天氣因素對空氣中PM2.5去除效應(yīng)分析

蔣宗江，王平，顧芙蓉，王帆(大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116622)

0 引言

PM2.5被稱作細顆粒物，又稱可入肺細顆粒物，指的是空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑在2.5 μm以下的所有細顆粒物。由于其自身存在著比表面積較大，粒徑較小等特點，所以極為容易將當(dāng)前大氣環(huán)境中所存在的有毒以及有害人體健康的物質(zhì)進行富集和攜帶[1]。由于目前國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的不斷進步和城市化和工業(yè)化的不斷伸展，空氣質(zhì)量環(huán)境污染也變得更加嚴峻[2]。而PM2.5相關(guān)顆粒物作為比較重要的一項空氣污染物的評價指標，不僅其顆粒物的形態(tài)與組成成分非常的復(fù)雜，而且由于其細微顆粒物的存在嚴重影響到了大眾的生存條件和身體健康。因此，近些年對于PM2.5的研究得到了空前的重視。近幾年，中國的研究人員對于城市中PM2.5顆粒物的研究方向和研究主題主要是集中在PM2.5顆粒物的內(nèi)源部分[3-4]，例如在自身的化學(xué)組成上、相關(guān)特征上以及產(chǎn)生和來源方向上進行分析與研究，但是對于PM2.5相關(guān)顆粒物在大氣環(huán)境中的質(zhì)量濃度特征及其顆粒物和日常大氣因素相關(guān)的聯(lián)系等這方面的相關(guān)分析研究比較少。PM2.5相關(guān)顆粒物的濃度在平均一年的變化周期中，冬季的時候其濃度是到達一個頂點；而且空氣環(huán)境中的細顆粒物已經(jīng)成為了占比最大的污染物[5]。從關(guān)于PM2.5文獻可以看出，大氣環(huán)境中的氣象要素與相關(guān)細微顆粒污染物的釋放、傳遞、垂直或水平擴散、光化學(xué)反應(yīng)等沉降方面還有非常大的相關(guān)性[6-8]。基于此，文章以大連為研究對象，監(jiān)測該城市PM2.5的濃度和氣象因子，研究氣象要素與PM2.5的濃度相關(guān)性及去除效應(yīng)，通過此項研究可以為以后改善這座城市的大氣環(huán)境質(zhì)量有著至關(guān)重要的意義和指導(dǎo)作用。

1 實驗內(nèi)容及研究方法

1.1 采樣點設(shè)置

采樣點：大連開發(fā)區(qū)黃海中路、港興大街、東北大街和松嵐街的交界處。

1.2 研究方法

PM2.5采樣器：JCH-120F型號的智能TSP-PM2.5中流量采樣器。

采樣時段：2020年9月到12月，每天持續(xù)采樣10小時(每天時段：8:00～20:00)，對研究區(qū)PM2.5和氣象因素進行持續(xù)采樣和觀測。本次研究所參考的GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》，標準指出24 h PM2.5的平均濃度值不大于75 μg/m3(如表1所示)。

表1 我國環(huán)境空氣質(zhì)量標準

1.3 采樣器的采樣原理

大氣污染物中粒子半徑大小不同的大氣污染顆粒物是由于其直徑的不同，采用相對應(yīng)設(shè)計出的依靠慣性的碰撞從而收集到膜上。從噴嘴進來裝載不同粒徑顆粒的氣流，將會直接的噴向儀器的撞擊板，從而迫使氣流折轉(zhuǎn)改變流向。如果氣流中顆粒的密度相似，但是因為顆粒的大小(粒徑)存在著大小區(qū)別，那么其在運動時后的慣性軌跡也會有一定的區(qū)別。然而當(dāng)氣流的方向發(fā)生改變時，粒子直徑較大的顆粒因為自身的慣性較大，所以沒有跟隨氣流的軌跡而是撞擊到了撞擊板上。相對來說粒徑較小的顆粒因為自身慣性不夠，依然隨著氣流的運動方向而進入到下一層的沖擊器中。第二級的沖擊器在設(shè)計上比第一級的沖擊器有著更小的進口直徑，從而去進一步增加氣流的整體的流動速度，也就意味著增加了氣流中顆粒物的加速度。這樣就導(dǎo)致了，又有一部分粒徑小的顆粒，在第二級被撞擊在撞擊板上，重復(fù)這樣地分離下來，最后那些最小的顆粒將會滯留在最后面的膜上。

2 氣象因素對PM2.5濃度去除效應(yīng)分析

2.1 實驗結(jié)果分析

通過對圖1的直觀分析(如圖1所示)，可知監(jiān)測時段內(nèi)的PM2.5的質(zhì)量濃度趨勢是逐漸提升的，然而在數(shù)據(jù)統(tǒng)計表中可以看到有幾日的PM2.5的濃度出現(xiàn)格外的低的情況，我們將氣象要素數(shù)據(jù)整理分析發(fā)現(xiàn)，其中9月24日、9月28日、10月6日、10月12日和10月27日的天氣狀況是有降雨發(fā)生。而有大風(fēng)即風(fēng)力超過5級的情況有9月26日、9月29日、10月04日、10月08日、10月09日、10月22日和11月7日。通過對比圖2可以看出，當(dāng)風(fēng)力超過5級的大風(fēng)情況下，當(dāng)日的PM2.5的質(zhì)量濃度也會有明顯的降低，但是相對于降雨因素來對比相對去除效應(yīng)較小。當(dāng)我們排除了當(dāng)日的氣象因素有降雨和大風(fēng)的情況下，剩下的數(shù)據(jù)就是溫度變化對PM2.5質(zhì)量濃度的影響，總體來說是一種逐漸增大的情況。

圖1 每日PM2.5監(jiān)測濃度值

2.2 降雨、大風(fēng)和氣溫的去除效應(yīng)分析

第一點：降雨對大氣中PM2.5的質(zhì)量濃度的影響，從圖2可以最直觀的看到降雨對于PM2.5的濃度影響是最有效地，相對于大風(fēng)的情況下PM2.5的質(zhì)量濃度下降的更低，那么也就說明在氣溫，大風(fēng)和降雨的三種氣象因素下，降雨這一種大氣因素對于PM2.5顆粒物的去除效應(yīng)是最為顯著的。

第二點：圖2的柱狀圖中標紅的柱形是當(dāng)日的風(fēng)力超過5級的日期，同樣也是使得PM2.5的濃度也是有非常明顯的降低，雖然其中顆粒物的濃度下降程度沒有降雨條件那么的大，但是依舊十分的明顯，即說明當(dāng)風(fēng)力較大時對于大氣環(huán)境中PM2.5顆粒物的濃度也是有十分顯著的作用的，但是其去除效應(yīng)略低于降雨因素。

第三點：圖2中柱形數(shù)據(jù)一直較高的部分就是排除了降雨和大風(fēng)兩種因素的干擾后，在最大程度上保持只有溫度的變化對PM2.5顆粒物的影響，雖然數(shù)據(jù)有較大的波動，但是在整體的PM2.5顆粒物的濃度變化上是呈現(xiàn)出一個逐步增長的態(tài)勢，可以查到隨著日期的改變溫度是在逐步遞減的。

圖2 不同氣象因素對PM2.5濃度的去除效應(yīng)

3 結(jié)語

(1)在氣溫，大風(fēng)和降雨的三種氣象因素下，降雨和大風(fēng)兩種大氣因素對于大氣環(huán)境中PM2.5顆粒物濃度具有顯著的去除效應(yīng)。其中降雨對于PM2.5顆粒物的去除效應(yīng)是最為顯著的，其次是風(fēng)，最差是氣溫。

(2)氣溫變化對PM2.5質(zhì)量濃度的去除效應(yīng)的影響不顯著，但是整體上PM2.5顆粒物的質(zhì)量濃度趨勢和氣溫變化的關(guān)系是趨于一種負相關(guān)的變化趨勢。