2009年8～9月成都市顆粒物污染及其與氣象條件的關系

鄧利群,錢 駿,廖瑞雪,佟洪金 (四川省環境保護科學研究院,四川 成都 610041)

大氣顆粒物是大氣環境中化學組成復雜、來源多樣、危害較大的污染物之一[1-2],是降低大氣能見度,造成灰霾天氣的主要原因.大氣顆粒物濃度超標是我國許多城市空氣質量管理中的突出問題.可吸入顆粒物(PM10)可通過呼吸道進入人體,沉積在上呼吸道,粒徑小于 2.5μm 的細粒子(PM2.5)可進入肺泡中,并可能導致與心和肺的功能障礙有關的疾病[3].PM2.5由含碳物質、水溶性無機鹽和不溶礦物質構成,主要來自各種燃燒過程的一次排放和氣態污染物的二次轉化[4].有研究表明[5-7],我國城市大氣中PM2.5約占 PM10的50%～70%.

成都市地處四川盆地,風速小、靜風頻率高,環境空氣中PM10濃度長期居高不下,成為主要的環境問題[8].近3年來,成都市PM10年均濃度均超過了 100μg/m3,且城區日均濃度值超標率達到15%左右[9-11].為弄清PM10和PM2.5的污染狀況、分布特征以及與氣象條件的關系,本研究通過對成都不同采樣點 PM10和PM2.5質量濃度的時空分布特征分析,了解成都市大氣顆粒物的污染狀況、及其與氣象條件的關系,為進一步對大氣顆粒物的來源和化學組成分析提供依據.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采樣點位于成都市上風向的麗都花園(E104°2′9″,N30°37′48″)、下風向的熊貓基地(E104°8′50″, N30°43′58″)、以及市中心的草堂寺(E104°1′41″, N30°39′44″),3 個采樣點分別代表了成都市的生活集中區、城市郊區和商業區3類不同的功能區劃.采樣時間為2009年8月22日～9月20日.每天連續24h采樣,每個采樣點分別采集30組樣品, 3個采樣點共采集90個有效的PM2.5樣品和86個有效的PM10樣品.

1.2 樣品分析

采樣前將石英濾膜放在 600℃條件下加熱處理 2h,以除去殘留或吸附在濾膜上的有機物,采樣前對濾膜進行至少 48h以上的干燥,平衡、稱重(精密度為萬分之一的電子天平).通過采樣前、后濾膜重量之差,以及采樣標況體積(101.325kPa,273K條件下),計算得到環境空氣中PM10和PM2.5的質量濃度.

1.3 氣象數據來源

氣象參數采用成都市同期地面氣象觀測數據(氣溫、氣壓、風速、相對濕度、降水等),成都市能見度數據采用成都溫江區每天 02:00、08:00、14:00和20:00觀測數據.

2 結果與討論

2.1 PM2.5和PM10的污染狀況

表 1給出了采樣期間 3個采樣點 PM2.5和PM10的日平均濃度以及濃度變化范圍.由表1可知,PM2.5和PM10濃度均是熊貓基地＞草堂寺＞麗都花園,成都市PM2.5和PM10平均濃度分別為66,94μg/m3.根據我國最新公布的環境空氣質量標準GB3095-2012中PM2.5和PM10二級標準日均濃度限值(75μg/m3和150μg/m3)[12]得出成都市PM2.5和PM10日均濃度超標率分別為35.56%和12.79%.3個采樣點的PM2.5日均濃度超標率:草堂寺＞熊貓基地＞麗都花園,PM10日均濃度超標率:熊貓基地＞草堂寺＞麗都花園.

表1 PM2.5和PM10有效樣品及質量濃度 (μg/m3)Table 1 Summary of effective samples and mass concentrations of PM2.5 and PM10 (μg/m3)

由圖1和圖2可知,PM2.5和PM10質量濃度變化范圍較大.將采樣期分為2部分:清潔天氣和污染天氣.以國家二級空氣質量標準 PM10限值150μg/m3作比較,有4d (9月7日、8日、17日和18日)超過該限值,定義為污染天氣;其余未超過該標準的26 d為清潔天氣.PM10和PM2.5在整個采樣期呈同步變化趨勢,出現典型的清潔-污染-清潔-污染-清潔天氣過程.從空間分布來看, PM2.5和PM10質量濃度均是熊貓基地＞草堂寺＞麗都花園,熊貓基地較其余2個采樣點污染較為嚴重的原因主要是:熊貓基地處于成都市下風向,并且大氣底層出現氣旋式環流,導致大氣顆粒物的輸送、累積.從時間分布來看,PM2.5和PM10質量濃度在污染天氣 9月 18日出現最大值,分別為171μg/m3(熊貓基地)和265μg/m3(熊貓基地),不利氣象條件是造成熊貓基地在該日出現濃度最大值的主要原因;9月7～9日PM2.5和PM10質量濃度相對較高;清潔天氣9月13日PM2.5和PM10質量濃度出現最低值,分別為11μg/m3(熊貓基地)和15μg/m3(麗都花園).大部分觀測日的PM10日均值＜150mg/m3,空氣質量達到“良”,12.8%的空氣質量為“輕微污染”,但 PM2.5未達到我國最新公布的環境空氣質量標準GB3095-2012中PM2.5二級標準日均濃度限值(75μg/m3)的觀測日超過總觀測天數的三分之一,表明成都市大氣細顆粒物 PM2.5污染較嚴重.

圖1 PM2.5質量濃度變化Fig.1 Variation of the mass concentration PM2.5

圖2 PM10質量濃度變化Fig.2 Variation of the mass concentration PM10

圖3 PM2.5與PM10相關性分析Fig.3 Correlation between PM2.5 and PM10

圖4 PM2.5占PM10質量濃度百分比情況Fig.4 The mass concentrations of PM2.5 and PM10, and the proportion of PM2.5 in PM10

由表1及圖4可知,成都市PM2.5/PM10平均值為0.69,變化范圍 0.48～0.91;3個采樣點PM2.5/PM10平均值熊貓基地＜麗都花園≈草堂寺.2009年8月～9月PM2.5/PM10平均值明顯高于成都2001年6月觀測值0.46[8],可能原因是近年來成都市采取的一些措施(對污染較重工廠的外遷、對揚塵和建筑塵等污染源進行控制)對2009年大氣粗顆粒污染狀況的改善作用更為明顯,以及成都市機動車保有量增加所帶來的機動車尾氣排放量增加,進而導致PM2.5質量濃度升高.

2.3 顆粒物濃度與氣象要素的關系

氣象要素(溫度、風速、氣壓、相對濕度和降水等)是影響大氣顆粒物質量濃度的重要因素.一定的氣溫、風速、氣壓、相對濕度和降水情況構成一定的天氣狀況,有利天氣狀況(低溫、大風、低濕等)有利于顆粒物的稀釋擴散,導致顆粒物質量濃度降低;而不利的天氣狀況則導致顆粒物質量濃度升高[13].圖 5為觀測期間 PM2.5和PM10質量濃度與氣象要素(溫度、風速、氣壓、相對濕度和降水量)隨時間的變化關系圖.

圖5 PM2.5和PM10質量濃度與氣象要素(溫度、風速、氣壓、相對濕度和降水量)的關系Fig.5 The variation of mass concentration of PM2.5, PM10 and meteorological factors (temperature, wind speed, air pressure, relative humidity and precipitation)

2.3.1 溫度對顆粒物濃度的影響 采樣期間,成都市日均氣溫范圍為19～31℃,統計分析表明, 3個采樣點 PM2.5和PM10質量濃度與溫度沒有明顯相關性(相關系數分別為0.29和0.23),說明與溫度相關的氣候條件如日照強度與日照時間對顆粒物在大氣中的分布沒有顯著影響.

2.3.2 氣壓對顆粒物濃度的影響 氣壓的高低與大氣環流形勢密切相關.當地面受低壓控制時,四周高壓氣團流向中心,中心形成上升氣流,通常風力較大,利于污染物向上擴散,顆粒物濃度較小;地面受高壓控制時,中心部位出現下沉氣流,阻止污染物向上擴散,在穩定高壓的控制下,大氣污染加重,顆粒物濃度較大[14].由圖5b可知,2009年8月30日～9月3日,氣壓逐日減小,而顆粒物濃度則逐日增大;2009年9月11日～17日,氣壓總體呈先增后降趨勢,顆粒物濃度則呈先降后增.由此可見,該 2時段顆粒物質量濃度與氣壓存在較明顯的負相關,并且PM2.5、PM10與氣壓的相關系數R分別為-0.25和-0.31.

2.3.3 風速對顆粒物濃度的影響 風是反映大氣動力穩定性的重要特征量, 是與空氣污染密切相關的氣象參數, 它對大氣污染物的稀釋擴散和三維輸送起著重要作用[15].一般來說,風速越大,越有利于大氣顆粒物擴散,相應濃度越低;反之,濃度越高.由圖5c可知,整個采樣期間,顆粒物濃度與風速變化趨勢相反,顆粒物濃度最高值出現在 2009年9月18日,風速最小,0.3m/s條件.PM2.5和PM10質量濃度與風速的相關系數 R分別為-0.47和-0.45.

2.3.4 相對濕度對顆粒物濃度的影響 由圖5d知,隨著相對濕度的上升和下降,大氣顆粒物濃度表現出不完全一致的變化趨勢.在一定濕度范圍(以不發生重力沉降為界限)內,相對濕度越大越有利于顆粒物的形成,相對濕度是影響可吸入顆粒物污染的一個較為重要的因素,尤其是高濕度空氣容易造成顆粒物的較重污染[16].

圖6 能見度與大氣顆粒物質量濃度之間相關性分析Fig.6 Correlations between the visibility and the mass concentration of PM2.5, PM10

2.3.5 降水對顆粒物濃度的影響 降水對環境 空氣中污染物能起到清除和沖刷作用,是一種濕清除(或濕沉降)過程,因此它是維持大氣成分相對穩定的重要因子[16].由圖5e可知,大氣顆粒物濃度較低值出現在2009年9月10日～14日,期間存在明顯的降水過程.降水對PM10濃度的影響較大,通過雨水作用可大大減少與生產活動相關的揚塵,并且降水主要是清除可吸入顆粒物中的粗顆粒,而對細顆粒的影響較小.

2.4 能見度與顆粒物濃度之間的關系

研究表明,顆粒物是造成能見度降低的主要原因,造成能見度下降的主要原因是由于大氣中的污染氣體尤其是顆粒物對可見光的吸收和散射所產生的消光作用所致[17].由圖6可見,能見度與PM2.5和PM10質量濃度之間具有明顯的負相關性,且與PM2.5的相關系數(R=-0.59)大于與PM10的相關系數(R=-0.51),換言之,能見度的好壞受大氣顆粒物尤其是細顆粒物的濃度大小的影響.

3 結論

3.1 觀測期間,成都市大氣PM10污染狀況較好,其質量濃度日均值為94μg/m3,好于國家環境空氣質量二級標準限值;PM2.5質量濃度日均值為66μg/m3,略低于我國最新公布的環境空氣質量標準二級標準限值; PM2.5和PM10日均濃度超標率分別為35.56%和12.79%.

3.2 成都市PM2.5、PM10質量濃度均是熊貓基地＞草堂寺＞麗都花園,即下風向污染狀況最嚴重,商業繁華地段次之,生活居住區最好;顆粒物污染最嚴重出現在9月17～19日,以及9月5～9日2個時間段,不利的氣象因素和污染物累積是造成該時間段大氣顆粒物污染加重的主要原因.

3.3 PM2.5與PM10質量濃度呈顯著相關性,且兩者的比值更是高達0.69,表明細粒子對大氣顆粒物污染的貢獻較大.

3.4 氣溫對顆粒物在大氣中的分布沒有顯著影響;降水以及風速對顆粒物濃度影響較大,主要是對顆粒物的濕清除和促進擴散作用;在一定濕度范圍內,高濕度空氣容易造成大氣顆粒物污染.

3.5 能見度與大氣顆粒物濃度呈明顯負相關,且與PM2.5的相關系數大于與PM10的相關系數,即能見度的好壞受大氣顆粒物尤其是細顆粒物濃度大小的影響.

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