气溶胶消光和颗粒物粒径分布之间关系的分析

杜嵩山

（江苏省环境监测中心〈江苏省机动车排气污染监督管理中心〉，江苏 南京210036）

大气颗粒物污染除了对人体健康造成危害，也对气溶胶消光系数造成一定影响，并最终导致大气能见度下降，给人们的感官和生产生活造成一定影响。但是不同原因引起的颗粒物污染造成气溶胶消光系数上升的程度是不一样的，本文将就典型天气下气溶胶消光系数的变化和颗粒物数浓度之间的关系进行初步的探讨。[1-2]

1 材料与方法

1.1 实验设备

大气颗粒物粒径及数浓度的测量由大气细粒子谱分析仪完成。其中，空气动力学粒径谱仪原理：由于不同粒径的颗粒物的飞行速度不同，利用粒子飞行时间测量粒径。扫描电迁移率粒径谱仪原理：利用不同粒径的颗粒物带点后在电场中迁移速度不同，使不同粒径的颗粒物有效分离。气溶胶消光系数、散射系数、吸收系数和黑碳采用光声气溶胶消光仪（PAX）分析，其原理是基于气体的光声效应，用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的 调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动,这种压力波动可用灵敏的传声器检测，并通过放大得到光声信号。

1.2 观测时间及地点

2013年3月-8月，对南京地区的大气颗粒物和气溶胶光学变化特征进行连续观测，并选取典型天气进行比较。实验站点在江苏省环境保护监测中心站6层楼顶，采样头距离地面高度约为25m，周围主要为居民区，无其他明显污染源。

2 结果与分析

2.1 秸秆焚烧、沙尘过境和正常天气下光学性质对比

2013年3月9-10日江苏境内出现一次沙尘过境，6月10-11日秸秆焚烧对南京市区造成影响，10日晚间至次日早晨，市内出现烟雾，能见度大幅下降。两次事件期间均出现大气颗粒物浓度的短时飙升，但市民主观感受却有相当大的差别。2013年7月21日-7月22日，南京市空气质量均处于良-优水平，AQI小于100，以此时间段作为优良天气进行参比。

如图1所示，7月份正常天气下，PM2.5和PM10质量浓度都很低，基本都在100ug/m3以内，消光系数也相对较低。3月9-10日沙尘过境时，PM10浓度大幅上升，最高时超过750 ug/m3，PM2.5则基本保持不变，说明该种天气下颗粒物以粒径较大的PM10为主。6月10日晚到11日凌晨秸秆焚烧时，PM2.5和PM10质量浓度都出现大幅升高，峰值时均接近500 ug/m3且PM2.5/PM10超过0.5，这表明此时空气中颗粒物主要以粒径较小的PM2.5为主。

图1 三种天气下的PM2.5、PM10和消光系数

与此同时，两种天气下消光系数的变化也形成对比，沙尘过境时消光系数没有明显变化，秸秆焚烧时则大幅升高，接近1500 1/Mm，而消光系数越高能见度就越低，因此在颗粒物浓度都明显升高的情况下，人们对大气的视觉感官却完全不同。

三种天气下气溶胶消光系数和PM10，PM2.5质量浓度相关性的对比表明：粒径较小的颗粒物是导致消光系数升高的主要原因。

2.2 秸秆焚烧、沙尘过境和正常天气下粒径谱分析

图2 正常天气下，粒径变化图

2013年7月21日-7月22日，南京市空气质量均处于良-优水平，AQI小于100，以此时间段作为优良天气进行参比。此段时间内，颗粒物粒径主要分布在50nm左右，数浓度峰值出现在21日下午6时，最高为4*104个/cm3。（图2）

沙尘天气时，颗粒物粒径主要分布在100nm左右，南京颗粒物数浓度相对正常天气下无明显变化，数浓度在9日的零时和10日的4时出现峰值，最高仅为5*104个/cm3。（图3）

图3 沙尘天气下，粒径变化图

秸秆焚烧时，南京地区颗粒物粒径主要分布在150nm左右，数浓度在11日凌晨高达105个/cm3，是南京优良天气下的2倍。（图4）

因此，结合第一部分的分析可以看出，沙尘天气时虽然颗粒物质量浓度大幅飙升，其颗粒物数浓度并未同时大幅上升，而秸秆焚烧时，不仅颗粒物质量浓度升高，颗粒物数浓度也达到优良天气时的两倍，粒径较小的积聚模态粒子是影响气溶胶光学性质的首要因素，也是秸秆焚烧导致能见度下降的主要原因。

图4 沙尘天气下，粒径变化图

3 结论

3.1 大气中引起气溶胶消光系数下降的主要是细颗粒物PM2.5浓度的上升。

3.2 沙尘天气下，颗粒物质量浓度上升，数浓度没有明显升高；秸秆焚烧时，颗粒物质量浓度和数浓度都明显上升。

3.3 粒径较小的积聚模态粒子是影响气溶胶光学性质的首要因素，也是秸秆焚烧导致能见度下降的主要原因。

［1］谢小芳,孙在,付志民,杨文俊,林建忠.杭州市大气超细颗粒数浓度谱季节性特征[J].环 境科学,2013,34(2)：434-440.

［2］黄祖照,王杰,刘建国,桂华侨,伍德侠,李铁.广州城区大气细颗粒物粒谱分布特征分析[J].中国环境科学,2012,32(7)：1177-1181.