不同天氣條件下β射線法大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀和DXC1型視程障礙現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)對(duì)比分析

摘 要：介紹了β射線法和激光散射法2種測(cè)量大氣顆粒物質(zhì)量濃度觀測(cè)儀的原理和觀測(cè)方法，并通過(guò)對(duì)比分析衡水市國(guó)家基本氣象觀測(cè)站2023年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出2種觀測(cè)方法測(cè)得的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度因觀測(cè)原理的不同而存在差異，且兩者的差值與空氣溫度、相對(duì)濕度和地面風(fēng)速大小相關(guān)。

關(guān)鍵詞：β射線法；激光散射法；PM10；PM2.5

中圖分類號(hào)：X851 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）06–0-03

顆粒物是大氣污染物的重要組成部分，近年來(lái)，顆粒物已成為我國(guó)大部分城市大氣污染物中的首要污染物。PM10指空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤10 μm的細(xì)顆粒物，PM2.5指空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤2.5 μm的細(xì)顆粒物，能較長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中。PM10和PM2.5在空氣中含量濃度可以代表空氣污染的程度，對(duì)空氣質(zhì)量和能見(jiàn)度等具有重要影響。不同粒徑的顆粒物可以進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)的不同部位，尤其是PM2.5，被人體吸入后會(huì)在肺泡上沉積且不易排出，嚴(yán)重影響人體健康。此外，粒徑＜10 μm的顆粒物對(duì)環(huán)境和氣候也存在一定影響?；诖?，對(duì)比分析了2種不同觀測(cè)原理的儀器在不同的天氣條件下對(duì)顆粒物的測(cè)量結(jié)果差異，以期為大氣污染治理提供技術(shù)支撐。

1 觀測(cè)原理與資料來(lái)源

1.1 β射線法觀測(cè)原理

儀器利用β射線法作為輻射源，抽氣泵對(duì)大氣進(jìn)行采樣，實(shí)時(shí)監(jiān)控抽氣的流量，大氣中的懸浮顆粒被吸附在輻射源和閃爍體探測(cè)器之間的濾紙表面上，抽氣前后閃爍體探測(cè)器計(jì)數(shù)值的改變反映了濾紙上吸附灰塵的質(zhì)量，采用總體積換算得出單位體積空氣中懸浮顆粒物的質(zhì)量濃度。

1.2 激光散射法測(cè)量原理

儀器按照設(shè)定的流量自動(dòng)完成大氣中氣溶膠樣品的進(jìn)樣，經(jīng)過(guò)除濕后進(jìn)入激光測(cè)量腔，激光照在氣溶膠樣品中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時(shí)被某一特定角度的接收器接收。系統(tǒng)根據(jù)接收到的散射光脈沖信號(hào)頻率和強(qiáng)弱，測(cè)量顆粒物的個(gè)數(shù)和粒徑大小，再通過(guò)密度訂正得到樣品空氣中顆粒物質(zhì)量濃度。

1.3 設(shè)備與資料

選取安裝在衡水市氣象局內(nèi)的β射線法大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀（包括LGH-01B型PM10監(jiān)測(cè)儀和LGH-01E型PM2.5監(jiān)測(cè)儀）和DXC1型視程障礙現(xiàn)象儀作為對(duì)比設(shè)備，兩者間隔50 m，距離較短，測(cè)量環(huán)境一致，測(cè)量數(shù)據(jù)具有可對(duì)比性。

2 兩種原理數(shù)據(jù)分析

選取2023年9—10月β射線法大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀和采用激光散射原理的DXC1型視程障礙現(xiàn)象儀測(cè)得的逐小時(shí)數(shù)據(jù)，篩選后共1 464條有效數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算出2種觀測(cè)原理的設(shè)備得到在61 d逐小時(shí)的平均PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，并分別計(jì)算2種觀測(cè)原理PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)和PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果顯示：2種觀測(cè)原理測(cè)得的PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)（r=0.35）小于2種觀測(cè)原理測(cè)得的PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)（r=0.85），2種觀測(cè)原理在觀測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度時(shí)相關(guān)性更好。

圖１的折線圖表示的是在一天之中（從北京時(shí)間00：00～23：00）4個(gè)變量的變化趨勢(shì)。從圖１可以看出，

4條曲線均呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)再降低然后再增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其中，β射線法觀測(cè)得到的PM2.5質(zhì)量濃度是先降再增加再降低然后再增長(zhǎng)，且2條PM10質(zhì)量濃度曲線的濃度值均高于2條PM2.5質(zhì)量濃度曲線。由2條PM10質(zhì)量濃度曲線來(lái)看，激光散射法觀測(cè)得到的PM10質(zhì)量濃度在07：00達(dá)到最高濃度值，在17：00達(dá)到一天之中的最低濃度值；而β射線法觀測(cè)得到的PM10質(zhì)量濃度在09：00達(dá)到最高濃度值，在16：00達(dá)到一天之中的最低濃度值。從2條PM2.5質(zhì)量濃度曲線來(lái)看，激光散射法觀測(cè)得到的PM2.5質(zhì)量濃度在07：00達(dá)到最高濃度值，在17：00達(dá)到一天之中的最低濃度值；而β射線法觀測(cè)得到的PM2.5質(zhì)量濃度在09：00達(dá)到最高濃度值，在17：00達(dá)到一天之中的最低濃度值。這是因?yàn)槿粘龊?，北方地區(qū)的逆溫現(xiàn)象逐漸消失，隨之氣溶膠也得到擴(kuò)散；而日落后，氣溫下降，湍流減弱，污染物不易擴(kuò)散，使得氣溶膠的濃度再度回升。

3 氣象因子對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響

對(duì)比衡水市國(guó)家基本氣象觀測(cè)站2023年7—12月的數(shù)據(jù)。圖2為2023年7—12月2種觀測(cè)數(shù)據(jù)PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出β射線法與激光散射法觀測(cè)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度觀測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)基本一致，在7—9月激光散射法的觀測(cè)數(shù)據(jù)基本高于β射線法，而在10—12月激光散射法的觀測(cè)數(shù)據(jù)基本低于β射線法。下面分別討論不同的氣象因子對(duì)2種觀測(cè)儀器觀測(cè)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度差值的

影響。

3.1 溫度對(duì)觀測(cè)結(jié)果差值的影響

定義為PM10（PM2.5）質(zhì)量濃度的差值＝激光散射法

觀測(cè)的PM10（PM2.5）質(zhì)量濃度－β射線法觀測(cè)的PM10

（PM2.5）質(zhì)量濃度。在控制濕度為＞80%、風(fēng)速在0～3 m/s

時(shí)，將溫度與PM10和PM2.5質(zhì)量濃度差值進(jìn)行對(duì)比。

如表1所示，在溫度＞30 ℃時(shí)，PM10質(zhì)量濃度平均差值為46.041 μg/m3，PM2.5質(zhì)量濃度平均差值為15.747 μg/m3。隨著溫度的降低，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度差值減小，并在溫度＜0 ℃時(shí)，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度差值均為負(fù)值。

由此得出結(jié)論，在溫度較高時(shí)，激光散射法觀測(cè)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍高于β射線法，隨著溫度的降低，兩者的差值逐漸減??；在溫度較低時(shí)，激光散射法觀測(cè)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍低于β射線法。

3.2 濕度對(duì)觀測(cè)結(jié)果差值的影響

如表2所示，當(dāng)相對(duì)濕度＞90%時(shí)，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的平均差值分別為33.857 μg/m3和4.028 μg/m3，

隨著相對(duì)濕度的減小，2種儀器所測(cè)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的平均差值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)；當(dāng)相對(duì)濕度＜70%時(shí)，差值均減小且為負(fù)數(shù)[1]。

由此得出結(jié)論，當(dāng)空氣相對(duì)濕度較高時(shí)，激光散射法觀測(cè)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍高于β射線法，隨著相對(duì)濕度的降低，兩者的差值逐漸減小；在相對(duì)濕度較低時(shí)，激光散射法觀測(cè)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍低于β射線法。

3.3 風(fēng)速對(duì)觀測(cè)結(jié)果差值的影響

表3為晴好天氣條件下，空氣相對(duì)濕度＜50%時(shí)，

地面風(fēng)速與PM10和PM2.5質(zhì)量濃度平均差值的對(duì)比情況。如表3所示，當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速＜2 m/s時(shí)，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的平均差值分別為-28.078 μg/m3和-21.654 μg/m3。隨著地面風(fēng)速的增長(zhǎng)，PM10與PM2.5質(zhì)量濃度的平均差值表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，PM10質(zhì)量濃度的平均差值隨風(fēng)速的增加而增加，而PM2.5質(zhì)量濃度的平均差值隨風(fēng)速的增加表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。

4 不同天氣情況下2種設(shè)備數(shù)據(jù)對(duì)比分析

4.1 數(shù)據(jù)資料

衡水市位于河北省東南部，華北平原中部，屬大陸季風(fēng)氣候區(qū)。四季分明，冬夏季長(zhǎng)、春秋季短。春季干旱少雨多風(fēng)增溫快；夏季潮濕悶熱，降水集中；秋季多秋高氣爽天氣；冬季氣候干冷，雨雪稀少。

影響衡水地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度的主要是霧、霾和降水等天氣，在2023年7—12月的小時(shí)數(shù)據(jù)中篩選出4 390條有效數(shù)據(jù)，得到509條霧和霾天氣下的有效樣本數(shù)據(jù)。

4.2 霧和霾天氣對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響

將霧霾天氣分為霧和霾2種天氣進(jìn)行分析，509條霧霾天氣的有效樣本數(shù)據(jù)分為415條霾天氣和94條霧（包括輕霧）天氣。分別計(jì)算2種天氣條件下激光散射法和β射線法測(cè)得的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值的平均值，并計(jì)算2種原理觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)。

由表4可知，在霾天氣時(shí)，激光散射法和β射線法2種方法所測(cè)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度均值都高于霧和輕霧天氣，這是由于地面氣象觀測(cè)場(chǎng)中的儀器判別輕霧、霧和霾3種視程障礙類天氣現(xiàn)象的指標(biāo)不同而導(dǎo)致的?，F(xiàn)行業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)霧、輕霧、霾3種視程障礙類天氣現(xiàn)象的判別標(biāo)準(zhǔn)除能見(jiàn)度和相對(duì)濕度的區(qū)別，新增了對(duì)消光系數(shù)比值的判別標(biāo)準(zhǔn)。即當(dāng)吸濕增長(zhǎng)后的氣溶膠PM2.5消光系數(shù)與實(shí)際大氣的消光系數(shù)之比＜0.8時(shí)，判別為霧或輕霧；當(dāng)吸濕增長(zhǎng)后的氣溶膠PM2.5消光系數(shù)與實(shí)際大氣的消光系數(shù)之比≥0.8時(shí)，判別為霾。

在霾天氣時(shí)，激光散射法和β射線法2種觀測(cè)原理得到的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)（分別為0.56和0.41）均高于霧或輕霧天氣（分別為0.24和0.25）。這說(shuō)明在霾天氣時(shí)，測(cè)得的PM10或PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值更高，相應(yīng)的激光散射法和β射線法2種觀測(cè)原理得到的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)也更高，2種結(jié)果的相關(guān)性更好。

5 誤差原因分析

當(dāng)前，大氣顆粒物的觀測(cè)已成為環(huán)境、氣候和健康等領(lǐng)域的重要內(nèi)容，用于觀測(cè)顆粒物質(zhì)量濃度的方法很多，但顆粒物的質(zhì)量濃度會(huì)受到大氣環(huán)境中眾多氣象因素的影響，還沒(méi)有可以十分準(zhǔn)確的測(cè)定出PM10與PM2.5質(zhì)量濃度的儀器[2]。

由于2個(gè)儀器觀測(cè)原理不同，且儀器性能和參數(shù)指標(biāo)存在差異，導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果存在差別。β射線法是基于β射線衰減的原理，通過(guò)測(cè)量采集到的濾膜上的顆粒物對(duì)β射線的衰減量，從而得到濾膜收集到的顆粒物的質(zhì)量濃度；而激光散射法是根據(jù)激光照射在氣溶膠樣品中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，根據(jù)接收到的散射光脈沖信號(hào)頻率和強(qiáng)弱，測(cè)量顆粒物的個(gè)數(shù)和粒徑大小，訂正得到顆粒物的質(zhì)量濃度，因此導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在差異。

6 結(jié)論

（1）在溫度較高時(shí)，激光散射法觀測(cè)的PM10和PM2.5

質(zhì)量濃度數(shù)值普遍高于β射線法；隨著溫度的降低，兩者的差值逐漸減??；在溫度較低時(shí)，激光散射法觀測(cè)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍低于β射線法。

（2）當(dāng)空氣相對(duì)濕度較高時(shí)，激光散射法觀測(cè)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍高于β射線法；隨著相對(duì)濕度的降低，兩者的差值逐漸減??；在相對(duì)濕度較低時(shí)，激光散射法觀測(cè)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍低于β射線法。

（3）在地面風(fēng)速較小時(shí)，兩者的PM10質(zhì)量濃度觀測(cè)結(jié)果差距較小，且隨風(fēng)速增大，差距增大；在地面風(fēng)速較大時(shí)，兩者的PM2.5質(zhì)量濃度觀測(cè)結(jié)果差距較小，且隨風(fēng)速減小，差距增大。

（4）在霾天氣時(shí)，激光散射法和β射線法2種方法所測(cè)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度均值高于霧和輕霧天氣；PM10或PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值越高時(shí)，相應(yīng)的激光散射法和β射線法2種觀測(cè)原理得到的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)也更高，兩種結(jié)果的相關(guān)性更好。

參考文獻(xiàn)

[1] 王強(qiáng)，鐘琪，遲穎，等.環(huán)境空氣PM10連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比對(duì)測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[J].環(huán)境污染與防治，2013，35（12）：13-18， 25.

[2] 于麗萍，李棟，孟磊，等.兩種PM10觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)對(duì)比分析[J].氣象水文海洋儀器，2017，34（1）：109-111.

收稿日期：2024-03-12

作者簡(jiǎn)介：肖瑋（1997—），女，河北棗強(qiáng)人，助理工程師，研究方向?yàn)榈孛鏆庀笥^測(cè)。