淳安县PM2.5和PM10浓度变化特征分析*

陈跃华 齐 冰

(1.淳安县气象局,浙江 淳安 311700;2.杭州市气象局,浙江 杭州 310051)

淳安县PM2.5和PM10浓度变化特征分析*

陈跃华1齐 冰2

(1.淳安县气象局,浙江 淳安 311700;2.杭州市气象局,浙江 杭州 310051)

通过对淳安2013年全年的大气颗粒物PM2.5和PM10资料统计分析,得出该地区PM2.5和PM10质量浓度的季节变化、日变化特征以及气象因子对其的影响。结果表明:2013年淳安PM2.5年平均浓度为国家标准的1.2倍,PM10年平均浓度优于国家标准;PM2.5和PM10均具有明显的季节变化特征,表现为冬季>秋季>春季>夏季;并且均呈现双峰型的日变化特征,二者出现峰值的时间基本一致,PM2.5和PM10峰值出现在18:00,次峰值出现在08:00,谷值均出现在14:00,主要与边界层变化和人为活动有关;PM2.5和PM10变化存在明显的线性关系。降水对颗粒物浓度影响较大,能有效降低颗粒物质量浓度。

淳安;PM2.5;PM10;季节变化;日变化;降水

0 引 言

随着我国经济社会的快速发展,工业能源消耗大幅攀升,机动车保有量急剧增长,污染物排放和城市悬浮物大量增加,灰霾现象频繁发生,能见度降低,对人类生产生活的不利影响增大。而大气颗粒物PM2.5和PM10是造成灰霾天气的主要影响因子,已成为影响我国环境空气质量的重要因素。近些年来,国内外许多专家学者对颗粒物开展了分析研究工作。主要研究颗粒物质量浓度特征及其与气象条件的关系[1-5]。但研究的对象,一般都是针对大区域、大城市的颗粒物浓度特征进行分析,而对于县域级及乡村地区的分析较少。

淳安县是国家首批5A级旅游景区千岛湖所在地。淳安一流的生态环境是最具时代特征的战略资源和最为宝贵的核心竞争力。为更好地服务于生态淳安建设,本研究主要利用2013年淳安国家基本气象站大气细颗粒物PM2.5和PM10的连续监测资料,分析两者特征及变化规律,结合气象条件进行分析研究,为目前开展的空气质量预报和空气污染气象条件预报服务奠定基础,为采取措施保护和改善大气环境质量提供科学依据,为政府决策提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

淳安县隶属于浙江省杭州市,位于浙江省西部,是浙江省面积最大的县,国家首批5A级风景区千岛湖所在地,全县森林覆盖率达65%,湖区面积573 km2,湖中有大小1078个岛,风景优美,生态较好,有“长三角后花园”的美称。地处北纬29°11′～30°02′,东经118°20′～119°20′,属中亚热带季风气候,温暖湿润,雨量充沛,四季分明。本研究采用的颗粒物监测仪安装在淳安国家基本气象站内(119°01′E, 29°37′N),位于淳安县千岛湖镇岗家坞(山顶),海拔高度171.4 m,周围无建筑物阻挡,视野开阔,观测站点西、北面紧邻千岛湖,其余方向与居民区和林区夹杂,人为活动的影响相对较小。本文的研究在一定程度上代表了乡村地区的颗粒物浓度特征。

1.2 观测仪器

采用美国赛默飞世尔1405D双通道大气颗粒物监测仪。该仪器是以滤膜为基础的实时测量大气中颗粒物质量的监测仪。仪器主要由渐缩组件振荡微量天平和系统控制单元组成,其工作原理是利用真空泵抽进环境中的样气,切割头控制颗粒物粒径,通过一个恒定的流量过滤器控制进入传感部件的流量,锥形振荡微量天平较粗一端固定,另一端利用电子回馈系统维持振动。渐缩组件的振荡频率与滤膜上颗粒物沉积质量有如下关系:

(1)

其中,M为颗粒物质量;K0为振荡常数;f为振荡频率。

在实际监测过程中,1405D仪器采样总流量经过校正为16.67 L·min-1,其中PM2.5通道流量为3.00 L·min-1,PM2.5-10通道流量为1.67 L·min-1,旁路流量为12.00 L·min-1。仪器每5 min读取一次数据,测量精度为±2.0 μg·m-3(1 h平均)和±1.0 μg·m-3(24 h平均),质量测量准确度为±0.75%。主要通过定期的流量检查、标准膜校准及更换滤膜(负载率不超过90%)来保证仪器运行的稳定性和测量的准确性。

1.3 资料来源

研究所用气象资料来源于淳安国家基本气象站2013年常规地面观测资料,包括气温、相对湿度、降水、风向、风速和能见度等观测资料。颗粒物资料来源于淳安国家基本气象站内TEOM1405D双通道大气颗粒物的监测数据；根据GB3095—2012《环境空气质量标准》[6]关于污染物数据统计的有效性规定,每小时至少有45 min的采样时间、每日至少有20 h平均浓度值以及每年至少有324个日平均浓度值。利用5 min平均数据计算得出小时算术平均值,在小时数据基础上计算得出逐日的算术平均值。经过数据整理分析,2013年淳安县PM2.5和PM10日平均值缺测天数分别为15 d和19 d。同时按气象划分法将季节划分为春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12—次年2月)。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5和PM10平均浓度

2013年淳安县PM2.5和PM10平均浓度分别为40.8±24.7 μg·m-3、65.4±36.3 μg·m-3,日平均浓度变化范围分别为6.0～210.5 μg·m-3和10.4～301.9 μg·m-3,其中最小值均出现在6月8日,最大值均出现在12月7日。观测站点属于二类功能区,根据GB3095—2012《环境空气质量标准》,国家标准的PM2.5和PM10年平均分别应为35和70 μg·m-3,日平均浓度限值分别应为75和150 μg·m-3。2013年淳安县PM2.5年平均浓度为国家标准的1.2倍,PM10年平均浓度优于国家标准。从超标日数来看,PM2.5和PM10超标日数分别为23 d和6 d。由表1可见,2013年淳安县PM10的达标率明显高于PM2.5。PM10除了12月,其余月份达标率均为100%;而PM2.5仅仅在2月、4—5月、7—9月达标率为100%,冬季,PM2.5的达标率明显偏低。

表1 2013年淳安县颗粒物月达标率 %

2.2 PM2.5和PM10逐月变化

图1和图2分别为2013年淳安县PM2.5和PM10浓度Box-plot图。由图1和图2可见,淳安PM2.5和PM10月最高值均出现在12月,分别为76.1±44.5 μg·m-3和115.6±60.1 μg·m-3;最低值均出现在7月,分别为20.9±8.3 μg·m-3和36.5±11.8 μg·m-3。从4分位间距(75分位数与25分位数的差值)可以看出,春、秋、冬季要明显高于夏季,说明春、秋、冬季PM2.5和PM10日均值的离散程度要远高于夏季。从天气条件分析,秋、冬季大气层结逐渐趋于稳定,降水偏少,早、晚逆温出现频率高,污染物扩散条件较差,易形成高污染事件,特别是2013年12月3—9日华东地区出现的大范围、区域性持续污染天气,导致12月颗粒物浓度异常偏高。另一方面,秋、冬季节一旦出现降水,对污染物的清除效应非常显著,这可能是秋、冬季颗粒物日均值变化差异大的重要原因。夏季,气温偏高,盛行的夏季风由海洋吹向陆地,大气相对较为洁净,同时在热力作用下湍流发展旺盛,垂直扩散能力较强,大气扩散条件好,降水也充沛,污染物不易长时间积累,无论是PM2.5还是PM10浓度均处于低值区,颗粒物浓度变化差异也较小。春季的3—4月,PM10的箱体变化幅度要高于PM2.5,主要原因可能是受到沙尘气溶胶远距离输送的影响导致粗颗粒物浓度增加。例如,2013年3月上旬北方出现大范围沙尘天气,涉及12省约280万km2。图3给出淳安县2013年3月8日08时计算的过去72 h气流后向轨迹,可以清楚的看出沙尘气溶胶起源于内蒙、新疆等地区,途径甘肃、陕西等地区东南方向输送,最后到达淳安上空。

图1 PM2.5逐月变化Box-plot图

(柱形从上至下依次表示90分位数、75分位数、50分位数、25分位数、10分位数,+表示平均值)图2 PM10逐月变化Box-plot图

图3 淳安县2013年3月8日后向气流轨迹

2.3 PM2.5和PM10日变化

图4为2013年淳安县PM2.5和PM10质量浓度日变化。由图可见,淳安县PM2.5和PM10均呈现双峰型分布特征,且二者出现峰值的时间也基本一致。PM2.5和PM10峰值出现在18:00,浓度分别为47.6±32.8 μg·m-3和80.8±54.9 μg·m-3;次峰值出现在08:00,浓度分别为42.8±30.2 μg·m-3和68.1±45.8 μg·m-3;PM2.5和PM10的谷值均出现在14:00,浓度分别为36.2±24.8 μg·m-3和58.1±37.9 μg·m-3。这种变化特征与人为气溶胶排放及边界层变化有关。在早晚高峰时段,人们处于集中出行时期,交通流量大,人为排放的气溶胶明显增加,同时低层大气易出现逆温,边界层高度低,污染物不易扩散,容易形成峰值;而午后大气对流和湍流加强,污染物的垂直输送增强,近地面气溶胶被稀释,颗粒物浓度相应降低。PM2.5和PM10白天变化非常明显,而夜间基本维持稳定。

图4 PM2.5和PM10日变化

2.4 PM2.5与PM10相关性分析

图5给出淳安县PM2.5与PM10日平均浓度的散点图。由图可见,PM2.5与PM10日平均浓度存在明显的线性相关关系,R=0.94。两者的线性回归方程为:[PM2.5]=0.64[PM10]-0.7,n=346。春季、夏季、秋季和冬季PM2.5与PM10的线性相关R分别为0.87、0.98、0.91和0.98。由上文分析可知,淳安县春季偶尔会受远距离输送沙尘气溶胶的影响,造成粗粒子浓度增加,因此春季两者相关性略偏低。总体而言,2013年淳安县大气颗粒物中粗、细离子相对含量的比例分布非常稳定,也体现出大气气溶胶粒子的来源及影响在较长时期内处于相对稳定状态。

PM2.5与PM10浓度的比值可以反映出PM2.5在PM10中的相对含量,对于污染特征分析和污染源解析具有重要意义。统计结果表明,2013年淳安县PM2.5/PM10值在0.30～0.90之间,有62.5%样本数的比值范围在0.5～0.7之间,平均值为0.63±0.11。

图5 PM2.5和PM10日平均浓度相关关系

2.5 降水对颗粒物浓度的影响

降水对大气气溶胶的清除是维持大气中悬浮粒子源汇平衡、大气自清洁的重要过程[7]。雨滴在降落过程中,主要通过惯性碰撞过程和布朗扩散作用,捕获气溶胶粒子,使之从大气中清除的过程[8]。根据降水量将雨量等级划分为小雨(0.1～9.9 mm)、中雨(10.0～24.9 mm)、大雨(25.0～49.9 mm)、暴雨(50.0～99.9 mm)、大暴雨(100.0～249.9 mm)。图6为不同雨量等级下PM2.5和PM10的质量浓度变化。由图可见,小雨时,PM2.5和PM10质量浓度分别为33.1 μg·m-3和49.4 μg·m-3,随着雨量的增加,二者浓度均呈现明显下降,出现大暴雨时,二者质量浓度分别为6.4 μg·m-3和8.3 μg·m-3。因此,降水能有效降低颗粒物质量浓度,改善大气的自净能力。

图6 不同雨量等级下颗粒物质量浓度变化

3 结 语

本文利用2013年淳安国家基本气象站大气颗粒物PM2.5和PM10观测资料,分析两者特征及变化规律,结合气象条件进行研究,得到如下结论:

1) 2013年淳安县PM2.5和PM10质量浓度平均值分别为(40.8±24.7)μg·m-3和(65.4±36.3)μg·m-3。二者具有同样的季节变化规律,表现为冬季>秋季>春季>夏季,其中秋季和冬季日均值变化波动范围较大,超标日数也多出现在冬季和秋季。气象条件变化是造成颗粒物季节性差异的重要因素。

2)淳安县PM2.5和PM10均呈现双峰型日变化特征,二者出现峰值的时间基本一致。第一峰值时间均出现在18:00,分别为47.6±32.8 μg·m-3和80.8±54.9 μg·m-3;次峰值出现在08:00,浓度分别为42.8±30.2 μg·m-3和68.1±45.8 μg·m-3;。谷值均出现在14时。这种日变化特征主要与边界层变化和人为活动密切相关。

3)淳安县PM2.5和PM10浓度变化存在明显的线性关系,PM2.5/PM10的平均值为0.63±0.11,有62.5%样本数的比值范围在0.5～0.7之间。表明淳安县大气中细颗粒物占比依然较高。春季、夏季、秋季和冬季PM2.5与PM10的线性相关均在0.8以上,说明2013年淳安县大气颗粒物中粗、细离子相对含量的比例分布比较稳定。

4)降水对颗粒物浓度影响较大,能有效降低颗粒物质量浓度,改善大气的自净能力。

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2014-10-11

国家公益性行业(气象)科研专项(GYHY201206011)