锡林浩特国家气候观象台大气颗粒物污染特征

2021-07-17姜其敏姜海梅

河南科技 2021年7期

关键词：沙尘

姜其敏姜海梅

摘要：本文利用在锡林浩特国家气候观象台野外观测场采集的2008年大气颗粒物PM10、PM2.5、PM1.0颗粒物质量浓度和数浓度数据，分析了颗粒物质量浓度和数浓度的时间变化特征及其主要影响因子。研究结果表明：2008年，锡林浩特国家气候观象台PM10、PM2.5、PM1.0的年平均质量浓度分别为27.41、11.75、7.63 μg/m3;PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度的年变化表现为双峰型;不同季节的PM10质量浓度平均值为：春季>秋季>冬季>夏季，PM2.5的季节变化特征与PM10相似，PM1.0质量浓度平均值为：春季>冬季>夏季≈秋季;数浓度分析表明该站大气颗粒物数以积聚模态为主;沙尘是该站大气颗粒物污染的主要来源。

关键词：大气颗粒物;质量浓度;数浓度;沙尘

中图分类号：X831文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）07-0122-03

Characteristics of Atmospheric Particulate Pollution in Xilinhot National Climate Observatory

JIANG Qimin1 JIANG Haimei2

（1.School of Automation， Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210044;2.School of Atmospheric Physics， Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210044）

Abstract： Based on the data of PM10， PM2.5 and PM1.0 in 2008 collected at the field observation station of Xilinhot National Climate Observatory， the temporal variation characteristics and main influencing factors of PM10， PM2.5 and PM1.0 were analyzed. The results show that： in 2008， the annual average concentrations of PM10， PM2.5 and PM1.0 are 27.41、11.75、7.63 μg·m-3 respectively. The annual variations of PM10， PM2.5 and PM1.0 appeared a double peak change. The average concentrations of PM10 in different seasons are in the order of spring > autumn> winter>summer， the seasonal variation of PM2.5 was similar to that of PM10， and the average concentrations of PM1.0 are in the order of spring>winter>summer≈autumn. The number concentration analysis shows that atmospheric particulate matter is mainly in accumulation mode， and dust is the main source of atmospheric particulate matter pollution of this station.

Keywords： atmospheric particulate matter;mass concentration;numerical concentration;dust

大气颗粒物是指以固态或液态形式存在于大气中的颗粒物，按照空气动力学等效直径，可将颗粒物分为可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）和PM1.0。当大气中的颗粒物浓度超过大气循环能力和环境容量承载度时，大气颗粒物浓度就会持续增加，从而形成大气污染事件，对环境、气候和人体健康产生严重的危害。因而，大气颗粒物浓度的监测和相关研究受到了科学界和全社会的广泛关注[1-3]。

近年来，国内外开展了大量关于大气颗粒物PM10、PM2.5、PM1.0污染特征的研究工作[4-12]。但目前，针对大气颗粒物的研究主要集中于我国中东部等城市化程度高、人口密集的地区，而北方干旱/半干旱区的相关研究还较为缺乏。锡林浩特市位于内蒙古自治区中部，与北京直线距离350 km。该地区地处中温带半干旱大陆性气候区，全年降水较少，气候干燥，春季多风沙、扬尘天气，特别是春季的沙尘天气，导致大氣颗粒物浓度急剧增加，对当地的生态环境和人民健康造成了巨大影响。为了深入了解当地的大气污染状况，自2007年起，锡林浩特市国家气候观象台野外观测站开展了大气颗粒物浓度和气溶胶消光特性的连续监测，为大气颗粒物的监测和研究奠定了基础。

本研究以2008年锡林浩特市国家气候观象台野外观测基地的大气颗粒物监测数据资料为基础，分析锡林浩特地区大气颗粒物的污染特征和主要影响因子。

1 研究区域及资料来源

本研究选用的资料来源于锡林浩特市国家气候观象台。该观象台位于锡林浩特市东北方向25 km，占地面积为10 km2。观测站远离市区，周围污染源较少。

本研究应用的数据为2008年1月至12月（其中9月份数据缺失）的GRIMM180颗粒物监测仪监测的PM10、PM2.5、PM1.0质量浓度以及31个粒径范围的颗粒物数浓度。

2 结果分析与讨论

2.1 大气颗粒物的质量浓度

图1是2008年锡林浩特大气颗粒物PM10、PM2.5、PM1.0月平均质量浓度的变化。PM10、PM2.5和PM1.0的月平均质量浓度的变化范围分别为6.50～71.91μg/m3、4.85～22.44 μg/m3和3.89～16.53 μg/m3;PM10和PM2.5的主峰值出现在5月，而PM1.0的主峰值出现在4月;PM10、PM2.5和PM1.0的次峰值均出现在10月，谷值均出现在8月。该地年PM10、PM2.5和PM1.0的平均质量浓度分别为27.41、11.75、7.63 μg/m3，PM10和PM2.5年均浓度均低于国家一级标准限值，空气质量较好。

由观测值班记录可知，2008年共发生沙尘天气10次，其中5月份发生7次，与之对应的是，5月的PM10、PM2.5质量浓度均达到年最大值，这表明锡林浩特市PM10和PM2.5的质量浓度受沙尘天气影响较大。

大气颗粒物PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度季节变化特征如图2所示。从图2可知，PM10质量浓度在春季最高，夏季最低，秋季高于冬季;PM2.5的质量浓度季节变化特征与PM10基本相似，但不同的是，PM2.5质量浓度在秋冬季节相近;PM1.0的质量浓度春季最高，冬季次之，夏秋季节接近。春季PM10、PM2.5的质量浓度最高，主要是由该年频繁发生的沙尘天气引起的;夏季雨水較多，对PM10、PM2.5、PM1.0的清除作用明显，所以夏季粗颗粒物的质量浓度最低;冬季PM1.0质量浓度略高于秋季，可能与当地冬季采暖燃煤排放有关。

根据对该年PM[10]、PM[2.5]和PM[1.0]日平均浓度的逐日变化趋势、地面观测的气象要素和观测日志记录的天气现象的综合分析（图略），发现该站的大气颗粒物浓度与天气状况有密切关系，大风、沙尘暴、扬沙、扬尘天气均会导致大气颗粒物的质量浓度显著增加，而降水天气可以在一定程度上降低大气中颗粒物的质量浓度。在天气晴朗、无大风天气时，大气颗粒物浓度均低于国标规定的一级标准浓度限值。晴天无大风天气，该站的PM[10]、PM[2.5]、PM[1.0]质量浓度可以作为北方半干旱草原地区大气颗粒物研究的浓度参考。

2.2 大气颗粒物的数浓度

表1列出了观测期间四个不同粒径范围的颗粒物数浓度的统计结果。年平均的PM10和PM2.5数浓度分别为1 269 336.5个/L、1 265 580.0个/L，PM2.5数浓度占总颗粒物数浓度的99.69%。

由表1中的数据结果可知，夏季粒径大于2.5 μm的大气颗粒物数浓度和数浓度占总颗粒物数浓度的比值均显著低于其他季节，表明夏季的大气颗粒物以尺度较小的粒子为主。其他3个季节PM2.5的数浓度占比基本相当。

根据不同粒径大小，把气溶胶分为爱根核模态（<0.05 μm）、积聚模态（0.05 ～2 μm）、粗粒子模态（>2 μm）。根据本研究观测到的大气颗粒物的数浓度粒径范围>0.25 μm可知，该站大气颗粒物可简单地分为积聚模态和粗粒子模态。图3中给出了不同季节对积聚模态、粗粒子模态的大气颗粒物数浓度贡献的比例。对积聚模态的贡献大小依次为：春季>冬季>秋季>夏季;对粗粒子模态的贡献大小依次为：春季>冬季>夏季>秋季。

3 结论

本文利用2008年的大气颗粒物浓度监测资料分析了锡林浩特大气颗粒物PM10、PM2.5、PM1.0的质量浓度和数浓度变化特征，并结合气象因子和天气过程探讨了形成原因，得到以下主要结论。

①2008年，锡林浩特国家气候观象台PM10和PM2.5的年平均质量浓度分别为27.4 μg/m3、11.7 μg/m3，低于国家一级标准限值;PM10、PM2.5和PM1.0的质量浓度和天气状况关系密切，大风、沙尘天气使得颗粒物浓度显著增加，沙尘是当地大气颗粒物污染的主要来源。

②PM10、PM2.5、PM1.0质量浓度不同季节之间的变化大致相似，PM10质量浓度季节变化，春季最高，秋季次之，夏季最低，秋季比夏季略高。PM2.5质量浓度的季节变化和PM10的变化特征相似。PM1.0质量浓度的季节平均值大小为春季>冬季>秋季≈夏季。

③夏季粒径大于2.5 μm的大气颗粒物数浓度和数浓度占总颗粒物数浓度的比值均显著低于其他季节，其他3个季节PM2.5的数浓度占比基本相当;锡林浩特大气颗粒物以积聚模态为主，不同季节对积聚模态大气颗粒物数浓度的贡献大小依次为：春季>冬季>秋季>夏季;对粗粒子模态的贡献大小依次为：春季>冬季>夏季>秋季。

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