錫林浩特國家氣候觀象臺大氣顆粒物污染特征

姜其敏 姜海梅

摘 要：本文利用在錫林浩特國家氣候觀象臺野外觀測場采集的2008年大氣顆粒物PM10、PM2.5、PM1.0顆粒物質量濃度和數濃度數據，分析了顆粒物質量濃度和數濃度的時間變化特征及其主要影響因子。研究結果表明：2008年，錫林浩特國家氣候觀象臺PM10、PM2.5、PM1.0的年平均質量濃度分別為27.41、11.75、7.63 μg/m3;PM10、PM2.5和PM1.0質量濃度的年變化表現為雙峰型;不同季節的PM10質量濃度平均值為：春季>秋季>冬季>夏季，PM2.5的季節變化特征與PM10相似，PM1.0質量濃度平均值為：春季>冬季>夏季≈秋季;數濃度分析表明該站大氣顆粒物數以積聚模態為主;沙塵是該站大氣顆粒物污染的主要來源。

關鍵詞：大氣顆粒物;質量濃度;數濃度;沙塵

中圖分類號：X831文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）07-0122-03

Characteristics of Atmospheric Particulate Pollution in Xilinhot National Climate Observatory

JIANG Qimin1 JIANG Haimei2

（1.School of Automation， Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210044;2.School of Atmospheric Physics， Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210044）

Abstract： Based on the data of PM10， PM2.5 and PM1.0 in 2008 collected at the field observation station of Xilinhot National Climate Observatory， the temporal variation characteristics and main influencing factors of PM10， PM2.5 and PM1.0 were analyzed. The results show that： in 2008， the annual average concentrations of PM10， PM2.5 and PM1.0 are 27.41、11.75、7.63 μg·m-3 respectively. The annual variations of PM10， PM2.5 and PM1.0 appeared a double peak change. The average concentrations of PM10 in different seasons are in the order of spring > autumn> winter>summer， the seasonal variation of PM2.5 was similar to that of PM10， and the average concentrations of PM1.0 are in the order of spring>winter>summer≈autumn. The number concentration analysis shows that atmospheric particulate matter is mainly in accumulation mode， and dust is the main source of atmospheric particulate matter pollution of this station.

Keywords： atmospheric particulate matter;mass concentration;numerical concentration;dust

大氣顆粒物是指以固態或液態形式存在于大氣中的顆粒物，按照空氣動力學等效直徑，可將顆粒物分為可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）和PM1.0。當大氣中的顆粒物濃度超過大氣循環能力和環境容量承載度時，大氣顆粒物濃度就會持續增加，從而形成大氣污染事件，對環境、氣候和人體健康產生嚴重的危害。因而，大氣顆粒物濃度的監測和相關研究受到了科學界和全社會的廣泛關注[1-3]。

近年來，國內外開展了大量關于大氣顆粒物PM10、PM2.5、PM1.0污染特征的研究工作[4-12]。但目前，針對大氣顆粒物的研究主要集中于我國中東部等城市化程度高、人口密集的地區，而北方干旱/半干旱區的相關研究還較為缺乏。錫林浩特市位于內蒙古自治區中部，與北京直線距離350 km。該地區地處中溫帶半干旱大陸性氣候區，全年降水較少，氣候干燥，春季多風沙、揚塵天氣，特別是春季的沙塵天氣，導致大氣顆粒物濃度急劇增加，對當地的生態環境和人民健康造成了巨大影響。為了深入了解當地的大氣污染狀況，自2007年起，錫林浩特市國家氣候觀象臺野外觀測站開展了大氣顆粒物濃度和氣溶膠消光特性的連續監測，為大氣顆粒物的監測和研究奠定了基礎。

本研究以2008年錫林浩特市國家氣候觀象臺野外觀測基地的大氣顆粒物監測數據資料為基礎，分析錫林浩特地區大氣顆粒物的污染特征和主要影響因子。

1 研究區域及資料來源

本研究選用的資料來源于錫林浩特市國家氣候觀象臺。該觀象臺位于錫林浩特市東北方向25 km，占地面積為10 km2。觀測站遠離市區，周圍污染源較少。

本研究應用的數據為2008年1月至12月（其中9月份數據缺失）的GRIMM180顆粒物監測儀監測的PM10、PM2.5、PM1.0質量濃度以及31個粒徑范圍的顆粒物數濃度。

2 結果分析與討論

2.1 大氣顆粒物的質量濃度

圖1是2008年錫林浩特大氣顆粒物PM10、PM2.5、PM1.0月平均質量濃度的變化。PM10、PM2.5和PM1.0的月平均質量濃度的變化范圍分別為6.50～71.91μg/m3、4.85～22.44 μg/m3和3.89～16.53 μg/m3;PM10和PM2.5的主峰值出現在5月，而PM1.0的主峰值出現在4月;PM10、PM2.5和PM1.0的次峰值均出現在10月，谷值均出現在8月。該地年PM10、PM2.5和PM1.0的平均質量濃度分別為27.41、11.75、7.63 μg/m3，PM10和PM2.5年均濃度均低于國家一級標準限值，空氣質量較好。

由觀測值班記錄可知，2008年共發生沙塵天氣10次，其中5月份發生7次，與之對應的是，5月的PM10、PM2.5質量濃度均達到年最大值，這表明錫林浩特市PM10和PM2.5的質量濃度受沙塵天氣影響較大。

大氣顆粒物PM10、PM2.5和PM1.0質量濃度季節變化特征如圖2所示。從圖2可知，PM10質量濃度在春季最高，夏季最低，秋季高于冬季;PM2.5的質量濃度季節變化特征與PM10基本相似，但不同的是，PM2.5質量濃度在秋冬季節相近;PM1.0的質量濃度春季最高，冬季次之，夏秋季節接近。春季PM10、PM2.5的質量濃度最高，主要是由該年頻繁發生的沙塵天氣引起的;夏季雨水較多，對PM10、PM2.5、PM1.0的清除作用明顯，所以夏季粗顆粒物的質量濃度最低;冬季PM1.0質量濃度略高于秋季，可能與當地冬季采暖燃煤排放有關。

根據對該年PM[10]、PM[2.5]和PM[1.0]日平均濃度的逐日變化趨勢、地面觀測的氣象要素和觀測日志記錄的天氣現象的綜合分析（圖略），發現該站的大氣顆粒物濃度與天氣狀況有密切關系，大風、沙塵暴、揚沙、揚塵天氣均會導致大氣顆粒物的質量濃度顯著增加，而降水天氣可以在一定程度上降低大氣中顆粒物的質量濃度。在天氣晴朗、無大風天氣時，大氣顆粒物濃度均低于國標規定的一級標準濃度限值。晴天無大風天氣，該站的PM[10]、PM[2.5]、PM[1.0]質量濃度可以作為北方半干旱草原地區大氣顆粒物研究的濃度參考。

2.2 大氣顆粒物的數濃度

表1列出了觀測期間四個不同粒徑范圍的顆粒物數濃度的統計結果。年平均的PM10和PM2.5數濃度分別為1 269 336.5個/L、1 265 580.0個/L，PM2.5數濃度占總顆粒物數濃度的99.69%。

由表1中的數據結果可知，夏季粒徑大于2.5 μm的大氣顆粒物數濃度和數濃度占總顆粒物數濃度的比值均顯著低于其他季節，表明夏季的大氣顆粒物以尺度較小的粒子為主。其他3個季節PM2.5的數濃度占比基本相當。

根據不同粒徑大小，把氣溶膠分為愛根核模態（<0.05 μm）、積聚模態（0.05 ～2 μm）、粗粒子模態（>2 μm）。根據本研究觀測到的大氣顆粒物的數濃度粒徑范圍>0.25 μm可知，該站大氣顆粒物可簡單地分為積聚模態和粗粒子模態。圖3中給出了不同季節對積聚模態、粗粒子模態的大氣顆粒物數濃度貢獻的比例。對積聚模態的貢獻大小依次為：春季>冬季>秋季>夏季;對粗粒子模態的貢獻大小依次為：春季>冬季>夏季>秋季。

3 結論

本文利用2008年的大氣顆粒物濃度監測資料分析了錫林浩特大氣顆粒物PM10、PM2.5、PM1.0的質量濃度和數濃度變化特征，并結合氣象因子和天氣過程探討了形成原因，得到以下主要結論。

①2008年，錫林浩特國家氣候觀象臺PM10和PM2.5的年平均質量濃度分別為27.4 μg/m3、11.7 μg/m3，低于國家一級標準限值;PM10、PM2.5和PM1.0的質量濃度和天氣狀況關系密切，大風、沙塵天氣使得顆粒物濃度顯著增加，沙塵是當地大氣顆粒物污染的主要來源。

②PM10、PM2.5、PM1.0質量濃度不同季節之間的變化大致相似，PM10質量濃度季節變化，春季最高，秋季次之，夏季最低，秋季比夏季略高。PM2.5質量濃度的季節變化和PM10的變化特征相似。PM1.0質量濃度的季節平均值大小為春季>冬季>秋季≈夏季。

③夏季粒徑大于2.5 μm的大氣顆粒物數濃度和數濃度占總顆粒物數濃度的比值均顯著低于其他季節，其他3個季節PM2.5的數濃度占比基本相當;錫林浩特大氣顆粒物以積聚模態為主，不同季節對積聚模態大氣顆粒物數濃度的貢獻大小依次為：春季>冬季>秋季>夏季;對粗粒子模態的貢獻大小依次為：春季>冬季>夏季>秋季。

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