中国春季北方大气气溶胶浓度特征

杜吴鹏，高庆先，孙 丹，师华定

1.北京市气象局气候中心，北京 100089

2.中国环境科学研究院，北京 100012

3.中国科学院大气物理研究所，北京 100029

中国春季北方大气气溶胶浓度特征

杜吴鹏1，高庆先2，孙 丹3，师华定2

1.北京市气象局气候中心，北京 100089

2.中国环境科学研究院，北京 100012

3.中国科学院大气物理研究所，北京 100029

采用2008年和2009年春季10个气溶胶观测站资料，分析了我国北方3个代表区域的气溶胶浓度特征与空间分布特点以及气溶胶粒子粒径的异同，并结合一次典型的沙尘天气过程，利用气溶胶和气象资料，讨论了沙尘天气对ρ(TSP)的影响以及各观测站点ρ(TSP)的变化特点.结果表明:西北区域站点ρ(TSP)最高，达到0.488 mg/m3，其中以沙尘和土壤等粗模态粒子为主，占ρ(TSP)的50.7%;北部区域站点ρ(TSP)为0.350 mg/m3，主要由PM2.5及沙尘、土壤等粗模态粒子组成，它们分别占ρ(TSP)的55.7%和30.9%;北京地区ρ(TSP)最低，平均值为0.252 mg/m3，ρ(PM10)占ρ(TSP)比例较高，达到94.4%，其中ρ(PM2.5)占ρ(TSP)的54.7%;沙尘天气强度和发生次数对气溶胶浓度年际变化影响明显，而天气形势对沙尘天气的发生发挥重要作用.

春季;气溶胶;沙尘天气;TSP;PM

Abstract:This paper presents analysis of aerosol concentration characteristics，spatial distribution，and particle size sim ilarities and differences in three typical regions in northern China based of aerosol observation data from ten sites in spring of 2008 and 2009.Using aerosol and meteorology data，the impact of dust-sand weather on TSP mass concentration and its variation in the observation sites are discussed.The research results show that the TSP mass concentration was the highest at the northwestern regional sites，reaching 0.488 mg/m3.Dust-sand and soil coarsemode particleswere the primary components，with a proportion of 50.7%.The TSP mass concentration was 0.350 mg/m3at the northern regional sites，at which the TSP was mainly composed of PM2.5，dust-sand and soil coarse mode particles，which accounted for 55.7% and 30.9%，respectively.The TSP mass concentration was the lowest at the Beijing regional sites，with average value 0.252 mg/m3.PM10mass concentration was higher，reaching 94.4%of TSP，of which 54.7%was PM2.5.In addition，the intensity and frequency of dust-sand weather had significant impacts on annual variation of aerosol concentration，and weather played an important role in the emergence of dust-sand weather.

Keywords:spring;aerosol;dust-sand weather;TSP;PM

气溶胶作为大气中的一种重要成分，对地 －气辐射能量平衡、云和降水的形成及分布有重要影响［1-2］.近几十年来，气溶胶的相关研究一直是大气科学和环境科学领域备受关注的焦点与难点［3-4］.目前，气溶胶在影响全球和区域气候与环境变化方面存在很大的不确定性［5-6］.由于我国北方地区春季沙尘天气发生频率较高，大气中沙尘和土壤类气溶胶粒子浓度以及气溶胶的理化特性与其他季节存在明显差异，因此，以春季为突破口，探讨我国北方地区春季的气溶胶浓度特征与空间分布特点，对研究沙尘天气对我国大气环境的影响具有重要的理论价值和科学实践意义［7-10］.

国内外许多科学家对春季气溶胶特别是沙尘气溶胶进行了大量研究.如 ZAKEY等［11］研究指出，春季频繁的沙尘天气特别是沙尘暴对气溶胶光学和物理特征的改变有明显作用;SEINFELD等［12］在一系列研究基础上指出，来自于中国北部和蒙古国干旱半干旱地区的矿物沙尘气溶胶通过太阳辐射和红外辐射的差异，会对局地和下风向地区的气候环境产生影响;PARK等［13］通过对一次经过韩国的沙尘天气过程研究指出，春季沙尘气溶胶会明显影响区域气溶胶的辐射能量平衡.国内科研工作者对春季气溶胶特别是沙尘气溶胶也进行了有益探索.如晏利斌等［14］分析得到，影响春季京津冀地区的气流以偏西、西北和偏北为主，并导致气溶胶中粗粒子占很大比例;杜吴鹏等［15］详细分析了沙尘天气对北方城市大气环境的影响;张锦春等［16］研究得到沙尘暴气溶胶浓度春季最高、秋季最小，其季节变化与沙尘暴发生频率相一致，不同天气条件下浓度差别较大;王鑫等［17］分析了兰州地区春季不同天气状况下大气气溶胶的分布规律及其物理特征;高庆先等［18］研究得到，我国北方地区3—4月沙尘源区和影响区气溶胶指数较高，沙尘天气过程对区域空气质量有明显影响.

根据2008年和2009年春季10个气溶胶野外观测站数据，结合典型沙尘天气过程，评估了我国北方地区气溶胶浓度的特征与空间分布特点以及气溶胶粒子粒径的异同，并利用气象资料和气溶胶资料，分析了一次典型沙尘天气过程中各观测站总悬浮颗粒物(Total Suspended Particle，TSP)质量浓度的变化特点，讨论了沙尘天气对不同地区ρ(TSP)的影响.

1 资料、原理和方法

气溶胶浓度数据来源于建立的10个气溶胶观测站点，分别为额济纳旗站、磴口站、阿拉善左旗站、民勤站、四子王旗站、呼和浩特站、苏尼特右旗站、化德站、北京工业大学站和中国环境科学研究院站，各站点分布在内蒙古自治区、甘肃省和北京市，具体站位见图1.

图1 观测站点分布和分类Fig.1 Distribution and classification of observation sites

观测站使用 TH－1000型智能大容量采样器对大气中TSP和PM进行采样(武汉天虹智能仪器厂)，观测项目包括ρ(TSP)，ρ(PM10)和ρ(PM2.5).该类型仪器完全符合国家环境保护部《环境保护产品认定技术要求总悬浮微粒采样器》(HB3—2001)的规定，具有智能化程度高、环境适应性好、适用性强和数据安全可靠等优点，大气颗粒物浓度观测等方面得到了广泛的认可和应用［19-21］.仪器流量范围为0.8～1.2 m3/min，流量准确度为±2.5%，正常情况下流量稳定性≤3%，恒流响应速度≤3%.

为了便于对比研究不同区域的气溶胶浓度，将10个观测站点按照地理位置、气候条件等因素分为3类:西北区域站点、北部区域站点和北京地区站点，其中西北区域站点包括额济纳旗站、磴口站、阿拉善左旗站和民勤站;北部区域站点包括四子王旗站、呼和浩特站、苏尼特右旗站和化德站;北京地区站点包括北京工业大学站和中国环境科学研究院站(见图1).

2 分析与讨论

2.1 西北区域站点

图2 西北区域站点2008年和2009年春季ρ(PM)和ρ(TSP)日变化Fig.2 PM and TSPmass concentration daily variation at northwest regional sites in spring of 2008 and 2009

图2为观测的2008年和2009年春季额济纳旗站、磴口站、阿拉善左旗站和民勤站气溶胶浓度日变化.由图2可以看出，由于该地区春季受沙尘天气影响频繁，气溶胶浓度变化较大，经常出现峰值，平均值较高.其中，额济纳旗站在2008年春季ρ(PM10)平均值为0.201 mg/m3，ρ(TSP)为0.396 mg/m3，ρ(PM10)占ρ(TSP)的50.1%，气溶胶以沙尘和土壤等粗模态粒子为主;2009年春季额济纳旗站ρ(TSP)达到0.540 mg/m3，较2008年明显升高，年际变化显著.磴口站2008年春季ρ(PM2.5)为0.132 mg/m3，2008年和2009年春季ρ(TSP)分别为0.472和0.458 mg/m3，ρ(PM2.5)仅占ρ(TSP)的27.9%，表明气溶胶成分中细模态粒子含量较低.阿拉善左旗站2008年春季ρ(PM10)和ρ(TSP)分别为0.205和0.459 mg/m3，均较高，ρ(PM10)占ρ(TSP)的44.5%，可见气溶胶中细模态粒子含量较低;2009年春季ρ(TSP)为0.489 mg/m3，与2008年基本相当.民勤站 2008年春季ρ(PM10)和ρ(TSP)分别为0.316和0.541 mg/m3(2009年没有观测数据)，ρ(PM10)占ρ(TSP)的58.4%，比额济纳旗站和阿拉善左旗站略高，表明该地气溶胶中细模态粒子含量有所上升，受人为排放气溶胶的影响程度较磴口站和阿拉善左旗站稍明显;由于受区域性沙尘天气过程影响，各站主要的气溶胶浓度高峰值出现时间有较大的一致性.

2.2 北部区域站点

图3为观测的2008年和2009年春季四子王旗站、呼和浩特站、苏尼特右旗站和化德站气溶胶浓度日变化.由图3可以看出，该区域ρ(TSP)较西北区域站点略低，2009年ρ(TSP)峰值出现次数较2008年明显偏少，这与2009年该地区沙尘天气较少有密切关系.受区域沙尘天气过程影响，各站点气溶胶浓度峰值出现时间具有一定的一致性.由于该区域是内蒙古人口最为集中、经济最为发达地区，受人为排放的硫酸盐、硝酸盐等细模态气溶胶影响增强，受沙尘天气影响程度相对减少，因此，大气中粗模态的沙尘和土壤气溶胶浓度较西北区域站点有所减少，ρ(PM2.5)和ρ(PM10)占ρ(TSP)的比例略有升高.

四子王旗站2008年春季ρ(PM2.5)和ρ(TSP)分别为0.241和0.413 mg/m3，ρ(PM2.5)占ρ(TSP)的58.4%;2009年春季ρ(TSP)为0.296 mg/m3，较2008年明显降低，仅相当于2008年的71.7%.呼和浩特站2008年春季ρ(PM10)和ρ(TSP)分别为0.268和 0.474 mg/m3，ρ(PM10)占 ρ(TSP)的56.6%;2009年春季呼和浩特站ρ(TSP)为0.408 mg/m3，较2008年略有降低，其中2009年4月23日的强沙尘暴过程对ρ(TSP)的影响最为明显，该日ρ(TSP)日均达到5.413 mg/m3.苏尼特右旗站2008年春季ρ(PM10)和ρ(TSP)分别为0.215和0.354 mg/m3，ρ(PM10)占ρ(TSP)的60.8%，沙尘天气过程中ρ(PM10)和ρ(TSP)分别达到1.520和2.440 mg/m3，是春季观测期间平均值的 7.1和6.9倍;2009年春季苏尼特右旗站ρ(TSP)为0.173 mg/m3，仅相当于 2008年的 48.9%，这与2009年沙尘天气明显偏少有关.化德站2008年春季ρ(PM2.5)和ρ(TSP)分别为 0.148和 0.341 mg/m3(2009年没有观测数据)，略低于邻近的四子王旗站和呼和浩特站，ρ(PM2.5)占ρ(TSP)的43.4%，受沙尘天气影响，ρ(PM2.5)和ρ(TSP)峰值相当于春季平均水平的 7.7和6.2倍，沙尘天气过程导致的大气环境污染异常明显.

2.3 北京地区站点

图4为观测的2008年和2009年春季北京工业大学站和中国环境科学研究院站气溶胶浓度日变化情况.由图4可以看出，北京地区ρ(TSP)在所讨论的3类站点中最低，由于受大规模机动车排放和人为活动排放的细粒子污染较为明显以及受沙尘天气影响次数减少，ρ(PM10)占ρ(TSP)的比例在3类站点中最高.

北京工业大学站 2008年春季ρ(PM10)和ρ(TSP)分别为0.238和0.379 mg/m3，ρ(PM10)占ρ(TSP)的62.6%;2008年5月20日和28日是2个明显的污染过程，沙尘天气在污染过程中起到重要作用，这2天ρ(TSP)分别为1.859和0.974 mg/m3，较观测期间ρ(TSP)平均值明显偏高 . 2009年北京工业大学站ρ(TSP)平均值为0.118 mg/m3，较2008年明显减少.由图4也可以看出，2009年春季北京大气中ρ(TSP)变化较为平缓.

中国环境科学研究院站2008年春季ρ(PM2.5)和 ρ(PM10)分 别 为 0.138和 0.239 mg/m3，ρ(PM2.5)占ρ(PM10)的57.7%，气溶胶浓度高峰值主要出现在 5月下旬，其中 5月 20日和 28日ρ(PM2.5)分别达到0.546和0.584 mg/m3，而相应的ρ(PM10)分别为0.883和0.759 mg/m3，均大于观测期间的平均值，气溶胶浓度高峰值出现的原因主要是受来自内蒙古地区沙尘天气影响，短期内增加了大气中气溶胶浓度.2009年春季中国环境科学研究院站ρ(TSP)为0.284 mg/m3，与2008年的ρ(PM10)相近，但比北京工业大学站ρ(TSP)偏高，这可能与该站点周围房地产开发导致的建筑工地较多且长时间施工有关;而北京工业大学站位于校园内，植被和周边环境相对较好.

图3 北部区域站点2008年和2009年春季ρ(PM)和ρ(TSP)日变化Fig.3 PM and TSPmass concentration daily variation at north regional sites in spring of 2008 and 2009

2.4 观测结果分析

表1为总结的2008年和2009年春季3个区域站点ρ(TSP)，ρ(PM2.5)和ρ(PM10)以及ρ(PM2.5)和ρ(PM10)与ρ(TSP)的比值.由表1可以看出，西北区域站点ρ(TSP)最高，平均值达到 0.488mg/m3;其次是北部区域站点，ρ(TSP)达到0.350 mg/m3;而北京地区的ρ(TSP)最低，为 0.252 mg/m3.根据气溶胶粒径的相关研究并结合研究内容，将粒径小于10μm的气溶胶作为细粒子，表示可吸入颗粒物，其中粒径小于2.5μm的气溶胶表征可入肺颗粒物，大于10μm的气溶胶作为粗粒子表征沙尘和土壤类气溶胶.西北区域站点的气溶胶主要由粗模态粒子组成，粗粒子质量浓度占ρ(TSP)的50.7%;而可入肺颗粒物ρ(PM2.5)所占比例较低，仅占27.0%.北部区域站点的气溶胶以可入肺颗粒物PM2.5及沙尘、土壤类粗粒子为主，其质量浓度分别占ρ(TSP)的 55.7%和30.9%;而粒径介于2.5～10μm的气溶胶较少，其质量浓度仅占ρ(TSP)的13.4%.北京地区气溶胶中ρ(PM10)明显较高，占ρ(TSP)的94.4%，其中ρ(PM2.5)占54.7%.

图4 北京地区站点2008年和2009年春季ρ(PM)和ρ(TSP)日变化Fig.4 PM and TSPmass concentration daily variation at Beijing regional sites in spring of 2008 and 2009

表1 3类区域站点气溶胶质量浓度对比Table 1 Comparison of aerosolmass concentration for three categories observation sites

综上表明，虽然西北区域站点的ρ(TSP)较高，但以粗粒子为主，由于重力沉降等因素，其对人体危害相对较小;而北京地区站点ρ(TSP)虽然较低，但可吸入颗粒物占较大比例，对人体健康危害极大，特别需要加以关注;北部区域站点位于内蒙古经济最为发达地区，一方面受人类活动排放的气溶胶影响较多，另一方面也经常受沙尘天气等自然因素的影响，致使其气溶胶粒径分布较为独特:粒径小于2.5μm的细粒子和粒径大于10μm的粗粒子含量较高，而粒径介于2.5～10μm的粒子含量偏低，即细粒子和粗粒子偏多，中间粒子较少.

2.5 沙尘天气过程ρ(TSP)特征分析

沙尘天气的发生、传输与气象条件紧密相关，沙尘暴产生的大量沙尘粒子在偏西气流的控制与影响下，可以远距离输送到我国的中东部地区.图5为2009年4月22日08:00—25日08:00的850 hPa位势高度场(时间频次12 h).分析表明，天气形势与地面气溶胶浓度变化有较强的关联性.

图5 2009年4月22—25日850 hPa位势高度场Fig.5 850 hPa geopotential height field from April 22th2009 to，April 25th2009

选取2009年4月22—23日影响我国北方地区的典型沙尘天气过程，分析沙尘天气前后地面观测站点大气中ρ(TSP)的变化.图6为地面7个站点观测的2009年4月20—25日ρ(TSP)变化(由于北京地区受该沙尘天气过程影响不明显，将北京工业大学站和中国环境科学研究院站作平均，作为北京地区代表站点)，按照自西向东的区域顺序排列站点.由图6可以看出，额济纳旗站22日ρ(TSP)出现最高值，磴口站和阿拉善左旗站22日ρ(TSP)开始升高，23日达到最大;而四子王旗站、呼和浩特站和苏尼特右旗站均在 23日ρ(TSP)明显上升并达到峰值，一定程度上反映了该沙尘天气过程自西向东影响我国北方地区.另外，由图6还可以看出，该沙尘天气过程对北京地区影响不明显.

图6 典型沙尘天气过程观测站点ρ(TSP)变化特征Fig.6 Variation characteristics of TSP mass concentration in typical dust-sand weather at observation sites

由图5可以明显看出，22日08:00位于甘肃、宁夏和内蒙古西部等地区的低压系统开始形成并逐渐加强，此后该低压系统逐渐东移，一股较强的偏西风开始从该地区向偏东方向移动并携带了大量的沙尘粒子，形成一定规模的沙尘暴，此时内蒙古西部的地面观测站监测到ρ(TSP)高值(见图6中的额济纳旗站、磴口站和阿拉善左旗站);23日，该低压系统和沙尘暴的前沿已经影响到内蒙古中部和华北部分地区，造成该地区监测的ρ(TSP)较高(见图6中的四子王旗站、呼和浩特站和苏尼特右旗站);24—25日，该系统对我国北方地区的影响开始变弱，并逐渐移出我国大陆地区，与之相吻合的是大气中悬浮的气溶胶也开始逐渐变少，ρ(TSP)逐渐降低(见图6).表明地面站点观测的此次沙尘天气过程中ρ(TSP)变化与实际天气形势一致，这也从侧面表明大的天气形势对沙尘天气的发生发挥重要作用.

3 结论

a.我国北方地区春季气溶胶浓度较高，西北区域站点和北部区域站点的ρ(TSP)平均值分别达到0.488和0.350 mg/m3，其中西北区域站点气溶胶以沙尘、土壤等粗模态粒子为主，而北部区域站点除了粗模态粒子含量较高外，ρ(PM2.5)也较高.

b.北京地区春季ρ(TSP)较西北区域和北部区域站点明显偏低，平均值为0.252 mg/m3，受机动车尾气排放等人为活动的影响，气溶胶粒径较小，ρ(PM10)占ρ(TSP)的 94.4%，ρ(PM2.5)占54.7%.

c.受沙尘天气强度和发生次数等的影响，气溶胶浓度年际变化明显，通过观测资料的分析表明，天气形势对沙尘天气的发生发挥重要作用，ρ(TSP)变化与沙尘天气的发生、传输密切相关.

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Concentration Characteristics of Atm ospheric Aerosols in Northern China in Spring

DU Wu-peng1，GAO Qing-xian2，SUN Dan3，SHIHua-ding2

1.Climate Center，Beijing Meteorological Bureau，Beijing 100089，China

2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

3.Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China

X823

A

1001－6929(2011)01－0011－09

2010－08－13

2010－09－27

国家“十一五”科技支撑计划项目(2008BAC40B01－5);国家重点基础研究发展规划项目(2010CB428506);国家环保公益性行业科研专项(200709008)

杜吴鹏(1981－)， 男， 河 南 安 阳 人， 博 士，duwupeng@sohu.com.