淳安縣PM2.5和PM10濃度變化特征分析*

陳躍華 齊 冰

(1.淳安縣氣象局,浙江 淳安 311700;2.杭州市氣象局,浙江 杭州 310051)

淳安縣PM2.5和PM10濃度變化特征分析*

陳躍華1齊 冰2

(1.淳安縣氣象局,浙江 淳安 311700;2.杭州市氣象局,浙江 杭州 310051)

通過對淳安2013年全年的大氣顆粒物PM2.5和PM10資料統計分析,得出該地區PM2.5和PM10質量濃度的季節變化、日變化特征以及氣象因子對其的影響。結果表明:2013年淳安PM2.5年平均濃度為國家標準的1.2倍,PM10年平均濃度優于國家標準;PM2.5和PM10均具有明顯的季節變化特征,表現為冬季>秋季>春季>夏季;并且均呈現雙峰型的日變化特征,二者出現峰值的時間基本一致,PM2.5和PM10峰值出現在18:00,次峰值出現在08:00,谷值均出現在14:00,主要與邊界層變化和人為活動有關;PM2.5和PM10變化存在明顯的線性關系。降水對顆粒物濃度影響較大,能有效降低顆粒物質量濃度。

淳安;PM2.5;PM10;季節變化;日變化;降水

0 引 言

隨著我國經濟社會的快速發展,工業能源消耗大幅攀升,機動車保有量急劇增長,污染物排放和城市懸浮物大量增加,灰霾現象頻繁發生,能見度降低,對人類生產生活的不利影響增大。而大氣顆粒物PM2.5和PM10是造成灰霾天氣的主要影響因子,已成為影響我國環境空氣質量的重要因素。近些年來,國內外許多專家學者對顆粒物開展了分析研究工作。主要研究顆粒物質量濃度特征及其與氣象條件的關系[1-5]。但研究的對象,一般都是針對大區域、大城市的顆粒物濃度特征進行分析,而對于縣域級及鄉村地區的分析較少。

淳安縣是國家首批5A級旅游景區千島湖所在地。淳安一流的生態環境是最具時代特征的戰略資源和最為寶貴的核心競爭力。為更好地服務于生態淳安建設,本研究主要利用2013年淳安國家基本氣象站大氣細顆粒物PM2.5和PM10的連續監測資料,分析兩者特征及變化規律,結合氣象條件進行分析研究,為目前開展的空氣質量預報和空氣污染氣象條件預報服務奠定基礎,為采取措施保護和改善大氣環境質量提供科學依據,為政府決策提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

淳安縣隸屬于浙江省杭州市,位于浙江省西部,是浙江省面積最大的縣,國家首批5A級風景區千島湖所在地,全縣森林覆蓋率達65%,湖區面積573 km2,湖中有大小1078個島,風景優美,生態較好,有“長三角后花園”的美稱。地處北緯29°11′～30°02′,東經118°20′～119°20′,屬中亞熱帶季風氣候,溫暖濕潤,雨量充沛,四季分明。本研究采用的顆粒物監測儀安裝在淳安國家基本氣象站內(119°01′E, 29°37′N),位于淳安縣千島湖鎮崗家塢(山頂),海拔高度171.4 m,周圍無建筑物阻擋,視野開闊,觀測站點西、北面緊鄰千島湖,其余方向與居民區和林區夾雜,人為活動的影響相對較小。本文的研究在一定程度上代表了鄉村地區的顆粒物濃度特征。

1.2 觀測儀器

采用美國賽默飛世爾1405D雙通道大氣顆粒物監測儀。該儀器是以濾膜為基礎的實時測量大氣中顆粒物質量的監測儀。儀器主要由漸縮組件振蕩微量天平和系統控制單元組成,其工作原理是利用真空泵抽進環境中的樣氣,切割頭控制顆粒物粒徑,通過一個恒定的流量過濾器控制進入傳感部件的流量,錐形振蕩微量天平較粗一端固定,另一端利用電子回饋系統維持振動。漸縮組件的振蕩頻率與濾膜上顆粒物沉積質量有如下關系:

(1)

其中,M為顆粒物質量;K0為振蕩常數;f為振蕩頻率。

在實際監測過程中,1405D儀器采樣總流量經過校正為16.67 L·min-1,其中PM2.5通道流量為3.00 L·min-1,PM2.5-10通道流量為1.67 L·min-1,旁路流量為12.00 L·min-1。儀器每5 min讀取一次數據,測量精度為±2.0 μg·m-3(1 h平均)和±1.0 μg·m-3(24 h平均),質量測量準確度為±0.75%。主要通過定期的流量檢查、標準膜校準及更換濾膜(負載率不超過90%)來保證儀器運行的穩定性和測量的準確性。

1.3 資料來源

研究所用氣象資料來源于淳安國家基本氣象站2013年常規地面觀測資料,包括氣溫、相對濕度、降水、風向、風速和能見度等觀測資料。顆粒物資料來源于淳安國家基本氣象站內TEOM1405D雙通道大氣顆粒物的監測數據；根據GB3095—2012《環境空氣質量標準》[6]關于污染物數據統計的有效性規定,每小時至少有45 min的采樣時間、每日至少有20 h平均濃度值以及每年至少有324個日平均濃度值。利用5 min平均數據計算得出小時算術平均值,在小時數據基礎上計算得出逐日的算術平均值。經過數據整理分析,2013年淳安縣PM2.5和PM10日平均值缺測天數分別為15 d和19 d。同時按氣象劃分法將季節劃分為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12—次年2月)。

2 結果與討論

2.1 PM2.5和PM10平均濃度

2013年淳安縣PM2.5和PM10平均濃度分別為40.8±24.7 μg·m-3、65.4±36.3 μg·m-3,日平均濃度變化范圍分別為6.0～210.5 μg·m-3和10.4～301.9 μg·m-3,其中最小值均出現在6月8日,最大值均出現在12月7日。觀測站點屬于二類功能區,根據GB3095—2012《環境空氣質量標準》,國家標準的PM2.5和PM10年平均分別應為35和70 μg·m-3,日平均濃度限值分別應為75和150 μg·m-3。2013年淳安縣PM2.5年平均濃度為國家標準的1.2倍,PM10年平均濃度優于國家標準。從超標日數來看,PM2.5和PM10超標日數分別為23 d和6 d。由表1可見,2013年淳安縣PM10的達標率明顯高于PM2.5。PM10除了12月,其余月份達標率均為100%;而PM2.5僅僅在2月、4—5月、7—9月達標率為100%,冬季,PM2.5的達標率明顯偏低。

表1 2013年淳安縣顆粒物月達標率 %

2.2 PM2.5和PM10逐月變化

圖1和圖2分別為2013年淳安縣PM2.5和PM10濃度Box-plot圖。由圖1和圖2可見,淳安PM2.5和PM10月最高值均出現在12月,分別為76.1±44.5 μg·m-3和115.6±60.1 μg·m-3;最低值均出現在7月,分別為20.9±8.3 μg·m-3和36.5±11.8 μg·m-3。從4分位間距(75分位數與25分位數的差值)可以看出,春、秋、冬季要明顯高于夏季,說明春、秋、冬季PM2.5和PM10日均值的離散程度要遠高于夏季。從天氣條件分析,秋、冬季大氣層結逐漸趨于穩定,降水偏少,早、晚逆溫出現頻率高,污染物擴散條件較差,易形成高污染事件,特別是2013年12月3—9日華東地區出現的大范圍、區域性持續污染天氣,導致12月顆粒物濃度異常偏高。另一方面,秋、冬季節一旦出現降水,對污染物的清除效應非常顯著,這可能是秋、冬季顆粒物日均值變化差異大的重要原因。夏季,氣溫偏高,盛行的夏季風由海洋吹向陸地,大氣相對較為潔凈,同時在熱力作用下湍流發展旺盛,垂直擴散能力較強,大氣擴散條件好,降水也充沛,污染物不易長時間積累,無論是PM2.5還是PM10濃度均處于低值區,顆粒物濃度變化差異也較小。春季的3—4月,PM10的箱體變化幅度要高于PM2.5,主要原因可能是受到沙塵氣溶膠遠距離輸送的影響導致粗顆粒物濃度增加。例如,2013年3月上旬北方出現大范圍沙塵天氣,涉及12省約280萬km2。圖3給出淳安縣2013年3月8日08時計算的過去72 h氣流后向軌跡,可以清楚的看出沙塵氣溶膠起源于內蒙、新疆等地區,途徑甘肅、陜西等地區東南方向輸送,最后到達淳安上空。

圖1 PM2.5逐月變化Box-plot圖

(柱形從上至下依次表示90分位數、75分位數、50分位數、25分位數、10分位數,+表示平均值)圖2 PM10逐月變化Box-plot圖

圖3 淳安縣2013年3月8日后向氣流軌跡

2.3 PM2.5和PM10日變化

圖4為2013年淳安縣PM2.5和PM10質量濃度日變化。由圖可見,淳安縣PM2.5和PM10均呈現雙峰型分布特征,且二者出現峰值的時間也基本一致。PM2.5和PM10峰值出現在18:00,濃度分別為47.6±32.8 μg·m-3和80.8±54.9 μg·m-3;次峰值出現在08:00,濃度分別為42.8±30.2 μg·m-3和68.1±45.8 μg·m-3;PM2.5和PM10的谷值均出現在14:00,濃度分別為36.2±24.8 μg·m-3和58.1±37.9 μg·m-3。這種變化特征與人為氣溶膠排放及邊界層變化有關。在早晚高峰時段,人們處于集中出行時期,交通流量大,人為排放的氣溶膠明顯增加,同時低層大氣易出現逆溫,邊界層高度低,污染物不易擴散,容易形成峰值;而午后大氣對流和湍流加強,污染物的垂直輸送增強,近地面氣溶膠被稀釋,顆粒物濃度相應降低。PM2.5和PM10白天變化非常明顯,而夜間基本維持穩定。

圖4 PM2.5和PM10日變化

2.4 PM2.5與PM10相關性分析

圖5給出淳安縣PM2.5與PM10日平均濃度的散點圖。由圖可見,PM2.5與PM10日平均濃度存在明顯的線性相關關系,R=0.94。兩者的線性回歸方程為:[PM2.5]=0.64[PM10]-0.7,n=346。春季、夏季、秋季和冬季PM2.5與PM10的線性相關R分別為0.87、0.98、0.91和0.98。由上文分析可知,淳安縣春季偶爾會受遠距離輸送沙塵氣溶膠的影響,造成粗粒子濃度增加,因此春季兩者相關性略偏低。總體而言,2013年淳安縣大氣顆粒物中粗、細離子相對含量的比例分布非常穩定,也體現出大氣氣溶膠粒子的來源及影響在較長時期內處于相對穩定狀態。

PM2.5與PM10濃度的比值可以反映出PM2.5在PM10中的相對含量,對于污染特征分析和污染源解析具有重要意義。統計結果表明,2013年淳安縣PM2.5/PM10值在0.30～0.90之間,有62.5%樣本數的比值范圍在0.5～0.7之間,平均值為0.63±0.11。

圖5 PM2.5和PM10日平均濃度相關關系

2.5 降水對顆粒物濃度的影響

降水對大氣氣溶膠的清除是維持大氣中懸浮粒子源匯平衡、大氣自清潔的重要過程[7]。雨滴在降落過程中,主要通過慣性碰撞過程和布朗擴散作用,捕獲氣溶膠粒子,使之從大氣中清除的過程[8]。根據降水量將雨量等級劃分為小雨(0.1～9.9 mm)、中雨(10.0～24.9 mm)、大雨(25.0～49.9 mm)、暴雨(50.0～99.9 mm)、大暴雨(100.0～249.9 mm)。圖6為不同雨量等級下PM2.5和PM10的質量濃度變化。由圖可見,小雨時,PM2.5和PM10質量濃度分別為33.1 μg·m-3和49.4 μg·m-3,隨著雨量的增加,二者濃度均呈現明顯下降,出現大暴雨時,二者質量濃度分別為6.4 μg·m-3和8.3 μg·m-3。因此,降水能有效降低顆粒物質量濃度,改善大氣的自凈能力。

圖6 不同雨量等級下顆粒物質量濃度變化

3 結 語

本文利用2013年淳安國家基本氣象站大氣顆粒物PM2.5和PM10觀測資料,分析兩者特征及變化規律,結合氣象條件進行研究,得到如下結論:

1) 2013年淳安縣PM2.5和PM10質量濃度平均值分別為(40.8±24.7)μg·m-3和(65.4±36.3)μg·m-3。二者具有同樣的季節變化規律,表現為冬季>秋季>春季>夏季,其中秋季和冬季日均值變化波動范圍較大,超標日數也多出現在冬季和秋季。氣象條件變化是造成顆粒物季節性差異的重要因素。

2)淳安縣PM2.5和PM10均呈現雙峰型日變化特征,二者出現峰值的時間基本一致。第一峰值時間均出現在18:00,分別為47.6±32.8 μg·m-3和80.8±54.9 μg·m-3;次峰值出現在08:00,濃度分別為42.8±30.2 μg·m-3和68.1±45.8 μg·m-3;。谷值均出現在14時。這種日變化特征主要與邊界層變化和人為活動密切相關。

3)淳安縣PM2.5和PM10濃度變化存在明顯的線性關系,PM2.5/PM10的平均值為0.63±0.11,有62.5%樣本數的比值范圍在0.5～0.7之間。表明淳安縣大氣中細顆粒物占比依然較高。春季、夏季、秋季和冬季PM2.5與PM10的線性相關均在0.8以上,說明2013年淳安縣大氣顆粒物中粗、細離子相對含量的比例分布比較穩定。

4)降水對顆粒物濃度影響較大,能有效降低顆粒物質量濃度,改善大氣的自凈能力。

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2014-10-11

國家公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201206011)