上海市浦东城区冬季颗粒物数浓度及其谱分布特征

崔虎雄，任小龙，张 华

1.上海市环境监测中心，上海 200030

2.上海市浦东新区环境监测站，上海 200135

空气中的颗粒物是固态、液态等物质的混合体，会随着化学组成和粒径的变化而发生变化;其作为大气污染的主要污染物之一，对人类健康造成了巨大危害。已有研究表明［1-6］，颗粒物粒径越小，对人体危害越大。连续监测气溶胶颗粒物作为研究气溶胶颗粒物的主要手段，而气溶胶颗粒物在大气环境中的行为取决于其粒径大小及其谱分布特征;因此，连续监测大气颗粒物粒径分布等是研究气溶胶污染的基础。

颗粒物的粒径大小是关系到颗粒物在大气中的寿命、传输及对环境和人体健康影响的重要参数。国内已有很多学者开展相关研究。王振海等［7］对兰州大气颗粒物的浓度变化和粒径分布特征研究得出，兰州市大气颗粒物的数浓度水平12月最高，6月最低，且数浓度的日变化呈现单峰特征即数浓度上午11:00最高，下午18:00最低;数浓度粒径谱分布特征呈现单峰变化特征，峰值集中在0.673 μm附近。赵素平等［8-9］对兰州特殊季节、特殊污染条件下的颗粒物数浓度分别进行了研究。黄书华等［10］对北京市夏季高湿条件下颗粒物的数浓度进行分析，得出在高湿度气象条件下，细颗粒物(＜1 μm)的数浓度在整个粒径中所占的比重显著增加，原因主要由于颗粒物吸湿增长造成。张涛等［11］对2008年1月广州颗粒物数浓度污染特征进行研究且对灰霾和非灰霾天气下颗粒物数浓度进行比较分析，得出颗粒物数浓度与大气能见度、相对湿度、风速呈负相关，与PM2.5质量浓度、温度呈正相关。高健等［12］对济南夏季大气颗粒物粒径分布特征及来源机理进行了研究，指出凝结核模态与埃根核模态颗粒物在相对清洁、高温度、低湿度大气环境下浓度较高，可能由于气态前体物在光化学作用下的均相成核作用及异相凝结浓度作用推动造成;500～1 000 nm的颗粒物在清晨达到最高值，可能由于混合层高度对地面污染扩散的抑制造成。尚倩等［13］对南京冬季大气气溶胶粒子谱分布及其对能见度的影响进行研究，数浓度谱呈双峰分布，主峰集中在0.04～0.1 μm，直径小于1 μm的粒子数浓度分布受相对湿度的影响较显著。

上海市已有很多学者对颗粒物数浓度及其谱分布特征开展诸多研究与探索，但大多数研究集中于一些污染案例的研究［14］，对于长时间颗粒物数浓度特征，尤其新空气质量标准发布之后，其数浓度特征研究相对较少。

研究主要采用APS-3321型空气动力学粒径谱仪(美国)对2012年12月至2013年2月期间不同 AQI条件下上海浦东城区粒径为0.5～20 μm大气颗粒物的数浓度和粒径谱特征进行分析，同时结合其他常规气体污染物分析，以加深对上海市不同空气质量等级下大气颗粒物谱分布特征、变化规律及其影响因素的认识，为进一步研究上海市气溶胶来源、物理化学特征等提供数据支撑。

1 实验部分

1.1 数据来源

采样位于浦东中心城区，采样位置距地面约20 m，站点周边主要为住宅区和商业区，是典型的城区监测点。采用APS-3321型空气动力学粒径谱仪连续在线测量大气颗粒物数浓度谱分布。APS-3321型粒径谱仪通过测量在加速气流中不同大小粒子通过检测区域的飞行时间实时地测量粒子的空气动力学直径，测量范围为0.5～20 μm，采样流量为 5 L/min(其中样气流量为1 L/min，鞘气流量为4 L/min)，可同时测量52个粒径通道的颗粒物数浓度，观测中设定采样分辨率为5 min。观测期间还同时观测的因子包括气象因子、常规污染物因子(PM10、PM2.5、CO、O3)，每天24 h连续运行监测，PM10监测设备型号为Thermo 1405，CO 为 API300E，O3为 API400E，PM2.5为Thermo 1405DF;自动监测质控质保措施严格按照相关专业技术规范进行，每周进行一次零点和跨点检查、校准，每2周进行1次精密度检查;PM10、PM2.5切割头每2个月进行1次清洗。

1.2 数据处理方法

研究使用2012年12月至2013年2月共2 064 h数据。空气动力学粒径谱仪直接测得的是颗粒物的数浓度谱，在假设粒子为球形的前提下，利用APS专用软件AIM对每个样本进行计算和分析，得到每个样本的数浓度、数浓度谱分布特征。

2 结果与讨论

2.1 颗粒物数浓度变化特征

为便于研究不同粒径颗粒物数浓度的变化，将0.5～20 μm的颗粒物分为 0.5～1.0、1.0～2.5、2.5 ～20 μm 3个粒径段。

上海市浦东城区0.5～20 μm颗粒物数为360个/cm3，其中 0.5～1.0 μm颗粒物数为 345个/cm3，占颗粒物总数的 95.7%;1.0～2.5 μm颗粒物数为15个/cm3，占颗粒物总数的4.1%;2.5～20.0 μm颗粒物数为0.6个/cm3，占颗粒物总数的0.2%。这说明绝大多数颗粒物数基本处于小于1 μm水平。翟晴飞等［15］观测到石家庄市2010年5月0.5～2.5 μm颗粒物数为554个/cm3，钱凌等［16］观测得到南京郊区春季和冬季颗粒物数为673个/cm3，均高于上海市本次观测结果。

此外，按照上海市环保局公布每日空气质量状况，按 AQI≤50、50 ＜ AQI≤100、100 ＜ AQI≤200、AQI＞200分别对颗粒物的数浓度进行分析，结果如图1所示。由图1可见，当AQI≤50时，颗粒物数浓度仅为65.6个/cm3;当50＜AQI≤100时，颗粒物数浓度增加到242.2个/cm3，比前者增加了2.7倍;当100＜AQI≤200时，颗粒物数浓度增加到526.6个/cm3，比AQI＜50时增加了7倍;当AQI＞200时，颗粒物数浓度达到 852.3个/cm3，比AQI＜50时增加了12倍。可见，随着空气质量的恶化，颗粒物数浓度呈现大幅增加的变化特征。

图1 不同AQI条件下颗粒物数浓度的日分布特征

不同空气质量状况下，不同粒径段的数浓度水平变化特征见表1、表2。结果显示，随着AQI的增加，0.5～1.0 μm的数浓度从61.6个/cm3增加到805.2个/cm3，1.0～2.5 μm的数浓度从3.7个/cm3增加到 45.9个/cm3，2.5 ～20 μm 的数浓度从0.3个/cm3增加到1.2个/cm3;可见，随着空气质量状况的下降，小粒径颗粒物数浓度的增加更为突出。

表1 不同AQI条件下不同粒径范围内颗粒物数浓度变化 个/cm3

表2 不同AQI条件下不同粒径范围内颗粒物数浓度百分比变化 %

2.2 颗粒物数浓度的日变化特征

颗粒物数浓度的日变化也随着AQI的不同而呈现不同的变化特征(图1)。当 AQI≤50时，颗粒物数浓度基本处于50～150个/cm3，一天中数浓度基本随着时间的变化呈现逐步增加的变化特征。当 50＜AQI≤100时，颗粒物数浓度处于200～300个/cm3，夜间0:00时浓度最高，而下午15:00时浓度最低;当100＜AQI≤200时，颗粒物数浓度基本处于400～600个/cm3，且颗粒物数浓度随着时间的增加呈现先逐步上升(0:00—18:00)后迅速下降(18:00—24:00)的变化特征;当AQI＞200时，颗粒物数浓度基本处于800～1 000个/cm3，且在6:00—10:00出现一个高浓度峰值，10:00之后数浓度迅速下降并维持在800个/cm3。由以上得知，由于受到人为污染源排放、气象因素等的综合影响，使得不同AQI条件下的颗粒物数浓度的日变化特征存在较大差异。

2.3 颗粒物数浓度谱的日变化特征

不同空气质量 AQI≤50、50 ＜ AQI≤100、100 ＜AQI≤200、AQI＞200条件下，颗粒物数浓度谱分布均呈现单峰的分布特征，且谱峰均在0.6 μm附近，但数浓度谱的陡峭程度却随着AQI数值的增加而更为陡峭，见图2。

图2 不同AQI条件下颗粒物数浓度谱变化特征

为进一步分析不同空气质量条件对颗粒物数浓度谱的日变化特征影响，选择每天凌晨2:00、上午8:00、中午12:00、下午18:00、傍晚22:00为典型时刻进行分析，结果显示随着空气质量的不同而颗粒物数浓度谱特征也呈现较大差异，见图3。

图3 不同AQI条件下颗粒物数浓度谱的日变化特征

当 AQI≤50时，dN/dlogDp下午、傍晚(18:00、22:00)最高，上午、中午(8:00、12:00)次之，凌晨(2:00)最低;当 50＜AQI≤100时，dN/dlogDp凌晨、上午 (2:00、8:00)最高，傍晚(22:00)次之，中午、下午(12:00、18:00)最低;当100＜AQI≤200时，dN/dlogDp傍晚和上午(18:00、8:00)最高，中午、凌晨(12:00、02:00)次之，下午 (22:00)最低;当 AQI＞200时，dN/dlogDp上午(8:00)最高，凌晨、中午(2:00、12:00)次之，下午、傍晚(18:00、22:00)最低。由上可知，AQI≤50和50＜AQI≤100的颗粒物数浓度出现在高的时刻为傍晚22:00和夜间2:00，说明除了受到污染源排放影响之外，气象条件(尤其逆温层)的变化是造成该特征的主要原因之一;100＜AQI≤200和AQI＞200的最高的颗粒物数浓度出现在晚上18:00和上午8:00，说明早晚上下班高峰对该特征的变化存在显著影响。

2.4 颗粒物数浓度与PM2.5质量浓度关系分析

当空气质量分别为 AQI≤50、50＜AQI≤100、100＜AQI≤200、AQI＞200 时，0.5 ～1.0、1.0 ～2.5、2.5～10 μm的数浓度与PM2.5质量浓度的比值关系不同。空气质量由 AQI≤50变为 50＜AQI≤100 时，N0.5～1.0/PM2.5的数值快速增加，由2 945增加到 4 685，而 N1.0～2.5/PM2.5、N2.5～10/PM2.5却分别由193降低到186和15降低到9，这说明随着空气质量由优转变为良，小颗粒物(N0.5～1.0)对 PM2.5的质量浓度贡献增加;当空气质量由 50＜AQI≤100增加到 AQI＞200时，N1.0～2.5/PM2.5增加幅度最明显，由 186增加到235，增加幅度达26%，而其他2段粒径的比值增加幅度不显著，说明上海市空气质量重污染发生时，PM2.5中1.0～2.5 μm贡献增幅最大，这对于上海市PM2.5污染防治具有重要的意义。

表3 不同AQI条件下不同粒径数浓度与PM2.5质量浓度比值变化

3 结论

上海市浦东城区冬季大气颗粒物数浓度为360个/cm3，其中 0.5～1.0 μm颗粒物数为 345个/cm3，占总颗粒物的 95.7%;1.0～2.5 μm 颗粒物数为 15个/cm3，占颗粒物总数的 4.1%;2.5～20.0 μm颗粒物数为0.6个/cm3，占颗粒物总数的 0.2%。当空气质量为 AQI≤50、50＜AQI≤100、100 ＜ AQI≤200、AQI＞200 时，颗粒物数浓度分别为 77.5、243.2、522.6、868.5 个/m3。随着空气污染的加重，小于2.5 μm颗粒物数浓度增加显著且对总的颗粒物数浓度的贡献也有所增加。不同空气质量条件下，颗粒物数浓度的日变化存在一定差异:AQI≤50颗粒物数浓度随着时间的变化呈现逐步增加的变化特征，50＜AQI≤100颗粒物数浓度随着时间变化却呈现先减小后增加的特征，100＜AQI≤200、AQI＞200 条件下颗粒物数浓度均呈现先增加后减小的变化特征。当AQI≤50变为50＜AQI≤100时，PM2.5质量浓度中0.5～1.0 μm颗粒物数量相对增加，当空气质量由50＜AQI≤100增加到 AQI＞200时，PM2.5中1.0～2.5 μm颗粒物数量随着AQI的增加而大幅增多。

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