成都市冬季一次重污染過程大氣顆粒物粒徑譜分布

李 琳，賈鳳菊，馮 程，肖 況

(四川省成都生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，成都 610066)

前 言

大氣顆粒物是影響我國環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染物之一，其來源復(fù)雜多樣，不僅會對環(huán)境和氣候造成顯著影響，而且嚴(yán)重威脅到人類的健康。粒徑分布是顆粒物的重要特征，決定了顆粒物自身的性質(zhì)、環(huán)境效應(yīng)以及健康效應(yīng)[1]。近年來，國內(nèi)已有很多學(xué)者針對大氣顆粒物粒徑分布特征開展了相關(guān)研究，但主要集中在京津冀、長三角以及珠三角等地區(qū)，如吳志軍[2]等研究了北京市在重污染和新粒子生產(chǎn)過程中大氣顆粒物數(shù)譜分布的演變過程；夏志勇[3]研究了濟(jì)南市冬季大氣顆粒物的粒徑譜分布特征；尚倩[4]等研究了南京市冬季氣溶膠粒子譜分布及其對能見度的影響；杜盈盈[5]等對長三角地區(qū)氣溶膠光學(xué)性質(zhì)與新粒子生成進(jìn)行了觀測；代海婷[6]等分析了廣州亞運(yùn)會和殘運(yùn)會期間的大氣細(xì)粒子譜特征；邵玉海[7]等研究了三明市大氣顆粒物數(shù)濃度與粒徑分布的季節(jié)特征。成都對顆粒物的研究目前主要集中在濃度分布特征、化學(xué)組分以及來源解析等方面，對顆粒物數(shù)濃度及粒徑譜特征的研究很少。本文利用在線監(jiān)測儀對成都市一次重污染天氣過程中顆粒物的數(shù)譜分布特征及其影響因素進(jìn)行探討與分析，以期為研究成都市大氣顆粒物理化特性提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)進(jìn)一步為成都市顆粒物防控政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 觀測地點(diǎn)與時(shí)間

觀測點(diǎn)位設(shè)在四川大學(xué)科創(chuàng)中心樓頂(30°37′45′′N，104°4′38′′E)，距離地面25m，四周200m內(nèi)無高大建筑物，視野開闊、氣流穩(wěn)定；點(diǎn)位周圍主要為交通干道、居民混合區(qū)和學(xué)校，無明顯工業(yè)源，對評價(jià)成都市中心城區(qū)空氣質(zhì)量具有良好的代表性。2020年12月21日～28日成都市出現(xiàn)持續(xù)的輕度至重度顆粒物污染，本研究從顆粒物粒徑分布的角度對此次污染過程進(jìn)行分析。

1.2 觀測儀器與方法

氣象參數(shù)的監(jiān)測采用芬蘭Vaisala 生產(chǎn)的WXT520氣象變送器，可測量風(fēng)速、風(fēng)向、降水、氣壓、溫度和相對濕度。能見度的監(jiān)測采用Biral (UK)生產(chǎn)的SWS-200監(jiān)測儀，主要通過監(jiān)測空氣前向散射光強(qiáng)計(jì)算得到能見度值。PM1、PM2.5、PM10、TSP的監(jiān)測均采用美國熱電公司生產(chǎn)的SHARP 5030顆粒物監(jiān)測儀，監(jiān)測原理主要通過光散射法和β射線吸收法同步測量。

顆粒物數(shù)濃度分布的監(jiān)測采用美國TSI生產(chǎn)的電遷移粒徑譜儀(SMPS 3938)和空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀(APS 3321)。SMPS主要由靜電分級器(EC)、差分電遷移率分析儀(DMA)和凝聚核粒子計(jì)數(shù)器(CPC)組成，利用不同粒徑大小的粒子在電場中具有不同的電遷移性的特點(diǎn)，篩選目標(biāo)粒徑粒子并使其增大體積，進(jìn)行光學(xué)計(jì)數(shù)，其粒徑測量范圍為12.2～593.5nm。APS通過測量在加速氣流中不同大小粒子通過檢測區(qū)域的飛行時(shí)間來得到某一粒徑粒子的空氣動(dòng)力學(xué)直徑，其測量范圍為0.5～20μm。將兩臺粒徑譜儀所測數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，可以得到12.2 nm ～20μm范圍內(nèi)完整的粒徑分布信息。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染期間氣象分析

污染期間，成都市以靜穩(wěn)天氣為主，平均氣溫為7.7℃，平均相對濕度為63%，平均風(fēng)速為0.9m/s，主導(dǎo)風(fēng)向以偏南風(fēng)為主。

2.2 顆粒物監(jiān)測結(jié)果

污染期間PM1、PM2.5、PM10、TSP的平均濃度分別為71.1±21.5μg/m3、120.4±48.3μg/m3、169.2±72.0μg/m3和247.7±95.9μg/m3，其中PM1占PM2.5質(zhì)量濃度的59.1%，PM2.5占PM10質(zhì)量濃度的71.2%，本次污染過程中顆粒物污染主要為細(xì)粒子(空氣動(dòng)力學(xué)粒徑小于或者等于2.5μm)污染。由圖1可知，污染期間顆粒物濃度變化趨勢基本一致，相關(guān)性顯著，具有同源性；從21日起，由于氣象擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，顆粒物不斷累積并在26日夜間呈爆發(fā)式增長，PM2.5和PM10的小時(shí)最高濃度達(dá)到239μg/m3(27日16時(shí))和325μg/m3(27日21時(shí))；29日凌晨冷空氣主體進(jìn)入，擴(kuò)散條件明顯好轉(zhuǎn)，顆粒物濃度急劇下降，污染過程結(jié)束。

圖1 污染期間顆粒物濃度變化趨勢Fig.1 Variation trend of particulate concentration during pollution

2.3 粒徑譜儀觀測結(jié)果

2.3.1 顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布特征

如圖2所示，污染期間成都市顆粒物小時(shí)平均數(shù)濃度粒徑主要集中在1000nm粒徑段以下，以亞微米顆粒物(粒徑小于1μm)污染為主。其峰形態(tài)主要呈三峰分布，峰值分別出現(xiàn)在68nm、269nm、723nm處，其中主峰值出現(xiàn)在723nm左右，第二個(gè)峰值粒徑與彭爽[8]等人對成都市2018年10月～2019年9月的觀測結(jié)果一致(峰值粒徑為250～280nm)。

圖2 污染期間顆粒物平均數(shù)濃度粒徑分布Fig.2 Size distribution of particulate number concentration during pollution

為了更全面的分析大氣顆粒物粒徑分布特征，將本次觀測期間的顆粒物粒徑劃分為四種模態(tài)進(jìn)行討論：凝結(jié)核模態(tài)(10～20nm)、愛根核模態(tài)(20～100nm)、積聚模態(tài)(100～1000nm)和粗粒子模態(tài)(1～20μm)[9]。污染期間各模態(tài)粒子數(shù)濃度小時(shí)均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表1，凝結(jié)核模態(tài)、愛根核模態(tài)、積聚模態(tài)、粗粒子模態(tài)數(shù)濃度小時(shí)均值分別為5776±1261個(gè)/cm3、19713±6647個(gè)/cm3、40831±10181個(gè)/cm3、1020±750個(gè)/cm3，分別占總粒子數(shù)濃度的8.6%、29.3%、60.6%、1.5%。由此可見，污染期間成都市顆粒物主要以積聚模態(tài)形式存在，這與許鵬舉[10]對濟(jì)南城區(qū)灰霾期間大氣顆粒物數(shù)濃度分布的研究結(jié)果一致。從圖3可以看出，污染期間顆粒物明顯向大粒徑方向偏移，在723nm前后形成明顯的濃度高值區(qū)；與此同時(shí)，從21日起該粒徑段數(shù)濃度不斷累積增多，并在26日夜間呈爆發(fā)式增長，至27日00:00積聚模態(tài)數(shù)濃度小時(shí)最大均值達(dá)到65742個(gè)/cm3，是整個(gè)污染期間平均值的1.6倍；這一濃度高值區(qū)一直持續(xù)至29日凌晨，其后伴隨冷空氣的進(jìn)入，高值區(qū)消失。因此，積聚模態(tài)顆粒物數(shù)濃度的增加是導(dǎo)致此次污染過程顆粒物數(shù)濃度快速升高的主要原因。

表1 污染期間各模態(tài)粒子數(shù)濃度統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of particle number concentration of each mode during pollution

圖3 顆粒物數(shù)濃度粒徑譜分布Fig.3 Particle size spectrum distribution of particle number concentration

2.3.2 顆粒物數(shù)濃度日變化特征

圖4給出了污染期間各模態(tài)顆粒物數(shù)濃度日變化情況，由于粗粒子模態(tài)數(shù)濃度相對其它模態(tài)太低，故不做分析。從圖中可以看出在此次污染過程中，凝結(jié)核模態(tài)從8:00左右開始出現(xiàn)上升并在午間12:00達(dá)到峰值，午后又逐漸降低，這與太陽

圖4 污染期間各模態(tài)顆粒物數(shù)濃度日變化情況Fig.4 Diurnal variation of number concentration of particulate matter in various modes during pollution

輻射增強(qiáng)有利于光化學(xué)反應(yīng)生成二次顆粒物有關(guān)。愛根核模態(tài)數(shù)濃度呈雙峰分布，從早間開始，其數(shù)濃度不斷上升，在13:00達(dá)到第一個(gè)峰值，這主要是受早高峰機(jī)動(dòng)車排放源以及凝結(jié)核模態(tài)數(shù)濃度增加的雙重影響作用；午后，由于邊界層抬升，愛根核模態(tài)數(shù)濃度不斷下降，并在16:00達(dá)到最低值；隨后由于晚高峰及人類活動(dòng)加劇，愛根核模態(tài)在20:00達(dá)到第二個(gè)濃度峰值，這與濟(jì)南市春季愛根核模態(tài)的日變化趨勢相同[11]。積聚模態(tài)數(shù)濃度變化趨勢與愛根核模態(tài)基本一致，分別在11:00、22:00出現(xiàn)兩個(gè)峰值；值得注意的是，積聚模態(tài)的第二個(gè)濃度峰值比愛根核模態(tài)推后了2h，說明積聚模態(tài)數(shù)濃度的增長還來源于愛根核模態(tài)顆粒物的冷凝、碰并增長。

2.4 氣象條件對顆粒物數(shù)濃度分布的影響

成都市地處四川盆地，常年風(fēng)速小、濕度大、逆溫頻發(fā)，不利的氣象條件易導(dǎo)致污染物聚集增長，因此，氣象條件是影響成都市顆粒物數(shù)濃度的重要因素之一。

2.4.1 風(fēng)速風(fēng)向

污染期間，成都市受偏南風(fēng)控制較多，總體風(fēng)速較小，處于2m/s以下，對顆粒物的去除效果較弱。圖5給出了不同風(fēng)速風(fēng)向下，各模態(tài)顆粒物數(shù)濃度的分布特征。顆粒物總數(shù)濃度、積聚模態(tài)數(shù)濃度以及愛根核模態(tài)數(shù)濃度的分布基本一致，高值區(qū)主要集中在西北和東南風(fēng)向1～1.5m/s風(fēng)速下，分析可能由于監(jiān)測點(diǎn)位西北方向?yàn)榻煌ㄖ鞲傻?，而東南方向?yàn)榫用駞^(qū)且餐飲較多，導(dǎo)致以上兩個(gè)方向顆粒物數(shù)濃度出現(xiàn)高值。此外，積聚模態(tài)顆粒物數(shù)濃度高值區(qū)在其它風(fēng)向較低風(fēng)速下也有所分布，可能在于積聚模態(tài)顆粒物在大氣中存活時(shí)間較長且大量小粒徑顆粒物通過冷凝成核向積聚模態(tài)轉(zhuǎn)化。

凝結(jié)核膜態(tài)顆粒物的分布特征明顯區(qū)別于愛根核模態(tài)和積聚模態(tài)，在西北偏西方向的靜風(fēng)下出現(xiàn)了濃度高值區(qū)，而愛根核模態(tài)和積聚模態(tài)數(shù)濃度高值出現(xiàn)在該風(fēng)向風(fēng)速較高處，推測該方向靜風(fēng)下新粒子生成事件發(fā)生頻率較高，且一定的風(fēng)速有利于粒徑的增長，促進(jìn)凝結(jié)核模態(tài)向其余模態(tài)的轉(zhuǎn)化。

圖5 污染期間各模態(tài)顆粒物在不同風(fēng)速風(fēng)向下的數(shù)濃度分布Fig.5 Particulate number concentration distribution in different modes under different wind speed and direction during pollution

2.4.2 其它氣象參數(shù)

運(yùn)用SPSS軟件對污染期間不同模態(tài)顆粒物數(shù)濃度與溫濕度進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果見表2，除相對濕度與愛根核模態(tài)外，其余均通過99%的顯著性檢驗(yàn)?？傮w來看，污染期間成都市各模態(tài)數(shù)濃度與相對濕度、能見度的相關(guān)性隨著粒徑的增大，相關(guān)性呈上升趨勢；其中積聚模態(tài)與相對濕度、能見度的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)分別為0.593和-0.897，說明在此次污染過程中較高的相對濕度促進(jìn)了積聚模態(tài)的凝結(jié)增長，并且積聚模態(tài)數(shù)濃度的快速增長又造成了能見度的不斷降低。

表2 顆粒物各模態(tài)數(shù)濃度與相對濕度、能見度的相關(guān)性Tab.2 Correlation between particulate number concentration of each mode and relative humidity and visibility

3 結(jié) 論

3.1 污染期間，成都市顆粒物PM1、PM2.5、PM10、TSP的濃度變化趨勢基本一致，相關(guān)性顯著，具有同源性；顆粒物主要以細(xì)粒子污染為主，數(shù)濃度粒徑主要分布在1 000nm以下，濃度主峰值出現(xiàn)在723nm左右粒徑段。

3.2 顆粒物主要以積聚模態(tài)和愛根核模態(tài)形式存在，合計(jì)占總粒子數(shù)濃度的89.9%；隨著污染程度的加重，積聚模態(tài)數(shù)濃度不斷累積增多，小時(shí)最大濃度均值達(dá)65 742個(gè)/cm3，是整個(gè)污染期間平均值的1.6倍。因此，積聚模態(tài)顆粒物數(shù)濃度的增加是導(dǎo)致此次污染過程顆粒物數(shù)濃度快速升高主要原因。

3.3 顆粒物數(shù)濃度日變化特征表明：污染期間，各模態(tài)數(shù)濃度日變化分布主要受機(jī)動(dòng)車排放、人為活動(dòng)、邊界層高度以及太陽輻射等因素的綜合影響。凝結(jié)核模態(tài)呈單峰分布，在午間達(dá)到濃度峰值；愛根核模態(tài)和積聚模態(tài)變化趨勢基本一致，呈雙峰分布，濃度峰值出現(xiàn)在午間和夜間。

3.4 氣象條件是影響顆粒物數(shù)濃度的重要因素。顆粒物總數(shù)濃度、積聚模態(tài)數(shù)濃度以及愛根核模態(tài)數(shù)濃度的分布基本一致，高值區(qū)主要集中在西北和東南風(fēng)向1～1.5m/s風(fēng)速下，推測主要受交通源和生活源影響；凝結(jié)核模態(tài)數(shù)濃度在西北風(fēng)向靜風(fēng)下出現(xiàn)濃度高值，推測在該風(fēng)速風(fēng)向條件下新粒子生成事件發(fā)生頻率較高，且一定的風(fēng)速促進(jìn)凝結(jié)核模態(tài)向其余模態(tài)的轉(zhuǎn)化。

3.5 污染期間，各模態(tài)數(shù)濃度與相對濕度和能見度的相關(guān)性隨粒徑的增大呈上升趨勢，與積聚模態(tài)的相關(guān)性最強(qiáng)。因此，高濕天氣是促進(jìn)積聚模態(tài)數(shù)濃度增加的重要因素，積聚模態(tài)數(shù)濃度的增加又進(jìn)一步造成了能見度的下降。

3.6 因此，控制積聚模態(tài)數(shù)濃度是降低顆粒物污染的關(guān)鍵，并有助于提高大氣能見度。