煤煙型無機(jī)氣溶膠的形成特征研究

王 偉，田 曉，崔 陽，郭利利，何秋生，王新明

(1.太原科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510630)

細(xì)顆粒物(PM2.5)依然是影響我國北方大多數(shù)城市空氣質(zhì)量的主要大氣污染物，尤其在冬季。PM2.5是指空氣中動力學(xué)當(dāng)量直徑小于2.5 μm的顆粒物，其具有消光特性，會導(dǎo)致區(qū)域大氣能見度降低[1]，影響空氣質(zhì)量、區(qū)域和全球氣候，也會對人類的身體健康產(chǎn)生不利的影響[2]。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

監(jiān)測點(diǎn)位于太原盆地最南端的介休市，是山西的人口集中區(qū)和煤化工集中區(qū)。采樣時(shí)間為2020年8月1日-31日和12月1日-31日。

圖1 采樣點(diǎn)地理位置圖

由ACSM測定的NR-PM2.5與PM2.5的質(zhì)量濃度具有較好的一致性(圖2).通過對NR-PM2.5與PM2.5進(jìn)行擬合，得到斜率為0.67，R2為0.81，能夠反應(yīng)PM2.5的變化。

圖2 PM2.5和NR-PM2.5散點(diǎn)圖

監(jiān)測過程中，記錄了五項(xiàng)污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM2.5)和氣象參數(shù)(溫度、相對濕度(RH)、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量)的數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物濃度水平

圖3顯示了PM2.5組分和五項(xiàng)污染物在夏季和冬季的時(shí)間序列圖，冬季和夏季的PM2.5平均濃度分別為(57.74±53.79)μg/m3和(45.66±31.31)μg/m3，高于北京市冬季35 μg/m3[8]，低于長治市冬季PM2.5濃度67.9 μg/m3[9]，低于石家莊市冬季PM2.5濃度113 μg/m3[10].冬季和夏季SO2、NO2、CO的濃度分別是(86.44±79.61)μg/m3、(51.46±23.76)μg/m3、(1.32±1.08)mg/m3和(31.63±23.31)μg/m3、(39.33±21.05)μg/m3、(1.15±0.52)mg/m3，冬季的SO2和NO2濃度平均值低于太原市的濃度(119.09 μg/m3和63.92 μg/m3)[11]；太原市也是在冬季的PM2.5濃度高于夏季(夏季和冬季濃度分別為135.78 μg/m3和257.29 μg/m3)[12].

圖3 各物質(zhì)的時(shí)間序列圖

2.2 組分日變化

圖4 PM2.5組分日變化圖

2.3 影響因素分析

(1)

(2)

圖5 夏季(a、b)和冬季(c、d)SOR和NOR與RH和OX(O3+NO2)的相關(guān)性

圖6 夏季(a、b、c、d)和冬季和與RH和OX的散點(diǎn)圖

此外，從圖3和圖7可以看出，清潔天氣和污染天氣交替出現(xiàn)，其中氣象條件、區(qū)域傳輸、本地排放和二次轉(zhuǎn)化扮演著重要角色。將夏季和冬季的時(shí)間序列分成3個(gè)清潔時(shí)期(C)(PM2.5≤75 μg/m3)，3個(gè)中等污染時(shí)期(M)(75 μg/m3115 μg/m3).在冬季，H時(shí)期RH為63%、風(fēng)速為0.6 m/s且風(fēng)向主要以西南風(fēng)為主，在C時(shí)期RH為56%、風(fēng)速為1.3 m/s，風(fēng)向主要以西北風(fēng)為主；從C→H時(shí)期，SIA是PM2.5的主要組分(占比從67.37%降到62.32%)，同時(shí)Org、SIA和Cl-在H時(shí)期的濃度均顯著高于C時(shí)期，說明在H時(shí)期二次無機(jī)氣溶膠的重要性；Elser等人[6]也發(fā)現(xiàn)隨著污染的加重，污染時(shí)期二次組分的濃度顯著高于清潔時(shí)期，同時(shí)隨著污染的加重二次氣溶膠的占比逐漸上升；夏季三個(gè)時(shí)期RH變化幅度較小，當(dāng)出現(xiàn)污染時(shí)，風(fēng)速低于1 m/s，風(fēng)向主要以西南風(fēng)和東北風(fēng)為主；從C→M→H時(shí)期，SIA在PM2.5中仍為主導(dǎo)(占比為62.51%上升到73.71%)，SIA占比上升說明重污染的出現(xiàn)主要是由于二次氣溶膠的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的，同時(shí)SIA的濃度也隨著PM2.5的上升而增大，二次無機(jī)氣溶膠仍然是PM2.5污染的主要成分。這些說明了在不同季節(jié)二次無機(jī)氣溶膠的形成機(jī)制不同，同時(shí)氣象條件對于顆粒物污染形成的重要性[18]。

圖7 夏季(a、b)和冬季和的風(fēng)速風(fēng)向貢獻(xiàn)圖

3 結(jié)論

(1)在冬季的SO2、NO2和CO濃度顯著高于夏季，受冬季取暖的影響，煤炭消耗量增加。

(4)夏季重污染出現(xiàn)是由于低風(fēng)速(<1 m/s)條件下，二次氣溶膠的轉(zhuǎn)化和區(qū)域傳輸是主要原因，冬季重污染出現(xiàn)是由于低風(fēng)速高RH條件下，污染物累積和二次氣溶膠轉(zhuǎn)化是主要原因。在夏季和冬季隨著PM2.5濃度逐漸上升，SIA的濃度也呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。