2016—2017年中国中东部本底地区PM<sub>10</sub>化学特性

矫健; 贾小芳; 颜鹏; 曹芳; 方冬青; 马千里; 于大江; 褚进华

doi:10.11898/1001-7313.20210106

2016—2017年中国中东部本底地区PM₁₀化学特性

DOI: 10.11898/1001-7313.20210106

矫健^{1, 2, 3},
贾小芳²,
颜鹏^2, ,,
曹芳¹,
方冬青²,
马千里⁴,
于大江⁵,
褚进华³

1.
南京信息工程大学, 南京 210044
2.
中国气象局气象探测中心, 北京 100081
3.
中国气象局上海物资管理处, 上海 200050
4.
浙江临安大气成分本底国家野外科学观测研究站, 临安 311307
5.
龙凤山区域大气本底站, 五常 150200

资助项目:

重大自然灾害监测预警与防范专项 2017YFC1501702

国家自然科学基金项目 91644223

详细信息

通信作者:
颜鹏, 邮箱：yanpeng@cma.gov.cn

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出版历程
- 收稿日期: 2020-09-29
- 修回日期: 2020-10-20
- 刊出日期: 2021-01-31

Chemical Characteristics of PM₁₀ at Background Stations of Central and Eastern China in 2016-2017

Jiao Jian^{1, 2, 3},
Jia Xiaofang²,
Yan Peng^{2
, ,},
Cao Fang¹,
Fang Dongqing²,
Ma Qianli⁴,
Yu Dajiang⁵,
Chu Jinhua³

1.
Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044
2.
Meteorological Observation Center of CMA, Beijing 100081
3.
Shanghai Material Management Office of CMA, Shanghai 200050
4.
Lin'an Air Background Station, Lin'an 311307
5.
Longfengshan Regional Background Station, Wuchang 150200

摘要

摘要: 对中国中东部3个区域大气本底观测站2015年12月—2017年12月PM₁₀质量浓度及其化学成分空间分布与季节变化特征进行研究，结果显示：研究期间龙凤山站、临安站和金沙站平均PM₁₀质量浓度分别为57.5，62.2 μg·m^-3和57.6 μg·m^-3。其中临安站和金沙站2017年PM₁₀质量浓度较2016年有所下降，但龙凤山站有所上升。与2013年相比，临安站和金沙站平均PM₁₀质量浓度分别降低29.3%和26.2%。临安站SO₄^2-，NO₃^-和NH₄⁺平均质量浓度分别为9.9，8.2 μg·m^-3和3.7 μg·m^-3，金沙站分别为10.2，6.7 μg·m^-3和2.6 μg·m^-3，均高于龙凤山站的5.9，4.9 μg·m^-3和2.1 μg·m^-3，其中龙凤山站和临安站的NO₃^-与SO₄^2-质量浓度比值较高（0.9和0.8），金沙站较低（0.6）。龙凤山站的有机碳（OC）和元素碳（EC）质量浓度分别为10.1 μg·m^-3和2.7 μg·m^-3，临安站为6.7 μg·m^-3和3.1 μg·m^-3，金沙站为4.7 μg·m^-3和2.3 μg·m^-3，即龙凤山站OC最高，金沙站最低，3个站点的EC基本相当，临安站略高。与2013年相比，研究期间临安站SO₄^2-，NH₄⁺和OC分别下降38.1%，26.0%和55.6%，金沙站分别下降46.3%，51.9%和44.7%，但临安站和金沙站的NO₃^-分别上升12.3%和15.5%；临安站EC下降27.9%，金沙站EC上升4.5%。3个站点夏季PM₁₀，NO₃^-，EC质量浓度及NO₃^-与SO₄^2-质量浓度比值均最低。
- PM₁₀;
- 气溶胶化学成分;
- 大气本底站
Abstract: The characteristics of PM₁₀ and its chemical composition from December 2015 to December 2017 are studied at three regional atmospheric background stations (Longfengshan, Lin'an, and Jinsha) in central and eastern China. The water-soluble ions (F^-, Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, PO₄^3-, Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Ca²⁺, Mg²⁺), carbon-containing compounds (OC, EC) and main elements in PM₁₀ samples are analyzed. The average PM₁₀ concentration at Lin'an (62.2±36.6 μg·m^-3) during the whole period is the highest, followed by Jinsha (57.6±31.8 μg·m^-3), and that at Longfengshan (57.5±55.3 μg·m^-3) is the lowest. At those stations, the annual PM₁₀ mass concentrations are lower than the national second-level air quality standard. The concentrations of PM₁₀ in 2016-2017 show a downward trend, with the reductions of concentrations about 29.3% at Lin'an and 26.2% at Jinsha compared with the results during the year of 2013.The concentrations of SO₄^2-, NO₃^-, and NH₄⁺ during the whole period are 9.9, 8.2 μg·m^-3 and 3.7 μg·m^-3 at Lin'an, and 10.2, 6.7 μg·m^-3 and 2.6 μg·m^-3 at Jinsha, respectively, which are all higher than those at Longfengshan, with the average concentrations of 5.9 μg·m^-3 for SO₄^2-, 4.9 μg·m^-3 for NO₃^-, and 2.1 μg·m^-3 for NH₄⁺. However, the ratio of NO₃^-/SO₄^2- at Longfengshan and Lin'an are relatively higher. The concentrations of OC and EC during the whole period are 10.1 μg·m^-3 and 2.7 μg·m^-3 at Longfengshan, 6.1 μg·m^-3 and 3.1 μg·m^-3 at Lin'an, and 4.7 μg·m^-3 and 2.3 μg·m^-3 at Jinsha. Compared to the year of 2013, the concentrations of SO₄^2-, NH₄⁺ and OC during the whole period decrease by 38.1%, 26.0%, and 55.6% at Lin'an, respectively, and decrease by 46.3%, 51.9%, and 44.7% at Jinsha, while the concentrations of NO₃^- increase by 12.3% and 15.5% at Lin'an and Jinsha, respectively. The concentrations of EC decreases by 27.9% at Lin'an, but increases by 4.5% at Jinsha. The ratio of NO₃^-/SO₄^2- increase obviously at all the stations, which indicates the increases of nitrate aerosols, due to the continuously control of coal combustion emissions and increase of car ownership.The seasonal concentrations of PM₁₀, NO₃^-, EC and the ratio of NO₃^-/SO₄^2- are lowest in summer at three stations. Meanwhile, the mass concentrations of SO₄^2-, NO₃^- and NH₄⁺ are basically higher in winter than in other seasons.
- PM₁₀;
- aerosol chemical compositions;
- background station

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图 1 PM₁₀中阴阳离子平衡图

Fig. 1 The anion-cation balance in PM₁₀

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图 2 2015年12月—2017年12月PM₁₀日平均质量浓度时间序列

Fig. 2 The average mass concentration of PM₁₀ from Dec 2015 to Dec 2017

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图 3 2015年12月—2017年12月PM₁₀中无机离子浓度逐月变化

Fig. 3 The monthly average ion composition concentration in PM₁₀ from Dec 2015 to Dec 2017

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图 4 2015年12月—2017年12月PM₁₀中NO₃^-/SO₄^2-时间序列

Fig. 4 NO₃^-/SO₄^2-in PM₁₀ from Dec 2015 to Dec 2017

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表 1 龙凤山站、临安站和金沙站PM₁₀年、季节平均质量浓度

Table 1 The annual and seasonal average mass concentration of PM₁₀ at Longfengshan, Lin'an and Jinsha stations

时间	龙凤山站		临安站		金沙站
时间	质量浓度/(μg·m^-3)	样本量	质量浓度/(μg·m^-3)	样本量	质量浓度/(μg·m^-3)	样本量
2016年冬季^*	63.1±39.5	26	73.9+39.1	25	74.9±44.9	14
2016年春季^*	65.4±40.7	22	80.7±49.2	26	75.1±35.2	14
2016年夏季^*	35.0±22.1	25	45.5±19.9	25	44.7±20.9	22
2016年秋季^*	54.7±46.9	19	51.8±28.8	25	44.4±26.2	19
2017年冬季^*	70.8±43.1	26	76.6±39.9	26	67.7±24.8	24
2017年春季^*	58.7±30.6	25	61.8±27.1	24	65.6±31.4	24
2017年夏季^*	22.5±7.9	22	42.1±23.1	25	45.4±20.1	24
2017年秋季^*	93.6±125.9	21	56.1±36.4	26	44.3±27.6	18
2016年平均^*	54.0±38.9	89	63.3±39.0	101	59.1±33.1	75
2017年平均^*	59.1±68.4	92	59.4±34.1	100	56.6±30.7	89
研究期间	57.5±55.3	193	62.2±36.6	210	57.6±31.8	166
2013年^[19]			88.0		78.0
2006—2007年^[17]	81.8		114.2		107.4
*注：年平均值计算为当年1—12月平均，季节平均按照自然季节的月份划分，下同。

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表 2 2015年12月—2017年12月龙凤山站PM₁₀中无机离子成分年平均和季节平均(单位：μg·m^-3)

Table 2 The annual and seasonal average ion composition in PM₁₀ at Longfengshan Station from Dec 2015 to Dec 2017 (unit:μg·m^-3)

时间	Cl^-	SO₄^2-	NO₃^-	PO₄^3-	Na⁺	NH₄⁺	K⁺	Mg²⁺	Ca²⁺
2016年冬季	0.3	9.3	5.6	1.3	1.0	3.1	0.9	0.1	0.7
2016年春季	0.8	4.9	5.3	0.6	0.3	1.4	0.4	0.1	0.9
2016年夏季	0.2	4.8	1.3	3.3	0.5	0.5	0.1	0.1	2.0
2016年秋季	0.6	4.3	4.3	2.8	0.2	1.2	0.4	0.1	2.4
2017年冬季	0.3	10.1	8.9	1.4	0.8	4.0	0.7	0.1	1.0
2017年春季	0.7	5.0	5.6	0.4	0.3	1.4	0.5	0.1	0.9
2017年夏季	0.0	2.3	0.6	0.2	0.3	0.3	0.1	0.0	0.6
2017年秋季	3.3	5.4	7.2	0.2	0.4	4.5	2.0	0.1	0.8
2016年平均	0.5	5.8	4.1	2.0	0.5	1.6	0.5	0.08	1.4
2017年平均	1.1	5.3	5.2	0.6	0.4	2.3	0.8	0.07	0.9
研究期间	0.7	5.9	4.9	1.3	0.5	2.1	0.6	0.07	1.1
2006—2007年^[17]	0.7	10.0	4.9			2.5

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表 3 2015年12月—2017年12月临安站PM₁₀无机离子成分年平均和季节平均(单位：μg·m^-3)

Table 3 The annual and seasonal average ion composition in PM₁₀ at Lin'an Station from Dec 2015 to Dec 2017 (unit:μg·m^-3)

时间	Cl^-	SO₄^2-	NO₃^-	PO₄^3-	Na⁺	NH₄⁺	K⁺	Mg²⁺	Ca²⁺
2016年冬季	0.8	14.8	8.7	0.6	1.2	5.1	0.6	0.1	1.1
2016年春季	0.5	12.7	9.3	1.7	0.7	4.6	0.4	0.2	1.0
2016年夏季	0.5	8.6	4.4	3.2	1.3	2.1	0.2	0.1	1.6
2016年秋季	0.7	9.5	8.1	0.2	0.6	3.0	0.2	0.1	0.4
2017年冬季	0.8	12.3	13.8	0.3	0.5	5.3	0.3	0.1	0.3
2017年春季	0.2	8.2	8.7	0.1	0.5	3.0	0.5	0.1	1.5
2017年夏季	0.1	6.8	3.3	0.4	0.3	1.5	0.3	0.1	1.1
2017年秋季	0.6	6.4	6.5	0.1	0.8	2.3	0.2	0.2	1.5
2016年平均	0.6	11.1	8.0	1.4	0.8	3.7	0.3	0.1	0.8
2017年平均	0.5	8.0	8.3	0.2	0.5	3.5	0.3	0.2	1.3
研究期间	0.6	9.9	8.2	0.8	0.7	3.7	0.3	0.1	1.1
2013年^[19]		16.0	7.3			5.0
2006—2007年^[17]	1.0	21.7	8.6			6.8

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表 4 2015年12月—2017年12月金沙站PM₁₀无机离子成分年平均和季节平均(单位：μg·m^-3)

Table 4 The annual and seasonal average ion composition in PM₁₀ at Jinsha Station from Dec 2015 to Dec 2017 (unit:μg·m^-3)

时间	Cl^-	SO₄^2-	NO₃^-	PO₄^3-	Na⁺	NH₄⁺	K⁺	Mg²⁺	Ca²⁺
2016年冬季	0.3	12.9	4.9	0.1	0.3	3.9	0.9	0.2	0.3
2016年春季	0.3	12.9	9.1	3.0	0.7	4.6	0.7	0.1	2.1
2016年夏季	0.1	9.4	3.6	0.4	0.1	1.9	0.1	0.1	1.3
2016年秋季	0.2	10.0	5.3	6.9	1.8	2.1	0.3	0.1	3.6
2017年冬季	0.2	12.7	13.0	0.5	0.5	4.5	0.4	0.2	1.4
2017年春季	0.3	10.0	7.9	0.1	0.2	1.4	0.3	0.1	1.5
2017年夏季	0.3	7.3	1.8	0.2	0.3	0.8	0.3	0.1	1.3
2017年秋季	0.8	8.4	4.3	0.5	1.0	1.8	0.7	0.1	2.0
2016年平均	0.2	11.3	6.2	2.6	0.7	3.1	0.4	0.1	1.9
2017年平均	0.3	9.3	7.0	0.3	0.4	2.2	0.4	0.1	1.7
研究期间	0.3	10.2	6.7	1.3	0.6	2.6	0.4	0.1	1.8
2013年^[19]		19.0	5.8			5.4
2006—2007年^[17]	0.6	26.6	7.2			7.6

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表 5 2015年12月—2017年12月OC与EC质量浓度、OC/EC平均值

Table 5 The average of OC mass concentration, EC mass concentration and OC/EC from Dec 2015 to Dec 2017

站点	时段	OC/(μg·m^-3)	EC/(μg·m^-3)	OC/EC平均值
龙凤山	2016年冬季	12.0	3.1	3.7
	2016年春季	7.6	1.5	6.3
	2016年夏季	7.0	1.1	8.4
	2016年秋季	10.6	2.3	4.0
	2017年冬季	12.6	3.2	5.3
	2017年春季	9.2	2.7	3.5
	2017年夏季	3.3	1.6	2.1
	2017年秋季	20.8	5.9	2.8
	2016年平均	9.1	2.1	5.7
	2017年平均	10.6	3.2	3.4
	研究期间	10.1	2.7	4.5
临安	2016年冬季	9.0	3.1	3.0
	2016年春季	7.9	2.9	2.8
	2016年夏季	5.7	1.9	9.5
	2016年秋季	5.4	2.3	2.3
	2017年冬季	9.0	3.0	3.0
	2017年春季	6.1	3.9	1.5
	2017年夏季	4.3	2.4	2.1
	2017年秋季	5.6	3.7	1.5
	2016年平均	7.2	2.7	3.8
	2017年平均	6.1	3.4	1.9
	研究期间	6.7	3.1	3.6
	2013年^[19]	15.1	4.3	~3.5
	2006—2007年^[17]	12.0	2.5	~4.8
金沙	2016年冬季	7.0	3.3	3.6
	2016年春季	5.8	2.1	2.8
	2016年夏季	3.9	1.7	3.3
	2016年秋季	4.9	2.0	2.4
	2017年冬季	6.4	2.4	3.0
	2017年春季	3.2	2.1	1.7
	2017年夏季	4.1	1.9	2.2
	2017年秋季	3.2	2.2	1.8
	2016年平均	5.3	2.3	3.0
	2017年平均	4.2	2.3	1.9
	研究期间	4.7	2.3	2.4
	2013年^[19]	8.5	2.2	~3.9
	2006—2007年^[17]	15.3	3.0	~5.1

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表 6 PM₁₀中OC和EC斜率k和相关系数R (2015年12月—2017年11月)

Table 6 Slope k and correlation coefficient R of OC and EC in PM₁₀ from Dec 2015 to Nov 2017

时段	龙凤山站		临安站		金沙站
时段	k	R	k	R	k	R
2016年冬季	3.56	0.90	2.57	0.78	0.35	0.53
2016年春季	4.67	0.74	2.43	0.92	3.28	0.67
2016年夏季	3.89	0.22	0.51	0.25	1.53	0.80
2016年秋季	5.58	0.90	2.91	0.88	2.67	0.75
2017年冬季	2.56	0.88	2.67	0.94	1.64	0.75
2017年春季	3.35	0.65	1.97	0.77	1.00	0.67
2017年夏季	2.16	0.74	0.84	0.43	1.59	0.61
2017年秋季	4.13	0.98	1.68	0.95	1.21	0.82
*注：[OC]=k×[EC]+b, b为截距。

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表 7 2015年12月—2017年12月主要元素质量浓度和富集因子

Table 7 The average mass concentration and enrichment factor of main elements from Dec 2015 to Dec 2017

元素	龙凤山站		临安站		金沙站
元素	平均质量浓度/(μg·m^-3)	富集因子	平均质量浓度/(μg·m^-3)	富集因子	平均质量浓度/(μg·m^-3)	富集因子
As	0.01	1364.05	0.01	508.28	0.01	1247.22
Se	0.01	59804.33	0.01	42485.78	0.01	75625.97
Cr	0.01	21.27	0.01	16.82	0.01	19.00
Sb	0.86	1450911.93	0.81	600178.50	0.95	1284530.96
Zn	0.13	637.56	0.24	517.69	0.18	695.69
Sr	0.06	51.51	0.06	22.80	0.07	47.63
Pb	0.03	723.59	0.05	571.71	0.05	1010.90
Ni	0.00	17.29	0.01	17.33	0.02	64.43
Co	0.01	149.63	0.02	94.44	0.02	244.75
Cd	0.34	571539.73	0.29	215363.69	0.36	491680.50
Mn	0.10	34.02	0.12	18.59	0.11	30.52
Mg	1.18	18.89	1.28	9.09	1.36	17.53
V	0.00	3.74	0.00	3.20	0.00	5.58
Ca	6.75	62.45	7.30	29.86	7.70	57.23
Cu	0.26	1596.15	0.26	703.39	0.18	874.59
Ti	0.07	4.97	0.07	2.45	0.04	2.45
Sc	0.00	61.05	0.01	43.97	0.01	66.56
Al	0.40	1.66	0.69	1.26	0.42	1.38
Na	0.38	4.50	0.33	1.75	0.38	3.66
K	2.06	26.67	1.64	9.43	2.04	21.27
S	1.30	1672.84	2.21	1262.25	1.74	1805.41

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参考文献(31)

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2016—2017年中国中东部本底地区PM₁₀化学特性

DOI: 10.11898/1001-7313.20210106

通信作者:
颜鹏, 邮箱：yanpeng@cma.gov.cn

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Chemical Characteristics of PM₁₀ at Background Stations of Central and Eastern China in 2016-2017

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