天津市秋季一次典型灰霾過程中顆粒物污染及化學成分特征分析

邊瑋瓅, 董海燕, 元 潔, 陳 魁

(天津市環境監測中心，天津 300191)

天津市秋季一次典型灰霾過程中顆粒物污染及化學成分特征分析

邊瑋瓅, 董海燕, 元 潔, 陳 魁

(天津市環境監測中心，天津 300191)

灰霾過程；PM10；PM2.5；化學成分；污染特征

灰霾天氣是指大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使能見度小于10 km，空氣中普遍有混濁現象的天氣狀況，形成灰霾的大氣顆粒物來源于自然和人類活動排放[2]。近年來，隨著經濟發展規模的擴大和城市化進程的加快，化石燃料和生物質燃燒產生的粉塵顆粒物以及工業生產和生活中排放的有毒有害顆粒物日益增加，大氣顆粒物已成為城市大氣中主要的污染物之一，并受到國內外廣泛關注，而PM10和PM2.5是其中最重要的組成部分。

天津市地處京津冀腹地，是我國灰霾高發地區之一，環境空氣質量受到越來越多的關注。目前，對于天津市灰霾評價體系、顆粒物的污染特征、化學組分及來源分析已有較多研究[3-8]，但針對灰霾過程中顆粒物變化特征的深入分析卻鮮見報道。在灰霾過程中，顆粒物的質量濃度和化學組分可能表現出與長期觀測結果不同的變化特征[9-12]。筆者利用2011年10月17日～21日采集的天津市大氣中PM10和PM2.5的濾膜樣品，對發生在2011年秋季的一次典型灰霾天氣過程進行了分析，探討了灰霾天氣發展過程中顆粒物濃度及化學組分變化特征，以期為天津市有效開展灰霾污染防治提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集采樣地點設在天津市中心城區內，采樣位置距離地面約16 m，距離交通主干道200 m，站點周邊為居民文教區，南側30 m為7層高樓，其他方向較為開闊，周邊無明顯污染源。采樣儀器為武漢天虹智能儀表廠生產的TH-150AⅡ中流量總懸浮微粒采樣器，加載PM10和PM2.5切割頭同步采集，采樣流量為100 L/min；采樣濾膜為直徑90 mm的石英濾膜和聚丙烯濾膜；采樣時間為2011年10月17日～21日12：00至次日08：00，每次采樣共20 h。

1.3 氣象資料來源氣溫、氣壓、風速、風向、相對濕度等氣象數據來自天津市河西區大氣邊界層氣象觀測站；地面和高空天氣圖采用中央氣象臺網站公開的天氣圖分析資料(http://www.nmc.gov.cn/)。

2 結果與分析

2.1 灰霾天氣過程分析2011年10月17日～21日，天津市經歷了灰霾形成-發展-緩解的全過程。從氣象形勢看，由于高空風場減弱、低空暖濕氣流增強、地面高壓減弱變性為弱氣壓場而形成了穩定的天氣形勢，不利于污染物的擴散，導致灰霾形成并發展成為霧霾混合，后期由于高空淺槽過境，大氣垂直擴散增強，近地面濕度減小，灰霾得到緩解。從具體發展過程來看，10月17日，高空槽脊東移并減弱，東北低壓移出本地，天津地面氣壓不斷升高，風向由東轉南，風力3級，能見度15 km，空氣擴散能力較好；PM10、PM2.5樣品濃度分別為111和52 μg/m3，PM2.5/PM10比值為46.8%。10月18日，700 hPa西北風場減弱，850 hPa天津附近明顯增溫，近地面形成逆溫層，阻礙大氣垂直擴散，天津地面氣壓場逐步減弱，風力減小，平流輸送能力變差，濕度為39%～85%，18日19：00開始能見度小于10 km，灰霾天氣形成；PM10、PM2.5樣品濃度分別升至289和174 μg/m3，PM2.5/PM10也升至60.2%。10月19日，850 hPa高度處于暖脊中，大氣垂直擴散嚴重受阻，天津地面場仍處于高壓后部的弱氣壓場中，以偏南風和靜風為主，水平擴散條件極差；受中低空西南氣流影響，天津近地面濕度增至88%，形成輕霧，大部分時段能見度小于5 km，灰霾發展成為霧霾混合；PM10、PM2.5樣品濃度分別達342和246 μg/m3，為此次過程中的日最大值，PM2.5/PM10高達71.9%。10月20日～21日，高空有分裂出的淺槽過境，華北地區受淺槽后的偏西氣流控制，大氣垂直擴散能力較19日略有增強，天津地面轉為西風2級，濕度降至39%，能見度升至10 km以上，灰霾有所緩解；PM10、PM2.5樣品濃度分別降至215和122 μg/m3，PM2.5/PM10也降為56.7%。由圖1可知，此次過程中顆粒物污染以細顆粒物污染為主，而細顆粒物的質量變化較粗顆粒物(PM2.5～10)更為“敏感”。

表1 顆粒物中水溶性離子占總離子百分比 %

注：“-”表示未檢出。

2.3 碳組分特征碳組分是顆粒物的主要成分之一。對10月17日～20日顆粒物中碳組分分析結果表明，OC質量濃度在PM10和PM2.5中占總質量的比例分別為8.5%～12.5%和9.6%～12.6%，EC質量濃度在PM10和PM2.5中占總質量的比例分別為3.4%～4.4%和4.3%～7.1%。可見，OC在PM10和PM2.5中分布較為相似，而EC富集在細顆粒物的比例更大一些。由圖4和5可知，OC、EC在PM10和PM2.5中濃度的最高值均出現在10月19日，PM10中濃度分別為42.84、11.68 μg/m3，PM2.5中濃度分別為29.26、10.56 μg/m3，OC、EC在灰霾過程中變化趨勢較為一致。

一般認為，化石燃料燃燒直接排放的一次有機氣溶膠和經過大氣化學反應生成的二次有機氣溶膠是OC兩大主要來源，而EC則主要來源于化石燃料的不完全燃燒[18]。OC/EC比值常被用來評價顆粒物的二次來源[19]，當OC/EC比值大于2時，大氣中存在二次有機氣溶膠污染[1]。此次灰霾過程中，PM10中OC/EC比值隨灰霾發展而升高，從17日的1.9逐步升至19日的3.7，20日下降為2.4；PM2.5中OC/EC比值只在灰霾最重的19日大于2，為2.8，說明此次灰霾存在二次有機氣溶膠污染，并在PM10中表現最為明顯。

2.4 無機元素特征此次灰霾過程中，無機元素的質量總和分別占PM10和PM2.5質量濃度的21.8%～33.2%和16.7%～21.3%。其中質量濃度較高的元素為Si、Al、Ca、Fe、Mg、Na、K等地殼元素，這7種元素在PM10中占元素總量的83.5%～94.0%，在PM2.5中占元素總量的78.5%～89.6%，比例的變化在灰霾過程中無明顯規律性。其他元素大多來自人為排放，其中含量較高的元素有Zn和S，Zn主要來自燃煤、垃圾焚燒和橡膠輪胎的磨損[13]，S主要是煤、油燃燒污染的產物[15]。S元素占PM10質量濃度的比例隨灰霾發展上升，隨灰霾緩解下降，19日的最大比例為3.4%；Zn和S占PM2.5質量濃度的比例隨灰霾形成發展上升，隨灰霾緩解下降，19日的最大比例分別為0.7%和3.6%；其他人為源元素占顆粒物質量濃度的比例均小于1%，且在過程中變化規律不明顯，說明燃煤燃油污染對此次灰霾過程貢獻較為突出。

表2 顆粒物中主要無機元素占顆粒物質量濃度百分比 %

注：“-”表示未檢出。

3 結論

(1) 2011年10月17日～21日，天津市出現了無灰霾-灰霾形成-灰霾發展-灰霾緩解的全過程，過程中隨著高空風場減弱、低空暖濕氣流增強、地面氣壓場減弱、風力減小、濕度增加，灰霾逐步形成并發展成為霧霾混合；之后受高空淺槽影響，大氣垂直擴散增強，近地面風力加大、濕度減小，灰霾得到緩解。19日灰霾加重，PM10、PM2.5日均濃度達最大，分別為342、246 μg/m3；PM2.5/PM10由17日的46.8%升至19日的71.9%，20日灰霾緩解，PM2.5/PM10回落至56.7%。細顆粒物是造成這次灰霾的主要污染物，且細顆粒物的質量變化較粗顆粒物更為明顯。

(3)碳組分是顆粒物的主要成分之一，OC質量濃度在PM10和PM2.5中占總質量的比例分別為8.5%～12.5%和9.6%～12.6%，EC質量濃度在PM10和PM2.5中占總質量的比例分別為3.4%～4.4%和4.3%～7.1%，OC在PM10和PM2.5中分布較為相似，而EC富集在細顆粒物的比例更大一些，OC、EC在灰霾過程中變化趨勢較為一致。PM10和PM2.5中OC/EC比值均在19日達到最高，分別為3.7和2.8，此次灰霾存在二次有機氣溶膠污染，并在PM10中表現最為明顯。

(4)通過對無機元素的分析發現，PM10中人為源元素S最高比例(19日)為3.4%,PM2.5中人為源元素Zn和S最高比例(19日)分別為0.7%和3.6%，且濃度比例均隨灰霾發展上升，隨灰霾緩解下降，說明在此次灰霾過程中，燃煤燃油貢獻較為突出。

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Chemical Characteristics Analysis of Particulate Matter during a Typical Haze Process in Tianjin City in Autumn

BIAN Wei-li, DONG Hai-yan, YUAN Jie et al

(Tianjin Environment Monitoring Center, Tianjin 300191)

Haze; PM10; PM2.5; Chemical composition; Pollution characteristics

國家科技支撐計劃課題(2014BAC23B03)；天津市重大科技專項項目(14ZCDGSF00027)；2014年環保公益性行業科研專項(201409002)。

邊瑋瓅(1979- )，女，天津人，工程師，從事環境監測、大氣污染與防治方面的研究。

2015-03-26

S 181.3

A

0517-6611(2015)13-195-04