颗粒物浓度与天气条件关系研究
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本文作者：邓利群钱骏廖瑞雪佟洪金作者单位：四川省环境保护科学研究院
大气颗粒物是大气环境中化学组成复杂、来源多样、危害较大的污染物之一[1-2],是降低大气能见度,造成灰霾天气的主要原因.大气颗粒物浓度超标是我国许多城市空气质量管理中的突出问题.可吸入颗粒物(PM10)可通过呼吸道进入人体,沉积在上呼吸道,粒径小于2.5μm的细粒子(PM2.5)可进入肺泡中,并可能导致与心和肺的功能障碍有关的疾病[3].PM2.5由含碳物质、水溶性无机盐和不溶矿物质构成,主要来自各种燃烧过程的一次排放和气态污染物的二次转化[4].有研究表明[5-7],我国城市大气中PM2.5约占PM10的50%~70%.成都市地处四川盆地,风速小、静风频率高,环境空气中PM10浓度长期居高不下,成为主要的环境问题[8].近3年来,成都市PM10年均浓度均超过了100μg/m3,且城区日均浓度值超标率达到15%左右[9-11].为弄清PM10和PM2.5的污染状况、分布特征以及与气象条件的关系,本研究通过对成都不同采样点PM10和PM2.5质量浓度的时空分布特征分析,了解成都市大气颗粒物的污染状况、及其与气象条件的关系,为进一步对大气颗粒物的来源和化学组成分析提供依据.
1材料与方法
1.1样品采集
采样点位于成都市上风向的丽都花园(E104°2′9″,N30°37′48″)、下风向的熊猫基地(E104°8′50″,N30°43′58″)、以及市中心的草堂寺(E104°1′41″,N30°39′44″),3个采样点分别代表了成都市的生活集中区、城市郊区和商业区3类不同的功能区划.采样时间为2009年8月22日~9月20日.每天连续24h采样,每个采样点分别采集30组样品,3个采样点共采集90个有效的PM2.5样品和86个有效的PM10样品.
1.2样品分析
采样前将石英滤膜放在600℃条件下加热处理2h,以除去残留或吸附在滤膜上的有机物,采样前对滤膜进行至少48h以上的干燥,平衡、称重(精密度为万分之一的电子天平).通过采样前、后滤膜重量之差,以及采样标况体积(101.325kPa,273K条件下),计算得到环境空气中PM10和PM2.5的质量浓度.
1.3气象数据来源
气象参数采用成都市同期地面气象观测数据(气温、气压、风速、相对湿度、降水等),成都市能见度数据采用成都温江区每天02:00、08:00、14:00和20:00观测数据.
2结果与讨论
2.1PM2.5和PM10的污染状况
表1给出了采样期间3个采样点PM2.5和PM10的日平均浓度以及浓度变化范围.由表1可知,PM2.5和PM10浓度均是熊猫基地>草堂寺>丽都花园,成都市PM2.5和PM10平均浓度分别为66,94μg/m3.根据我国最新公布的环境空气质量标准GB3095-2012中PM2.5和PM10二级标准日均浓度限值(75μg/m3和150μg/m3)[12]得出成都市PM2.5和PM10日均浓度超标率分别为35.56%和12.79%.3个采样点的PM2.5日均浓度超标率:草堂寺>熊猫基地>丽都花园,PM10日均浓度超标率:熊猫基地>草堂寺>丽都花园.
由图1和图2可知,PM2.5和PM10质量浓度变化范围较大.将采样期分为2部分:清洁天气和污染天气.以国家二级空气质量标准PM10限值150μg/m3作比较,有4d(9月7日、8日、17日和18日)超过该限值,定义为污染天气;其余未超过该标准的26d为清洁天气.PM10和PM2.5在整个采样期呈同步变化趋势,出现典型的清洁-污染-清洁-污染-清洁天气过程.从空间分布来看,PM2.5和PM10质量浓度均是熊猫基地>草堂寺>丽都花园,熊猫基地较其余2个采样点污染较为严重的原因主要是:熊猫基地处于成都市下风向,并且大气底层出现气旋式环流,导致大气颗粒物的输送、累积.从时间分布来看,PM2.5和PM10质量浓度在污染天气9月18日出现最大值,分别为171μg/m3(熊猫基地)和265μg/m3(熊猫基地),不利气象条件是造成熊猫基地在该日出现浓度最大值的主要原因;9月7~9日PM2.5和PM10质量浓度相对较高;清洁天气9月13日PM2.5和PM10质量浓度出现最低值,分别为11μg/m3(熊猫基地)和15μg/m3(丽都花园).大部分观测日的PM10日均值<150mg/m3,空气质量达到“良”,12.8%的空气质量为“轻微污染”,但PM2.5未达到我国最新公布的环境空气质量标准GB3095-2012中PM2.5二级标准日均浓度限值(75μg/m3)的观测日超过总观测天数的三分之一,表明成都市大气细颗粒物PM2.5污染较严重.
2.2PM2.5占PM10百分比情况
根据图3可知,PM2.5和PM10质量浓度显著相关,相关系数R达0.93.线性回归结果表明在整个采样期3个采样点PM2.5占PM10质量载荷的66.5%,表明细粒子对大气颗粒物污染贡献显著.由表1及图4可知,成都市PM2.5/PM10平均值为0.69,变化范围0.48~0.91;3个采样点PM2.5/PM10平均值熊猫基地<丽都花园≈草堂寺.2009年8月~9月PM2.5/PM10平均值明显高于成都2001年6月观测值0.46[8],可能原因是近年来成都市采取的一些措施(对污染较重工厂的外迁、对扬尘和建筑尘等污染源进行控制)对2009年大气粗颗粒污染状况的改善作用更为明显,以及成都市机动车保有量增加所带来的机动车尾气排放量增加,进而导致PM2.5质量浓度升高.
2.3颗粒物浓度与气象要素的关系
气象要素(温度、风速、气压、相对湿度和降水等)是影响大气颗粒物质量浓度的重要因素.一定的气温、风速、气压、相对湿度和降水情况构成一定的天气状况,有利天气状况(低温、大风、低湿等)有利于颗粒物的稀释扩散,导致颗粒物质量浓度降低;而不利的天气状况则导致颗粒物质量浓度升高[13].图5为观测期间PM2.5和PM10质量浓度与气象要素(温度、风速、气压、相对湿度和降水量)随时间的变化关系图.
2.3.1温度对颗粒物浓度的影响
采样期间,成都市日均气温范围为19~31℃,统计分析表明,3个采样点PM2.5和PM10质量浓度与温度没有明显相关性(相关系数分别为0.29和0.23),说明与温度相关的气候条件如日照强度与日照时间对颗粒物在大气中的分布没有显著影响.
2.3.2气压对颗粒物浓度的影响
气压的高低与大气环流形势密切相关.当地面受低压控制时,四周高压气团流向中心,中心形成上升气流,通常风力较大,利于污染物向上扩散,颗粒物浓度较小;地面受高压控制时,中心部位出现下沉气流,阻止污染物向上扩散,在稳定高压的控制下,大气污染加重,颗粒物浓度较大[14].由图5b可知,2009年8月30日~9月3日,气压逐日减小,而颗粒物浓度则逐日增大;2009年9月11日~17日,气压总体呈先增后降趋势,颗粒物浓度则呈先降后增.由此可见,该2时段颗粒物质量浓度与气压存在较明显的负相关,并且PM2.5、PM10与气压的相关系数R分别为-0.25和-0.31.
2.3.3风速对颗粒物浓度的影响
风是反映大气动力稳定性的重要特征量,是与空气污染密切相关的气象参数,它对大气污染物的稀释扩散和三维输送起着重要作用[15].一般来说,风速越大,越有利于大气颗粒物扩散,相应浓度越低;反之,浓度越高.由图5c可知,整个采样期间,颗粒物浓度与风速变化趋势相反,颗粒物浓度最高值出现在2009年9月18日,风速最小,0.3m/s条件.PM2.5和PM10质量浓度与风速的相关系数R分别为-0.47和-0.45.
2.3.4相对湿度对颗粒物浓度的影响
由图5d知,随着相对湿度的上升和下降,大气颗粒物浓度表现出不完全一致的变化趋势.在一定湿度范围(以不发生重力沉降为界限)内,相对湿度越大越有利于颗粒物的形成,相对湿度是影响可吸入颗粒物污染的一个较为重要的因素,尤其是高湿度空气容易造成颗粒物的较重污染[16].
2.3.5降水对颗粒物浓度的影响
降水对环境空气中污染物能起到清除和冲刷作用,是一种湿清除(或湿沉降)过程,因此它是维持大气成分相对稳定的重要因子[16].由图5e可知,大气颗粒物浓度较低值出现在2009年9月10日~14日,期间存在明显的降水过程.降水对PM10浓度的影响较大,通过雨水作用可大大减少与生产活动相关的扬尘,并且降水主要是清除可吸入颗粒物中的粗颗粒,而对细颗粒的影响较小.
2.4能见度与颗粒物浓度之间的关系
研究表明,颗粒物是造成能见度降低的主要原因,造成能见度下降的主要原因是由于大气中的污染气体尤其是颗粒物对可见光的吸收和散射所产生的消光作用所致[17].由图6可见,能见度与PM2.5和PM10质量浓度之间具有明显的负相关性,且与PM2.5的相关系数(R=-0.59)大于与PM10的相关系数(R=-0.51),换言之,能见度的好坏受大气颗粒物尤其是细颗粒物的浓度大小的影响.
3结论
3.1观测期间,成都市大气PM10污染状况较好,其质量浓度日均值为94μg/m3,好于国家环境空气质量二级标准限值;PM2.5质量浓度日均值为66μg/m3,略低于我国最新公布的环境空气质量标准二级标准限值;PM2.5和PM10日均浓度超标率分别为35.56%和12.79%.
3.2成都市PM2.5、PM10质量浓度均是熊猫基地>草堂寺>丽都花园,即下风向污染状况最严重,商业繁华地段次之,生活居住区最好;颗粒物污染最严重出现在9月17~19日,以及9月5~9日2个时间段,不利的气象因素和污染物累积是造成该时间段大气颗粒物污染加重的主要原因.
3.3PM2.5与PM10质量浓度呈显著相关性,且两者的比值更是高达0.69,表明细粒子对大气颗粒物污染的贡献较大.
3.4气温对颗粒物在大气中的分布没有显著影响;降水以及风速对颗粒物浓度影响较大,主要是对颗粒物的湿清除和促进扩散作用;在一定湿度范围内,高湿度空气容易造成大气颗粒物污染.
3.5能见度与大气颗粒物浓度呈明显负相关,且与PM2.5的相关系数大于与PM10的相关系数,即能见度的好坏受大气颗粒物尤其是细颗粒物浓度大小的影响.
