乌鲁木齐市PM10、PM2.5和PM1.0浓度及分布变化特征

韩茜，魏文寿，刘新春，钟玉婷

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆维吾尔自治区气象局，新疆 乌鲁木齐 830002）

乌鲁木齐市PM10、PM2.5和PM1.0浓度及分布变化特征

韩茜1，魏文寿2，刘新春1，钟玉婷1

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆维吾尔自治区气象局，新疆 乌鲁木齐 830002）

利用GRIMM180气溶胶粒谱分析仪采集乌鲁木齐市PM10、PM2.5和PM1.0数据，研究表明：乌鲁木齐市气溶胶颗粒物质量浓度在进入采暖季后急剧增加，冬季颗粒物中细粒子含量最高，PM2.5/PM10可达77.6%，PM2.5/PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/PM2.5三比值体现了颗粒物的分布特征，四季污染程度越高，细粒子含量越高。四季无降水日PM10、PM2.5、PM1.0的质量浓度和分布的日变化基本呈三峰三谷型，出现早—午—晚峰值，上午—下午—午夜后谷值，各季节峰谷值具体出现时间略有差别，由于冬季逆温层顶盖等因素的影响，冬季质量浓度和分布的日变化在此基础上多了两次波动。降水的发生对冬、春季质量浓度的影响大于夏、秋季，对不同粒径段粒子的分布影响有一定差别。

PM10；PM2.5；PM1.0；日变化；乌鲁木齐市

大气气溶胶颗粒物是造成大气污染的重要污染物质，粒径在0.1～10 μm之间的气溶胶颗粒物存活寿命可达一周，大部分有毒物质都易富集在这一粒径段内，其中犹以粒径位于0.1～2.5 μm的气溶胶吸附有毒有害物质最多[1-4]，对人体健康造成危害最大[5-8]。同时这一粒径段粒子的直径与可见光波长相当，对大气的消光作用较强[9]，易造成大气能见度的下降[10]，在影响城市景观的同时造成辐射强迫对局地气候效应产生一定影响。因此，我国对不同粒径段粒子的浓度和谱分布进行了一定的研究[11，12]。

乌鲁木齐市位于86°37′33″～88°58′24″E,42°45′32″～44°08′00″N，是新疆维吾尔自治区的首府，地处新疆中部的天山北麓，准噶尔盆地南缘，介于北部古尔班通古特沙膜和南部塔克拉玛干沙漠之间，是世界上最远离海洋的城市。由于所处地理位置的特殊[13]，城市大气污染问题一直是困扰乌鲁木齐市的一个大的环境问题[14-18]，而气溶胶污染又是大气污染的一个最重要的方面[19-21]。因此通过研究大气气溶胶的粒子尺度、谱分布对了解大气气溶胶的污染特征和对环境的影响有重要的意义。

1 资料及处理方法

PM10、PM2.5、PM1.0数据由安装在乌鲁木齐市沙漠气象研究所7楼楼顶的Grimm180气溶胶粒谱分析仪测得，Grimm180分31个粒径通道，以激光测量核内光散射原理来连续地观测各通道运动的颗粒物个数，测量粒径范围为0.25～32 μm，仪器每6 s将测量到的31个粒径通道的颗粒物数字浓度记录并存储，同时记录了采样时间和采样流量（1.2L/M），数字处理器将以上数据再乘颗粒物密度就得到了此刻的31个通道的质量分布，最后根据EPA对PM的定义，得到PM10、PM2.5和PM1.0的质量浓度数据，在整个研究时段内，有效数据可达93.5%，将Grimm180所测PM10数据与站点内TEOM400a型大气粒子监测仪所测PM10数据做相关分析，两者表现出极显著的相关性（R=0.948，P＜0.01），因此所选时段数据的有效性和连续性基本可满足要求。

2 不同天气条件下PM 10、PM 2.5和PM 1.0质量浓度日变化特征

采用2009年12月—2010年11月数据,12—2月划分为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，将4个季节有降水发生日和无降水发生日的PM10、PM2.5、PM1.0质量浓度数据分别进行逐时统计，得到三粒径段气溶胶颗粒物质量浓度的日变化图（图1）。由图1可见，四季无降水日和有降水日各粒径段质量浓度差别较大，且日变化也不尽相同，说明降水的发生较大地改变了气溶胶的质量浓度，从而影响了其日变化的特征。

2.1 无降水日PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度日变化特征

由图1可知，在无降水发生时，四季气溶胶质量浓度日变化基本上都有“三峰三谷”的变化特征，如出现于08—09时，13—14时和和晚间22—02时之间的峰值，和出现于凌晨05—06时，11—12时和17—18时的谷值，冬季在此基础之上多了两次波动，分别是发生在凌晨05时和19时的峰值。

早晨08—09时出现峰值，是由于夜间长波辐射冷却效应致使近地层形成的辐射逆温还未完全破坏，该时段正值每日上班前，是交通最为拥塞汽车尾气排放量最大最集中的时段，2009—2010年冬季年平均风速在此时段也维持在较低的水平，故大气污染物不易扩散，形成09时峰值，春秋季也因同样的原因出现早09时的峰值，而夏季日出较早，车流和生产活动等均提前，故各粒径段颗粒物浓度最大值提前于08时出现。

之后，随着气温的升高，辐射逆温逐渐破坏，向上的垂直湍流热量通量逐渐增强，使得颗粒物扩散量增加，各粒径段气溶胶浓度也逐渐减小，致使冬季PM10在10时出现谷值，PM2.5和PM1.0在11时出现谷值，细粒子晚1 h出现谷值是由于汽车尾气排放是PM2.5和PM1.0细颗粒物的一个重要来源，车流在较晚时11时下降到谷值，故引起PM2.5和PM1.0下降滞后于PM10，春夏季这种下降趋势更加明显，考虑是由于春夏季受沙尘气溶胶影响较大，粗粒径粒子所占比例较大，因此也可说明影响此次颗粒物浓度下降的因素主要由辐射逆温破坏引起的扩散稀释的增加所引起的。秋季PM2.5和PM1.0于12时出现谷值，而PM10于13时出现谷值，可见，其它来源粒子对粗颗粒物的贡献要晚于汽车尾气对细颗粒物的贡献。

中午，随着上下班车流量的增多，各粒径段颗粒物浓度均出现增加，秋冬季于14时、春夏季于13时达到峰值，这1 h的差别考虑也是由于作息时间的调整造成的。由于造成此时段颗粒物增加的主要是汽车尾气来源的细粒子，故粗粒子比重较大的春季PM10只略有所增加。

午后由于近地层积聚能量逐渐增多，使得对流增强明显，污染物减少也非常明显，故冬季于17时，春夏秋于18时出现谷值。冬季早于其它季节一小时考虑是由于较弱的太阳辐射和较早出现的辐射逆温所致。至于冬季多出其它季节的19时各粒径段颗粒物浓度的峰值，考虑是由于时差原因，地方时晚于北京时约2 h，其它城市17—18时正是交通最为繁忙的时段，而本地交通运输峰值在该时段还未开始增加，使得各粒径段浓度增加较其它城市延迟了1～2 h，至19—20时达到极大值，19时出现的峰值可单纯认为是由汽车尾气的排放造成。而相应的21时谷值同样可认为是由于尾气排放减少所致。

傍晚，随着地面接收能量不断减少，近地面气温逐渐下降，夜间近地层辐射逆温逐渐形成，污染物的扩散稀释受到制约，恰逢此时下班高峰，车流量增大，尾气排放大幅增加。冬季夜间逆温层结的进一步加强和夜间燃煤污染物排放的增多，使得21时以后，大气颗粒物浓度持续增大，至0时出现极大值；春季PM2.5和PM1.0于夜间0时达到极值，而PM10晚2 h才达到极值，这一变化特征也体现了春季颗粒物构成的特色，由于午夜过后车流已大幅减少，故细粒子颗粒物在0时达到极值，但由于构成PM10的颗粒物来源较广，如沙尘粒子和燃煤排放污染物的影响，所以PM10变化晚于细粒径颗粒物的极值2 h出现；夏季各粒径段颗粒物于凌晨2时达到峰值。秋季夜间峰值较其它3个季节出现的时间都要早，PM2.5和PM1.0于22时达到极值，PM10于23时达到极值。

午夜后，由于车流及人类生产活动减少，污染物来源上减少，使得四季各粒径段颗粒物均在凌晨05—06时出现谷值，而冬季05时出现的浓度峰值，原因未明，可能是由于工厂偷排引起。其它季节除秋季谷值出现于05时外，其它季节均于06时出现谷值。之后，随着新的一天的到来，辐射逆温瓦解，污染物浓度又逐渐增加。

2.2 有降水日PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度日变化特征

由图1可见，在有降水发生日期的日平均变化特征反映了受降水的影响，日变化特征的改变状况，冬、春季降水的发生对颗粒物日变化特征的影响较大（图1a、b），而对夏、秋季颗粒物日变化特征影响较小（由图1c、d）。由于冬、春季降水形态主要为固体降雪，夏、秋季降水形态主要为液态降雨，因此可以认为降雪对气溶胶颗粒物清除机制比降雨复杂。

3 乌鲁木齐市PM 10、PM 2.5、PM 1.0的分布特征

3.1 乌鲁木齐市PM10、PM2.5、PM1.0的季节分布特征

PM10、PM2.5、PM1.0的分布特征可大致反映粗细粒子的分布特征，从而进一步可反映出对应时间的污染特征。PM2.5/PM10反映了细粒子占可吸入颗粒物的比例，从而也可反映粗粒子所占的份额，沙尘天气较多的季节该值就比较低；PM1.0/PM10反映了亚微米级颗粒物占可吸入颗粒物的比例，PM1.0包含于PM2.5，单独分析PM1.0占PM10的份额是为了更细化细粒子在可吸入颗粒物中的占据份额；PM1.0/PM2.5反映了细粒子颗粒物的分配比例。

由图2可见，PM2.5/PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/ PM2.5三值有相似的变化趋势，其值大小均为冬季＞秋季＞春季＞夏季，夏季雨水较多，细粒子上多富集亲水性的化学物质，更易被雨水冲洗，随降水的频率增加，细粒子季节平均浓度降低，而粗颗粒物由于多为不溶于水的沙尘粒子，所以湿沉降效应不如细粒子明显，故夏季出现PM2.5/PM10，PM1.0/PM10的最低值，其中夏季PM2.5/PM10值大于PM1.0/PM10值0.137，大于其它季节两值的差距，而且，夏季PM1.0/ PM2.5值也是所有季节中的最低值，可见，夏季小于2.5 μm的颗粒物中0.25～1 μm粒径段颗粒物的湿沉降率要大于1～2.5 μm粒径段颗粒物，也可以说明亚微米级颗粒物更易被降水清除。

冬季大气层结稳定，整个冬季都笼罩在深厚的逆温层中，即使白天天气状况良好，逆温层顶盖也未消失，故大气颗粒物不易扩散稀释，尤其是冬季工业排放、取暖燃煤和汽车尾汽排放等产生的细粒子颗粒物未能及时扩散出研究区，使细粒子比例大大增加，达到四季中的最大值。冬季PM2.5/PM10和PM1.0/PM10的差值最小，PM1.0/PM2.5的值也是四季中的最大值，充分说明冬季细颗粒物来源较多，但不能得到较好的清除，冬季降水少于夏季，且冬季降水多为固体形态，其对0.25～1 μm粒径段粒子的湿清除作用明显小于降雨。从而使得亚微米级颗粒物含量占到PM2.5的86.6%。

春秋两季有类似的特征，两个季节均包含采暖期与非采暖期，大气层结稳定度也均处于过渡期，秋季相应三比值均高于春季，说明秋季细粒子含量明显大于春季，反之说明，春季粗粒子含量明显大于秋季，这是由于春季研究区受到沙尘天气的影响，大气中粒径较粗的沙尘粒子含量增多，使得PM2.5/PM10的比例下降。秋季PM2.5/PM10和PM1.0/PM10的差值小于春季，且PM1.0/PM2.5的值为秋季大于春季，可见春季降水对0.25～1 μm粒径段粒子的湿清除作用大于秋季。

3.2 不同天气条件下乌鲁木齐市PM10、PM2.5、PM1.0的日变化特征

将四个季节无降水发生的和有降水发生日的PM2.5/PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/PM2.5三比值分别进行逐时平均，PM2.5/PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/ PM2.5三比值反映了PM10、PM2.5、PM1.0的分布特征（图3）。

3.2.1 无降水日乌鲁木齐市PM10、PM2.5、PM1.0的日变化特征

无降水日，四季PM2.5/PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/PM2.5日变化特征与PM10、PM2.5、PM1.0日变化特征有一定类似。有明显的早—午—晚峰值，和上午—下午—午夜后谷值。但不同季节具体出现时间有所差别。

清晨，正值每日上班前，是交通最为拥塞汽车尾气排放量最大最集中的时期，大量的细颗粒物被排放进入大气环境。冬季，由于夜间长波辐射冷却效应致使近地层形成深厚的辐射逆温，致使于09时出现各粒径段气溶胶浓度的明显峰值，3个比值也于09时出现相应峰值，说明细粒子在此时段增加辐度最大，也体现了汽车尾气在此时段对大气颗粒物的贡献。其它季节，三比值清晨峰值出现时间均早于颗粒物浓度出现时间2 h，即春、秋季07时，夏季06时，可见，春、夏和秋三季由于清晨辐射逆温消散较早，致使细粒子在逆温消散之前增加辐度较快，后期逆温消散之后细粒子的累积效应就不如粗粒子，因此会出现三比值峰值提前于浓度峰值的情况（图3）。

上午，随着气温的升高，辐射逆温逐渐破坏，向上的垂直湍流热量通量逐渐增强，使得颗粒物扩散增强，各粒径段气溶胶浓度呈下降趋势，加之此时段汽车尾气排放量的减少，对细粒子贡献减少，三比值也逐渐下降。其中，冬季三比值的谷值于浓度谷值出现的11时出现；春、秋季三比值谷值早于浓度谷值1～2 h出现，即春季于09时，秋季于11时，这与清晨三比值的峰值提前于浓度峰值出现相一致，体现了此时段春、秋季扩散条件介于冬季和夏季的中间水平，春、秋季扩散条件对细粒子的减少作用较弱，因此此时段扩散条件达到最强之前三比值谷值就已经出现。夏季三比值的谷值晚于颗粒物浓度谷值之后1 h，即12时出现，说明夏季扩散条件对细粒子的减少作用较大。所以，在浓度谷值之后一小时后才出现三比值的谷值。春、夏和秋三季，此时段PM2.5/ PM10，PM1.0/PM10比值明显下降的过程中，PM1.0/ PM2.5比值基本处于稳定不变或微弱下降的状态，可见此时段时细粒子含量比较稳定，细粒子的贡献来源比较单一。

中午，由于车流再次增加，尾气排放增多，使得细粒子含量快速攀升，除冬季三比值峰值出现时间与浓度峰值出现时间一致外，即09时，其它三个季节均晚于峰值出现时间1 h，即秋季于15时，春、夏季于14时，体现了这三个季节在此时段尾气排放增加对细粒子的贡献起主导作用。

午后，由于太阳辐射对近地面层的加热效应，使得大气不稳定度加强，四季气溶胶颗粒物扩散增强，加之尾气排放减少，故颗粒物浓度也相应减小，三比值也于17—18时出现谷值。其中，冬、秋季三比值的谷值与浓度谷值相一致，春、夏季三比值谷值早于浓度谷值。可以认为春、夏季此时段尾气排放减少对细粒子含量减少贡献较大。

傍晚过后，由于地面接收能量不断减少，近地面气温逐渐下降，夜间近地层辐射逆温逐渐形成，污染物的扩散稀释受到制约，恰逢此时下班高峰，车流量增大，尾气排放大幅增加，致使各粒径段浓度出现峰值，细粒子增加较为明显，冬、春季均于19时出现峰值，这与尾气排放关系密切，但冬季19时过后三比值又出现下降，至22时又出现三比值的峰值，可认为冬季深厚的逆温层结和大量的取暖排放对细粒子的增加贡献较大，形成这一峰值。夏季于22时，秋季于21时出现三比值的峰值，也可以认为是由于该时段车流的增加引起尾气排放增多而出现的。其时间上晚于冬、春季，认为可能是由于这两个季节辐射逆温形成时间较晚，且车流峰值出现时间也较晚的缘故。

午夜后，由于车流及生产活动减少，污染物来源减少，使得4个季节三比值在0—03时出现谷值。具体不同季节出现谷值时间不同可能与污染排放情况有关。其中冬季于02时出现峰值，可能与夜间采暖排放有关，之后相应出现的05时的谷值也与污染物排放减少有关。之后随着新的一天的到来，三比值又随污染物排放的增加而逐渐增加。

3.2.2 有降水日乌鲁木齐市PM10、PM2.5、PM1.0的日分布特征

由图3可见，冬、春和秋季无降水日和有降水日PM2.5/PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/PM2.5三比值差别较小，而夏季有降水日三比值明显小于无降水日，说明夏季降雨对细粒子的的清除作用要大于粗粒子。比较不同季节无降水日和有降水日PM2.5/ PM10，PM1.0/PM10，PM1.0/PM2.5三比值小时平均值的日变化特征发现，三比值的日变化特征也有较大差别，说明降水对PM10、PM2.5、PM1.0分布的日变化特征有较大影响，也说明降水对不同粒径段粒子的清除的作用是不同的。

4 结论

（1）乌鲁木齐市各季节无降水日PM10、PM2.5、PM1.0的质量浓度和分布的日变化基本呈三峰三谷型的变化特征，为早—午—晚峰值，上午—下午—午夜后谷值，不同季节峰谷值出现又有一定的差别，其中冬季在三峰三谷的基础上又多了两次波动。降水的发生对气溶胶清除机制冬、春季比夏、秋季复杂，对不同粒径段的清除也不相同。

（2）乌鲁木齐PM2.5/PM10，PM1.0/PM10和PM1.0/ PM2.5三比值大小均为冬季＞秋季＞春季＞夏季，夏季雨水较多，出现PM2.5/PM10，PM1.0/PM10的最低值，且亚微米级颗粒物更易被降水清降。冬季固态降水对细粒子的清除作用明显不如降雨，春秋两季包括采暖期与非采暖期，春季由于沙尘天气影响，三比值均小于秋季，而且春季降水对0.25～1 μm粒径段粒子的湿清除作用大于秋季。

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Characteristic of the Concentration and Distribution of PM10，PM2.5 and PM1.0 in Urumqi

HAN Xi1，WEI Wenshou2，LIU Xinchun1，ZHONG Yuting1
（1.Institute of Desert Meteorology，CMA，Urumqi 830002，China；2.Xinjiang Uygur Autonomous Region Bureau of Meteorology，Urumqi 830002，China）

Through the analysis of GRIMM180 gathered PM10,PM2.5 and PM1.0 in Urumqi,the result showed:the aerosol mass concentration in Urumqi rapidly increased after the heating season beginning,the content of fine particles is the highest,PM2.5/PM10 can reach 77.6%,PM2.5/PM10, PM1.0/PM10,PM1.0/PM2.5 represent the particle distribution,the more serious the pollution was, the higher the content of fine particles was in four seasons.In the non precipatation day,the diurnal variation curves of mass concentration and distribution of PM10,PM2.5 and PM1.0 basically show the pattern of“3 peak-3 valley”in four seasons,the peak value appeared at“morning-noonevening”,and the valley values occurred at“after morning-afternoon-after midnight”.Due to the influences of temperature inversion and other factors in the winter,the mass concentration and distribution showed another two“peak-valley”based on the“3 peak-3 valley”pattern.The occurrence of precipation had greater influences on the particulate matter mass concentration in winter and spring than that in summer and autumn,and had different influences on the distribution of different diameter particles.

PM10；PM2.5；PM1.0；diurnal variation；Urumqi

X16

A

1002-0799（2015）01-0032-07

韩茜，魏文寿，刘新春，等.乌鲁木齐市PM10、PM2.5和PM1.0浓度及分布变化特征[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（1）：32-38.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.006

2014-12-05；

2015-01-01

公益性科研院所基本科研业务费专项项目（IDM201205）和中国沙漠气象科学研究基金项目（Sqj2012009）共同资助。

韩茜（1983-），女，助理研究员，主要从事城市气溶胶污染方面的研究。E-mail：hanxi1105@163.com