哈尔滨市大气颗粒物粒径分布及浓度变化特征

储江伟，彭 敏，王 旭，段 超

(东北林业大学交通学院，哈尔滨150040)

大气颗粒物是工业过程、发电厂、机动车排放和自然源排放及长距离传输的一次颗粒物和气-固转换反应产生的二次颗粒物的混合物，大气污染已成为当前面临的重大环境问题之一［1］。已有对大气颗粒物污染状况的研究集中在TSP或 PM 2．5上，而对细化颗粒物粒径的研究尚不多见［2］。事实上，大气颗粒物的物理和化学性质都与其粒径大小有关［3］。

不同粒径大气颗粒物的形成、迁移、转化和清除过程及物理化学性质遵循不同规律，在大气环境中的行为千变万化，其产生的生态影响也相差甚大［4］。特别是对人类身体健康会存在不同程度的威胁，粒径越小产生的危害性越大，且大气颗粒物在辐射衰减和成云过程中起重要作用，进而影响和调节全球气候［1］。当颗粒物粒径小于2 μm时，由于人体呼吸道对细粒子的过滤防御功能很差，大部分可通过呼吸道直达肺部沉积，并对人体产生较大危害［5-8］。不同粒径的大气颗粒物，产生的消光效应也有所不同，其中粒径范围为0．1～1 μm颗粒物对能见度影响最大。在城市，区域尺度大气颗粒物引起城市大气能见度下降，造成雾霾天气［9］。因此，针对不同粒径的颗粒物浓度分布及其影响的研究越来越受到重视。

1 取样环境与取样方法

1．1 取样环境及其测点选择

取样点选择在位于哈尔滨市香坊区的东北林业大学校园内外。东北林业大学校园地处哈尔滨市老城区，是居民和商业区比较集中的区域，对空气质量要求相对较高。校园附近没有大的工业污染源，大气颗粒物的主要来源为采暖锅炉和机动车排放等。校园内树木较多，且西南侧有两片面积较大的树林。根据校园环境特点选取6个不同位置为取样点，分别标记为A、B、C、D、E、F，如图1所示。

图1 大气颗粒物取样点位置Fig．1 Sampling site of atmospheric particulates

1．2 取样仪器及其取样方法

取样所使用的仪器为福禄克电子仪器仪表公司生产的Fluke 985空气尘埃粒子计数器，可记录取样粒子数和每个样本的样本体积。具有6个粒径通道(0．3、0．5、1．0、2．0、5．0、10．0 μm)，取样粒径范围为0．3～10．0 μm，仪器可自动记录样本粒子数。选择仪器的计数模式为累加计数模式，该模式包含了大于或等于样本体积字段内选定粒度的粒子。

仪器设定为每次取样3 min，连续进行3个周期。同时，记录测量环境气候条件。取样要求是在非雨雪天气、风力小于3～4级、无特殊污染短期排放，且处于该月份颗粒物浓度较为正常的环境下进行［10］。取样在2015年3月25日～7月31日期间进行。

1．3 颗粒物数量浓度换算

在累加计数模式下取样所得颗粒物数量浓度数据，包含了所有大于或等于样本体积字段内选定粒度的粒子。按照粒径大小将颗粒物粒径划分为6个等级，见表1。按划分等级对测得数据进行初步处理。

表1 颗粒物粒径范围等级划分Tab．1 Division of particle size range

颗粒物在空气中的数量浓度是将3周期取样颗粒数值累积总数，再比上取样气体量的总体积，即得空气中颗粒物的数量浓度。空气中颗粒物数量浓度由公式(1)计算:

式中:i为取样周期;Xi为各周期颗粒数，Counts;V0为取样气体总体积，L;N(D)为颗粒物数量浓度，Counts/L。

2 结果与讨论

2．1 大气颗粒物数量浓度逐月变化趋势

大气颗粒物在数量上受温度、湿度、风速和大气压等气候条件的影响［11］。3月至7月在东北林业大学校园环境下对6个点位进行连续5个月的取样，取样期间哈尔滨市气温和降水情况如图2所示。

图2 取样期间哈尔滨月平均气温和降水Fig．2 Monthly average temperature and precipitation during sampling in Harbin

对6个取样点位的大气颗粒物样本数量浓度逐月变化特征进行分析，不同粒径范围颗粒物数量浓度逐月变化趋势如图3所示。从图3中可以看出，6种不同粒径范围的颗粒物数量浓度逐月变化趋势基本相似，呈现了递减趋势，在6月份略有增长。最高值出现在3月份，此时6个等级颗粒物数量浓度的最大值分别为 264 490、89 630、13 288、4 476、660、239 Counts/L，主要由于3月正值采暖末期，加之温度较低湿度较大，颗粒物的排放和累积都较为严重;4月份停止供暖后，植物开始发芽生长，加上温度和降雨的影响，颗粒物浓度下降十分明显;粒径范围为 0．3 ～0．5、0．5 ～1．0、1．0～2．0 μm的大气颗粒物数量浓度最低值出现在6月份，分别为50 012、3 663、382 Counts/L;粒径范围为 2．0 ～ 5．0、5．0 ～ 10．0、10．0 μm ～ ∞ 的大气颗粒物数量浓度最低值出现在5月份，分别为220、31、6 Counts/L。

图3 大气颗粒物逐月变化趋势Fig．3 Monthly variation of atmospheric particles

2．2 大气颗粒物不同取样时间变化趋势

受人类活动和天气因素的影响，会造成颗粒物浓度在全年各月份分布的不同，同时也会因为一天中不同时间人类活动性质的不同而造成颗粒物浓度在时间上的差异［12］。本研究为了探讨每日不同时间人类活动对各尺寸颗粒物浓度的影响，选取取样点位A，在该点位分别在取样周期每日的7时、10时、14时、17时进行颗粒物的取样和浓度分析，分析结果如图4所示。

由图4可知，5个取样月里不同粒径颗粒物在取样日不同时间的分布基本一致。由于选取的取样点位A地理位置的特殊性，造成公路附近大气污染主要是机动车尾气排放的污染物［13］，故该点位颗粒物取样情况受交通影响较大。在每日的早高峰期，车流较多的情况下，颗粒物浓度相对较高;随着高峰期过去车辆流动减少，温度有所升高，湿度降低，颗粒物浓度下降;而晚高峰的时候浓度又会有所提高。且对于细颗粒物这种情况尤为明显。6个等级颗粒物一天中4个取样时间下最大浓度差分别可达到154 062、66 914、17 293、2 709、197、81 Counts/L。如图4(c)3月样本最高值甚至达到最低值的3倍。由于3月份日落时间较早，17时基本天黑，生活燃料燃烧和下班高峰车辆尾气排放成为颗粒物浓度急剧增加的主要原因。由图4(d)、(e)、(f)该粒径范围的颗粒物基本为粗粒子模态粒子，主要来源于机械过程所造成的扬尘和风砂等，受环境影响较大，在4、5月份，季节交替升温较快，可能存在一些不规律的情况。

图4 不同时间大气颗粒物变化趋势Fig．4 Comparison of atmospheric particles concentration at different time

2．3 不同取样点位颗粒物粒径分布

在不同的取样环境下，颗粒物浓度也会有所不同，这对于颗粒物浓度变化的影响因素、源解析和植物对颗粒物的吸附作用的研究都具有重要意义。在5个取样月份，不同取样点位颗粒物粒径分布如图5所示。由图5(a)可知，6个取样点位所取样本中粒径范围为0．3～0．5 μm的颗粒物数量浓度差别不大，说明该范围颗粒物数量浓度受环境因素影响不大，来源相近。

A、B和F点位颗粒物浓度较C、D和E点位高，粒径范围为 0．3 ～ 0．5 μm 和 0．5 ～1．0 μm 的大气颗粒物数量浓度最高值出现在B点位，粒径范围为 1．0 ～2．0、2．0 ～5．0、5．0 ～10．0 μm 的大气颗粒物数量浓度最高值出现在F点位。6个等级大气颗粒物数量浓度最低值均出现在C点位，且C点在不同取样月和取样日的不同时间颗粒物浓度波动都较其它点位小。参照图1可以发现，A、B和F取样点靠近道路，平时车流不息，颗粒物主要来源于汽车排放;C取样点位环境空间开阔，较其他取样点远离道路，颗粒物浓度受气象条件和校园内学生活动影响较大，在取样周期出现过扬尘较大的情况，可能成为粗颗粒物的主要来源;D和E取样点位周围植物密集，尤其是D点，环境比较封闭，颗粒物浓度受到环境和交通的影响较其它点位不大，且植物对于颗粒物的形成和传播也会产生一定的影响。

图5 各取样点位大气颗粒物粒径分布对比Fig．5 Comparison of atmospheric particles concentration at different points

2．4 相关性分析

大气颗粒物在数量上容易受到周围环境中各种各样的因素的影响，这会造成不同粒径大气颗粒物数量浓度之间变量关系的不确定性［14］。但是，可以肯定的是，不同粒径范围大气颗粒物存在相互影响，共同变化的关系，故可用相关关系来表示［15］。各点位不同粒径范围大气颗粒物两两组合相关性分析的相关系数及显著性检验结果，见表2。

通过对大气颗粒物不同粒径范围颗粒物数量浓度的相关性分析表明，其相关程度为完全相关且相关方向为正相关。相关系数最大可达到0．964，相关性最小也在0．05水平(双侧)上显著相关。取样中不同粒径范围大气颗粒物粒径相近的相关系数大，相关性强。可以看出，粒径相近的两种大气颗粒物其在环境空气污染中的污染源及变化规律相似，且污染源排放大气颗粒物的粒度分布长期比较稳定，有可能遵循相同的迁移转化规律。

表2 Pearson相关系数Tab．2 Pearson correlation coefficients

3 结论

通过对哈尔滨市大气颗粒物粒径分布及数量浓度变化特征的研究，得出以下结论:

(1)5个取样月里，6种不同粒径范围的大气颗粒物浓度呈现递减趋势，最高值出现在3月份，4月份颗粒物浓度下降十分明显，粒径范围为0．3～0．5、0．5 ～1．0、1．0 ～ 2．0 μm 的大气颗粒物数量浓度最低值出现在六月份，粒径范围为2．0～5．0、5．0 ～10．0、10．0 μm ～ ∞ 的大气颗粒物数量浓度最低值出现在5月份。

(2)5个取样月里，不同粒径颗粒物在取样日不同时间的分布基本一致。选取的取样点A靠近道路，颗粒物取样情况受交通影响较大。早晚高峰期，颗粒物浓度相对其它取样时间较高;

(3)受周围环境影响，不同取样点位大气颗粒物浓度也会有所不同。A、B和F点位颗粒物浓度较C、D和E点位高，大气颗粒物数量浓度最高值出现在B、F点位，最低值均出现在C点位。

(4)不同粒径大气颗粒物间的相关系数较大，相关性强，具有相似性和同源性。可以通过某一粒径颗粒物的取样分析结果间接估算其它粒径大气颗粒物的污染状况。

(5)综上可知，哈尔滨市大气中颗粒物的受供暖所需燃料的燃烧、机动车的尾气排放及工业排放影响较大，要控制颗粒物的数量浓度，降低城市环境污染，必须从源头上减少排放，优化能源结构，加强防治力度，控制机动车的污染，大力倡导绿色环保的生活方式，鼓励城市居民优先选择公共交通出行，强化相关化工产业的排放标准等。

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