2012年庫爾勒市PM10質(zhì)量濃度的變化特征分析

趙克蕾 ，何 清 ，鐘玉婷 ，黃秋霞

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆樹木年輪生態(tài)實驗室；中國氣象局樹木年輪理化研究重點實驗室，新疆 烏魯木齊830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站，新疆 塔中841000；3.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046）

大氣顆粒物是影響全球氣候變化、人體健康和大氣能見度的重要污染物[1-2]。顆粒物因其粒徑小，比表面積大，是大氣化學(xué)反應(yīng)的良好載體。近幾年，由大氣顆粒物引起的人體健康問題與能見度惡化事件越來越多，加上我國東部灰霾天氣的大范圍出現(xiàn)，使科學(xué)界、政府部門和社會公眾對引發(fā)這些問題的罪魁禍首——顆粒物開始高度關(guān)注。

可吸入顆粒物（PM10）是指空氣中空氣動力學(xué)當量直徑小于等于10 μm的顆粒物[3]。PM10的來源主要包括燃煤煙塵、工業(yè)生產(chǎn)、建筑施工、汽車尾氣以及地面揚塵等[4]。PM10的危害主要是對人體健康、氣候變化和大氣環(huán)境的影響[5]。PM10因其粒徑細小，不容易被呼吸道阻擋，能夠隨著人體呼吸進入上呼吸道，可以直接進入人的肺部并存留在肺的深處，不易被排出體外，對人體健康威脅非常大[6]。長期停留在環(huán)境中的PM10，會造成大氣長期性的污染，使大氣能見度降低[7]，同時也可以通過吸收和散射太陽輻射而影響氣候的變化[8]。

庫爾勒市坐落于歐亞大陸和新疆腹心地帶，是新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州的首府，位于塔里木盆地東北邊緣，北倚天山支脈庫魯克山和霍拉山，南臨世界第二大沙漠——塔克拉瑪干沙漠，是南疆盆地的風口之一，常年氣候干燥，降水稀少，春季沙塵天氣頻繁出現(xiàn)。庫爾勒市是新疆自治區(qū)政府實施“北烏南庫”發(fā)展的對象城市，是進出南疆的要塞，也是西北地區(qū)唯一的一座全國十大文明城市，大氣環(huán)境質(zhì)量極大地影響著當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展及人民生活質(zhì)量。

目前，PM10對人體健康及大氣環(huán)境的危害已經(jīng)受到了公眾極大的重視，關(guān)于PM10的研究也越來越多。國外及國內(nèi)沿海城市大氣氣溶膠PM10的濃度、組分分析及其對人體健康的影響等方面的研究非常多[9-18]；北疆部分地區(qū)也有許多關(guān)于PM10的濃度及時空分布的研究[19-24]；而關(guān)于南疆地區(qū)的研究主要體現(xiàn)在對城市空氣污染物、空氣質(zhì)量分析與預(yù)報及沙塵天氣對人體的影響等方面[25-28]，其中對南疆地區(qū)PM10的質(zhì)量濃度分布及組分分析的研究文獻鮮見。我國大氣污染不同于國外的一個很突出的特點就是大氣顆粒物質(zhì)量濃度比較大，不同地區(qū)大氣顆粒物的濃度、化學(xué)組成和粒徑不同[29]。為了更好地反映庫爾勒市的空氣質(zhì)量及可吸入顆粒物PM10的污染現(xiàn)狀，本文利用ThermoRP1400a型自動監(jiān)測儀對庫爾勒市的PM10進行在線連續(xù)觀測研究，對PM10的污染狀況和質(zhì)量濃度變化特征進行分析。

1 觀測儀器與資料

本實驗采用美國生產(chǎn)的ThermoRP1400a型PM10自動監(jiān)測儀觀測大氣中的氣溶膠粒子。觀測點為庫爾勒氣象局（38°58′N，83°39′E，海拔 1 090 m）。

本實驗選擇觀測時間為：從2011年11月15日開始，到2012年11月30日結(jié)束，其中2012年7月19日—8月15日，10月7—9日，11月5—6日，由于觀測儀器出現(xiàn)故障，造成數(shù)據(jù)缺失，其余觀測時段都是連續(xù)的。PM10選擇每5 min觀測一次，對于觀測數(shù)據(jù)首先求得每小時和每日的平均濃度，最后得到月平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 采暖期和非采暖期的PM10濃度日變化

庫爾勒市冬季采暖期為5個月，從當年11月1日到次年3月31日，其余時間為非采暖期。選取2011年11月15日—2012年10月31日的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對采暖期和非采暖期的PM10濃度日變化進行分析。

由圖1可以看出，庫爾勒市非采暖期大氣中PM10日平均濃度遠遠高于采暖期的濃度，這與一般北方城市大氣中PM10濃度分布存在差異，北方大多數(shù)城市的污染物變化表現(xiàn)為采暖期濃度高于非采暖期濃度[30]。造成這一差異的主要原因是庫爾勒位于塔克拉瑪干沙漠邊緣，氣候干燥，春夏季風沙較大，揚塵天氣頻繁發(fā)生，尤其春季是沙塵暴的高發(fā)期；而冬季采暖期由于氣溫較低，風速小，不易發(fā)生沙塵天氣，冬季供暖對PM10質(zhì)量濃度有一定影響，但效果不明顯[31]，因此導(dǎo)致庫爾勒市PM10濃度日變化表現(xiàn)為非采暖期高于采暖期。由此可得出，非采暖期PM10質(zhì)量濃度主要由春季的沙塵天氣過程貢獻，而采暖期PM10質(zhì)量濃度變化主要受冬季供暖燃煤影響。

圖1 庫爾勒市采暖期和非采暖期PM10濃度日變化

從整體上看，受氣象條件與人類活動的影響，不管是采暖期還是非采暖期，庫爾勒市PM10濃度日變化均表現(xiàn)為明顯的雙峰型，且出現(xiàn)峰值和谷值的時間基本接近。以采暖期為例對PM10質(zhì)量濃度日變化進行分析：PM10質(zhì)量濃度在10:00（北京時間，下同）左右出現(xiàn)峰值，濃度為244.6 μg·m-3。這一時段處于上班高峰期，高峰期車流量大，汽車尾氣的排放及揚塵造成PM10濃度大[32]，另外，清晨日出前后大氣邊界層穩(wěn)定，易產(chǎn)生逆溫，不利于污染物擴散，使得污染物不斷積累。之后，PM10濃度開始降低，在15:00左右達到谷值，濃度為 141.0 μg·m-3，在這個時間段近地面層溫度逐漸升高，湍流變強，同時近地面平均風速較大，對流比較充分，有利于污染物的擴散與遷移[33]。15:00以后，太陽輻射減弱，地面溫度下降，混合層降低，污染物停留在很小的空間內(nèi)，隨著下班高峰期的到來，車流量增加，污染物排放量增大，使得PM10的濃度再次上升，在21:00左右達到次大值，濃度為230.0 μg·m-3。隨著夜間人類活動逐漸減少，污染物排放少，PM10濃度逐漸降低，到次日05:00左右達到最小值，濃度為 134.7 μg·m-3。

2.2 PM10濃度周變化特征

選取2011年11月14日—2012年11月18日的觀測數(shù)據(jù)，對PM10周濃度變化特征進行分析。

有研究表明，全球很多站點的天氣要素（如最高、最低氣溫、氣溫日較差等）在周中和周末存在明顯的差別[34]。大氣氣溶膠質(zhì)量濃度、污染物質(zhì)量濃度、降水和氣溫等要素的這種周循環(huán)被稱為周末效應(yīng)[35]。由圖2可知，庫爾勒市PM10濃度的周平均變化并沒有表現(xiàn)出明顯的“周末效應(yīng)”，但是存在明顯的周內(nèi)變化，星期一出現(xiàn)最大值 274.8 μg·m-3，星期三出現(xiàn)最小值196.7 μg·m-3。從整體上來看，星期二至星期日濃度水平相差不多。這與黃鶴等[10]觀察到的天津市的PM10濃度星期五最大，星期一最低，星期二次之的結(jié)果；魏玉香等[9]關(guān)于南京市PM10星期一到星期三質(zhì)量濃度高（星期二最高），星期四到星期日質(zhì)量濃度低（星期六最低，星期日次之）的結(jié)論；Jin等[36]觀察到的美國紐約地區(qū)夏季氣溶膠光學(xué)厚度星期三最高，周末最低的結(jié)果均不相同。筆者認為，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能與城市所處的地理位置及觀測站的位置有關(guān)，但具體原因有待進一步的研究。

圖2 庫爾勒市PM10濃度周變化

2.3 PM10濃度年變化特征

如圖3所示，將各月份的月平均濃度與環(huán)境空氣質(zhì)量標準二級標準的月平均濃度限值進行比較，除7月以外，其他月份的月平均濃度均超出了二級標準。其中4月達到了最高值，濃度為562.1 μg·m-3，是二級標準的4.68倍，主要是因為庫爾勒市處在沙漠邊緣，4月是沙塵暴的高發(fā)期，庫爾勒市受沙塵天氣的影響，城市大氣中PM10濃度上升至最高；7月的月平均濃度最低，為 107.4 μg·m-3，由于夏季降水增多，降水對大氣中的PM10具有清除作用，另外在7月大氣對流強烈，湍流較強，污染物易于擴散。之后PM10濃度逐漸升高，在11月出現(xiàn)次大值，濃度為219.9 μg·m-3，主要是由于庫爾勒從11月開始進入采暖期，燃煤量增大，排放的顆粒物等污染物增多，并且在這一時期大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，空氣對流較弱，易出現(xiàn)逆溫，PM10難以迅速擴散和遷移，導(dǎo)致濃度升高。

圖3 庫爾勒市PM10濃度的年內(nèi)變化

2.4 PM10濃度季節(jié)變化特征

庫爾勒的自然天氣季節(jié)劃分為：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。選取2011年12月1日—2012年11月30日的觀測數(shù)據(jù)，對PM10季節(jié)濃度變化特征進行分析。

庫爾勒市PM10的季平均濃度分別為：冬季161.2 μg·m-3，春季371.8 μg·m-3，夏季 137.9 μg·m-3，秋季 195.1 μg·m-3。PM10季節(jié)濃度春季較高，夏季較低，總體特征為：春季>秋季>冬季>夏季，均值都超過國家二級標準季濃度 110 μg·m-3。

由圖4可以看出，春季PM10濃度明顯高于其他3個季節(jié)。由于春季氣候干燥，降水少，大氣層結(jié)穩(wěn)定，逆溫次數(shù)較多，并且?guī)鞝柪沾杭撅L沙發(fā)生頻率高，揚沙、浮塵天數(shù)多，導(dǎo)致春季PM10濃度遠遠高于其他季節(jié)；夏季氣溫較高，大氣對流活動旺盛，污染物可以迅速擴散、遷移，且夏季降水量增多，對空氣中的PM10有明顯的清除作用，所以夏季在季節(jié)變化中濃度最低；秋季晝夜溫差較大，大氣層結(jié)穩(wěn)定，對流活動變?nèi)?，易發(fā)生逆溫，不利于PM10的擴散，另外，在秋末開始進入采暖期，燃煤供暖增加了PM10質(zhì)量濃度。冬季雖然處于采暖期，但冬季溫度低，平均風速小，不易發(fā)生沙塵天氣[37]，燃煤供暖對PM10濃度的貢獻不如風沙的貢獻大，所以冬季的PM10質(zhì)量濃度遠低于春季。

圖4 庫爾勒市PM10濃度季節(jié)變化

2.5 典型天氣過程的PM10濃度日變化特征

為了研究典型天氣過程的PM10濃度的日變化規(guī)律，本文選擇2012年1月28—31日降雪天氣和4月22—29日沙塵天氣分別作為冬季和春季兩個不同季節(jié)的典型天氣過程，分別對這兩個過程中PM10質(zhì)量濃度的變化進行分析。

2.5.1 降雪天氣過程PM10質(zhì)量濃度變化

1月29、30日分別有0.1 mm和0.6 mm的降雪，如圖5所示，PM10質(zhì)量濃度在29日由12:00之前的 410.6 μg·m-3迅速降低至 102.5 μg·m-3，這與降雪的記錄時間相吻合，降雪出現(xiàn)在12:00—13:00；30日再次出現(xiàn)了降雪，PM10質(zhì)量濃度在降雪后也有降低，但是幅度較?。粡?8—31日整個過程來看，自29日降雪后，PM10質(zhì)量濃度比降雪前明顯降低了，并且一直持續(xù)到31日，濃度基本維持在相對較低的水平。降雪過程開始后大氣中的PM10隨著降雪沉降到地面，從而使得大氣中PM10的濃度逐漸降低，這說明降雪對PM10具有明顯的清除作用，這與李瑞等[38-40]學(xué)者的研究結(jié)果一致。此外，降水不僅對大氣顆粒物的質(zhì)量濃度有清除作用，對離子組分和元素組分也有顯著的清除作用，這方面的內(nèi)容有待進一步的研究。

圖5 2012年1月28—31日降雪天氣前后PM10逐時平均濃度變化

2.5.2 沙塵天氣過程PM10質(zhì)量濃度變化

從圖6中PM10的質(zhì)量濃度變化可以反映出沙塵天氣的過程和強度。庫爾勒市在4月22日開始出現(xiàn)大風天氣，在22日06:00，風速達到了5.5 m/s，PM10濃度為 159.6 μg·m-3；在 13:00 左右能見度開始降低，出現(xiàn)浮塵天氣；到23日03:00 PM10濃度迅速增加到 06:00 的 7 353.1μg·m-3，是 03:00 PM10濃度173.2μg·m-3的43倍，出現(xiàn)了嚴重的揚沙天氣；到14:00 PM10濃度為 5 075.8 μg·m-3，能見度僅為 500 m；24—28日風速相對減弱，但由于揚沙天氣持續(xù)，導(dǎo)致大氣顆粒物不斷積累，PM10濃度一直維持在高值；從28日凌晨過后，PM10濃度逐漸下降，到29日PM10質(zhì)量濃度基本下降到常規(guī)水平。這說明沙塵天氣有使PM10質(zhì)量濃度迅速增加的作用，這與劉新春[31]、岳平[41]等學(xué)者的研究結(jié)論相同。

圖6 2012年4月22—29日沙塵天氣前后PM10逐時平均濃度變化

3 結(jié)論

利用庫爾勒市PM10自動監(jiān)測儀觀測數(shù)據(jù)，分析了PM10質(zhì)量濃度的變化特征，客觀評價了庫爾勒市的大氣環(huán)境中PM10的污染狀況，得出以下結(jié)論：

（1）由于氣象條件與人類活動的影響，PM10濃度日變化表現(xiàn)為明顯的雙峰型。采暖期在10:00出現(xiàn)峰值，濃度為 244.6 μg·m-3。在 15:00 左右達到谷值，濃度為 141.0 μg·m-3。在 21:00 出現(xiàn)次大值，濃度為 230.0 μg·m-3。

（2）PM10質(zhì)量濃度存在明顯的周內(nèi)變化，星期一出現(xiàn)最大值274.8 μg·m-3，星期三出現(xiàn)最小值196.7 μg·m-3，整體上來看，星期二至星期日 PM10質(zhì)量濃度水平相差不多。

（3）PM10最高月濃度出現(xiàn)在4月，濃度為562.1 μg·m-3；7 月達到最低濃度 107.4 μg·m-3；11 月達到次大值 219.9 μg·m-3。

（4）春季PM10濃度較高，夏季較低，總體特征為：春季>秋季>冬季>夏季，四季的平均濃度都超過了國家二級標準。

（5）降雪過程對PM10具有明顯的清除作用，而沙塵天氣有使PM10質(zhì)量濃度迅速增加的作用。

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