仁化縣氣溶膠濃度特征分析

楊萬春，付炳秀，鄒韶芳

(1.韶關(guān)市曲江區(qū)氣象局，廣東 韶關(guān) 512100；2.廣東省仁化縣氣象局，廣東 仁化 512300)

1 引言

大氣氣溶膠是由大氣介質(zhì)和混合于其中的固體或液體顆粒物組成的體系[1,2]。氣溶膠顆粒物粒徑在0.1～10 μm之間，存活壽命可達(dá)7 d，大部分有毒物質(zhì)都集中于此粒徑段內(nèi)，尤其0.1～2.5 μm的氣溶膠吸附的有毒物質(zhì)最多，對人體造成的健康危害最大[3～8]。近年來，國內(nèi)的許多學(xué)者在氣溶膠與氣象要素關(guān)系方面取得不少研究成果: 其中冀翠華等[9]、唐宜西等[10]、馬珊珊等[11]、倪超等[12]、李楊等[13]研究表明，大氣污染物質(zhì)量濃度與氣象條件存在著緊密聯(lián)系，高污染時期往往具有不利污染物擴(kuò)散的氣象條件。邱玉珺等研究表明氣象條件對PM10的影響大于下墊面條件的影響，氣象因素是影響PM10的主要因素[14]。孟昭陽等、姚青等研究表明氣象條件也是影響PM2.5質(zhì)量濃度水平的重要因素之一，對氣溶膠質(zhì)量濃度作用顯著[15，16]，楊春雪等研究表明內(nèi)陸地區(qū)細(xì)顆粒物污染嚴(yán)重，這可能與特殊的地理位置和氣象條件有關(guān)[17]。王開燕等、謝松元等分析發(fā)現(xiàn)對氣溶膠質(zhì)量濃度超標(biāo)日或典型日與當(dāng)時氣象特征和天氣形勢也有相關(guān)[18,19]。羅燕等研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度與氣象要素的關(guān)系存在地域差異性[20]。

仁化縣地處中亞熱帶南沿，為亞熱帶季風(fēng)氣候，受自然地理環(huán)境、太陽輻射和季風(fēng)的影響，形成氣候溫和、四季分明、雨量集中的基本氣候特征。仁化縣國家氣象觀測站位于仁化縣中部地區(qū)，該站點(diǎn)地處郊區(qū)，周邊為丘陵地貌，無強(qiáng)排放源。該站對仁化縣未來大氣成分的變化起著早期預(yù)警和監(jiān)測作用。

本文利用仁化縣國家氣象觀測站的氣溶膠和相關(guān)氣象要素觀測數(shù)據(jù)，分析了仁化縣氣溶膠(PM2.5、PM10)四季平均濃度特征和日變化及其與本站氣壓、氣溫、降雨量、水汽壓、相對濕度、平均風(fēng)速和最小能見度的相關(guān)性，以便揭示該地區(qū)大氣成分濃度現(xiàn)狀和變化規(guī)律，為研究氣候和環(huán)境變化奠定基礎(chǔ)。

2 研究資料及方法

2.1 觀測儀器

按照大氣成分觀測規(guī)范，氣溶膠(PM2.5、PM10，下同)環(huán)境顆粒物分析儀采用安徽藍(lán)盾的LGH-01E和LGH-01B儀器，儀器安裝在仁化縣國家氣象觀測站環(huán)境監(jiān)測方艙內(nèi)，進(jìn)氣管使用不銹鋼管，垂直伸到屋頂之上，四周開闊無遮擋物，無其他干擾。

2.2 資料與方法

利用仁化縣國家氣象觀測站2020年1月1日到12月31日逐1 h氣溶膠平均濃度值資料，分析其四季平均濃度特征和日變化特征；利用氣溶膠平均濃度值資料與本站氣壓、氣溫、降雨量、水汽壓、相對濕度、平均風(fēng)速和最小能見度等資料，運(yùn)用常規(guī)統(tǒng)計方法，分析逐時PM2.5、PM10與氣象要素的相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)仁化縣氣候及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，將3～5月份劃分為春季，6～8月份為夏季，9～11月份為秋季，12月份～次年2月份為冬季(本文僅用1年的資料，故將當(dāng)年1～2月份和當(dāng)年12月份合為冬季時間段)。統(tǒng)計四季仁化縣國家氣象觀測站氣溶膠濃度和日變化特征及其與氣象要素的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 四季平均氣溶膠濃度特征

由表1可知，就四季平均而言，仁化縣國家氣象觀測站氣溶膠濃度隨顆粒物粒徑的減小而減小(PM10>PM2.5)。從年平均濃度看，PM10濃度為44.5 μg/m3，PM2.5濃度為22.0 μg/m3，PM10是PM2.5的約2倍。就各季而言，PM10濃度在40.2～50.4 μg/m3，PM2.5濃度在15.3～27.4 μg/m3，兩者都表現(xiàn)為冬季>春季>秋季>夏季，其中春、秋季濃度相差較小。

表1 仁化縣國家氣象觀測站氣溶膠四季平均值濃度 μg/m3

進(jìn)一步分析可知，各粒徑的氣溶膠濃度在冬季最高，其次是春季和秋季，這主要是由于秋冬季和初春屬于非汛期，降雨量較少，并且冬季氣溫低，逆溫層較強(qiáng)較厚，不利于氣溶膠顆粒的擴(kuò)散以及沉降，造成PM10、PM2.5氣溶膠濃度較高。夏季PM10、PM2.5氣溶膠濃度較低，則是因為大氣垂直擴(kuò)散強(qiáng)、植被相對茂盛、降雨多、對流強(qiáng)，對顆粒物的吸附、凈化等作用明顯，對大氣顆粒物有清除作用。

3.2 氣溶膠濃度日變化特征

3.2.1 冬季

由圖1可知，冬季氣溶膠PM10濃度在41.4～71.5 μg/m3范圍內(nèi)變化(相差30.1 μg/m3)，最小值出現(xiàn)在15：00，最大值出現(xiàn)在20：00；氣溶膠PM2.5濃度在22.1～42.4 μg/m3范圍內(nèi)變化(相差20.3 μg/m3)，最小值出現(xiàn)在16：00，比PM10滯后1 h；最大值出現(xiàn)在20：00，與PM10為同一時次。由此可見，PM10和PM2.5日變化總體都呈單峰型變化，20:00達(dá)濃度峰值，15:00到16:00達(dá)濃度谷值；相比于PM10，總體來看PM2.5日變化相對較平穩(wěn)。

圖1 冬季仁化國家氣象觀測站PM2.5和PM10濃度冬季日變化曲線

3.2.2 春季

由圖2可知，春季氣溶膠PM10濃度在40.2～71.7 μg/m3范圍內(nèi)變化(相差31.5 μg/m3)，最小值出現(xiàn)在15：00，最大值出現(xiàn)在23：00，整體呈多峰型波動變化；氣溶膠PM2.5濃度在18.5～28.1 μg/m3范圍內(nèi)變化(相差9.6 μg/m3)，最小值出現(xiàn)在5：00，比PM10早10 h；最大值出現(xiàn)在21：00，比PM10早2 h；一天中都呈平緩的弱波動變化。由此可見，PM10呈多峰型波動變化，23:00達(dá)濃度峰值，15:00達(dá)濃度谷值；PM2.5日變化平穩(wěn)，21:00達(dá)濃度峰值，5:00達(dá)濃度谷值。

圖2 春季仁化國家氣象觀測站PM2.5和PM10濃度冬季日變化曲線

3.2.3 夏季

由圖3可知，夏季氣溶膠PM10濃度在35.7～49.9 μg/m3范圍內(nèi)變化(相差14.2 μg/m3)，最小值出現(xiàn)在16:00到17：00，最大值出現(xiàn)在12：00，整體呈多峰型波動變化；氣溶膠PM2.5濃度在12.4～18.3 μg/m3范圍內(nèi)變化(相差5.9 μg/m3)，最小值出現(xiàn)在8：00，比PM10早8 h；最大值出現(xiàn)在11：00和22:00，前者比PM10早1 h，后者比PM10晚10 h，一天中都呈平緩的弱波動變化。由此可見，PM10呈多峰型波動變化，12:00達(dá)濃度峰值，16:00到17:00達(dá)谷值；PM2.5日變化平穩(wěn)，11：00和22:00分別達(dá)濃度峰值，8:00達(dá)谷值。

圖3 夏季仁化國家氣象觀測站PM2.5和PM10濃度夏季日變化曲線

3.2.4 秋季

由圖4可知，秋季氣溶膠PM10濃度在37.3～49.1 μg/m3范圍內(nèi)變化(相差11.8 μg/m3)，最小值出現(xiàn)在8:00，最大值出現(xiàn)在22：00，整體呈多峰型波動變化；氣溶膠PM2.5濃度在14.4～24 μg/m3范圍內(nèi)變化(相差9.6 μg/m3)，最小值出現(xiàn)在7：00，比PM10早1h；最大值出現(xiàn)在22:00，與PM10為同一時次；一天中濃度多峰型弱波動變化。由此可見，PM10和PM2.5都呈多峰型波動變化，PM2.5日變化較平穩(wěn)，都是22:00達(dá)濃度峰值，7:00到8:00達(dá)濃度谷值。

圖4 秋季仁化國家氣象觀測站PM2.5和PM10

3.3 氣溶膠濃度與氣象要素相關(guān)性分析

3.3.1 PM2.5與氣象要素

由表2可知，冬季PM2.5濃度與本站氣壓、降雨量、相對濕度、平均風(fēng)速、最小能見度呈顯著的負(fù)相關(guān)，其中與最小能見度的負(fù)相關(guān)最強(qiáng)；與氣溫和水汽壓呈顯著正相關(guān)，其中與氣溫的正相關(guān)最強(qiáng)。春季PM2.5濃度與本站氣壓、降雨量、相對濕度呈顯著的負(fù)相關(guān)，其中與相對濕度的負(fù)相關(guān)最強(qiáng)；與氣溫、水汽壓、最小能見度呈顯著正相關(guān)，其中與氣溫的正相關(guān)最強(qiáng)。夏季PM2.5濃度與本站氣壓、降雨量、相對濕度呈顯著的負(fù)相關(guān)，其中與本站氣壓的負(fù)相關(guān)最強(qiáng)；與氣溫呈顯著正相關(guān)。秋季PM2.5濃度與本站氣壓、相對濕度、最小能見度呈顯著的負(fù)相關(guān)，其中與最小能見度的負(fù)相關(guān)最強(qiáng)；與氣溫、水汽壓呈顯著正相關(guān)，其中與氣溫的正相關(guān)最強(qiáng)。

表2 仁化縣國家氣象觀測站氣溶膠PM2.5與氣象要素的相關(guān)性

3.3.2 PM10與氣象要素

由表3可知，冬季PM10濃度與本站氣壓、降雨量、平均風(fēng)速、最小能見度呈顯著的負(fù)相關(guān)，其中與最小能見度的負(fù)相關(guān)最強(qiáng)；與氣溫和水汽壓呈顯著正相關(guān)，其中與水汽壓的正相關(guān)最強(qiáng)。春季PM10濃度與本站氣壓、平均風(fēng)速、最小能見度呈顯著的負(fù)相關(guān)，其中與本站氣壓的負(fù)相關(guān)最強(qiáng)；與氣溫、水汽壓、相對濕度呈顯著正相關(guān)，其中與水汽壓的正相關(guān)最強(qiáng)。夏季PM10濃度與本站氣壓、降雨量、水汽壓、相對濕度、平均風(fēng)速、最小能見度呈負(fù)相關(guān)，與氣溫呈正相關(guān)，但相關(guān)都不夠顯著。秋季PM10濃度與本站氣壓、相對濕度、最小能見度呈顯著的負(fù)相關(guān)，其中與相對濕度的負(fù)相關(guān)最強(qiáng)；與氣溫、平均風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，其中與氣溫的正相關(guān)最強(qiáng)。

表3 仁化縣國家氣象觀測站氣溶膠PM10與氣象要素的相關(guān)性

綜上而言，各季PM2.5、PM10濃度與本站氣壓都呈較顯著的負(fù)相關(guān)，與氣溫都呈較顯著的正相關(guān)；各季PM2.5濃度與相對濕度都呈較顯著的負(fù)相關(guān)，各季PM10濃度與最小能見度都呈較顯著的負(fù)相關(guān)。各季PM2.5、PM10濃度與降雨量、水汽壓、相對濕度、平均風(fēng)速、最小能見度的相關(guān)性較為復(fù)雜，有待進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論與討論

(1)各季PM2.5、PM10濃度，冬季最高，其次是春秋季，這主要是由于秋冬季和初春屬于非汛期，降雨量較少，并且冬季氣溫低，逆溫層較強(qiáng)較厚，不利于氣溶膠顆粒的擴(kuò)散以及沉降，造成PM10、PM2.5氣溶膠濃度較高。夏季PM10、PM2.5氣溶膠濃度較低，則是因為大氣垂直擴(kuò)散強(qiáng)、植被相對茂盛、降雨多、對流強(qiáng)，對顆粒物的吸附、凈化等作用明顯，對大氣顆粒物有清除作用。

(2)各季PM2.5、PM10濃度日變化在各季節(jié)表現(xiàn)有所不同。氣溶膠PM10濃度日變化在冬季都呈單峰型變化，在春、夏、秋季呈多峰型波動變化；氣溶膠PM2.5濃度日變化在冬季都呈單峰型變化，在春、夏季變化平穩(wěn)，秋季呈多峰型波動變化；總體上看PM10濃度日變化波動較明顯，PM2.5濃度日變化較平穩(wěn)。

(3)各季PM2.5、PM10濃度與本站氣壓都呈較顯著的負(fù)相關(guān)，與氣溫都呈較顯著的正相關(guān)；各季PM2.5濃度與相對濕度都呈較顯著的負(fù)相關(guān)，各季PM10濃度與最小能見度都呈較顯著的負(fù)相關(guān)。各季PM2.5、PM10濃度與降雨量、水汽壓、相對濕度、平均風(fēng)速、最小能見度的相關(guān)性較為復(fù)雜。各氣象要素在各季節(jié)對各粒徑氣溶膠濃度的影響機(jī)理較為復(fù)雜，有待進(jìn)一步的研究。