哈爾濱市大氣顆粒物粒徑分布及濃度變化特征

儲江偉，彭 敏，王 旭，段 超

(東北林業大學交通學院，哈爾濱150040)

大氣顆粒物是工業過程、發電廠、機動車排放和自然源排放及長距離傳輸的一次顆粒物和氣-固轉換反應產生的二次顆粒物的混合物，大氣污染已成為當前面臨的重大環境問題之一［1］。已有對大氣顆粒物污染狀況的研究集中在TSP或 PM 2．5上，而對細化顆粒物粒徑的研究尚不多見［2］。事實上，大氣顆粒物的物理和化學性質都與其粒徑大小有關［3］。

不同粒徑大氣顆粒物的形成、遷移、轉化和清除過程及物理化學性質遵循不同規律，在大氣環境中的行為千變萬化，其產生的生態影響也相差甚大［4］。特別是對人類身體健康會存在不同程度的威脅，粒徑越小產生的危害性越大，且大氣顆粒物在輻射衰減和成云過程中起重要作用，進而影響和調節全球氣候［1］。當顆粒物粒徑小于2 μm時，由于人體呼吸道對細粒子的過濾防御功能很差，大部分可通過呼吸道直達肺部沉積，并對人體產生較大危害［5-8］。不同粒徑的大氣顆粒物，產生的消光效應也有所不同，其中粒徑范圍為0．1～1 μm顆粒物對能見度影響最大。在城市，區域尺度大氣顆粒物引起城市大氣能見度下降，造成霧霾天氣［9］。因此，針對不同粒徑的顆粒物濃度分布及其影響的研究越來越受到重視。

1 取樣環境與取樣方法

1．1 取樣環境及其測點選擇

取樣點選擇在位于哈爾濱市香坊區的東北林業大學校園內外。東北林業大學校園地處哈爾濱市老城區，是居民和商業區比較集中的區域，對空氣質量要求相對較高。校園附近沒有大的工業污染源，大氣顆粒物的主要來源為采暖鍋爐和機動車排放等。校園內樹木較多，且西南側有兩片面積較大的樹林。根據校園環境特點選取6個不同位置為取樣點，分別標記為A、B、C、D、E、F，如圖1所示。

圖1 大氣顆粒物取樣點位置Fig．1 Sampling site of atmospheric particulates

1．2 取樣儀器及其取樣方法

取樣所使用的儀器為福祿克電子儀器儀表公司生產的Fluke 985空氣塵埃粒子計數器，可記錄取樣粒子數和每個樣本的樣本體積。具有6個粒徑通道(0．3、0．5、1．0、2．0、5．0、10．0 μm)，取樣粒徑范圍為0．3～10．0 μm，儀器可自動記錄樣本粒子數。選擇儀器的計數模式為累加計數模式，該模式包含了大于或等于樣本體積字段內選定粒度的粒子。

儀器設定為每次取樣3 min，連續進行3個周期。同時，記錄測量環境氣候條件。取樣要求是在非雨雪天氣、風力小于3～4級、無特殊污染短期排放，且處于該月份顆粒物濃度較為正常的環境下進行［10］。取樣在2015年3月25日～7月31日期間進行。

1．3 顆粒物數量濃度換算

在累加計數模式下取樣所得顆粒物數量濃度數據，包含了所有大于或等于樣本體積字段內選定粒度的粒子。按照粒徑大小將顆粒物粒徑劃分為6個等級，見表1。按劃分等級對測得數據進行初步處理。

表1 顆粒物粒徑范圍等級劃分Tab．1 Division of particle size range

顆粒物在空氣中的數量濃度是將3周期取樣顆粒數值累積總數，再比上取樣氣體量的總體積，即得空氣中顆粒物的數量濃度。空氣中顆粒物數量濃度由公式(1)計算:

式中:i為取樣周期;Xi為各周期顆粒數，Counts;V0為取樣氣體總體積，L;N(D)為顆粒物數量濃度，Counts/L。

2 結果與討論

2．1 大氣顆粒物數量濃度逐月變化趨勢

大氣顆粒物在數量上受溫度、濕度、風速和大氣壓等氣候條件的影響［11］。3月至7月在東北林業大學校園環境下對6個點位進行連續5個月的取樣，取樣期間哈爾濱市氣溫和降水情況如圖2所示。

圖2 取樣期間哈爾濱月平均氣溫和降水Fig．2 Monthly average temperature and precipitation during sampling in Harbin

對6個取樣點位的大氣顆粒物樣本數量濃度逐月變化特征進行分析，不同粒徑范圍顆粒物數量濃度逐月變化趨勢如圖3所示。從圖3中可以看出，6種不同粒徑范圍的顆粒物數量濃度逐月變化趨勢基本相似，呈現了遞減趨勢，在6月份略有增長。最高值出現在3月份，此時6個等級顆粒物數量濃度的最大值分別為 264 490、89 630、13 288、4 476、660、239 Counts/L，主要由于3月正值采暖末期，加之溫度較低濕度較大，顆粒物的排放和累積都較為嚴重;4月份停止供暖后，植物開始發芽生長，加上溫度和降雨的影響，顆粒物濃度下降十分明顯;粒徑范圍為 0．3 ～0．5、0．5 ～1．0、1．0～2．0 μm的大氣顆粒物數量濃度最低值出現在6月份，分別為50 012、3 663、382 Counts/L;粒徑范圍為 2．0 ～ 5．0、5．0 ～ 10．0、10．0 μm ～ ∞ 的大氣顆粒物數量濃度最低值出現在5月份，分別為220、31、6 Counts/L。

圖3 大氣顆粒物逐月變化趨勢Fig．3 Monthly variation of atmospheric particles

2．2 大氣顆粒物不同取樣時間變化趨勢

受人類活動和天氣因素的影響，會造成顆粒物濃度在全年各月份分布的不同，同時也會因為一天中不同時間人類活動性質的不同而造成顆粒物濃度在時間上的差異［12］。本研究為了探討每日不同時間人類活動對各尺寸顆粒物濃度的影響，選取取樣點位A，在該點位分別在取樣周期每日的7時、10時、14時、17時進行顆粒物的取樣和濃度分析，分析結果如圖4所示。

由圖4可知，5個取樣月里不同粒徑顆粒物在取樣日不同時間的分布基本一致。由于選取的取樣點位A地理位置的特殊性，造成公路附近大氣污染主要是機動車尾氣排放的污染物［13］，故該點位顆粒物取樣情況受交通影響較大。在每日的早高峰期，車流較多的情況下，顆粒物濃度相對較高;隨著高峰期過去車輛流動減少，溫度有所升高，濕度降低，顆粒物濃度下降;而晚高峰的時候濃度又會有所提高。且對于細顆粒物這種情況尤為明顯。6個等級顆粒物一天中4個取樣時間下最大濃度差分別可達到154 062、66 914、17 293、2 709、197、81 Counts/L。如圖4(c)3月樣本最高值甚至達到最低值的3倍。由于3月份日落時間較早，17時基本天黑，生活燃料燃燒和下班高峰車輛尾氣排放成為顆粒物濃度急劇增加的主要原因。由圖4(d)、(e)、(f)該粒徑范圍的顆粒物基本為粗粒子模態粒子，主要來源于機械過程所造成的揚塵和風砂等，受環境影響較大，在4、5月份，季節交替升溫較快，可能存在一些不規律的情況。

圖4 不同時間大氣顆粒物變化趨勢Fig．4 Comparison of atmospheric particles concentration at different time

2．3 不同取樣點位顆粒物粒徑分布

在不同的取樣環境下，顆粒物濃度也會有所不同，這對于顆粒物濃度變化的影響因素、源解析和植物對顆粒物的吸附作用的研究都具有重要意義。在5個取樣月份，不同取樣點位顆粒物粒徑分布如圖5所示。由圖5(a)可知，6個取樣點位所取樣本中粒徑范圍為0．3～0．5 μm的顆粒物數量濃度差別不大，說明該范圍顆粒物數量濃度受環境因素影響不大，來源相近。

A、B和F點位顆粒物濃度較C、D和E點位高，粒徑范圍為 0．3 ～ 0．5 μm 和 0．5 ～1．0 μm 的大氣顆粒物數量濃度最高值出現在B點位，粒徑范圍為 1．0 ～2．0、2．0 ～5．0、5．0 ～10．0 μm 的大氣顆粒物數量濃度最高值出現在F點位。6個等級大氣顆粒物數量濃度最低值均出現在C點位，且C點在不同取樣月和取樣日的不同時間顆粒物濃度波動都較其它點位小。參照圖1可以發現，A、B和F取樣點靠近道路，平時車流不息，顆粒物主要來源于汽車排放;C取樣點位環境空間開闊，較其他取樣點遠離道路，顆粒物濃度受氣象條件和校園內學生活動影響較大，在取樣周期出現過揚塵較大的情況，可能成為粗顆粒物的主要來源;D和E取樣點位周圍植物密集，尤其是D點，環境比較封閉，顆粒物濃度受到環境和交通的影響較其它點位不大，且植物對于顆粒物的形成和傳播也會產生一定的影響。

圖5 各取樣點位大氣顆粒物粒徑分布對比Fig．5 Comparison of atmospheric particles concentration at different points

2．4 相關性分析

大氣顆粒物在數量上容易受到周圍環境中各種各樣的因素的影響，這會造成不同粒徑大氣顆粒物數量濃度之間變量關系的不確定性［14］。但是，可以肯定的是，不同粒徑范圍大氣顆粒物存在相互影響，共同變化的關系，故可用相關關系來表示［15］。各點位不同粒徑范圍大氣顆粒物兩兩組合相關性分析的相關系數及顯著性檢驗結果，見表2。

通過對大氣顆粒物不同粒徑范圍顆粒物數量濃度的相關性分析表明，其相關程度為完全相關且相關方向為正相關。相關系數最大可達到0．964，相關性最小也在0．05水平(雙側)上顯著相關。取樣中不同粒徑范圍大氣顆粒物粒徑相近的相關系數大，相關性強。可以看出，粒徑相近的兩種大氣顆粒物其在環境空氣污染中的污染源及變化規律相似，且污染源排放大氣顆粒物的粒度分布長期比較穩定，有可能遵循相同的遷移轉化規律。

表2 Pearson相關系數Tab．2 Pearson correlation coefficients

3 結論

通過對哈爾濱市大氣顆粒物粒徑分布及數量濃度變化特征的研究，得出以下結論:

(1)5個取樣月里，6種不同粒徑范圍的大氣顆粒物濃度呈現遞減趨勢，最高值出現在3月份，4月份顆粒物濃度下降十分明顯，粒徑范圍為0．3～0．5、0．5 ～1．0、1．0 ～ 2．0 μm 的大氣顆粒物數量濃度最低值出現在六月份，粒徑范圍為2．0～5．0、5．0 ～10．0、10．0 μm ～ ∞ 的大氣顆粒物數量濃度最低值出現在5月份。

(2)5個取樣月里，不同粒徑顆粒物在取樣日不同時間的分布基本一致。選取的取樣點A靠近道路，顆粒物取樣情況受交通影響較大。早晚高峰期，顆粒物濃度相對其它取樣時間較高;

(3)受周圍環境影響，不同取樣點位大氣顆粒物濃度也會有所不同。A、B和F點位顆粒物濃度較C、D和E點位高，大氣顆粒物數量濃度最高值出現在B、F點位，最低值均出現在C點位。

(4)不同粒徑大氣顆粒物間的相關系數較大，相關性強，具有相似性和同源性。可以通過某一粒徑顆粒物的取樣分析結果間接估算其它粒徑大氣顆粒物的污染狀況。

(5)綜上可知，哈爾濱市大氣中顆粒物的受供暖所需燃料的燃燒、機動車的尾氣排放及工業排放影響較大，要控制顆粒物的數量濃度，降低城市環境污染，必須從源頭上減少排放，優化能源結構，加強防治力度，控制機動車的污染，大力倡導綠色環保的生活方式，鼓勵城市居民優先選擇公共交通出行，強化相關化工產業的排放標準等。

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