相當(dāng)。

根據(jù)不同粒徑大小，把氣溶膠分為愛根核模態(tài)（<0.05 μm）、積聚模態(tài)（0.05 ～2 μm）、粗粒子模態(tài)（>2 μm）。根據(jù)本研究觀測(cè)到的大氣顆粒物的數(shù)濃度粒徑范圍>0.25 μm可知，該站大氣顆粒物可簡(jiǎn)單地分為積聚模態(tài)和粗粒子模態(tài)。圖3中給出了不同季節(jié)對(duì)積聚模態(tài)、粗粒子模態(tài)的大氣顆粒物數(shù)濃度貢獻(xiàn)的比例。對(duì)積聚模態(tài)的貢獻(xiàn)大小依次為：春季>冬季>秋季>夏季;對(duì)粗粒子模態(tài)的貢獻(xiàn)大小依次為：春季>冬季>夏季>秋季。

3 結(jié)論

本文利用2008年的大氣顆粒物濃度監(jiān)測(cè)資料分析了錫林浩特大氣顆粒物PM10、PM2.5、PM1.0的質(zhì)量濃度和數(shù)濃度變化特征，并結(jié)合氣象因子和天氣過程探討了形成原因，得到以下主要結(jié)論。

①2008年，錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)PM10和PM2.5的年平均質(zhì)量濃度分別為27.4 μg/m3、11.7 μg/m3，低于國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值;PM10、PM2.5和PM1.0的質(zhì)量濃度和天氣狀況關(guān)系密切，大風(fēng)、沙塵天氣使得顆粒物濃度顯著增加，沙塵是當(dāng)?shù)卮髿忸w粒物污染的主要來源。

②PM10、PM2.5、PM1.0質(zhì)量濃度不同季節(jié)之間的變化大致相似，PM10質(zhì)量濃度季節(jié)變化，春季最高，秋季次之，夏季最低，秋季比夏季略高。PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)變化和PM10的變化特征相似。PM1.0質(zhì)量濃度的季節(jié)平均值大小為春季>冬季>秋季≈夏季。

③夏季粒徑大于2.5 μm的大氣顆粒物數(shù)濃度和數(shù)濃度占總顆粒物數(shù)濃度的比值均顯著低于其他季節(jié)，其他3個(gè)季節(jié)PM2.5的數(shù)濃度占比基本相當(dāng);錫林浩特大氣顆粒物以積聚模態(tài)為主，不同季節(jié)對(duì)積聚模態(tài)大氣顆粒物數(shù)濃度的貢獻(xiàn)大小依次為：春季>冬季>秋季>夏季;對(duì)粗粒子模態(tài)的貢獻(xiàn)大小依次為：春季>冬季>夏季>秋季。

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