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沈阳冬夏季可吸入颗粒物浓度及尺度谱分布特征

严文莲 周德平 王扬峰 杨军 李子华

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沈阳冬夏季可吸入颗粒物浓度及尺度谱分布特征

Concentrations and Size Distributions of Inhalable Particles in Summer and Winter in Shenyang

  • 摘要: 利用沈阳大气成分监测站颗粒物监测仪 (Grimm 180) 连续测得的夏季 (2006年8月)、冬季 (2006年12月和2007年1月) 可吸入颗粒物的数浓度和质量浓度数据, 分析了沈阳市可吸入颗粒物浓度日变化、谱分布及污染特征, 在此基础上结合沈阳市常规气象资料, 分析了气象要素和颗粒物污染之间的关系。结果表明:沈阳市冬、夏季部分时段可吸入颗粒物浓度存在明显的日变化和日际变化; 谱分布较好地符合Junge分布; 沈阳冬季PM10超标日数占冬季观测总天数的77%, PM2.5超标日数 (按美国EPA日均标准) 占冬季观测总天数的87%, PM10平均数浓度为6668.7个/cm3, 平均质量浓度达252.8μg/m3, 分别是夏季的3.0和2.4倍; 冬、夏季PM2.5/PM10平均质量分数分别为0.647和0.603, PM2.5占可吸入颗粒物总数量的99%以上; 浓度变化在很大程度上受到各种气象要素的影响, 与温度、风速负相关, 与湿度正相关, 降雨、降雪过程使得颗粒物浓度明显降低, 近地层逆温和雾是颗粒物增多的一个重要因素。颗粒物污染对城市能见度影响较大。
  • 图 1  沈阳冬季、夏季PM10数浓度和质量浓度日变化

    Fig.1  Diurnal variation of PM10 number and mass concentration in summer and winter of Shenyang

    图 2  沈阳2006年8月 (a)、2006年12月—2007年1月 (b) PM10质量浓度和数浓度逐日变化

    Fig.2  Inter-daily variation of PM10 number and mass concentration in August 2006 and December 2006 to January 2007 of Shenyang

    图 3  沈阳市冬、夏季颗粒物数浓度 (a)、总体平均数浓度 (b) 和平均体积浓度 (c) 谱分布

    Fig.3  Aerosol size distributions of number in summer and winter (a), total averaged number (b) and volume (c) concentration in Shenyang

    图 4  沈阳夏季 (a)、冬季 (b) PM10平均数浓度、质量浓度与温度、相对湿度日变化

    Fig.4  The diurnal variation of mean number, mass concentration of PM10 and temperature, relative humidity in Shenyang (a) summer, (b) winter

    图 5  沈阳风速 (a) 与粗、细粒子数浓度 (b) 逐日变化

    Fig.5  The wind speed (a) and inter-daily of coarse/fine particle number concentration (b) in Shenyang

    图 6  2006年8月24—27日不同天气下谱分布及26日相对25日的减少率

    Fig.6  Size distribution of different weather during Aug 24—27, 2006 and cleared rate of Aug 26 because of precipitation

    图 7  2006年8月26日粗、细粒子数浓度与雨量日变化对比

    Fig.7  The precipitation process and variation of number concentration of coarse and fine aerosol on Aug 26, 2006

    图 8  能见度与数浓度的关系

    Fig.8  The relation of the visibility and number concentration

    表 1  沈阳冬、夏季PM10和PM2.5日均质量浓度 (单位: μg·m-3) 及数浓度 (单位: cm-3)

    Table 1.  PM10 and PM2.5 daily mean mass concentration (unit : μ g·m-3) and number concentration (unit:cm-3)

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    表 2  2006年8月24—27日的天气要素及粗、细粒子浓度

    Table 2.  Meteorological elements and coarse/ fine particle from Aug 24 to 27, 2006

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出版历程
  • 收稿日期:  2007-06-19
  • 修回日期:  2008-01-28
  • 刊出日期:  2008-08-31

沈阳冬夏季可吸入颗粒物浓度及尺度谱分布特征

  • 1. 中国气象局沈阳大气环境研究所, 沈阳 110016
  • 2. 南京信息工程大学大气物理与大气环境实验室, 南京 210044

摘要: 利用沈阳大气成分监测站颗粒物监测仪 (Grimm 180) 连续测得的夏季 (2006年8月)、冬季 (2006年12月和2007年1月) 可吸入颗粒物的数浓度和质量浓度数据, 分析了沈阳市可吸入颗粒物浓度日变化、谱分布及污染特征, 在此基础上结合沈阳市常规气象资料, 分析了气象要素和颗粒物污染之间的关系。结果表明:沈阳市冬、夏季部分时段可吸入颗粒物浓度存在明显的日变化和日际变化; 谱分布较好地符合Junge分布; 沈阳冬季PM10超标日数占冬季观测总天数的77%, PM2.5超标日数 (按美国EPA日均标准) 占冬季观测总天数的87%, PM10平均数浓度为6668.7个/cm3, 平均质量浓度达252.8μg/m3, 分别是夏季的3.0和2.4倍; 冬、夏季PM2.5/PM10平均质量分数分别为0.647和0.603, PM2.5占可吸入颗粒物总数量的99%以上; 浓度变化在很大程度上受到各种气象要素的影响, 与温度、风速负相关, 与湿度正相关, 降雨、降雪过程使得颗粒物浓度明显降低, 近地层逆温和雾是颗粒物增多的一个重要因素。颗粒物污染对城市能见度影响较大。

English Abstract

    • 大气颗粒物是影响人体健康、大气能见度和地球辐射平衡的重要污染物, 同时也是大气化学反应的良好载体。随着我国经济的快速发展和城市规模的扩大, 城市环境污染不断加剧。可吸入颗粒物 (指空气动力学直径d≤10μm的颗粒物, PM10) 已经成为我国许多大城市的首要污染物, 它易被人们吸入呼吸道内, 是导致城区人群患病率和死亡率增加的主要因素之一[1]。尤其是细颗粒物PM2.5 (d≤2.5μm) 可在肺泡沉积并进入血液循环, 对人体健康的危害极大[2-3], 而且它也是导致能见度降低的主要因素[4]。因此, 加强城市可吸入颗粒物浓度变化和尺度谱分布特征的研究, 揭示城市近地面可吸入颗粒物的一些基本特征及变化规律有重要的意义。国外自20世纪50年代就开始了这方面的研究, 近年来研究更加深入[5-6]。国内近二十多年来对颗粒物的观测研究也有了较多的报道[7-10], 自2001年沈阳市就开始了PM10的系统监测, 并对可吸入颗粒物的研究也有相关报道[11-14], 但对近地层颗粒物数浓度尚未进行过系统观测, 对细粒子的一些污染特征研究还不多见, 尤其是对不同粒径 (PM10, PM2.5) 下的气溶胶数浓度和质量浓度进行连续并同步观测的研究还很不够。

      2006年7月沈阳大气环境研究所大气成分监测站开始对PM10, PM2.5质量浓度及不同粒径范围内数浓度进行同步监测。本文通过对沈阳市2006年8月、12月、2007年1月大气成分观测站颗粒物数浓度和质量浓度的监测资料进行分析, 研究此期间沈阳市近地面颗粒物粒子谱的分布特征及颗粒物浓度变化情况, 揭示了沈阳市冬、夏季部分时段可吸入颗粒物的污染特征, 并结合沈阳市同时段气象资料, 研究了颗粒物浓度变化与气象要素之间的关系。

    • 本文颗粒物自动观测使用的仪器为德国Grimm公司生产的颗粒物监测仪 (Grimm 180)。它分32个通道, 各通道测量粒子直径的起始值分别为0.2, 0.28, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5, 0.58, 0.65, 0.7, 0.8, 1, 1.3, 1.6, 2.0, 2.5, 2.5, 3, 3.5, 4, 5, 6.5, 7.5, 8.5, 10, 12.5, 15, 17.5, 20, 25, 30, 32 μm, 粒径范围是指光学粒径, 采样流量为1.2 L/min。仪器采用90°激光散射原理, 将粒子散射光转换为电信号, 并放大, 根据电脉冲的幅度对粒子进行分档计数, 同时根据颗粒物粒径采用不同密度自动转化成相应尺度 (PM10, PM2.5和PM1) 的质量浓度并记录下来。数浓度测量范围为1~2000000个/L, 质量浓度为0.1~1500μg/m3。为提高其灵敏度, 在测量细粒子 (0.25~2.5μm) 和粗粒子 (2.5~32μm) 数浓度时, 分别采用了不同的激光功率 (0.65 mW和20 mW), 在2.5~3μm通道有重叠。该套仪器除记录不同通道的数浓度及PM10, PM2.5和PM1的质量浓度外, 还通过仪器上的温度湿度传感器记录相应的温湿资料, 24 h连续监测, 每5 min获得一个观测样本。采样地点位于沈阳区域气象中心楼顶, 海拔高度约80 m。本文使用的风速、降水量和能见度资料均来自沈阳市气象观测站, 能见度是每日4次 (02:00, 08:00, 14:00, 20:00(北京时, 下同)) 的目测资料。

      本文使用的是夏季 (2006年8月12—31日) 和冬季 (2006年12月18日—2007年1月25日) 的有效观测日数据进行比较分析 (1月观测期间, 6, 7, 10, 11, 18—22日数据缺)。数据分析发现, 颗粒物基本上处在10μm以下的粒径范围内, 所以本文主要研究10μm以下的粒子浓度 (即前面24个通道的观测值)。对两个2.5~3μm的通道值取其算术平均。采用常规的数理统计方法进行数据处理, 分别获得小时平均、日平均及季节平均。除特殊标明外, 本文所称粗粒子为2.5~10μm粒径范围的颗粒物, 细粒子为0.25~2.5μm粒径范围的颗粒物; 颗粒物的质量浓度单位为μg·m-3, 数浓度单位为个·cm-3

    • 将冬、夏季有效观测日24 h逐时质量浓度与数浓度分别进行平均, 得到沈阳市PM10的冬、夏季质量浓度和数浓度平均日变化情况 (图 1)。由图可见, 冬、夏两季日变化都呈单峰单谷型, 即在上午出现一峰值, 下午出现一谷值。冬季在10:00数浓度和质量浓度都达到最高值, 13:00—14:00浓度达到最低; 夏季上午浓度峰值出现的时间比冬季要早, 质量浓度在08:00左右, 数浓度在07:00就会达到最高值, 16:00为一天中最低值, 较冬季迟; 这一观测结果与我国北方城市早晨污染大于傍晚污染的结论相一致[15], 只是峰值出现的时间有些差别。早上这段时间浓度高, 主要原因是这段时间是人类活动、工业生产、交通运输的高峰期, 这些污染源排放出大量的颗粒物, 使得PM10浓度增大; 下午浓度低值时段出现的主要原因是地面增温, 使得近地面大气不稳定, 湍流作用较大, 利于污染物扩散和输送, 因此出现一天当中浓度最低值。沈阳这种单峰单谷型的浓度日变化特征与其他一些城市[8, 16]的双峰双谷型不同, 南京地区[8]冬季数浓度除了早上与午后的峰谷外, 在夜晚和午夜还分别出现一峰一谷。观测期间沈阳市冬季从傍晚起至次日早上这段时间, 其数浓度一直处在较高水平, 且在上半夜有持续增大的趋势, 到下半夜变化不大; 质量浓度有一定的起伏变化, 而总的来说是比午后高, 并且下半夜比上半夜要高。夏季也有类似的规律, 在16:00后开始升高, 数浓度和质量浓度下半夜都比上半夜高; 但与冬季相比, 相应时间的数浓度与质量浓度值都明显偏低。冬季傍晚至次日早上这段时间正是集中供暖时间, 导致颗粒物浓度值持续较高。可见沈阳市冬季燃煤供暖对颗粒物污染贡献很大, 这也是冬季浓度明显高于夏季的一个重要原因。从图中还可以看到夏季质量浓度与数浓度随时间变化的曲线基本一致, 而冬季起伏相对较大, 在个别时间段还出现了相反趋势, 如冬季的午夜时间, 这可能是由于夜间大粒子沉降明显, 使得该时间段小粒子数量相对较多的原因。

      图  1  沈阳冬季、夏季PM10数浓度和质量浓度日变化

      Figure 1.  Diurnal variation of PM10 number and mass concentration in summer and winter of Shenyang

    • 图 2是观测期间质量浓度和数浓度逐日变化图。由图 2可见, 质量浓度和数浓度总体上变化趋势一致。大气颗粒物浓度逐日变化较大, 其原因主要与天气状况有关。夏季降水量相对较多, 在8月12, 13, 26, 27日分别出现了不同程度的降水, 降水量分别为3.7, 0.5, 18.0, 0.6 mm。每次降水或降水后一两天可吸入颗粒物浓度都有明显的降低, 并且雨量较大时, 颗粒物浓度降低的也多 (图 2a)。例如, 8月26日的降雨使得PM10质量浓度由25日的195.1μg/m3降低到26日的82.8μg/m3, 减少一半以上, 数浓度也减少了将近50%。16, 17, 21日都是晴天, 且日平均风速都达到了3级, 从图 2a上可看出, 这几日颗粒物浓度较低。可见, 晴好天气下, 湍流垂直扩散和水平输送加强, 也能使得近地层颗粒物浓度降低。冬季近地面易产生逆温, 观测期间大雾天气较多, 颗粒物不易扩散。12月20日和30日沈阳市由于受蒙古高压控制, 大气层结稳定, 再加上雾的影响, 导致颗粒物浓度明显升高。1月3—5日、15—17日、23—25日都有不同程度的雾出现, 使得这些天的颗粒物浓度一直较高, 空气质量达到或超过了轻微污染的级别。尤其是1月4日出现的大雾和雾凇天气, 使得PM10质量浓度达到本次观测到的最大值588.5μg/m3, 相应的数浓度为14133.2个/cm3。由于在12月26日午前、1月6日晚沈阳地区出现降雪, 污染物浓度在之后的几天又出现明显降低 (图 2b)。这也证实了降雨降雪是颗粒物清除的一个重要途径, 而近地层逆温和雾是颗粒物增多的一个重要因素。

      图  2  沈阳2006年8月 (a)、2006年12月—2007年1月 (b) PM10质量浓度和数浓度逐日变化

      Figure 2.  Inter-daily variation of PM10 number and mass concentration in August 2006 and December 2006 to January 2007 of Shenyang

    • 图 3给出了沈阳市观测期间冬、夏季可吸入颗粒物数浓度谱、两季平均数浓度谱及体积浓度谱分布情况。由图 3a可见冬、夏季数浓度谱型基本一致, 均呈单峰型, 只是在所有粒径范围冬季数浓度均比夏季要高。图 3b实线表示所有观测日的平均数浓度谱, 由图可知, 颗粒物粒子主要集中在积聚模态, 在粒径约0.3μm附近达到一个极大值。在0.3~1μm之间, 随着粒径的增大, 粒子数量明显降低, 到粒径大于2.0μm后, 粒子数浓度随粒径增加下降减缓, 且该部分粒径范围内粒子数浓度在可吸入颗粒物中仅占有极微小的比例。观测期间粒子浓度平均值为4398.4个/cm3, 其中细粒子 (0.25~2.0μm) 为4394个/cm3, 粗粒子 (d >2.0μm) 仅4.4个/cm3, 远远小于细粒子。对数浓度谱的曲线进行拟合, 发现其变化曲线倾向于符合Junge分布n (D)=dN/dD=CD-υ-1, 拟合曲线见图 3b虚线, 相应的参数分别为C=131.1708, υ=3.2339, 拟合的平均相对误差为9.4%。体积谱和质量谱之间只相差一个密度, 一般情况下颗粒物粒子的体积谱和质量谱是相似的, 体积谱可以近似于粒子质量谱的变化规律。从图 3c上可以看出, 平均体积浓度谱呈多峰型分布, 主峰处在0.25~0.35μm段, 其他峰相对主峰来说, 都比较小, 其中在粗粒子段有一个较明显的峰, 峰值在6.5~8.0μm, 与陈义珍等[17]研究的体积谱为双峰型、主峰在粗粒子段不同。

      图  3  沈阳市冬、夏季颗粒物数浓度 (a)、总体平均数浓度 (b) 和平均体积浓度 (c) 谱分布

      Figure 3.  Aerosol size distributions of number in summer and winter (a), total averaged number (b) and volume (c) concentration in Shenyang

    • 表 1可以看出, 沈阳夏季PM10平均质量浓度为104.9μg/m3, 平均数浓度为2211.2个/cm3, 质量浓度和数浓度的最大日均值分别是它们的1.9和2.3倍。冬季PM10平均质量浓度值为252.8μg/m3, 是夏季的2.4倍, 比2001—2002年[12]冬季平均值稍低; 数浓度平均值为6668.7个/cm3, 是夏季的3.0倍, PM10相应的最大日均数浓度和质量浓度值都为它们的日均平均值的2.2倍左右; 冬、夏季PM2.5数浓度变化特征与PM10的相应变化差别不大, 平均质量浓度分别为179.3μg/m3和64.6μg/m3。如果PM10按国家二级标准 (150μg/m3), PM2.5按美国EPA日均标准65μg/m3来比较, 沈阳PM10和PM2.5超标日数分别占冬季观测总天数的77%和87%, 夏季分别为9%和45%。另外沈阳冬季观测期间PM10超过国家三级质量标准 (250μg/m3) 的天数达到43%。可见沈阳市冬季PM10, PM2.5污染比较严重, 其PM10平均质量浓度超过国家二级标准的68%。分析沈阳市冬季PM10污染严重的原因, 主要还是因为冬季处于采暖期, 燃煤量大, 排放到空气中的颗粒物增多, 再加上沈阳冬季降水少, 观测期间虽有几次不同程度的降雪过程, 但由于大雾天气较多, 逆温严重, 不利于颗粒物的清除及扩散, 所以颗粒物浓度比较高。夏季相对来说降水多, 利于颗粒物的清除, 而且稳定的大气层结相对较少, 因而污染相对较轻, PM10污染基本达到国家二级标准。

      表 1  沈阳冬、夏季PM10和PM2.5日均质量浓度 (单位: μg·m-3) 及数浓度 (单位: cm-3)

      Table 1.  PM10 and PM2.5 daily mean mass concentration (unit : μ g·m-3) and number concentration (unit:cm-3)

      表 1还可以看到, 在沈阳地区细粒子的数浓度已经达到99%以上。另外, 冬、夏季PM2.5/PM10质量分数的平均值分别为0.69和0.603, 两季平均为0.647。可见, 无论冬季还是夏季, 细粒子的质量浓度均占总数的一半以上, 这也说明大粒子数虽少, 却在质量浓度中贡献较大。沈阳PM2.5/PM10平均质量分数比黄鹂鸣等[18]关于南京的5个采样点的平均PM2.5/PM10值0.717低, 比刘宇等[19]关于兰州市、郊区平均的PM2.5/PM10值0.52高。对沈阳市PM10和PM2.5的质量浓度进行相关性分析表明, 较好地符合线性关系, 相关系数达到0.99, 通过了0.01的显著性检验。这也可以看出沈阳市颗粒物在空气中主要以细粒子的形式存在。由于细粒子可进入人体的支气管和肺泡, 引发各种疾病, 这更需要引起人们的注意。

    • 图 4a给出了沈阳夏季8月17—19日3 d的气溶胶质量浓度、数浓度与相应温度、相对湿度的日变化。从图中可以看出, 夏季在夜晚至凌晨这段时间相对湿度较高, 温度较低, 相应的粒子浓度也相对较高; 日出后气温上升, 湍流加强, 湿度迅速下降, 在午后1~2 h内气温达到一天中最高值, 相应的相对湿度出现一天中最低值, 而对应的粒子浓度也较低。夏季数浓度与质量浓度总体上都与温度负相关, 相关系数分别为-0.35和-0.10;与相对湿度正相关, 相关系数分别为0.57和0.34。这与其他观测结果是一致的[9, 16], 在相对湿度低于一定值时, 颗粒物数浓度与相对湿度成正相关, 而粗粒子数量变化不大, 主要是由于原来低于粒子计数器测量下限的小粒子在空气湿度较大的情况下吸湿增长到可测范围使数浓度增大的缘故。这也使得相应的质量浓度随湿度增大而增大。李子华等[20]研究表明, 温度、湿度、颗粒物之间相互作用, 白天颗粒物粒子的存在, 使白天近地层降温, 晚上升温, 而相对湿度通过对颗粒物短波辐射光学特性的影响进一步影响近地面温度, 随着相对湿度增大, 近地面温度降低。另外, 在17日00:00—06:00和19日04:00—08:00期间相对湿度都较大 (70%以上), 但对应的浓度差别较大, 可见浓度的大小不仅与温湿条件有关, 还受到其他因素的影响。

      图  4  沈阳夏季 (a)、冬季 (b) PM10平均数浓度、质量浓度与温度、相对湿度日变化

      Figure 4.  The diurnal variation of mean number, mass concentration of PM10 and temperature, relative humidity in Shenyang (a) summer, (b) winter

      观测期间, 冬季有雾日较多, 在这里冬季主要分析有雾日 (1月15—16日) 粒子浓度与温度和相对湿度的变化 (图 4b)。15日和16日有雾时段主要出现在午夜至次日08:00, 相对湿度在90%以上, 在07:00之前, 温度持续下降, 由于近地层出现逆温, 使得近地面颗粒物不易向上输送, 出现高浓度值。07:00后, 太阳辐射加强, 气温上升, 逆温层慢慢被破坏, 雾逐渐消散, 相对湿度急剧下降, 16日上午粒子浓度也随之下降; 而15日相应的粒子浓度下降出现滞后, 白天一直维持较高水平, 到20:00才开始下降, 并且很快随着夜晚辐射降温和逆温的形成, 粒子出现堆积, 浓度又开始上升。可见冬季有雾日颗粒物浓度与温度和相对湿度关系较复杂。

    • 风速是反映大气动力稳定性的重要特征量, 是与空气污染密切相关的气象参数, 它对大气污染物的扩散稀释和三维输送起着重要作用。利用观测期间的日均数浓度及相应的日平均风速资料来描述沈阳市风速对颗粒物粗、细粒子数浓度的影响 (图 5)

      图  5  沈阳风速 (a) 与粗、细粒子数浓度 (b) 逐日变化

      Figure 5.  The wind speed (a) and inter-daily of coarse/fine particle number concentration (b) in Shenyang

      这段时间风速基本处在1.0~5.0 m/s之间, 由图 5可见, 总体上粗、细粒子都与风速成较好的负相关性。当风速较小时, 不利于颗粒物的扩散和输送, 当风速达到2级以上时, 颗粒物浓度有明显下降。这是因为当风速增大时, 在不超过一定阈值范围内, 湍流加强, 大气中的污染物在湍流混合和水平输送的作用下, 逐渐分散稀释, 可使颗粒物的浓度降低。图中显示出细粒子随风速变化幅度比较大, 二者相关系数为-0.52(通过0.01显著性检验)。与细粒子相比, 粗粒子虽也呈现负相关趋势 (相关系数为-0.49, 通过0.01显著性检验), 但数量变化幅度不大, 在个位数范围内。由于质量浓度与数浓度变化趋势有很好的一致性, 由此可知质量浓度与风速也有类似的变化趋势 (图略), 其细粒子质量浓度与风速相关系数为-0.50。

    • 为了研究不同天气状况对颗粒物数浓度和谱的影响, 选取8月24—27日资料进行分析, 相关的气象条件及粗、细粒子浓度情况见表 2图 6是该时段谱分布情况, 同时给出了降雨日 (8月26日) 相对25日的浓度减少率。

      表 2  2006年8月24—27日的天气要素及粗、细粒子浓度

      Table 2.  Meteorological elements and coarse/ fine particle from Aug 24 to 27, 2006

      图  6  2006年8月24—27日不同天气下谱分布及26日相对25日的减少率

      Figure 6.  Size distribution of different weather during Aug 24—27, 2006 and cleared rate of Aug 26 because of precipitation

      分析表明, 该时段温度、风速较小, 变化幅度不大, 风向多为西南方向, 而由于降水作用使得湿度出现大的变化。在不同天气状况下数浓度有一定的差异, 尤其是在细粒子端, 差异更明显。4 d中阴天数浓度最大, 其次为晴天, 而雨天各尺度档数浓度比阴天、晴天都要低。受河套附近的高空槽和地面低压东移北上影响, 26日出现了明显的降水过程, 日降水量为18 mm。26日的数浓度在粗、细粒子段与25日相比都有明显减少, 这主要是由于降水清除的结果。在小于0.50μm端, 颗粒物粒子清除率较低, 在0.50μm以上颗粒物的减少率随着粒子直径的增大而增大。从图 6上还可以看到, 在粒径为0.40~0.45μm之间有一个清除率谷值, 为了判断这个谷是否显著, 计算了每个点的标准偏差绘于图上, 可见, 谷值附近各点的波动范围均比较大。因此, 图中所显示的谷可能只是一种偶然因素造成的, 还不能判断是一种规律性现象, 有待于以后工作中进一步关注。27日小雨 (雨量0.6 mm) 过程对细粒子也有一定的清除效果, 而粗粒子数量没有减少。

      为进一步研究雨水对空气中颗粒物的清除效果, 将8月26日24时次雨量与粗、细粒子数浓度进行了对比分析。根据气象资料, 在07:07—07:22有零星小雨出现, 到08:30降雨开始明显起来。图 7中显示, 在降雨之前 (06:00), 细粒子浓度很高, 为4050.5个·cm-3, 降雨之后, 粗、细粒子都开始减少。降雨开始时段 (10:00—14:00), 当降雨量下降时, 细粒子浓度也略有上升。随着降雨时间的延长, 细粒子浓度在14:00后出现大幅度下降, 至19:00仅664.603个·cm-3。粗粒子数浓度在降雨期间比降雨前后都要小, 但相对细粒子来说, 其变化幅度不大。在降雨停止后, 粗、细粒子数浓度都有所上升。上述特征表明小雨也有一定的湿沉降作用, 且随着降雨量的增大和降水时间的延长, 雨水清除效果更明显。

      图  7  2006年8月26日粗、细粒子数浓度与雨量日变化对比

      Figure 7.  The precipitation process and variation of number concentration of coarse and fine aerosol on Aug 26, 2006

    • 图 8反映了观测期间所有能见度与相应时刻PM10的数浓度关系, 总体上说, 当PM10数浓度值越大时, 空气污染也越严重, 对应的能见度也较小; 反之, PM10数浓度值越小, 空气也越清洁, 能见度相对较大。可见, 颗粒物对能见度的影响很大, 其主要原因是由于大气中的可吸入颗粒物对可见光的吸收和散射所产生的消光作用所致。

      图  8  能见度与数浓度的关系

      Figure 8.  The relation of the visibility and number concentration

    • 1) 在沈阳观测期间 (2006年8月、12月和2007年1月) PM10浓度平均日变化都呈单峰单谷型特点, 冬季10:00数浓度和质量浓度均达到最高值, 13:00—14:00浓度达到最低值; 夏季峰值出现的时间比冬季要早, 谷值较冬季迟; 冬季由于傍晚至次日早晨燃煤采暖, 数浓度一直处在较高水平。

      2) 沈阳冬季PM10平均数浓度是6668.7个/cm3, 质量浓度是252.8μg/m3, 分别是夏季 (8月) 的3.0倍和2.4倍; 冬季PM10超标日数较多, 超标天数占总样本数的77%, 超过三级标准日数占43%。PM2.5平均质量浓度分别为179.3μg/m3和64.6μg/m3

      3) 平均数浓度谱分布呈单峰型, 峰值在0.3μm附近, 颗粒物粒子主要集中在积聚模态; 体积浓度谱呈多峰型, 主峰在0.25~0.35μm段; 数浓度谱的曲线用Junge分布模式n(D)=131.1708D -4.2339拟合较好, 平均相对误差为9.4%。

      4) 不同天气状况下的谱分布有很大不同, 阴天粗、细粒子数密度都高于晴、雨天; 降水使得颗粒物浓度明显降低, 尤其是对细粒子清除率较高; 降水的清除效果与降雨量和降水持续时间长短密切相关。

      5) 观测期间, 细粒子在PM10中占有很高的比例, PM2.5占可吸入颗粒物总数量的99%以上, 冬、夏季PM2.5/PM10平均质量分数分别为0.69和0.603; PM10和PM2.5的质量浓度较好地符合线性关系。

      6) PM10浓度变化在很大程度上受到各种气象要素的影响, 与温度、风速负相关, 与湿度正相关; 冬季有雾日与温度和相对湿度相关性不明显, 颗粒物污染对城市能见度影响较大。

参考文献 (20)

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