夏季持續(xù)高溫天氣下空氣微粒污染物濃度擴(kuò)散特征研究

文章編號(hào)：1674-6139（2025）06-0055-05

中圖分類號(hào)：X513文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Concentration and Diffusion Characteristics ofAir Particle Pollutants under Continuous High Temperature Weather in Summer

WeiLiying，XieFei，LiangJianping，LiXiaobo，LiYan （Meteorological Observation Center，Baise Meteorological Bureau，Baise 533OOo，China）

Abstract：Tostdythespatiotemporaldifusioncharacteriticsofairparticulatepllutantconcentrationsduringsustainedhighem peraturesinsummer，samplingpointsaresetupiareasfarawayfrompolutionsources，withflatterainandgodvegetationcoverage， nearplaintraffcarteries，mountaintops，mountainslops，andfoothill.Medumflowimpactgradedsamplersreusedforcontiuous sampling，andlaserparticlecountersareusedtomonitorconcenrationchangeseveryhour.ThemonitoringperiodistheholedayUnder sustained high temperatures in summer， PM_2.5 concentration is higher than PM₁₀ .The concentration of particulate pollutants is higher oncleardays.There is a significant diffrence in the difusion characteristics of PM_2.5 and PM₁₀ concentrations between daytime and nightie.Iedisofantsartasratioegmperaueprootsttaldticalsif polutants，reducingthoncentratioofparticlatepoltantsnearthegroundTesustaiedightemperatureinummerassigificant impact on the spatiotemporal difusion characteristics of air particulate pollutant concentrations.

Key words：sustained high temperature weather in summer; PM_2.5 ： PM₁₀ concentration；diffusion characteristics；Quartz fiber filtei membrane

前言

空氣微粒污染物是影響空氣質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，它們對(duì)人類健康和環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。

在高溫天氣下，空氣微粒污染物的擴(kuò)散和傳輸過(guò)程可能發(fā)生變化，進(jìn)而影響到污染物的分布和濃度。基于該背景深入探究夏季持續(xù)高溫天氣下空氣微粒污染物濃度擴(kuò)散特征。該方向的研究有助于更準(zhǔn)確地把握夏季持續(xù)高溫天氣下的空氣污染的變化規(guī)律[1]。隨著氣候變化趨勢(shì)的加劇，夏季高溫天氣可能會(huì)成為常態(tài)，這使得對(duì)空氣微粒污染物擴(kuò)散特征的研究更具現(xiàn)實(shí)意義和緊迫性[2]

夏季持續(xù)高溫下空氣微粒污染物濃度擴(kuò)散特征的研究，已成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者深入研究并取得諸多成果。目前，研究主要集中在以下幾個(gè)方面：首先，通過(guò)對(duì)不同高溫條件下空氣微粒污染物的監(jiān)測(cè)與分析，揭示了其濃度的時(shí)空變化特征。其次，利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室模擬等手段，深入探究了高溫對(duì)空氣微粒污染物擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制。此外，還研究關(guān)注了高溫天氣下不同污染源對(duì)空氣微粒污染物濃度的貢獻(xiàn)及其相互作用。現(xiàn)基于以往取得的各種研究成果對(duì)夏季持續(xù)高溫天氣下空氣微粒污染物濃度擴(kuò)散特征實(shí)施深入研究，旨在更精確地揭示高溫條件下污染物的擴(kuò)散規(guī)律與機(jī)制。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

針對(duì)某研究區(qū)域，在夏季持續(xù)高溫天氣下，探討該區(qū)域空氣微粒污染物濃度的擴(kuò)散特征。

研究區(qū)域地處溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨。地形以山地和丘陵為主，地勢(shì)起伏較大，海拔從幾十米到數(shù)千米不等[3]。研究區(qū)域有著豐富的地表水資源和地下水資源，同時(shí)該區(qū)域擁有豐富的礦產(chǎn)資源，包括煤炭、石油、天然氣等。這些礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)和利用對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。然而，礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣、廢水和固體廢棄物等污染物對(duì)空氣環(huán)境造成了不良影響[4]

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

首先在遠(yuǎn)離污染源、地形平坦、植被覆蓋良好的區(qū)域設(shè)置采樣點(diǎn)。其次在平原區(qū)內(nèi)具有代表性的交通要道附近設(shè)置采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)間距根據(jù)地形和污染源分布情況調(diào)整。最后在山地和丘陵區(qū)的山頂、山腰和山腳等關(guān)鍵位置設(shè)置采樣點(diǎn)。

1.3空氣微粒污染物采樣

在研究區(qū)域的夏季，通過(guò)監(jiān)測(cè)氣象預(yù)報(bào)，選擇預(yù)期為高溫天氣的日子實(shí)施采樣，采樣需覆蓋全天[5]采樣使用的儀器具體如下：

（1）超聲清洗器：型號(hào)：KQ-500；

（2）真空干燥箱：型號(hào)：DZG-500DB;

（3）中流量撞擊式分級(jí)采樣器：型號(hào)：Model110;

（4）分析天平：型號(hào)：Quintix35-1CN；

（5）純水儀：型號(hào)：MiLii-Q plu;

（6）激光粒子計(jì)數(shù)器：型號(hào)：AEEWF4;

（7）流量計(jì)：型號(hào)：D35；

（8）馬弗爐：型號(hào)：F352。

在采集 PM_2.5 和 PM₁₀ 樣品時(shí)，選用美國(guó)Pall公司提供的47毫米石英纖維濾膜作為采樣介質(zhì)，并運(yùn)用中流量撞擊式分級(jí)采樣器（MOUDI），將采樣流量設(shè)定為 30L/min 。為了確保數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性，采取連續(xù)采樣策略，每日采樣時(shí)長(zhǎng)共計(jì)22小時(shí)，剩余兩小時(shí)則用于更換濾膜。整個(gè)采樣過(guò)程嚴(yán)格遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)的可靠性[6]。大氣中 PM_2.5 和PM₁₀ 顆粒物樣品采集過(guò)程如下：

在采樣前，準(zhǔn)備一張潔凈的鋁箔紙，經(jīng)過(guò)無(wú)水乙醇的仔細(xì)擦拭后自然晾干。將石英纖維濾膜平整地放置于鋁箔紙內(nèi)，并仔細(xì)包裹，確保濾膜被完全密封放入馬弗爐中，在 450^qC 的高溫下灼燒6小時(shí)，以徹底清除濾膜上可能存在的任何雜質(zhì)。待濾膜冷卻后，將其從鋁箔紙中取出，分別放入膜盒中，并將膜盒微微開(kāi)啟，放入恒溫恒濕的干燥箱中平衡24小時(shí)[7]。之后，使用分析天平對(duì)濾膜實(shí)施精確稱重，并記錄重量。

采樣前，還需要確保采樣器的正常運(yùn)行。使用無(wú)水乙醇將鑷子擦拭干凈，夾取已經(jīng)準(zhǔn)備好的空白濾膜固定在采樣器上。在采樣開(kāi)始時(shí)，將采樣器與壓力表相連，并確認(rèn)壓力表上、下表盤(pán)的數(shù)值分別為18.5和62.5，以確保采樣器的流量穩(wěn)定在 30L/min 。

采樣結(jié)束后，使用干凈的鑷子將濾膜從采樣器上取下，并再次放入恒溫恒濕的真空干燥箱中平衡24小時(shí)。隨后，對(duì)濾膜實(shí)施稱重記錄質(zhì)量。完成稱重后，使用干凈的鑷子將濾膜放入膜盒中，將膜盒放人 -20% 的冰箱中保存[8]。通過(guò)測(cè)量采樣前后濾膜的質(zhì)量變化，并結(jié)合采樣體積，計(jì)算出大氣顆粒物的濃度。

在選定的采樣點(diǎn)安裝了無(wú)線自動(dòng)氣象站，旨在同步收集大氣顆粒物樣品與對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)。

通過(guò)馬弗爐以 450% 的高溫灼燒石英纖維濾膜6小時(shí)，以徹底去除濾膜中的雜質(zhì)。此外，為了確保采樣設(shè)備的準(zhǔn)確性，在每次采樣前都實(shí)施嚴(yán)格的清洗和校準(zhǔn)工作。具體來(lái)說(shuō)，MOUDI的切割器使用純水儀和超聲清洗器徹底清洗，其中切割粒徑最小的切割器需要采用異丙醇浸泡至完全清潔。同時(shí)，采樣器的其他接觸部分以及鑷子均用無(wú)水乙醇仔細(xì)擦拭，確保沒(méi)有殘留物影響采樣結(jié)果。在采樣之前，使用了流量計(jì)和與MOUDI配套的壓力表對(duì)流量實(shí)施了精確的校準(zhǔn)，以確保采樣過(guò)程中的流量穩(wěn)定且準(zhǔn)確。同時(shí)，仔細(xì)檢查濾膜，確保沒(méi)有任何針孔或其他缺陷，以免影響采樣結(jié)果的準(zhǔn)確性。在稱量濾膜的過(guò)程中，同樣注重細(xì)節(jié)和準(zhǔn)確性[9]。每次稱量前，均使用干凈的刷子清掃分析天平的稱量室，并檢查天平的基準(zhǔn)水平，確保稱量結(jié)果的精確性。同時(shí)，為了消除靜電的影響，在稱量前會(huì)打開(kāi)分析天平的屏蔽門(mén)超過(guò)1分鐘，使天平內(nèi)的濕度和溫度與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境達(dá)到平衡。在稱量過(guò)程中，盡量縮短操作時(shí)間，并取兩次稱量的質(zhì)量平均值作為最終結(jié)果。最后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將場(chǎng)地空白濾膜與實(shí)際樣品濾膜一同實(shí)施恒溫恒濕平衡和稱量。通過(guò)對(duì)比兩者的質(zhì)量差，發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地空白濾膜采樣前后的質(zhì)量差遠(yuǎn)小于實(shí)際樣品濾膜。

使用激光粒子計(jì)數(shù)器監(jiān)測(cè)顆粒物每小時(shí)的濃度變化情況，監(jiān)測(cè)時(shí)間為一整天。利用某日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際采集到的 PM_2，5 和 PM₁₀ 數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖可知，采樣點(diǎn)周邊監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)的 PM_2.5 和 PM₁₀ 數(shù)據(jù)與采樣點(diǎn)采集的顆粒物樣品數(shù)據(jù)之間相關(guān)性較強(qiáng)[10]

2空氣微粒污染物濃度擴(kuò)散特征分析

2.1空氣微粒污染物濃度時(shí)間擴(kuò)散特征分析

在夏季持續(xù)高溫天氣下，分析遠(yuǎn)離污染源、地形平坦、植被覆蓋良好的區(qū)域采樣點(diǎn)的時(shí)間擴(kuò)散特征，具體采樣數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

在夏季持續(xù)高溫天氣下，整體來(lái)說(shuō)， PM_2.5 的濃度高于 PM₁₀ ，這是由于強(qiáng)光照和高溫可能促進(jìn)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）和氮氧化物（ ）的光化學(xué)反應(yīng)，從而生成 PM_2.5 。同時(shí) PM₁₀ 顆粒較大，相對(duì)容易受重力影響而沉降到地面，因此 PM₁₀ 的濃度也較高。

在晴朗天氣下，微粒污染物的濃度更高，在下雨的情況下，雨水對(duì)空氣微粒污染物具有沖刷作用，能夠顯著降低 PM_2.5 和 PM₁₀ 的濃度。雨水通過(guò)濕沉降的方式，將大氣中的顆粒物帶至地面，從而減少空氣中的污染物含量。

比較遠(yuǎn)離污染源、地形平坦、植被覆蓋良好的區(qū)域采樣點(diǎn)日間與夜間 PM_2.5 和 PM₁₀ 的濃度擴(kuò)散特征差異，具體見(jiàn)圖2。

在夏季持續(xù)高溫天氣下，日間與夜間的 PM_2.5 和 PM₁₀ 濃度擴(kuò)散特征存在顯著差異。其中日間擴(kuò)散特征具體如下：日間，陽(yáng)光直射導(dǎo)致地表溫度迅速上升，大氣溫度也隨之升高。這種高溫環(huán)境有利于大氣對(duì)流和湍流的形成，從而增強(qiáng) PM_2.5 和PM₁₀ 的擴(kuò)散能力，使其實(shí)現(xiàn)迅速擴(kuò)散，濃度快速降低。在強(qiáng)烈的光照下，大氣中的氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)化合物等前體物質(zhì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，使 PM_2.5 的濃度更高。同時(shí)日間較高的風(fēng)速有利于污染物的擴(kuò)散和稀釋，而特定的風(fēng)向可能將污染物從源區(qū)帶至其他區(qū)域。以及日間，隨著地表溫度的升高，大氣邊界層（混合層）的高度逐漸增加。這有利于污染物的垂直擴(kuò)散，使得 PM_2.5 和 PM₁₀ 能夠在更廣泛的空間內(nèi)分布。

夜間地表溫度迅速下降，而大氣上層溫度相對(duì)較高，形成溫度逆層。這種逆層結(jié)構(gòu)限制了空氣的垂直混合和污染物的擴(kuò)散，使得 PM_2.5 和 PM₁₀ 更容易在地表附近積聚。與日間相比，夜間的風(fēng)速較低。降低了污染物的擴(kuò)散能力，使得 PM_2.5 和 PM₁₀ 的濃度容易升高。同時(shí)，夜間大氣邊界層（混合層）的高度逐漸降低。限制了污染物的垂直擴(kuò)散空間，使得PM_2.5 和 PM₁₀ 更容易在較低的大氣層中積聚。以及夜間某些源排放（如交通、工業(yè)等）可能仍在繼續(xù)，但擴(kuò)散條件較差，導(dǎo)致污染物在地表附近積聚，整體來(lái)說(shuō)， PM_2.5 和 PM₁₀ 的濃度仍然較高。

2.2空氣微粒污染物濃度空間擴(kuò)散特征分析

以 PM_2.5 為例，在夏季持續(xù)高溫天氣下，對(duì)于設(shè)置的平原區(qū)內(nèi)的交通要道附近的采樣點(diǎn)，顆粒污染物的濃度擴(kuò)散特征見(jiàn)圖3。

在高溫天氣下，機(jī)動(dòng)車尾氣排放會(huì)增加，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)需要更多的冷卻和能源消耗。這會(huì)導(dǎo)致 PM_2.5 的排放量上升。道路揚(yáng)塵在高溫下也會(huì)增加，因?yàn)楦稍锏穆访娓菀桩a(chǎn)生揚(yáng)塵。同時(shí)在夏季，由于旅游、貨運(yùn)等活動(dòng)的增加，交通流量會(huì)上升，導(dǎo)致污染物排放量增加。

高溫天氣常伴隨著較高的風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)， PM_2.5 粒子會(huì)受到風(fēng)的驅(qū)動(dòng)，向遠(yuǎn)處擴(kuò)散，從而迅速降低近源區(qū)域的污染物濃度。

以 PM_2.5 為例，在夏季持續(xù)高溫天氣下，對(duì)于山頂、山腰和山腳等位置設(shè)置的采樣點(diǎn)， PM_2.5 和 PM₁₀ 的濃度擴(kuò)散特征見(jiàn)圖4。

在高溫天氣下，大氣邊界層的發(fā)展通常更為旺盛，導(dǎo)致大氣垂直混合增強(qiáng)。這意味著空氣微粒污染物更容易在垂直方向上混合和擴(kuò)散，從而降低了地面附近的顆粒污染物濃度。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)夏季持續(xù)高溫條件下空氣微粒污染物的深入探究，詳細(xì)揭示了擴(kuò)散特征與機(jī)制，為理解夏季大氣污染問(wèn)題提供了新的視角。夏季持續(xù)高溫天氣下空氣微粒污染物濃度的時(shí)間與空間擴(kuò)散特征受多種因素影響。研究通過(guò)在多種典型位置設(shè)置采樣點(diǎn)，采用特定采樣器連續(xù)采樣和粒子計(jì)數(shù)器監(jiān)測(cè)濃度變化，發(fā)現(xiàn) PM_2.5 濃度在夏季持續(xù)高溫時(shí)高于 PM₁₀ ，晴朗天氣微粒污染物濃度更高而雨水有沖刷作用，日間和夜間 PM_2.5 與 PM₁₀ 濃度擴(kuò)散特征顯著不同，交通要道附近污染物排放增加，并且高溫天氣促進(jìn)污染物水平和垂直擴(kuò)散，從而降低地面附近的顆粒污染物濃度，這些都表明夏季持續(xù)高溫天氣對(duì)空氣微粒污染物濃度的時(shí)空擴(kuò)散特征有著顯著的影響。

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