2012年庫爾勒市PM10質量濃度的變化特征分析

趙克蕾 ，何 清 ，鐘玉婷 ，黃秋霞

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆樹木年輪生態實驗室；中國氣象局樹木年輪理化研究重點實驗室，新疆 烏魯木齊830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站，新疆 塔中841000；3.新疆大學資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊830046）

大氣顆粒物是影響全球氣候變化、人體健康和大氣能見度的重要污染物[1-2]。顆粒物因其粒徑小，比表面積大，是大氣化學反應的良好載體。近幾年，由大氣顆粒物引起的人體健康問題與能見度惡化事件越來越多，加上我國東部灰霾天氣的大范圍出現，使科學界、政府部門和社會公眾對引發這些問題的罪魁禍首——顆粒物開始高度關注。

可吸入顆粒物（PM10）是指空氣中空氣動力學當量直徑小于等于10 μm的顆粒物[3]。PM10的來源主要包括燃煤煙塵、工業生產、建筑施工、汽車尾氣以及地面揚塵等[4]。PM10的危害主要是對人體健康、氣候變化和大氣環境的影響[5]。PM10因其粒徑細小，不容易被呼吸道阻擋，能夠隨著人體呼吸進入上呼吸道，可以直接進入人的肺部并存留在肺的深處，不易被排出體外，對人體健康威脅非常大[6]。長期停留在環境中的PM10，會造成大氣長期性的污染，使大氣能見度降低[7]，同時也可以通過吸收和散射太陽輻射而影響氣候的變化[8]。

庫爾勒市坐落于歐亞大陸和新疆腹心地帶，是新疆維吾爾自治區巴音郭楞蒙古自治州的首府，位于塔里木盆地東北邊緣，北倚天山支脈庫魯克山和霍拉山，南臨世界第二大沙漠——塔克拉瑪干沙漠，是南疆盆地的風口之一，常年氣候干燥，降水稀少，春季沙塵天氣頻繁出現。庫爾勒市是新疆自治區政府實施“北烏南庫”發展的對象城市，是進出南疆的要塞，也是西北地區唯一的一座全國十大文明城市，大氣環境質量極大地影響著當地的經濟發展及人民生活質量。

目前，PM10對人體健康及大氣環境的危害已經受到了公眾極大的重視，關于PM10的研究也越來越多。國外及國內沿海城市大氣氣溶膠PM10的濃度、組分分析及其對人體健康的影響等方面的研究非常多[9-18]；北疆部分地區也有許多關于PM10的濃度及時空分布的研究[19-24]；而關于南疆地區的研究主要體現在對城市空氣污染物、空氣質量分析與預報及沙塵天氣對人體的影響等方面[25-28]，其中對南疆地區PM10的質量濃度分布及組分分析的研究文獻鮮見。我國大氣污染不同于國外的一個很突出的特點就是大氣顆粒物質量濃度比較大，不同地區大氣顆粒物的濃度、化學組成和粒徑不同[29]。為了更好地反映庫爾勒市的空氣質量及可吸入顆粒物PM10的污染現狀，本文利用ThermoRP1400a型自動監測儀對庫爾勒市的PM10進行在線連續觀測研究，對PM10的污染狀況和質量濃度變化特征進行分析。

1 觀測儀器與資料

本實驗采用美國生產的ThermoRP1400a型PM10自動監測儀觀測大氣中的氣溶膠粒子。觀測點為庫爾勒氣象局（38°58′N，83°39′E，海拔 1 090 m）。

本實驗選擇觀測時間為：從2011年11月15日開始，到2012年11月30日結束，其中2012年7月19日—8月15日，10月7—9日，11月5—6日，由于觀測儀器出現故障，造成數據缺失，其余觀測時段都是連續的。PM10選擇每5 min觀測一次，對于觀測數據首先求得每小時和每日的平均濃度，最后得到月平均值。

2 結果與討論

2.1 采暖期和非采暖期的PM10濃度日變化

庫爾勒市冬季采暖期為5個月，從當年11月1日到次年3月31日，其余時間為非采暖期。選取2011年11月15日—2012年10月31日的監測數據，對采暖期和非采暖期的PM10濃度日變化進行分析。

由圖1可以看出，庫爾勒市非采暖期大氣中PM10日平均濃度遠遠高于采暖期的濃度，這與一般北方城市大氣中PM10濃度分布存在差異，北方大多數城市的污染物變化表現為采暖期濃度高于非采暖期濃度[30]。造成這一差異的主要原因是庫爾勒位于塔克拉瑪干沙漠邊緣，氣候干燥，春夏季風沙較大，揚塵天氣頻繁發生，尤其春季是沙塵暴的高發期；而冬季采暖期由于氣溫較低，風速小，不易發生沙塵天氣，冬季供暖對PM10質量濃度有一定影響，但效果不明顯[31]，因此導致庫爾勒市PM10濃度日變化表現為非采暖期高于采暖期。由此可得出，非采暖期PM10質量濃度主要由春季的沙塵天氣過程貢獻，而采暖期PM10質量濃度變化主要受冬季供暖燃煤影響。

圖1 庫爾勒市采暖期和非采暖期PM10濃度日變化

從整體上看，受氣象條件與人類活動的影響，不管是采暖期還是非采暖期，庫爾勒市PM10濃度日變化均表現為明顯的雙峰型，且出現峰值和谷值的時間基本接近。以采暖期為例對PM10質量濃度日變化進行分析：PM10質量濃度在10:00（北京時間，下同）左右出現峰值，濃度為244.6 μg·m-3。這一時段處于上班高峰期，高峰期車流量大，汽車尾氣的排放及揚塵造成PM10濃度大[32]，另外，清晨日出前后大氣邊界層穩定，易產生逆溫，不利于污染物擴散，使得污染物不斷積累。之后，PM10濃度開始降低，在15:00左右達到谷值，濃度為 141.0 μg·m-3，在這個時間段近地面層溫度逐漸升高，湍流變強，同時近地面平均風速較大，對流比較充分，有利于污染物的擴散與遷移[33]。15:00以后，太陽輻射減弱，地面溫度下降，混合層降低，污染物停留在很小的空間內，隨著下班高峰期的到來，車流量增加，污染物排放量增大，使得PM10的濃度再次上升，在21:00左右達到次大值，濃度為230.0 μg·m-3。隨著夜間人類活動逐漸減少，污染物排放少，PM10濃度逐漸降低，到次日05:00左右達到最小值，濃度為 134.7 μg·m-3。

2.2 PM10濃度周變化特征

選取2011年11月14日—2012年11月18日的觀測數據，對PM10周濃度變化特征進行分析。

有研究表明，全球很多站點的天氣要素（如最高、最低氣溫、氣溫日較差等）在周中和周末存在明顯的差別[34]。大氣氣溶膠質量濃度、污染物質量濃度、降水和氣溫等要素的這種周循環被稱為周末效應[35]。由圖2可知，庫爾勒市PM10濃度的周平均變化并沒有表現出明顯的“周末效應”，但是存在明顯的周內變化，星期一出現最大值 274.8 μg·m-3，星期三出現最小值196.7 μg·m-3。從整體上來看，星期二至星期日濃度水平相差不多。這與黃鶴等[10]觀察到的天津市的PM10濃度星期五最大，星期一最低，星期二次之的結果；魏玉香等[9]關于南京市PM10星期一到星期三質量濃度高（星期二最高），星期四到星期日質量濃度低（星期六最低，星期日次之）的結論；Jin等[36]觀察到的美國紐約地區夏季氣溶膠光學厚度星期三最高，周末最低的結果均不相同。筆者認為，導致這種現象的原因可能與城市所處的地理位置及觀測站的位置有關，但具體原因有待進一步的研究。

圖2 庫爾勒市PM10濃度周變化

2.3 PM10濃度年變化特征

如圖3所示，將各月份的月平均濃度與環境空氣質量標準二級標準的月平均濃度限值進行比較，除7月以外，其他月份的月平均濃度均超出了二級標準。其中4月達到了最高值，濃度為562.1 μg·m-3，是二級標準的4.68倍，主要是因為庫爾勒市處在沙漠邊緣，4月是沙塵暴的高發期，庫爾勒市受沙塵天氣的影響，城市大氣中PM10濃度上升至最高；7月的月平均濃度最低，為 107.4 μg·m-3，由于夏季降水增多，降水對大氣中的PM10具有清除作用，另外在7月大氣對流強烈，湍流較強，污染物易于擴散。之后PM10濃度逐漸升高，在11月出現次大值，濃度為219.9 μg·m-3，主要是由于庫爾勒從11月開始進入采暖期，燃煤量增大，排放的顆粒物等污染物增多，并且在這一時期大氣層結構穩定，空氣對流較弱，易出現逆溫，PM10難以迅速擴散和遷移，導致濃度升高。

圖3 庫爾勒市PM10濃度的年內變化

2.4 PM10濃度季節變化特征

庫爾勒的自然天氣季節劃分為：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。選取2011年12月1日—2012年11月30日的觀測數據，對PM10季節濃度變化特征進行分析。

庫爾勒市PM10的季平均濃度分別為：冬季161.2 μg·m-3，春季371.8 μg·m-3，夏季 137.9 μg·m-3，秋季 195.1 μg·m-3。PM10季節濃度春季較高，夏季較低，總體特征為：春季>秋季>冬季>夏季，均值都超過國家二級標準季濃度 110 μg·m-3。

由圖4可以看出，春季PM10濃度明顯高于其他3個季節。由于春季氣候干燥，降水少，大氣層結穩定，逆溫次數較多，并且庫爾勒春季風沙發生頻率高，揚沙、浮塵天數多，導致春季PM10濃度遠遠高于其他季節；夏季氣溫較高，大氣對流活動旺盛，污染物可以迅速擴散、遷移，且夏季降水量增多，對空氣中的PM10有明顯的清除作用，所以夏季在季節變化中濃度最低；秋季晝夜溫差較大，大氣層結穩定，對流活動變弱，易發生逆溫，不利于PM10的擴散，另外，在秋末開始進入采暖期，燃煤供暖增加了PM10質量濃度。冬季雖然處于采暖期，但冬季溫度低，平均風速小，不易發生沙塵天氣[37]，燃煤供暖對PM10濃度的貢獻不如風沙的貢獻大，所以冬季的PM10質量濃度遠低于春季。

圖4 庫爾勒市PM10濃度季節變化

2.5 典型天氣過程的PM10濃度日變化特征

為了研究典型天氣過程的PM10濃度的日變化規律，本文選擇2012年1月28—31日降雪天氣和4月22—29日沙塵天氣分別作為冬季和春季兩個不同季節的典型天氣過程，分別對這兩個過程中PM10質量濃度的變化進行分析。

2.5.1 降雪天氣過程PM10質量濃度變化

1月29、30日分別有0.1 mm和0.6 mm的降雪，如圖5所示，PM10質量濃度在29日由12:00之前的 410.6 μg·m-3迅速降低至 102.5 μg·m-3，這與降雪的記錄時間相吻合，降雪出現在12:00—13:00；30日再次出現了降雪，PM10質量濃度在降雪后也有降低，但是幅度較小；從28—31日整個過程來看，自29日降雪后，PM10質量濃度比降雪前明顯降低了，并且一直持續到31日，濃度基本維持在相對較低的水平。降雪過程開始后大氣中的PM10隨著降雪沉降到地面，從而使得大氣中PM10的濃度逐漸降低，這說明降雪對PM10具有明顯的清除作用，這與李瑞等[38-40]學者的研究結果一致。此外，降水不僅對大氣顆粒物的質量濃度有清除作用，對離子組分和元素組分也有顯著的清除作用，這方面的內容有待進一步的研究。

圖5 2012年1月28—31日降雪天氣前后PM10逐時平均濃度變化

2.5.2 沙塵天氣過程PM10質量濃度變化

從圖6中PM10的質量濃度變化可以反映出沙塵天氣的過程和強度。庫爾勒市在4月22日開始出現大風天氣，在22日06:00，風速達到了5.5 m/s，PM10濃度為 159.6 μg·m-3；在 13:00 左右能見度開始降低，出現浮塵天氣；到23日03:00 PM10濃度迅速增加到 06:00 的 7 353.1μg·m-3，是 03:00 PM10濃度173.2μg·m-3的43倍，出現了嚴重的揚沙天氣；到14:00 PM10濃度為 5 075.8 μg·m-3，能見度僅為 500 m；24—28日風速相對減弱，但由于揚沙天氣持續，導致大氣顆粒物不斷積累，PM10濃度一直維持在高值；從28日凌晨過后，PM10濃度逐漸下降，到29日PM10質量濃度基本下降到常規水平。這說明沙塵天氣有使PM10質量濃度迅速增加的作用，這與劉新春[31]、岳平[41]等學者的研究結論相同。

圖6 2012年4月22—29日沙塵天氣前后PM10逐時平均濃度變化

3 結論

利用庫爾勒市PM10自動監測儀觀測數據，分析了PM10質量濃度的變化特征，客觀評價了庫爾勒市的大氣環境中PM10的污染狀況，得出以下結論：

（1）由于氣象條件與人類活動的影響，PM10濃度日變化表現為明顯的雙峰型。采暖期在10:00出現峰值，濃度為 244.6 μg·m-3。在 15:00 左右達到谷值，濃度為 141.0 μg·m-3。在 21:00 出現次大值，濃度為 230.0 μg·m-3。

（2）PM10質量濃度存在明顯的周內變化，星期一出現最大值274.8 μg·m-3，星期三出現最小值196.7 μg·m-3，整體上來看，星期二至星期日 PM10質量濃度水平相差不多。

（3）PM10最高月濃度出現在4月，濃度為562.1 μg·m-3；7 月達到最低濃度 107.4 μg·m-3；11 月達到次大值 219.9 μg·m-3。

（4）春季PM10濃度較高，夏季較低，總體特征為：春季>秋季>冬季>夏季，四季的平均濃度都超過了國家二級標準。

（5）降雪過程對PM10具有明顯的清除作用，而沙塵天氣有使PM10質量濃度迅速增加的作用。

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