長(zhǎng)沙市PM10、PM2.5污染特征及其與氣象條件的關(guān)系

李彩霞，朱國(guó)強(qiáng)，李 浩，李學(xué)敏，肖 盛，翟云波

(1.湖南省氣象服務(wù)中心，湖南長(zhǎng)沙410118;2.湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082)

可吸入顆粒物(PM10)是大氣環(huán)境中危害較大的污染物之一［1－2］，能散射太陽(yáng)輻射，影響地球－大氣系統(tǒng)能量平衡，降低大氣能見(jiàn)度［3－4］，造成灰霾天氣。可吸入顆粒物尤其是細(xì)粒子(PM2.5)，還嚴(yán)重危害人體健康［5］。有研究表明，顆粒物的濃度水平與呼吸系統(tǒng)和心肺疾病的發(fā)病率、死亡率存在著正相關(guān)關(guān)系［6－7］。

長(zhǎng)沙市東、南、西三面環(huán)山、北部低平的馬蹄形地勢(shì)，不利于污染源的擴(kuò)散，PM10、PM2.5質(zhì)量濃度居高不下，成為長(zhǎng)沙市大氣中首要污染物［8］。顆粒物污染狀況與氣象條件關(guān)系密切，在污染源分布及其排放相對(duì)穩(wěn)定的情況下，顆粒物的濃度主要取決于各種氣象條件下顆粒物的輸送、擴(kuò)散情況［9］。近年來(lái)對(duì)長(zhǎng)沙市顆粒物的研究主要集中在顆粒物中重金屬、水溶性離子等成分分析及源解析上［10－11］，而有關(guān)顆粒物與氣象條件關(guān)系的研究卻沒(méi)有涉及。該研究根據(jù)2014年6月1日～7月2日期間2個(gè)采樣點(diǎn)PM10、PM2.5的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與同期的氣象資料，對(duì)長(zhǎng)沙市夏季PM10、PM2.5質(zhì)量濃度時(shí)空分布特征及其與各氣象要素的相關(guān)性進(jìn)行了分析，為長(zhǎng)沙市大氣污染研究提供參考資料。

1 資料與方法

1.1 樣品采集 2014年6月1日～7月2日，在位于長(zhǎng)沙市市中心的黃土嶺(112°98'25″E、28°15'81″N)、城鄉(xiāng)結(jié)合部的馬坡嶺(113°08'E、28°19'97″N)采集 PM10、PM2.5樣品。PM10、PM2.5采樣器為TH-150C智能中流量TSP采樣器，加載PM10、PM2.5切割頭、玻璃纖維濾膜［有效直徑(90 ±2)mm］采樣。采樣頭設(shè)定流量為100 L/min，樣品的采集時(shí)間設(shè)定為24 h(當(dāng)日10:00～次日10:00)。每個(gè)采樣點(diǎn)采集32組PM10樣品和32組PM2.5樣品，共采集128個(gè)有效樣品。

1.2 樣品分析 將玻璃纖維濾膜放在600℃條件下加熱處理2 h，真空包裝后放入冰箱待用。采樣前后將濾膜置于25℃、相對(duì)濕度40%的天平室中24 h干燥、平衡、稱重。通過(guò)采樣前后濾膜重量之差，除以采樣器上讀取的采樣標(biāo)況體積，計(jì)算得出大氣中 PM10、PM2.5的質(zhì)量濃度。

1.3 氣象資料來(lái)源 氣象參數(shù)采用黃土嶺(自動(dòng)站)、馬坡嶺(國(guó)家基本站)2個(gè)站點(diǎn)同期地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣壓和降水量。為了使氣象資料與顆粒物監(jiān)測(cè)資料盡可能對(duì)應(yīng)，該研究取當(dāng)日10:00～次日10:00逐時(shí)的氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣壓平均值作為當(dāng)日氣象參數(shù)平均值。降水量取當(dāng)日10:00～次日10:00的降水總量。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法 數(shù)據(jù)全部采用IBM SPSS Statistics 19處理。軟件中Pearson相關(guān)性分析程序完成相關(guān)性分析，逐步回歸分析程序完成線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM10、PM2.5質(zhì)量濃度分析 從采樣期間2個(gè)采樣點(diǎn)PM10、PM2.5的質(zhì)量濃度變化(圖1)可看出，黃土嶺、馬坡嶺PM10日均濃度的變化范圍分別為 43.80 ～199.00、23.00 ～199.00 μg/m3，平均日均濃度分別為108.37、91.00 μg/m3;黃土嶺、馬坡嶺 PM2.5日均濃度的變化范圍分別為35.53～165.00、20.00 ～157.00 μg/m3，平均日均濃度分別為 73.48、65.09 μg/m3。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3095 －2012 中PM10、PM2.5二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)日均濃度限值(150 和 75 μg/m3)得出，黃土嶺、馬坡嶺 PM10日均濃度超標(biāo)率分別為25.00%、18.75% ，PM2.5日均濃度超標(biāo)率分別為 31.25% 、34.38%。可見(jiàn)黃土嶺受顆粒物污染比馬坡嶺嚴(yán)重，2個(gè)采樣點(diǎn)PM2.5污染均比PM10嚴(yán)重。

由圖1可知，PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度變化范圍較大。將采樣期分為清潔天氣和污染天氣兩部分。以《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3095 －2012 中 PM10、PM2.5二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)日均濃度限值作比較［2］，黃土嶺、馬坡嶺 PM10日均濃度分別有8、6 d超過(guò)該限值，PM2.5日均濃度分別有10、11 d超過(guò)該限值，定義為污染天氣，未超過(guò)該限值的為清潔天氣。PM10和PM2.5在整個(gè)采樣期呈同步變化趨勢(shì)，出現(xiàn)典型的清潔—污染—清潔天氣過(guò)程。6月12～16日 PM10、PM2.5污染最嚴(yán)重，出現(xiàn)了灰霾天氣。

2.2 PM2.5占PM10百分比情況 由圖2可知，2個(gè)采樣點(diǎn)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)。線性回歸結(jié)果表明黃土嶺、馬坡嶺 PM2.5占 PM10質(zhì)量載荷分別為 63.8% 、71.6%，表明PM2.5對(duì)PM10污染貢獻(xiàn)顯著。

2.3 PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與各氣象要素相關(guān)性分析

2.3.1 氣溫對(duì) PM10、PM2.5質(zhì)量濃度的影響。采樣期間，2 個(gè)采樣點(diǎn)日均氣溫范圍為23.55～29.94℃。經(jīng)相關(guān)性分析(表1和圖3)表明，黃土嶺、馬坡嶺PM10質(zhì)量濃度與氣溫呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.123 和0.456，PM2.5質(zhì)量濃度與氣溫亦呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.244和0.352，主要原因是夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，持續(xù)高溫使大氣光化學(xué)反應(yīng)異常活躍，生成了更多的二次性氣溶膠(以 PM2.5為主)［12］。馬坡嶺顆粒物濃度與氣溫正相關(guān)更顯著的原因則與采樣點(diǎn)地表土地覆蓋類型有關(guān)，黃土嶺采樣點(diǎn)地表為水泥地，而馬坡嶺采樣點(diǎn)地表為沙土，高溫時(shí)湍流活動(dòng)較為活躍，地表沙土解凍，有利于起沙［13］。

2.3.2 風(fēng)速對(duì) PM10、PM2.5質(zhì)量濃度的影響。風(fēng)是影響污染物稀釋擴(kuò)散的重要因子。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)速大，大氣污染物被混合稀釋，并向下風(fēng)方向輸送，大氣環(huán)境質(zhì)量較好;風(fēng)速小，水平輸送能力就差，擴(kuò)散能力也差，從而使污染物濃度增高［14］。由圖4 可知，與以往的研究不同［2，15－16］，整個(gè)采樣期間PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與風(fēng)速變化趨勢(shì)一致。可能原因是夏季日出較早，日照較強(qiáng)，熱力湍流發(fā)展強(qiáng)烈，熱力和機(jī)械湍流共同作用使大氣混合層高度大于其他季節(jié)［17］。隨著大氣混合層高度的增加，大氣的湍流交換和垂直擴(kuò)散能力加強(qiáng)，有利于顆粒物的擴(kuò)散和運(yùn)移，大的風(fēng)速可帶來(lái)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)纳硥m［18］，同時(shí)夏季炎熱干燥，風(fēng)速大更容易引起二次揚(yáng)塵［19］，從而導(dǎo)致顆粒物質(zhì)量濃度增大，尤其是PM10濃度的增大［20］。

2.3.3 相對(duì)濕度對(duì) PM10、PM2.5質(zhì)量濃度的影響。采樣期間，2個(gè)采樣點(diǎn)日均相對(duì)濕度為51.71% ～85.75%。由表1和圖5可知，在各氣象要素中，PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與相對(duì)濕度的相關(guān)性最顯著，呈顯著的負(fù)相關(guān)。可能是因?yàn)轭w粒物在較高相對(duì)濕度時(shí)容易吸濕沉降，且多數(shù)較高相對(duì)濕度的日期均存在降水事件，降雨沖刷過(guò)程使顆粒物質(zhì)量濃度明顯下降［21］。

2.3.4 氣壓對(duì)PM10、PM2.5質(zhì)量濃度的影響。氣壓的高低與大氣環(huán)流形勢(shì)密切相關(guān)。當(dāng)?shù)孛媸艿蛪嚎刂茣r(shí)，四周高壓氣團(tuán)流向中心，中心形成上升氣流，通常風(fēng)力較大，利于污染物向上擴(kuò)散，顆粒物濃度較小;地面受高壓控制時(shí)，中心部位出現(xiàn)下沉氣流，阻止污染物向上擴(kuò)散，在穩(wěn)定高壓的控制下，大氣污染加重，顆粒物濃度較大［22］。由表1和圖6可知，2個(gè)采樣點(diǎn)PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與氣壓呈正相關(guān)，但相關(guān)性均不顯著，可見(jiàn)氣壓是影響顆粒物濃度變化的次要因素。

表1 PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

2.3.5 降水對(duì) PM10、PM2.5質(zhì)量濃度的影響。降水過(guò)程中，部分顆粒物在云層內(nèi)被水汽吸附做了云滴和雨滴的凝結(jié)核，從而被雨水沖刷而清除［22］。由表1和圖7可知，2個(gè)采樣點(diǎn)PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與降水量之間的負(fù)相關(guān)性并不顯著。降水過(guò)程發(fā)生的不連續(xù)性導(dǎo)致降水樣本量減少可能是相關(guān)性較弱的直接原因［23］。

3 結(jié)論

(1)黃土嶺、馬坡嶺PM10平均日均濃度分別為108.37、91.00 μg/m3，日均濃度超標(biāo)率分別為 25.00%、18.75%;PM2.5平均日均濃度分別為 73.48、65.09 μg/m3，日均濃度超標(biāo)率分別為 31.25%、34.38%。

(2)黃土嶺受顆粒物污染比馬坡嶺嚴(yán)重，2個(gè)采樣點(diǎn)PM2.5污染均比PM10嚴(yán)重。6月12～16日PM10、PM2.5污染最嚴(yán)重，出現(xiàn)了灰霾天氣。

(3)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)，黃土嶺、馬坡嶺 PM2.5占 PM10質(zhì)量載荷分別為 63.8% 、71.6%，表明 PM2.5對(duì)PM10污染貢獻(xiàn)顯著。

(4)PM10、PM2.5質(zhì)量濃度與氣溫呈正相關(guān)，是因?yàn)橄募境掷m(xù)高溫使大氣光化學(xué)反應(yīng)異常活躍，生成了更多的二次性氣溶膠;與風(fēng)速亦呈正相關(guān)，可能原因是夏季大氣混合層高度大于其他季節(jié)，隨著大氣混合層高度的增加，大氣的湍流交換和垂直擴(kuò)散能力加強(qiáng)，有利于顆粒物的擴(kuò)散和運(yùn)移，大的風(fēng)速可帶來(lái)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)纳硥m，亦更容易引起二次揚(yáng)塵;與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，可能是因?yàn)轭w粒物在較高相對(duì)濕度時(shí)容易吸濕沉降，且多數(shù)較高相對(duì)濕度的日期均存在降水事件;與氣壓呈弱正相關(guān);與降水量呈弱負(fù)相關(guān)。

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