大氣降塵的觀測及數據處理方法

于麗萍，李 棟，孟 磊，杜傳耀，趙 平

(1.北京市觀象臺，北京 100176；2.河北省景縣氣象局，河北景縣 053500)

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大氣降塵的觀測及數據處理方法

于麗萍1，李 棟1，孟 磊1，杜傳耀1，趙 平2

(1.北京市觀象臺，北京 100176；2.河北省景縣氣象局，河北景縣 053500)

介紹了大氣降塵的觀測方法(干法收集和濕法收集)和數據處理方法(稱重法和電鏡法)，研究了北京地區大氣降塵量。結果表明，稱重法的觀測結果得到的是降塵的固態物質的重量，電鏡法得到的是固態物質外觀的描述，2種方法的側重點不同，結合應用可以更全面地了解大氣降塵的情況。

大氣降塵；觀測；數據處理；方法

大氣降塵是指在空氣環境條件下，依靠重力自然沉降至地表的顆粒物，廣義上是大氣氣溶膠的組成成分，是地球表層地氣系統物質交換的一種形式。其中干沉降是氣溶膠和氣體在無降水時從大氣中輸送到地球表面并被捕獲的過程，是一種緩慢而連續的過程[1-3]。國內過去主要集中于對大氣懸浮顆粒物的研究，近年在我國許多大城市，如北京、上海、重慶等地陸續開展了城市降塵研究[1，4-7]。城市大氣降塵研究對探究全球環境變化、區域大氣環境污染有效環境防治與管理均具有重要意義[8]。筆者從北京市氣象局對大氣降塵的1961—2014年觀測數據入手，闡述了北京地區大氣降塵的觀測及數據處理的方法。

1 大氣降塵的收集方法

大氣降塵的收集一般是模擬自然狀況下的沉降過程，降塵的收集裝置主要有干法收集、濕法收集和玻璃球法收集3種[9]，在此僅針對干法收集和濕法收集進行分析。

1.1 濕法收集 集塵缸內徑150 mm、高300 mm，固定后放置集塵缸的架面1.5 m(圖1a)。在集塵缸內注入500 mL蒸餾水，目的是使落入其中的顆粒物等不被揚起，按月或旬更換。每年1—5月每月觀測3次，每月1、11、21日08：00左右換下；6—12月觀測1次，每月1日08：00左右換下。不同季節可加入適量乙醇既能抑制微生物滋生又能防凍，但在分析時應注意扣除添加的量。

1.2 干法收集 集塵缸內徑300 mm、高600 mm，收集時與濕法收集相反，缸內不注入水(圖1b)。2個同樣規格的采樣缸，一個為每旬17：00更換，另一個每月月末17：00左右換缸。干法收集方法是最接近自然狀況下的沉降過程，但它的不足之處就是無法避免已經進入容器的二次起塵的流失，另外，在轉移樣本時存在誤差較大。

圖1 稱重法集塵缸(a)和電鏡法集塵缸(b)Fig.1 The dust collecting cylinder of the weighing method(a)and the electron microscope method(b)

2 大氣降塵數據處理方法

濕法收集采用稱重法進行數據處理，干法收集采用電鏡法進行數據處理。

從北京市觀象臺觀測的2014年1—5月大氣降塵量(圖2)可以看出，大氣降塵量明顯呈降低趨勢，1—5月平均降塵量為62.630g/(m2·月)，其中最大的為3月69.534g/(m2·月)，其次為4月64.014g/(m2·月)。

圖2 2014年1—5月北京大氣降塵量Fig.2 The amount of atmospheric dust-fall in Beijing from January to May in 2014

2.2 電鏡法 每旬及每月將集塵缸內的沉降收集到容量瓶內，經烘箱烘干后，利用電子顯微鏡進行掃描，結果發現顆粒物的形態各異，有球形的、橢球的、長條形的以及疏松塊狀結構，顆粒物之間有分開的，也有黏粘在一起的，無法利用專業軟件進行自動識別，因此在進行數據分析前需要對圖片進行一些處理工作，打開圖片后首先對軟件參數進行設置，其后將明顯不是同一個降塵顆粒分割開。然后按處理步驟(圖3)逐步對圖片進行處理：①對軟件不能識別的顏色較暗的樣本進行提亮處理(圖3a、b)；②去除比例尺，即圖下方左右各有拍照參數及白色比例尺，沒有與樣本重疊的部分需要人為將其涂成背景色(圖3a、c綠色部分為拍照參數涂黑后)；③去除非顆粒，將不是降塵的用背景色去除(圖3d藍色部分)，有的圖片中能明顯看出非常標準的圓形或樹棍等，也需要照此處理；④提亮樣本，由于這些樣本與背景顏色接近，所以大部分樣本均需要手動圈出樣本輪廓后再填充顏色(圖3e粉色區域)。

由于大氣降塵的顆粒外形照片可以清楚地看到顆粒不僅形態不同，且大小也有變化，有的顆粒呈球形或橢球形，有的顆粒呈錐形或片形等[10]，電鏡法通過軟件可以對每個顆粒物的幾十個方面進行描述，如面積、周長、長軸、短軸、質量、灰度、孔面、投影等，根據具體研究的方向定向進行選取。

注：a.加深背景；b.提亮樣本；c.去除比例尺；d.去除非顆粒；e.提亮樣本。Note：a.Deepen background；b.Brighten samples；c.Remove scale；d.Remove non-particles；e.Brighten samples.圖3 圖片處理步驟Fig.3 Image processing steps

3 小結

在數據處理方面，電鏡法和稱重法可以從不同的方面對大氣降塵量進行描述，稱重法觀測結果得到的是降塵的固態物質的重量，電鏡法得到的是固態物質形態的描述，二者結合可以更全面地對大氣降塵進行分析。

由于采樣器皿的規格、觀測時間及樣品處理方面差異很大，因此數據基本沒有可比性。建議統一觀測標準，在數據的使用率方面將會有很大提高。

[1] 唐楊，徐志方，韓貴琳.北京及其北部地區大氣降塵時空分布特征[J].環境科學與技術，2011，34(2)：115-119.

[2] 中國氣象科學研究院氣候所.大氣總懸浮顆粒物(TSP)和大氣降塵的采樣及測量方法[M].北京：氣象出版社，2011.

[3] 中國氣象局監測網絡司.干濕沉降采樣觀測技術手冊[M].北京：氣象出版社，2007.

[4] 熊秋林，趙文吉，郭逍宇，等.北京城區冬季降塵微量元素分布特征及來源分析[J].環境科學，2015(8)：2735-2742.

[5] 陳圓圓，孫小靜，王軍，等.上海市寶山區大氣降塵污染時空變化特征[J].環境化學，2009，28(6)：859-863.

[6] 姜偉，張衛東，蔣昌潭，等.重慶主城大氣降塵特點研究[J].安徽農業科學，2007，35(28)：8884-8885.

[7] 劉新春，鐘玉婷，王敏仲，等.塔里木盆地大氣降塵變化特征及影響因素分析[J].中國沙漠，2010，30(4)：954-960.

[8] 楊蕓，阮麗，包躍躍，等.城市大氣降塵污染研究進展[J].環境與可持續發展，2015(4)：81-83.

[9] 錢廣強，董治寶.大氣降塵收集方法及相關問題研究[J].中國沙漠，2004，24(6)：779-782.

[10] 李永良，馬輝，袁慧，等.沙塵暴顆粒物的掃描電鏡研究[J].現代儀器，2005，11(1)：14-15.

Observation and Data Processing Methods of Atmospheric Dust-fall

YU Li-ping,LI Dong,MENG Lei et al

(Beijing Meteorological Observatory,Beijing 100176)

The observation methods (dry collection and wet collection) and data processing methods (weighing method and electron microscopy method) of atmospheric dust were introduced, the amount of atmospheric dust-fall in Beijing was studied. The study showed that the weight of the solid material was obtained by the observation of the weighing method, and the description of the appearance of solid material was obtained by the electron microscope method. The emphasis of the two methods was different, which can be more comprehensive to understand the situation of atmospheric dust-fall.

Dust fall;Observing;Data processing;Methods

于麗萍(1975-)，女，北京人，工程師，從事大氣成分研究。

2016-09-07

S 16

A

0517-6611(2016)31-0185-02