仁化县气溶胶浓度特征分析

杨万春，付炳秀，邹韶芳

(1.韶关市曲江区气象局，广东 韶关 512100；2.广东省仁化县气象局，广东 仁化 512300)

1 引言

大气气溶胶是由大气介质和混合于其中的固体或液体颗粒物组成的体系[1,2]。气溶胶颗粒物粒径在0.1～10 μm之间，存活寿命可达7 d，大部分有毒物质都集中于此粒径段内，尤其0.1～2.5 μm的气溶胶吸附的有毒物质最多，对人体造成的健康危害最大[3～8]。近年来，国内的许多学者在气溶胶与气象要素关系方面取得不少研究成果: 其中冀翠华等[9]、唐宜西等[10]、马珊珊等[11]、倪超等[12]、李杨等[13]研究表明，大气污染物质量浓度与气象条件存在着紧密联系，高污染时期往往具有不利污染物扩散的气象条件。邱玉珺等研究表明气象条件对PM10的影响大于下垫面条件的影响，气象因素是影响PM10的主要因素[14]。孟昭阳等、姚青等研究表明气象条件也是影响PM2.5质量浓度水平的重要因素之一，对气溶胶质量浓度作用显著[15，16]，杨春雪等研究表明内陆地区细颗粒物污染严重，这可能与特殊的地理位置和气象条件有关[17]。王开燕等、谢松元等分析发现对气溶胶质量浓度超标日或典型日与当时气象特征和天气形势也有相关[18,19]。罗燕等研究发现气溶胶浓度与气象要素的关系存在地域差异性[20]。

仁化县地处中亚热带南沿，为亚热带季风气候，受自然地理环境、太阳辐射和季风的影响，形成气候温和、四季分明、雨量集中的基本气候特征。仁化县国家气象观测站位于仁化县中部地区，该站点地处郊区，周边为丘陵地貌，无强排放源。该站对仁化县未来大气成分的变化起着早期预警和监测作用。

本文利用仁化县国家气象观测站的气溶胶和相关气象要素观测数据，分析了仁化县气溶胶(PM2.5、PM10)四季平均浓度特征和日变化及其与本站气压、气温、降雨量、水汽压、相对湿度、平均风速和最小能见度的相关性，以便揭示该地区大气成分浓度现状和变化规律，为研究气候和环境变化奠定基础。

2 研究资料及方法

2.1 观测仪器

按照大气成分观测规范，气溶胶(PM2.5、PM10，下同)环境颗粒物分析仪采用安徽蓝盾的LGH-01E和LGH-01B仪器，仪器安装在仁化县国家气象观测站环境监测方舱内，进气管使用不锈钢管，垂直伸到屋顶之上，四周开阔无遮挡物，无其他干扰。

2.2 资料与方法

利用仁化县国家气象观测站2020年1月1日到12月31日逐1 h气溶胶平均浓度值资料，分析其四季平均浓度特征和日变化特征；利用气溶胶平均浓度值资料与本站气压、气温、降雨量、水汽压、相对湿度、平均风速和最小能见度等资料，运用常规统计方法，分析逐时PM2.5、PM10与气象要素的相关关系。

根据仁化县气候及农业生产特点，将3～5月份划分为春季，6～8月份为夏季，9～11月份为秋季，12月份～次年2月份为冬季(本文仅用1年的资料，故将当年1～2月份和当年12月份合为冬季时间段)。统计四季仁化县国家气象观测站气溶胶浓度和日变化特征及其与气象要素的关系。

3 结果与分析

3.1 四季平均气溶胶浓度特征

由表1可知，就四季平均而言，仁化县国家气象观测站气溶胶浓度随颗粒物粒径的减小而减小(PM10>PM2.5)。从年平均浓度看，PM10浓度为44.5 μg/m3，PM2.5浓度为22.0 μg/m3，PM10是PM2.5的约2倍。就各季而言，PM10浓度在40.2～50.4 μg/m3，PM2.5浓度在15.3～27.4 μg/m3，两者都表现为冬季>春季>秋季>夏季，其中春、秋季浓度相差较小。

表1 仁化县国家气象观测站气溶胶四季平均值浓度 μg/m3

进一步分析可知，各粒径的气溶胶浓度在冬季最高，其次是春季和秋季，这主要是由于秋冬季和初春属于非汛期，降雨量较少，并且冬季气温低，逆温层较强较厚，不利于气溶胶颗粒的扩散以及沉降，造成PM10、PM2.5气溶胶浓度较高。夏季PM10、PM2.5气溶胶浓度较低，则是因为大气垂直扩散强、植被相对茂盛、降雨多、对流强，对颗粒物的吸附、净化等作用明显，对大气颗粒物有清除作用。

3.2 气溶胶浓度日变化特征

3.2.1 冬季

由图1可知，冬季气溶胶PM10浓度在41.4～71.5 μg/m3范围内变化(相差30.1 μg/m3)，最小值出现在15：00，最大值出现在20：00；气溶胶PM2.5浓度在22.1～42.4 μg/m3范围内变化(相差20.3 μg/m3)，最小值出现在16：00，比PM10滞后1 h；最大值出现在20：00，与PM10为同一时次。由此可见，PM10和PM2.5日变化总体都呈单峰型变化，20:00达浓度峰值，15:00到16:00达浓度谷值；相比于PM10，总体来看PM2.5日变化相对较平稳。

图1 冬季仁化国家气象观测站PM2.5和PM10浓度冬季日变化曲线

3.2.2 春季

由图2可知，春季气溶胶PM10浓度在40.2～71.7 μg/m3范围内变化(相差31.5 μg/m3)，最小值出现在15：00，最大值出现在23：00，整体呈多峰型波动变化；气溶胶PM2.5浓度在18.5～28.1 μg/m3范围内变化(相差9.6 μg/m3)，最小值出现在5：00，比PM10早10 h；最大值出现在21：00，比PM10早2 h；一天中都呈平缓的弱波动变化。由此可见，PM10呈多峰型波动变化，23:00达浓度峰值，15:00达浓度谷值；PM2.5日变化平稳，21:00达浓度峰值，5:00达浓度谷值。

图2 春季仁化国家气象观测站PM2.5和PM10浓度冬季日变化曲线

3.2.3 夏季

由图3可知，夏季气溶胶PM10浓度在35.7～49.9 μg/m3范围内变化(相差14.2 μg/m3)，最小值出现在16:00到17：00，最大值出现在12：00，整体呈多峰型波动变化；气溶胶PM2.5浓度在12.4～18.3 μg/m3范围内变化(相差5.9 μg/m3)，最小值出现在8：00，比PM10早8 h；最大值出现在11：00和22:00，前者比PM10早1 h，后者比PM10晚10 h，一天中都呈平缓的弱波动变化。由此可见，PM10呈多峰型波动变化，12:00达浓度峰值，16:00到17:00达谷值；PM2.5日变化平稳，11：00和22:00分别达浓度峰值，8:00达谷值。

图3 夏季仁化国家气象观测站PM2.5和PM10浓度夏季日变化曲线

3.2.4 秋季

由图4可知，秋季气溶胶PM10浓度在37.3～49.1 μg/m3范围内变化(相差11.8 μg/m3)，最小值出现在8:00，最大值出现在22：00，整体呈多峰型波动变化；气溶胶PM2.5浓度在14.4～24 μg/m3范围内变化(相差9.6 μg/m3)，最小值出现在7：00，比PM10早1h；最大值出现在22:00，与PM10为同一时次；一天中浓度多峰型弱波动变化。由此可见，PM10和PM2.5都呈多峰型波动变化，PM2.5日变化较平稳，都是22:00达浓度峰值，7:00到8:00达浓度谷值。

图4 秋季仁化国家气象观测站PM2.5和PM10

3.3 气溶胶浓度与气象要素相关性分析

3.3.1 PM2.5与气象要素

由表2可知，冬季PM2.5浓度与本站气压、降雨量、相对湿度、平均风速、最小能见度呈显著的负相关，其中与最小能见度的负相关最强；与气温和水汽压呈显著正相关，其中与气温的正相关最强。春季PM2.5浓度与本站气压、降雨量、相对湿度呈显著的负相关，其中与相对湿度的负相关最强；与气温、水汽压、最小能见度呈显著正相关，其中与气温的正相关最强。夏季PM2.5浓度与本站气压、降雨量、相对湿度呈显著的负相关，其中与本站气压的负相关最强；与气温呈显著正相关。秋季PM2.5浓度与本站气压、相对湿度、最小能见度呈显著的负相关，其中与最小能见度的负相关最强；与气温、水汽压呈显著正相关，其中与气温的正相关最强。

表2 仁化县国家气象观测站气溶胶PM2.5与气象要素的相关性

3.3.2 PM10与气象要素

由表3可知，冬季PM10浓度与本站气压、降雨量、平均风速、最小能见度呈显著的负相关，其中与最小能见度的负相关最强；与气温和水汽压呈显著正相关，其中与水汽压的正相关最强。春季PM10浓度与本站气压、平均风速、最小能见度呈显著的负相关，其中与本站气压的负相关最强；与气温、水汽压、相对湿度呈显著正相关，其中与水汽压的正相关最强。夏季PM10浓度与本站气压、降雨量、水汽压、相对湿度、平均风速、最小能见度呈负相关，与气温呈正相关，但相关都不够显著。秋季PM10浓度与本站气压、相对湿度、最小能见度呈显著的负相关，其中与相对湿度的负相关最强；与气温、平均风速呈显著正相关，其中与气温的正相关最强。

表3 仁化县国家气象观测站气溶胶PM10与气象要素的相关性

综上而言，各季PM2.5、PM10浓度与本站气压都呈较显著的负相关，与气温都呈较显著的正相关；各季PM2.5浓度与相对湿度都呈较显著的负相关，各季PM10浓度与最小能见度都呈较显著的负相关。各季PM2.5、PM10浓度与降雨量、水汽压、相对湿度、平均风速、最小能见度的相关性较为复杂，有待进一步的研究。

4 结论与讨论

(1)各季PM2.5、PM10浓度，冬季最高，其次是春秋季，这主要是由于秋冬季和初春属于非汛期，降雨量较少，并且冬季气温低，逆温层较强较厚，不利于气溶胶颗粒的扩散以及沉降，造成PM10、PM2.5气溶胶浓度较高。夏季PM10、PM2.5气溶胶浓度较低，则是因为大气垂直扩散强、植被相对茂盛、降雨多、对流强，对颗粒物的吸附、净化等作用明显，对大气颗粒物有清除作用。

(2)各季PM2.5、PM10浓度日变化在各季节表现有所不同。气溶胶PM10浓度日变化在冬季都呈单峰型变化，在春、夏、秋季呈多峰型波动变化；气溶胶PM2.5浓度日变化在冬季都呈单峰型变化，在春、夏季变化平稳，秋季呈多峰型波动变化；总体上看PM10浓度日变化波动较明显，PM2.5浓度日变化较平稳。

(3)各季PM2.5、PM10浓度与本站气压都呈较显著的负相关，与气温都呈较显著的正相关；各季PM2.5浓度与相对湿度都呈较显著的负相关，各季PM10浓度与最小能见度都呈较显著的负相关。各季PM2.5、PM10浓度与降雨量、水汽压、相对湿度、平均风速、最小能见度的相关性较为复杂。各气象要素在各季节对各粒径气溶胶浓度的影响机理较为复杂，有待进一步的研究。