2012年库尔勒市PM10质量浓度的变化特征分析

赵克蕾 ，何 清 ，钟玉婷 ，黄秋霞

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆树木年轮生态实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点实验室，新疆 乌鲁木齐830002；2.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，新疆 塔中841000；3.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐830046）

大气颗粒物是影响全球气候变化、人体健康和大气能见度的重要污染物[1-2]。颗粒物因其粒径小，比表面积大，是大气化学反应的良好载体。近几年，由大气颗粒物引起的人体健康问题与能见度恶化事件越来越多，加上我国东部灰霾天气的大范围出现，使科学界、政府部门和社会公众对引发这些问题的罪魁祸首——颗粒物开始高度关注。

可吸入颗粒物（PM10）是指空气中空气动力学当量直径小于等于10 μm的颗粒物[3]。PM10的来源主要包括燃煤烟尘、工业生产、建筑施工、汽车尾气以及地面扬尘等[4]。PM10的危害主要是对人体健康、气候变化和大气环境的影响[5]。PM10因其粒径细小，不容易被呼吸道阻挡，能够随着人体呼吸进入上呼吸道，可以直接进入人的肺部并存留在肺的深处，不易被排出体外，对人体健康威胁非常大[6]。长期停留在环境中的PM10，会造成大气长期性的污染，使大气能见度降低[7]，同时也可以通过吸收和散射太阳辐射而影响气候的变化[8]。

库尔勒市坐落于欧亚大陆和新疆腹心地带，是新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州的首府，位于塔里木盆地东北边缘，北倚天山支脉库鲁克山和霍拉山，南临世界第二大沙漠——塔克拉玛干沙漠，是南疆盆地的风口之一，常年气候干燥，降水稀少，春季沙尘天气频繁出现。库尔勒市是新疆自治区政府实施“北乌南库”发展的对象城市，是进出南疆的要塞，也是西北地区唯一的一座全国十大文明城市，大气环境质量极大地影响着当地的经济发展及人民生活质量。

目前，PM10对人体健康及大气环境的危害已经受到了公众极大的重视，关于PM10的研究也越来越多。国外及国内沿海城市大气气溶胶PM10的浓度、组分分析及其对人体健康的影响等方面的研究非常多[9-18]；北疆部分地区也有许多关于PM10的浓度及时空分布的研究[19-24]；而关于南疆地区的研究主要体现在对城市空气污染物、空气质量分析与预报及沙尘天气对人体的影响等方面[25-28]，其中对南疆地区PM10的质量浓度分布及组分分析的研究文献鲜见。我国大气污染不同于国外的一个很突出的特点就是大气颗粒物质量浓度比较大，不同地区大气颗粒物的浓度、化学组成和粒径不同[29]。为了更好地反映库尔勒市的空气质量及可吸入颗粒物PM10的污染现状，本文利用ThermoRP1400a型自动监测仪对库尔勒市的PM10进行在线连续观测研究，对PM10的污染状况和质量浓度变化特征进行分析。

1 观测仪器与资料

本实验采用美国生产的ThermoRP1400a型PM10自动监测仪观测大气中的气溶胶粒子。观测点为库尔勒气象局（38°58′N，83°39′E，海拔 1 090 m）。

本实验选择观测时间为：从2011年11月15日开始，到2012年11月30日结束，其中2012年7月19日—8月15日，10月7—9日，11月5—6日，由于观测仪器出现故障，造成数据缺失，其余观测时段都是连续的。PM10选择每5 min观测一次，对于观测数据首先求得每小时和每日的平均浓度，最后得到月平均值。

2 结果与讨论

2.1 采暖期和非采暖期的PM10浓度日变化

库尔勒市冬季采暖期为5个月，从当年11月1日到次年3月31日，其余时间为非采暖期。选取2011年11月15日—2012年10月31日的监测数据，对采暖期和非采暖期的PM10浓度日变化进行分析。

由图1可以看出，库尔勒市非采暖期大气中PM10日平均浓度远远高于采暖期的浓度，这与一般北方城市大气中PM10浓度分布存在差异，北方大多数城市的污染物变化表现为采暖期浓度高于非采暖期浓度[30]。造成这一差异的主要原因是库尔勒位于塔克拉玛干沙漠边缘，气候干燥，春夏季风沙较大，扬尘天气频繁发生，尤其春季是沙尘暴的高发期；而冬季采暖期由于气温较低，风速小，不易发生沙尘天气，冬季供暖对PM10质量浓度有一定影响，但效果不明显[31]，因此导致库尔勒市PM10浓度日变化表现为非采暖期高于采暖期。由此可得出，非采暖期PM10质量浓度主要由春季的沙尘天气过程贡献，而采暖期PM10质量浓度变化主要受冬季供暖燃煤影响。

图1 库尔勒市采暖期和非采暖期PM10浓度日变化

从整体上看，受气象条件与人类活动的影响，不管是采暖期还是非采暖期，库尔勒市PM10浓度日变化均表现为明显的双峰型，且出现峰值和谷值的时间基本接近。以采暖期为例对PM10质量浓度日变化进行分析：PM10质量浓度在10:00（北京时间，下同）左右出现峰值，浓度为244.6 μg·m-3。这一时段处于上班高峰期，高峰期车流量大，汽车尾气的排放及扬尘造成PM10浓度大[32]，另外，清晨日出前后大气边界层稳定，易产生逆温，不利于污染物扩散，使得污染物不断积累。之后，PM10浓度开始降低，在15:00左右达到谷值，浓度为 141.0 μg·m-3，在这个时间段近地面层温度逐渐升高，湍流变强，同时近地面平均风速较大，对流比较充分，有利于污染物的扩散与迁移[33]。15:00以后，太阳辐射减弱，地面温度下降，混合层降低，污染物停留在很小的空间内，随着下班高峰期的到来，车流量增加，污染物排放量增大，使得PM10的浓度再次上升，在21:00左右达到次大值，浓度为230.0 μg·m-3。随着夜间人类活动逐渐减少，污染物排放少，PM10浓度逐渐降低，到次日05:00左右达到最小值，浓度为 134.7 μg·m-3。

2.2 PM10浓度周变化特征

选取2011年11月14日—2012年11月18日的观测数据，对PM10周浓度变化特征进行分析。

有研究表明，全球很多站点的天气要素（如最高、最低气温、气温日较差等）在周中和周末存在明显的差别[34]。大气气溶胶质量浓度、污染物质量浓度、降水和气温等要素的这种周循环被称为周末效应[35]。由图2可知，库尔勒市PM10浓度的周平均变化并没有表现出明显的“周末效应”，但是存在明显的周内变化，星期一出现最大值 274.8 μg·m-3，星期三出现最小值196.7 μg·m-3。从整体上来看，星期二至星期日浓度水平相差不多。这与黄鹤等[10]观察到的天津市的PM10浓度星期五最大，星期一最低，星期二次之的结果；魏玉香等[9]关于南京市PM10星期一到星期三质量浓度高（星期二最高），星期四到星期日质量浓度低（星期六最低，星期日次之）的结论；Jin等[36]观察到的美国纽约地区夏季气溶胶光学厚度星期三最高，周末最低的结果均不相同。笔者认为，导致这种现象的原因可能与城市所处的地理位置及观测站的位置有关，但具体原因有待进一步的研究。

图2 库尔勒市PM10浓度周变化

2.3 PM10浓度年变化特征

如图3所示，将各月份的月平均浓度与环境空气质量标准二级标准的月平均浓度限值进行比较，除7月以外，其他月份的月平均浓度均超出了二级标准。其中4月达到了最高值，浓度为562.1 μg·m-3，是二级标准的4.68倍，主要是因为库尔勒市处在沙漠边缘，4月是沙尘暴的高发期，库尔勒市受沙尘天气的影响，城市大气中PM10浓度上升至最高；7月的月平均浓度最低，为 107.4 μg·m-3，由于夏季降水增多，降水对大气中的PM10具有清除作用，另外在7月大气对流强烈，湍流较强，污染物易于扩散。之后PM10浓度逐渐升高，在11月出现次大值，浓度为219.9 μg·m-3，主要是由于库尔勒从11月开始进入采暖期，燃煤量增大，排放的颗粒物等污染物增多，并且在这一时期大气层结构稳定，空气对流较弱，易出现逆温，PM10难以迅速扩散和迁移，导致浓度升高。

图3 库尔勒市PM10浓度的年内变化

2.4 PM10浓度季节变化特征

库尔勒的自然天气季节划分为：3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月—次年2月为冬季。选取2011年12月1日—2012年11月30日的观测数据，对PM10季节浓度变化特征进行分析。

库尔勒市PM10的季平均浓度分别为：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季节浓度春季较高，夏季较低，总体特征为：春季>秋季>冬季>夏季，均值都超过国家二级标准季浓度 110 μg·m-3。

由图4可以看出，春季PM10浓度明显高于其他3个季节。由于春季气候干燥，降水少，大气层结稳定，逆温次数较多，并且库尔勒春季风沙发生频率高，扬沙、浮尘天数多，导致春季PM10浓度远远高于其他季节；夏季气温较高，大气对流活动旺盛，污染物可以迅速扩散、迁移，且夏季降水量增多，对空气中的PM10有明显的清除作用，所以夏季在季节变化中浓度最低；秋季昼夜温差较大，大气层结稳定，对流活动变弱，易发生逆温，不利于PM10的扩散，另外，在秋末开始进入采暖期，燃煤供暖增加了PM10质量浓度。冬季虽然处于采暖期，但冬季温度低，平均风速小，不易发生沙尘天气[37]，燃煤供暖对PM10浓度的贡献不如风沙的贡献大，所以冬季的PM10质量浓度远低于春季。

图4 库尔勒市PM10浓度季节变化

2.5 典型天气过程的PM10浓度日变化特征

为了研究典型天气过程的PM10浓度的日变化规律，本文选择2012年1月28—31日降雪天气和4月22—29日沙尘天气分别作为冬季和春季两个不同季节的典型天气过程，分别对这两个过程中PM10质量浓度的变化进行分析。

2.5.1 降雪天气过程PM10质量浓度变化

1月29、30日分别有0.1 mm和0.6 mm的降雪，如图5所示，PM10质量浓度在29日由12:00之前的 410.6 μg·m-3迅速降低至 102.5 μg·m-3，这与降雪的记录时间相吻合，降雪出现在12:00—13:00；30日再次出现了降雪，PM10质量浓度在降雪后也有降低，但是幅度较小；从28—31日整个过程来看，自29日降雪后，PM10质量浓度比降雪前明显降低了，并且一直持续到31日，浓度基本维持在相对较低的水平。降雪过程开始后大气中的PM10随着降雪沉降到地面，从而使得大气中PM10的浓度逐渐降低，这说明降雪对PM10具有明显的清除作用，这与李瑞等[38-40]学者的研究结果一致。此外，降水不仅对大气颗粒物的质量浓度有清除作用，对离子组分和元素组分也有显著的清除作用，这方面的内容有待进一步的研究。

图5 2012年1月28—31日降雪天气前后PM10逐时平均浓度变化

2.5.2 沙尘天气过程PM10质量浓度变化

从图6中PM10的质量浓度变化可以反映出沙尘天气的过程和强度。库尔勒市在4月22日开始出现大风天气，在22日06:00，风速达到了5.5 m/s，PM10浓度为 159.6 μg·m-3；在 13:00 左右能见度开始降低，出现浮尘天气；到23日03:00 PM10浓度迅速增加到 06:00 的 7 353.1μg·m-3，是 03:00 PM10浓度173.2μg·m-3的43倍，出现了严重的扬沙天气；到14:00 PM10浓度为 5 075.8 μg·m-3，能见度仅为 500 m；24—28日风速相对减弱，但由于扬沙天气持续，导致大气颗粒物不断积累，PM10浓度一直维持在高值；从28日凌晨过后，PM10浓度逐渐下降，到29日PM10质量浓度基本下降到常规水平。这说明沙尘天气有使PM10质量浓度迅速增加的作用，这与刘新春[31]、岳平[41]等学者的研究结论相同。

图6 2012年4月22—29日沙尘天气前后PM10逐时平均浓度变化

3 结论

利用库尔勒市PM10自动监测仪观测数据，分析了PM10质量浓度的变化特征，客观评价了库尔勒市的大气环境中PM10的污染状况，得出以下结论：

（1）由于气象条件与人类活动的影响，PM10浓度日变化表现为明显的双峰型。采暖期在10:00出现峰值，浓度为 244.6 μg·m-3。在 15:00 左右达到谷值，浓度为 141.0 μg·m-3。在 21:00 出现次大值，浓度为 230.0 μg·m-3。

（2）PM10质量浓度存在明显的周内变化，星期一出现最大值274.8 μg·m-3，星期三出现最小值196.7 μg·m-3，整体上来看，星期二至星期日 PM10质量浓度水平相差不多。

（3）PM10最高月浓度出现在4月，浓度为562.1 μg·m-3；7 月达到最低浓度 107.4 μg·m-3；11 月达到次大值 219.9 μg·m-3。

（4）春季PM10浓度较高，夏季较低，总体特征为：春季>秋季>冬季>夏季，四季的平均浓度都超过了国家二级标准。

（5）降雪过程对PM10具有明显的清除作用，而沙尘天气有使PM10质量浓度迅速增加的作用。

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