上海市浦東城區冬季顆粒物數濃度及其譜分布特征

崔虎雄，任小龍，張 華

1.上海市環境監測中心，上海 200030

2.上海市浦東新區環境監測站，上海 200135

空氣中的顆粒物是固態、液態等物質的混合體，會隨著化學組成和粒徑的變化而發生變化;其作為大氣污染的主要污染物之一，對人類健康造成了巨大危害。已有研究表明［1-6］，顆粒物粒徑越小，對人體危害越大。連續監測氣溶膠顆粒物作為研究氣溶膠顆粒物的主要手段，而氣溶膠顆粒物在大氣環境中的行為取決于其粒徑大小及其譜分布特征;因此，連續監測大氣顆粒物粒徑分布等是研究氣溶膠污染的基礎。

顆粒物的粒徑大小是關系到顆粒物在大氣中的壽命、傳輸及對環境和人體健康影響的重要參數。國內已有很多學者開展相關研究。王振海等［7］對蘭州大氣顆粒物的濃度變化和粒徑分布特征研究得出，蘭州市大氣顆粒物的數濃度水平12月最高，6月最低，且數濃度的日變化呈現單峰特征即數濃度上午11:00最高，下午18:00最低;數濃度粒徑譜分布特征呈現單峰變化特征，峰值集中在0.673 μm附近。趙素平等［8-9］對蘭州特殊季節、特殊污染條件下的顆粒物數濃度分別進行了研究。黃書華等［10］對北京市夏季高濕條件下顆粒物的數濃度進行分析，得出在高濕度氣象條件下，細顆粒物(＜1 μm)的數濃度在整個粒徑中所占的比重顯著增加，原因主要由于顆粒物吸濕增長造成。張濤等［11］對2008年1月廣州顆粒物數濃度污染特征進行研究且對灰霾和非灰霾天氣下顆粒物數濃度進行比較分析，得出顆粒物數濃度與大氣能見度、相對濕度、風速呈負相關，與PM2.5質量濃度、溫度呈正相關。高健等［12］對濟南夏季大氣顆粒物粒徑分布特征及來源機理進行了研究，指出凝結核模態與埃根核模態顆粒物在相對清潔、高溫度、低濕度大氣環境下濃度較高，可能由于氣態前體物在光化學作用下的均相成核作用及異相凝結濃度作用推動造成;500～1 000 nm的顆粒物在清晨達到最高值，可能由于混合層高度對地面污染擴散的抑制造成。尚倩等［13］對南京冬季大氣氣溶膠粒子譜分布及其對能見度的影響進行研究，數濃度譜呈雙峰分布，主峰集中在0.04～0.1 μm，直徑小于1 μm的粒子數濃度分布受相對濕度的影響較顯著。

上海市已有很多學者對顆粒物數濃度及其譜分布特征開展諸多研究與探索，但大多數研究集中于一些污染案例的研究［14］，對于長時間顆粒物數濃度特征，尤其新空氣質量標準發布之后，其數濃度特征研究相對較少。

研究主要采用APS-3321型空氣動力學粒徑譜儀(美國)對2012年12月至2013年2月期間不同 AQI條件下上海浦東城區粒徑為0.5～20 μm大氣顆粒物的數濃度和粒徑譜特征進行分析，同時結合其他常規氣體污染物分析，以加深對上海市不同空氣質量等級下大氣顆粒物譜分布特征、變化規律及其影響因素的認識，為進一步研究上海市氣溶膠來源、物理化學特征等提供數據支撐。

1 實驗部分

1.1 數據來源

采樣位于浦東中心城區，采樣位置距地面約20 m，站點周邊主要為住宅區和商業區，是典型的城區監測點。采用APS-3321型空氣動力學粒徑譜儀連續在線測量大氣顆粒物數濃度譜分布。APS-3321型粒徑譜儀通過測量在加速氣流中不同大小粒子通過檢測區域的飛行時間實時地測量粒子的空氣動力學直徑，測量范圍為0.5～20 μm，采樣流量為 5 L/min(其中樣氣流量為1 L/min，鞘氣流量為4 L/min)，可同時測量52個粒徑通道的顆粒物數濃度，觀測中設定采樣分辨率為5 min。觀測期間還同時觀測的因子包括氣象因子、常規污染物因子(PM10、PM2.5、CO、O3)，每天24 h連續運行監測，PM10監測設備型號為Thermo 1405，CO 為 API300E，O3為 API400E，PM2.5為Thermo 1405DF;自動監測質控質保措施嚴格按照相關專業技術規范進行，每周進行一次零點和跨點檢查、校準，每2周進行1次精密度檢查;PM10、PM2.5切割頭每2個月進行1次清洗。

1.2 數據處理方法

研究使用2012年12月至2013年2月共2 064 h數據。空氣動力學粒徑譜儀直接測得的是顆粒物的數濃度譜，在假設粒子為球形的前提下，利用APS專用軟件AIM對每個樣本進行計算和分析，得到每個樣本的數濃度、數濃度譜分布特征。

2 結果與討論

2.1 顆粒物數濃度變化特征

為便于研究不同粒徑顆粒物數濃度的變化，將0.5～20 μm的顆粒物分為 0.5～1.0、1.0～2.5、2.5 ～20 μm 3個粒徑段。

上海市浦東城區0.5～20 μm顆粒物數為360個/cm3，其中 0.5～1.0 μm顆粒物數為 345個/cm3，占顆粒物總數的 95.7%;1.0～2.5 μm顆粒物數為15個/cm3，占顆粒物總數的4.1%;2.5～20.0 μm顆粒物數為0.6個/cm3，占顆粒物總數的0.2%。這說明絕大多數顆粒物數基本處于小于1 μm水平。翟晴飛等［15］觀測到石家莊市2010年5月0.5～2.5 μm顆粒物數為554個/cm3，錢凌等［16］觀測得到南京郊區春季和冬季顆粒物數為673個/cm3，均高于上海市本次觀測結果。

此外，按照上海市環保局公布每日空氣質量狀況，按 AQI≤50、50 ＜ AQI≤100、100 ＜ AQI≤200、AQI＞200分別對顆粒物的數濃度進行分析，結果如圖1所示。由圖1可見，當AQI≤50時，顆粒物數濃度僅為65.6個/cm3;當50＜AQI≤100時，顆粒物數濃度增加到242.2個/cm3，比前者增加了2.7倍;當100＜AQI≤200時，顆粒物數濃度增加到526.6個/cm3，比AQI＜50時增加了7倍;當AQI＞200時，顆粒物數濃度達到 852.3個/cm3，比AQI＜50時增加了12倍。可見，隨著空氣質量的惡化，顆粒物數濃度呈現大幅增加的變化特征。

圖1 不同AQI條件下顆粒物數濃度的日分布特征

不同空氣質量狀況下，不同粒徑段的數濃度水平變化特征見表1、表2。結果顯示，隨著AQI的增加，0.5～1.0 μm的數濃度從61.6個/cm3增加到805.2個/cm3，1.0～2.5 μm的數濃度從3.7個/cm3增加到 45.9個/cm3，2.5 ～20 μm 的數濃度從0.3個/cm3增加到1.2個/cm3;可見，隨著空氣質量狀況的下降，小粒徑顆粒物數濃度的增加更為突出。

表1 不同AQI條件下不同粒徑范圍內顆粒物數濃度變化 個/cm3

表2 不同AQI條件下不同粒徑范圍內顆粒物數濃度百分比變化 %

2.2 顆粒物數濃度的日變化特征

顆粒物數濃度的日變化也隨著AQI的不同而呈現不同的變化特征(圖1)。當 AQI≤50時，顆粒物數濃度基本處于50～150個/cm3，一天中數濃度基本隨著時間的變化呈現逐步增加的變化特征。當 50＜AQI≤100時，顆粒物數濃度處于200～300個/cm3，夜間0:00時濃度最高，而下午15:00時濃度最低;當100＜AQI≤200時，顆粒物數濃度基本處于400～600個/cm3，且顆粒物數濃度隨著時間的增加呈現先逐步上升(0:00—18:00)后迅速下降(18:00—24:00)的變化特征;當AQI＞200時，顆粒物數濃度基本處于800～1 000個/cm3，且在6:00—10:00出現一個高濃度峰值，10:00之后數濃度迅速下降并維持在800個/cm3。由以上得知，由于受到人為污染源排放、氣象因素等的綜合影響，使得不同AQI條件下的顆粒物數濃度的日變化特征存在較大差異。

2.3 顆粒物數濃度譜的日變化特征

不同空氣質量 AQI≤50、50 ＜ AQI≤100、100 ＜AQI≤200、AQI＞200條件下，顆粒物數濃度譜分布均呈現單峰的分布特征，且譜峰均在0.6 μm附近，但數濃度譜的陡峭程度卻隨著AQI數值的增加而更為陡峭，見圖2。

圖2 不同AQI條件下顆粒物數濃度譜變化特征

為進一步分析不同空氣質量條件對顆粒物數濃度譜的日變化特征影響，選擇每天凌晨2:00、上午8:00、中午12:00、下午18:00、傍晚22:00為典型時刻進行分析，結果顯示隨著空氣質量的不同而顆粒物數濃度譜特征也呈現較大差異，見圖3。

圖3 不同AQI條件下顆粒物數濃度譜的日變化特征

當 AQI≤50時，dN/dlogDp下午、傍晚(18:00、22:00)最高，上午、中午(8:00、12:00)次之，凌晨(2:00)最低;當 50＜AQI≤100時，dN/dlogDp凌晨、上午 (2:00、8:00)最高，傍晚(22:00)次之，中午、下午(12:00、18:00)最低;當100＜AQI≤200時，dN/dlogDp傍晚和上午(18:00、8:00)最高，中午、凌晨(12:00、02:00)次之，下午 (22:00)最低;當 AQI＞200時，dN/dlogDp上午(8:00)最高，凌晨、中午(2:00、12:00)次之，下午、傍晚(18:00、22:00)最低。由上可知，AQI≤50和50＜AQI≤100的顆粒物數濃度出現在高的時刻為傍晚22:00和夜間2:00，說明除了受到污染源排放影響之外，氣象條件(尤其逆溫層)的變化是造成該特征的主要原因之一;100＜AQI≤200和AQI＞200的最高的顆粒物數濃度出現在晚上18:00和上午8:00，說明早晚上下班高峰對該特征的變化存在顯著影響。

2.4 顆粒物數濃度與PM2.5質量濃度關系分析

當空氣質量分別為 AQI≤50、50＜AQI≤100、100＜AQI≤200、AQI＞200 時，0.5 ～1.0、1.0 ～2.5、2.5～10 μm的數濃度與PM2.5質量濃度的比值關系不同。空氣質量由 AQI≤50變為 50＜AQI≤100 時，N0.5～1.0/PM2.5的數值快速增加，由2 945增加到 4 685，而 N1.0～2.5/PM2.5、N2.5～10/PM2.5卻分別由193降低到186和15降低到9，這說明隨著空氣質量由優轉變為良，小顆粒物(N0.5～1.0)對 PM2.5的質量濃度貢獻增加;當空氣質量由 50＜AQI≤100增加到 AQI＞200時，N1.0～2.5/PM2.5增加幅度最明顯，由 186增加到235，增加幅度達26%，而其他2段粒徑的比值增加幅度不顯著，說明上海市空氣質量重污染發生時，PM2.5中1.0～2.5 μm貢獻增幅最大，這對于上海市PM2.5污染防治具有重要的意義。

表3 不同AQI條件下不同粒徑數濃度與PM2.5質量濃度比值變化

3 結論

上海市浦東城區冬季大氣顆粒物數濃度為360個/cm3，其中 0.5～1.0 μm顆粒物數為 345個/cm3，占總顆粒物的 95.7%;1.0～2.5 μm 顆粒物數為 15個/cm3，占顆粒物總數的 4.1%;2.5～20.0 μm顆粒物數為0.6個/cm3，占顆粒物總數的 0.2%。當空氣質量為 AQI≤50、50＜AQI≤100、100 ＜ AQI≤200、AQI＞200 時，顆粒物數濃度分別為 77.5、243.2、522.6、868.5 個/m3。隨著空氣污染的加重，小于2.5 μm顆粒物數濃度增加顯著且對總的顆粒物數濃度的貢獻也有所增加。不同空氣質量條件下，顆粒物數濃度的日變化存在一定差異:AQI≤50顆粒物數濃度隨著時間的變化呈現逐步增加的變化特征，50＜AQI≤100顆粒物數濃度隨著時間變化卻呈現先減小后增加的特征，100＜AQI≤200、AQI＞200 條件下顆粒物數濃度均呈現先增加后減小的變化特征。當AQI≤50變為50＜AQI≤100時，PM2.5質量濃度中0.5～1.0 μm顆粒物數量相對增加，當空氣質量由50＜AQI≤100增加到 AQI＞200時，PM2.5中1.0～2.5 μm顆粒物數量隨著AQI的增加而大幅增多。

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