單顆粒氣溶膠質譜儀在襄陽市沙塵污染過程分析中的應用

紀 芳，吳中華

(襄陽市環境保護監測站，湖北 襄陽 441000)

1 引言

襄陽市地處南陽盆地南部，國土面積1.97萬km2,其中山地面積占36.5%，丘陵占54.8%，平原占8.7%[1]。東面和南面分別為桐柏山和大洪山，海拔多在1000 m以下，其間為低丘和坡地，中部的隨棗走廊是南北風向的重要通道；鄂北崗地海拔150 m左右，是湖北省年降水量最少的地區[2]。襄陽屬大陸亞熱帶季風氣候區，風向呈明顯的季節性變化，冬夏季分別盛行偏北風和偏南風，春、秋轉換季節內風向多變。從低空環流分析，北方冷空氣經南陽盆地進入湖北后傳輸路徑分為兩條：其一是有襄陽經隨棗走廊傳輸至鄂東南地區，另一條則是氣團經襄陽南下至荊門[2]。襄陽春季平均風速最大，一般在3m/s以上。受大氣傳輸通道以及氣象條件，襄陽春季易發生沙塵天氣，通常東北部最先受到沙塵影響，然后在傳輸過程中逐漸影響西部及南部地區。

目前已有一些關于我國西北、華北地區的沙塵天氣中顆粒物的研究[3～6]，但華中地區受北方沙塵傳輸對空氣質量影響研究較少，現對襄陽市2019年春季的一次沙塵天氣的整個過程中的大氣顆粒物的成分和粒徑進行對比研究，有助于更好地了解沙塵天氣過程中顆粒物的組分變化。

2 研究方法

2.1 采樣儀器

采用單顆粒氣溶膠質譜儀[7](SPAMS,Single Particle Aerosol Mass Spectrometer)。

2.2 環境空氣樣品采集

利用單顆粒氣溶膠質譜儀移動監測車(單顆粒氣溶膠質譜儀SPAMS 0525)進行連續監測，采樣點位于襄陽市環境保護監測站(32°0′53″N，112°7′43″E)，周邊有學校、居民區及較多交通干道。

環境空氣經PM2.5切割頭切割后直接進入SPAMS分析，PM2.5切割頭位于移動監測車頂部，采樣管經車頂采樣口與儀器進樣口連接進行采樣。采樣時間為2019年3月20日0:00至3月22日10:00，平均采樣頻率為 個顆粒/s，共采集含有粒徑信息的顆粒40.2萬個，其中顆粒物粒徑范圍為 0.2～2.0 μm，含有正負譜圖信息的顆粒為9.8萬個。

2.3 質量保證與控制

采樣前采用聚苯乙烯標準樣品(PSLs)進行粒徑校正，用硝酸鉛溶液對譜圖進行質譜偏移校正[8]。監測期間對單顆粒氣溶膠質譜儀(SPAMS 0525)進行定期維護、校準[9]。

2.4 數據分析

將采集到的海量顆粒物通過自適應共振神經網絡算法(ART-2a)[10]進行分類。分類過程中使用的分類參數為：相似度0.75，學習效率0.05。分類后，根據各類別化學成分特征將這些顆粒物合并成10類 ：元素碳(Elemental Carbon,EC)、有機碳(Organic Carbon,OC)、混合碳 (Internally mixed Organic and Elemental Carbon,OC)、高分子有機碳(Macromolecule OrganicCarbon，HOC)、左旋葡聚糖(Levoglucosan,LEV)、重金屬(Heavy Metal , HM)、富鉀(K-rich，K)、富鈉(Na-rich，Na)、礦物質(Mineral Dust,MD)、其他(Other)。此外，參照《大氣顆粒物來源解析技術指南(試行)》[11]，根據大氣顆粒物不同污染來源特征，利用示蹤離子法[12,13]將襄陽市本地大氣顆粒物的污染來源歸結為機動車尾氣、燃煤、工業工藝源、二次無機源、揚塵、生物質燃燒、餐飲及其它等八類。

3 結果與討論

3.1 監測期間空氣質量分析

3月20日6時中央氣象臺發布沙塵暴預警，受冷空氣大風影響，3月20日8時至21日08時，新疆東部和南疆盆地、內蒙古西部、甘肅河西、寧夏、陜西中北部等地有揚沙或浮塵天氣。此次沙塵天氣過程中沙塵源烏海、阿拉善盟、銀川、中衛這些城市PM10小時濃度均持續2 h以上600 μg/m3，沙塵途經固原、慶陽、西安等城市先到達河南西部再進入襄陽。

21日清晨伴隨著強東北風，襄陽開始受北方沙塵擴散影響，21日4時站點PM10濃度上升到154 μg/m3，6時PM10濃度達到峰值303 μg/m3，隨著PM10濃度上升，PM2.5濃度下降，空氣質量由良變為輕度污染以上并持續15 h。21日20時后空氣質量好轉，表現為良。根據環保部環辦監測[2016]120號文要求，確認襄陽市此次受沙塵天氣影響時段為2019年3月21日4：00～23：00共計20 h(圖1)。

圖1 監測期間環境空氣顆粒物濃度隨時間變化曲線

3.2 顆粒物成分分析

監測期間，監測點共采集到具有測徑信息的顆粒物(SIZE)40.2萬個，同時有正、負譜圖的顆粒(MASS)9.8萬個。顆粒物數濃度與質量濃度變化趨勢較為一致，測徑顆粒的小時變化趨勢與PM2.5質量濃度的相關性較高，相關系數r值達到0.90，說明SPAMS的數濃度變化趨勢對反映大氣污染狀況具有較強的代表性。

襄陽市大氣顆粒物組分和污染源比例和數濃度及PM2.5質量濃度的小時變化分別如圖2、圖3、圖4所示，從顆粒成分來看，整個監測時段本地大氣顆粒物成分以元素碳為主，主要的成分為元素碳50.3%，其次為富鉀12.1%、有機碳11.8%。圖4為各顆粒物成分粒徑分布，礦物質在大粒徑分布比例顯著增加，它是沙塵過程中揚塵源顆粒物的主要成分來源。

圖2 SIZE-PM2.5質量濃度變化趨勢

3.3 細顆粒物來源分析

參照《大氣顆粒物來源解析技術指南》，結合襄陽市本地污染源譜庫和當地的能源結構，按照環境管理需求對細顆粒物排放源進行分類，將襄陽市細顆粒物污染來源歸結為八大類，分別為揚塵、生物質燃燒、機動車尾氣、燃煤、工業工藝源、二次無機源和其它。由圖5 PM2.5污染物來源解析結果可見，整個監測期間PM2.5首要污染源為機動車尾氣，比例為23.5%，其次為工業工藝源占比為20.9%，燃煤源占17.8%，排在第三位。

圖3 顆粒物Art-2a分類結果

圖4 各顆粒物成分粒徑分布

圖5 PM2.5污染物來源解析結果

3.3.1 不同類型污染源粒徑分析

圖6為各類顆粒物粒徑分布，揚塵顆粒物在大粒徑分布比例顯著增加，即主要分布在大粒徑段，機動車尾氣、燃煤、工業工藝顆粒物則主要分布在小粒徑段。

3.3.2 不同類型污染源變化趨勢分析

利用SPAMS高時間分辨率的特性，可得到小時級別的顆粒物來源解析結果，如圖7所示，監測期間PM2.5質量濃度波動變化，各類污染源數濃度與PM2.5質量濃度變化趨勢相近，PM2.5上升期間，機動車尾氣源、工業工藝源、燃煤源的貢獻率較高。在東北風的作用下，隨著沙塵影響開始，各類污染源數濃度與PM2.5質量濃度下降，揚塵源比例上升明顯，另外沙塵傳輸過程途徑洛陽、平頂山、南陽到達襄陽，從圖8的火點分布圖可以看出，平頂山火點較多，這也是沙塵影響時段生物質燃燒比例升高的原因。

3.4 污染天氣過程分析

監測期間污染天氣主要是受到沙塵天氣的影響，其中3月21日4：00～19：00的污染持續時間長，污染程度較高。

3.4.1 沙塵傳輸激光雷達觀測

上風向鄭州和平頂山激光雷達氣溶膠觀測結果如圖9、10所示，從鄭州激光雷達垂直監測數據可以發現，從雷達消光系數與退偏比圖像中可以看到，3月21日0時在監測點位上空粗顆粒物逐漸向地面沉降，于2時左右到達近地面，北區指揮部站點PM10濃度開始快速上升，PM2.5于1時開始下降，之后維持在30 μg/m3以下；PM10持續上升，于3月21日10時達到峰值375 μg/m3，PM2.5/PM10比值明顯下降，符合沙塵特征。在11時07分后，近地面粗顆粒物比重逐漸降低，沙塵污染氣團上升至站點上空2～3 km處，之后逐漸退散。

圖6 各類源顆粒物粒徑分布

圖7 各污染源數濃度、比例及PM2.5質量濃度隨時間變化趨勢

圖8 3月21日火點分布

從平頂山雷達消光系數圖像中可以看到，3月21日1時在監測點位上空粗顆粒物逐漸向地面沉降，于2時左右到達近地面，國控點監測值2時PM10達到峰值，在短短3 h內PM10濃度由93 μg/m3升至249 μg/m3，PM2.5/PM10小時濃度比值為0.31，小于前6 h比值平均值(0.32)的50%；17時，PM10濃度降至109 μg/m3，首次降至與沙塵天氣前6 h PM10平均值(112 μg/m3)相對偏差小于10%，符合沙塵特征。

3.4.2 后向軌跡與顆粒物來源分析

沙塵傳輸過程后向軌跡、污染過程氣象參數與顆粒物來源分析分別如圖11、12、13所示，時段2至時段4西北方向的沙塵先到達河南西部，在較強的東北風作用下途徑洛陽、鄭州、平頂山、南陽再輸送至襄陽市。沙塵影響時段監測點位空氣濕度40%左右，風速5.0 m/s左右，隨著PM2.5質量濃度的下降，揚塵比例迅速增加，時段1至時段2，揚塵比例上升2.6%。時段3達到污染峰值，受到沙塵影響最為嚴重，揚塵比例高達19.3%，比沙塵影響前時段1的揚塵比例上升10.3%。時段4之后，風力減弱，風向改變，空氣濕度增大，至時段5的揚塵源貢獻率明顯開始下降，沙塵影響逐漸減弱，空氣質量迅速好轉。

沙塵傳輸過程中，受上游城市平頂山秸稈焚燒的影響，時段1至時段5生物質燃燒源比例經歷升降變化，時段3達到最高比例19.3% 。

圖9 3月21日鄭州激光雷達垂直數據分析

圖10 3月21日平頂山激光雷達垂直數據分析

圖11 沙塵污染過程顆粒物來源分析

圖12 監測期間氣象參數與PM2.5的變化趨勢

圖13 污染過程風速風向空氣質量三維圖

4 結論

(1) 監測期間，顆粒物主要化學組成為元素碳、富鉀和有機碳。礦物質在大粒徑分布比例顯著增加，它是沙塵過程中揚塵源顆粒物的主要成分來源。

(2)從污染源解析的角度來看，整個監測期間PM2.5首要污染源為機動車尾氣，比例為23.5%，其次為工業工藝源占比為20.9%，燃煤源占17.8%，排在第三位。揚塵顆粒物在大粒徑分布比例顯著增加。

(3)監測期間受西北沙塵傳輸影響，各類污染源數濃度與PM2.5質量濃度下降，揚塵源的貢獻率隨之升高。監測分析結果表明，單顆粒氣溶膠質譜儀可快速、實時的分析沙塵影響過程中顆粒物的成分及各類污染源的貢獻率，同時結合后向軌跡和氣象參數分析得出的結論與根據環保部環辦監測[2016]120號文要求得出的結論一致。