南通市區大氣氣溶膠物理特性分析

李敏娜，錢 震，蔣 榮，陳 帥

(江蘇省南通環境監測中心，江蘇 南通 226006)

0 引言

大氣氣溶膠粒子是指懸浮在大氣中的固態和液態顆粒物，其粒徑范圍為10-3～102μm，能在大氣中駐留至少幾個小時[1]。氣溶膠粒子在大氣環境中的行為與其粒徑大小密切相關，其數濃度譜分布特征能深入揭示顆粒物在大氣中的生成、傳輸、轉化和去除，對氣溶膠理化特性及其影響的研究有重要意義[2]。

目前在國內多個地方，多種環境下開展了大氣氣溶膠數濃度的在線觀測，包括長三角地區、珠三角地區、京津冀地區、東北地區。分析內容包括：不同季節的氣溶膠數濃度的變化及影響因子[2-5]，超細顆粒物粒徑譜的分布特征[6]，典型天氣條件下的數濃度譜分布特征[7-9]，氣溶膠數濃度變化與氣象條件的關系[5,8-9]。

國內外對重大污染源區大氣氣溶膠特性研究工作開展較多[3,5,9-10]，而對較清潔或者二、三線城市大氣氣溶膠特性研究較少。雖然南通是沿海城市，也會受到北方污染源輸送的影響，本地污染源排放仍有減少空間，因此，有必要開展南通地區的大氣氣溶膠數濃度的相關研究，這對灰霾防治有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況和觀測時間

南通市地處北緯31°1′～32°43′、東經120°12′～121°55′，位于江蘇省東南部，東臨黃海，南臨長江。年平均氣溫在15℃左右，年平均降水量1000～1100mm，屬北亞熱帶和暖溫帶季風氣候，雨熱同季，夏季雨量約占全年雨量的40%～50%。觀測時間為2017年12月1日—2018年11月30日。觀測地點是江蘇省南通環境監測中心七樓樓頂，位于商業、交通、居民混合區。

1.2 儀器與方法

數濃度數據采用Grimm 180環境顆粒物監測儀，測量粒徑范圍為0.25～32μm，用來連續觀測氣溶膠，可以實時測量31個粒徑的氣溶膠數濃度和PM10、PM2.5和PM1的質量濃度，時間分辨率為1min，文中采用的均為小時均值數據。

2 結果和討論

2.1 數濃度總體變化趨勢

由圖1可以看出，觀測期間南通市氣溶膠數濃度日平均為368個/cm3，最高值出現在冬季，為 1578個/cm3，最低值出現在夏季，為37個/cm3。春、夏、秋、冬氣溶膠數濃度平均值分別為396個/cm3、281個/cm3、265個/cm3、519個/cm3。冬季氣溶膠數濃度最高，春季次之，秋季最低。冬季數濃度整體波動幅度明顯大于春、夏、秋季。表1對比了不同城市的大氣氣溶膠的數濃度。四個城市的季節變化類似，均是冬季最高，春季次之，夏季和秋季相對較低。采用相同儀器的福州四季平均數濃度比南通高，原因在于南通屬于沿海城市，空氣擴散條件較好，氣溶膠數濃度處于較低水平。南京春季的氣溶膠濃度比南通和福州夏、秋兩季低一個量級，珠三角江門市和北京氣溶膠濃度比南通高1～2個量級，原因在于儀器不同，南京采用是APS-3321儀器測量，該儀器測量粒徑范圍為0.5～20μm，江門將SMPS和APS-3321兩個儀器結合起來測量，測量粒徑范圍為0.003～10μm，北京采用WPS-1000XP儀器測量，粒徑范圍為0.02～1μm，均與本文的儀器測量的粒徑范圍不同，且小粒徑粒子對數濃度的貢獻非常大[12]。

圖1 2017年12月-2018年11月氣溶膠數濃度日變化

表1 不同城市大氣氣溶膠數濃度對比

2.2 不同季節數濃度日變化

將粒徑分為四個部分：0.25～1μm，1～2.5μm，2.5～10μm，10～32μm，將一年的數濃度取均值，得出0.25～1μm占總數濃度的比值為99.94%，1～2.5μm占比為0.054%，2.5～10μm占比為0.0079%，10～32μm占比為0.000095%。圖2是不同季節四個粒徑段的數濃度隨時間的變化情況。由圖可見，南通市春季PM1-32日變化呈單峰分布，峰值位于11∶00，而春季PM0.25-1日變化較為平緩。夏季PM0.25-1和PM2.5-32日變化呈單峰分布，峰值位于12∶00，夏季高溫高濕的天氣利于新粒子生成[4]；PM1-2.5日變化呈多峰分布，在 8∶00、12∶00、19∶00出現高值，說明該粒徑范圍粒子的生成除了受太陽輻射影響，還有人為因素，比如汽車尾氣排放。秋季PM0.25-32日變化呈雙峰分布，峰值位于7∶00-8∶00和19∶00，與早晚高峰汽車尾氣排放有關。冬季PM0.25-2.5日變化呈雙峰分布，峰值位于8∶00-10∶00和18∶00-19∶00，與上下班高峰期吻合；冬季PM2.5-32日變化呈多峰分布，表明這個粒徑段粒子的生成受多種因素影響。

圖2 春、夏、秋、冬季四個粒徑段(0.25～1μm，1～2.5μm，2.5～10μm，10～32μm)氣溶膠的數濃度隨時間變化

2.3 不同季節數濃度譜分布

數濃度譜分布指的是單位粒徑范圍數濃度的大小，可以用譜分布函數描述。圖3是不同季節的數濃度譜分布情況。隨著粒徑增加，數濃度譜呈先增加后減少的趨勢。由于儀器觀測范圍的限制，四季數濃度譜均呈單峰分布，且譜峰值都出現在0.29μm附近。總體來看，冬季數濃度最多，春季次之，夏、秋季最少。春季、夏季、秋季在0.265～0.29μm粒徑段減少幅度最大，減少比例分別為21%、45%和43%。南通市區的氣溶膠數濃度主要由1μm以下的粒子貢獻，>1μm的粒子數濃度維持在較低水平。

圖3 南通市區不同季節數濃度譜分布

2.4 不同AQI條件下數濃度變化

表2和表3是不同AQI條件下不同粒徑范圍內顆粒物數濃度變化及百分比變化。由表2可以看出，隨著AQI的增加，PM0.25-1的顆粒物呈現倍數增長趨勢，PM1-32的顆粒物增長速度略緩慢，表明隨著小顆粒數濃度的增加，空氣質量狀況的下降更為突出。從表3可看出，隨著AQI的增加，PM0.25-0.5和PM1-32百分比呈減小趨勢，而PM0.5-1的百分比呈增加趨勢，表明PM0.5-1的增加對空氣質量狀況的下降有重要貢獻。

表2 不同AQI條件下不同粒徑范圍內顆粒物數濃度變化 (個/cm3)

表3 不同AQI條件下不同粒徑范圍內顆粒物數濃度百分比變化 %

3 結論

(1)南通市四季氣溶膠數濃度表現為冬季>春季>夏季>秋季，冬季數濃度整體波動幅度最大。

(2)南通市春季PM1-32日變化呈現單峰分布，峰值位于11∶00；夏季PM0.25-1和PM2.5-32日變化呈現單峰分布，峰值位于12∶00，PM1-2.5日變化呈現多峰分布，在8∶00、12∶00、19∶00出現高值；秋季PM0.25-32日變化呈現雙峰分布，峰值位于7∶00—8∶00和19∶00；冬季PM0.25-2.5日變化呈現雙峰分布，峰值位于8∶00—10∶00和18∶00—19∶00，PM2.5-32日變化呈現多峰分布。

(3)南通市區四季數濃度譜峰值均為0.29μm，氣溶膠數濃度主要由1μm以下的細粒子貢獻，粗粒子貢獻很少，>1μm的粒子數濃度維持在較低水平。

(4)隨著小顆粒物數濃度的增加，空氣質量狀況的下降更為突出，尤其是0.5～1μm的顆粒物。