乌鲁木齐气溶胶粒径分布及细颗粒物（PM2.5）浓度变化分析

刘新春，陈红娜，赵克蕾，钟玉婷，闫景武

1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所//新疆树木年轮生态实验室//中国气象局树轮年轮理化研究重点开放实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；2.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，新疆 塔中 841000；3.乌鲁木齐市机动车排污监督管理办公室，新疆，新疆 乌鲁木齐 830054；4.北京乾润开元环保科技有限公司，北京 101300



乌鲁木齐气溶胶粒径分布及细颗粒物（PM2.5）浓度变化分析

刘新春1，2，陈红娜3，赵克蕾4，钟玉婷1，2，闫景武4

1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所//新疆树木年轮生态实验室//中国气象局树轮年轮理化研究重点开放实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；2.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，新疆 塔中 841000；3.乌鲁木齐市机动车排污监督管理办公室，新疆，新疆 乌鲁木齐 830054；4.北京乾润开元环保科技有限公司，北京 101300

摘要：利用乌鲁木齐市中心区域气象局和黑山头2013年1月1日─2014年2月28日期间Grimm180在线监测数据，对乌鲁木齐市大气气溶胶数浓度和PM2.5质量浓度的分布特征及其影响进行了分析，为深入了解乌鲁木齐市颗粒物污染现状，确定乌鲁木齐市大气污染治理重点，制定大气污染防治规划提供依据。结果表明，（1）气象局和黑山头气溶胶数浓度分布趋势一致，0.25～0.28 μm之间的粒子数浓度最大；整体趋势表现为双峰型，第1峰出现在0.30～0.35 μm之间，峰值分别为467.0 和455.4 particle·cm-3；第2峰出现在4.0～5.0 μm之间，峰值较小；粒径小于2.5 μm的粒子数占到了粒子总数的99.88%；在粒径0.25～0.45 μm范围内冬季气溶胶粒子数浓度最高，在粒径＞0.45 μm范围内秋季气溶胶粒子数浓度最高；在粒径0.25～1 μm范围内夏季气溶胶粒子数浓度最低，在粒径＞1 μm范围内冬季数浓度最低；0.25～0.5 μm粒径段内粒子占粒子总数的比例大小顺序为冬＞春＞夏＞秋；0.8～2.5 μm之间不同粒径段的粒子占粒子总数的比例大小顺序为夏＞秋＞春＞冬；PM2.5数浓度小时变化采暖期表现为双峰型，非采暖期为不太明显的三峰型。（2）观测期间气象局和黑山头PM2.5平均质量浓度分别为61.77，43.42 μg·m-3，日平均值超标率分别是30.81%和16.44%。采暖期气象局PM2.5质量浓度小时变化呈现单峰，在19:00─21:00出现峰值；黑山头则呈现双峰，在6:00─8:00出现峰值，20:00出现一个不太明显的小峰；非采暖期气象局与黑山头PM2.5质量浓度小时变化趋势一致，均表现为双峰型。两个站点PM2.5质量浓度的季节变化均表现为冬季＞秋季＞春季＞夏季，特殊的地理位置和不同季节污染源的排放强度、气象条件是导致PM2.5质量浓度随季节变化的主要原因。

关键词：大气气溶胶；数浓度； 质量浓度；粒径分布；细颗粒物（PM2.5）

引用格式：刘新春，陈红娜，赵克蕾，钟玉婷，闫景武.乌鲁木齐气溶胶粒径分布及细颗粒物（PM2.5）浓度变化分析［J］.生态环境学报，2016，25（4）:605-613.

LIU Xinchun，CHEN Hongna，ZHAO Kelei，ZHONG Yuting，YAN Jingwu.Analysis on the Size Distribution of Atmospheric Aerosol and the Mass Concentration Change Characteristics of Fine Particulate Matter （PM2.5） ［J］.Ecology and Environmental Sciences，2016，25（4）:605-613.

大气气溶胶的粒径分布和化学组成等不仅会影响大气组成、性质及全球气候变化，还会导致人类疾病发病率及死亡率的升高（Pope et al.，2006）。现有的关于大气颗粒物对人体健康影响的研究主要集中在PM10和PM2.5质量浓度对人体的危害方面，事实上，大气颗粒物，尤其是细颗粒物PM2.5的数浓度对人体健康也有着非常重要的影响作用（Delfino et al.，2005），而且大气颗粒物的数浓度谱分布对大气气溶胶的光学特性以及云的凝结核数量也有重要的意义（Nishita et al.，2007）。

目前国内外学者已经在乌鲁木齐空气污染的成因方面做了大量的研究。魏毅（2010）指出地形和气象因素是导致乌鲁木齐市空气污染的主要因素，除此之外，机动车尾气排放和能源结构不合理也是污染物浓度居高不下的重要原因。何清等（2010）指出乌鲁木齐冬季多污染主要与冬季大气混合层厚度及边界层风、温廓线的特征有比较显著的关系。宋彬等（2009）主要从乌鲁木齐市的地形条件、气象因素、工业结构3个方面深入研究了造成采暖期空气污染严重的因素，并针对空气污染提出了综合治理建议。王春华等（2010）认为由地形因素导致的冬季小风、低温、稳定的大气层结等不利于污染物扩散的气象条件，是造成乌鲁木齐大气严重污染的主要原因。刘新春等（2010）研究表明，不利的气象条件使得空气污染物的扩散稀释能力减弱，从而导致大气污染严重。

针对乌鲁木齐颗粒物及其理化性质方面的研究已不少。王春华等（2010）指出乌鲁木齐大气中可吸入颗粒物PM10、SO2和NO23种污染物的浓度均表现为采暖期高于非采暖期。迪丽努尔·塔力甫等（2013）利用透射电子显微镜对冬季雾天条件下PM10样品的形貌特征和集聚状态进行观察，结果表明乌鲁木齐冬季雾天污染物主要以有机物（来源于汽车、燃煤和工业排放等过程）为主，其次为矿物颗粒（来源于建筑扬尘、风起扬尘、道路扬尘和工业扬尘等）。刘新春等（2012）利用离子色谱仪（ICS3000）对乌鲁木齐大气总悬浮颗粒物（TSP）样品中的阴、阳离子进行测定，指出不同的天气条件下，大气总悬浮颗粒物中NH4+、Ca2+、NO3-和SO42-具有明显差异。王敬等（2014）于2013年1月对乌鲁木齐重污染天气下对PM2.5样品进行采集分析，研究其主要的化学组分及来源构成，指出扬尘、煤烟尘是大气中PM2.5的主要污染源。孙龙仁等（2009）研究表明乌鲁木齐市夏季大气可吸入颗粒物中Cr、Ni、Cu、Cd、Pb 5种重金属污染物主要来源于人类活动排放。亚力昆江·吐尔逊等（2012）分析了PM2.5、PM2.5～10的质量浓度及其水溶性离子的特征和来源，表明细粒子PM2.5和粗粒子PM2.5～10中水溶性离子主要由SO42-、NO3-、NH4+3种二次离子组成。

目前对乌鲁木齐空气污染的成因及颗粒物的理化性质已有一些研究，但是关于颗粒物的粒径谱及PM2.5分布等方面研究还很少。本研究在前人已有的研究基础上增加了乌鲁木齐市颗粒物粒径谱的分布特征及PM2.5质量浓度变化特征分析，对大气细颗粒物进行更加系统、全面的分析，以期为深入了解乌鲁木齐市颗粒物污染现状，确定乌鲁木齐市大气污染治理重点，制定大气污染防治规划提供依据。

1　实验和方法

1.1采样地点

采样地点布设在乌鲁木齐市天山区和新市区，其中新疆自治区气象局业务楼七楼楼顶乌鲁木齐大气成分观测站（以下简称气象局）位于乌鲁木齐市天山区，主要是商业和居民区。天山区采样点经纬度：43.80°N，87.64°E。海拔941.3 m，采样点离地面高度26 m。乌鲁木齐黑山头气象卫星地面站（以下简称黑山头）位于乌鲁木齐市新市区，是一个小山头，明显高于周边区域。新市区采样点经纬度：43.86°N，87.56°E。海拔749.0 m，采样点离地面高度10 m。

两个观测点视野开阔，采样设备周围无树木和高大建筑物遮蔽，距地面高度均超过6 m，能够较好地代表乌鲁木齐市中心城区颗粒物分布特性。其测量值亦能综合反映乌鲁木齐城市中心区域颗粒物的浓度水平和变化规律。

1.2采样时间

2013年1月1日─2014年2月28日，利用颗粒物监测仪Grimm 180（Grimm，德国），分别获得气象局、黑山头的颗粒物在线质量浓度和粒径数浓度观测数据（n=122112）。粒径谱选择2013年1月1日─2013年12月31日的观测数据（n=105120），PM2.5质量浓度选择2013年3月1日─2014年2月28日的观测数据（n=105120）。

1.3采样仪器

本文颗粒物自动观测使用的仪器为德国Grimm公司生产的颗粒物监测仪（Grimm 180）。它分32个通道，各通道测量粒子直径的起始值分别0.25、0.28、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.58、0.65、0.7、0.8、1、1.3、1.6、2.0、2.5、2.5、3、3.5、4、5、6.5、7.5、8.5、10、12.5、15、17.5、20、25、30、32 μm。粒径范围是指光学粒径，采样流量为1.2 L·min-1。仪器应用90°激光散射原理，将粒子散射光转换为电信号，并根据电脉冲的幅度对粒子进行分档计数，同时根据颗粒物粒径采用不同密度自动转化成相应尺度（PM10、PM2.5和PM1）的质量浓度并记录下来。数浓度测量范围为1～2000000 particle·L-1，质量浓度为0.1～1500 μg·m-3。为提高其灵敏度，在测量细粒子（0.25～2.5 μm）和粗粒子（2.5～32 μm）数浓度时，分别采用不同的激光功率（0.65和20 mW），故在2.5～3 μm通道有重叠。该套仪器除记录不同通道的数浓度及PM10、PM2.5和PM1的质量浓度外，还通过仪器上的温湿度感应器记录相应的温湿资料，24 h连续监测，每5 min获得1个观测样本。

2　结果与讨论

2.1大气气溶胶粒子数浓度变化特征

气溶胶粒子按照其粒径可以分为3种模态：粒径＜0.1 μm的称为爱根核模态，粒径在0.1～2 μm之间的称为积聚模态，粒径＞2 μm的称为粗粒子模态。

有研究表明，衡量大气气溶胶对人体危害程度的指标可能是数浓度，而不是质量浓度（Buzorius et al.，1999；Peters et al.，1997）。近年来国内学者为了更好地认识气溶胶污染特征，采用APS、SMPS、Grimm 180等仪器在北京（Shen et al.，2011；刘子锐等，2011）、天津（张金娜等，2007）、石家庄（翟晴飞等，2011）、青岛（孙贞等，2010）、济南（许鹏举，2011）、南京（尚倩等，2011）、沈阳（严文莲等，2008）等地观测气溶胶数浓度谱分布。气溶胶数浓度特征分析，尤其是细颗粒物的数浓度谱分布得到越来越多的关注。

本文PM2.5数浓度分布特征分析选择2013年1 月1日─2013年12月31日的数据，数浓度单位为particle·cm-3。

2.1.1两个大气气溶胶粒子数浓度分布特征比较

由图1所示的数浓度谱可以看出：气象局站和黑山头站粒子数浓度谱分布趋势一致，0.25～0.28 μm之间的粒子数浓度最大，分别为680.4和613.7 particle·cm-3；整体趋势表现为双峰型，第1峰出现在0.30～0.35 μm之间，峰值分别为467.0和455.4 particle·cm-3；第2峰出现在4.0～5.0 μm之间，峰值较小，不太明显。双峰型是目前我国城市污染大气气溶胶粒度谱分布的普遍性的特征，且第1峰的峰值较高，第2峰峰值较小不明显。目前以燃煤为主的城市能源结构是导致这一现象的主要原因（赵德山等，1987）。

从不同尺度粒子集中情况来看，气象局站和黑山头站不同粒径段的粒子占粒子总数的比例相差不多，如图2所示。以气象局站为例进行分析：0.25～ 0.28 μm之间的粒子占总数的29.88%，0.28～0.30 μm之间的粒子占总数的18.48%，0.30～0.35 μm之间的粒子占总数的20.51%，0.35～0.40 μm之间的粒子占总数的15.52%，0.40～0.45 μm之间的粒子占总数的7.02%，0.45～0.50 μm之间的粒子占总数的4.07%，0.50～0.58 μm之间的粒子占总数的2.10%，0.58～0.65 μm之间的粒子占总数的0.84%，在粒径小于0.65 μm的范围内集中了约98.41%的粒子，这与北京在粒径小于0.6 μm范围内集中了大约96%粒子（王明星，1991）、天津在粒径小于0.65 μm范围内集中了约98.5%的粒子（张金娜等，2007）的情况类似；粒径小于2.5 μm的粒子数占到了粒子总数的99.88%，说明颗粒物数量基本集中在2.5 μm以下的粒径范围内。

图1　气溶胶粒子数浓度分布特征Fig.1 The number density distribution characteristics of atmospheric aerosol

图2　不同粒径段粒子占粒子总数的比例Fig.2 The proportion of the different sizes particles

2.1.2气溶胶粒子数浓度季节分布特征

由前文可知气象局站和黑山头站气溶胶粒子数浓度分布特征相同，故对于气溶胶粒子数浓度季节分布以气象局站为例进行分析。为表现气溶胶数浓度明显的季节分布特征，图3采用对数纵坐标。由图3可以看出气溶胶粒子数浓度冬、春、夏、秋4个季节均以0.25～0.28 μm之间的粒子数浓度最大，分别为1175.7、514.3、294.3、843.8 particle·cm-3，4个季节粒子数浓度均在0.30～0.35和4.0～5.0 μm之间出现峰值，表现为双峰型。4个季节中，在粒径0.25～0.45 μm范围内冬季气溶胶粒子数浓度最高，而秋季在这一范围内仅次于冬季，在粒径＞0.45 μm范围内秋季气溶胶粒子数浓度均为最高，在粒径0.25～1 μm范围内夏季气溶胶粒子数浓度最低，在粒径＞1 μm范围内夏季气溶胶粒子颗粒数增大，仅次于秋季，而冬季在这一范围内数浓度为4个季节中最低，春季气溶胶粒子数浓度在不同粒径中均处于第三高的水平。

图3　气溶胶粒子数浓度季节分布特征Fig.3 The seasonal number density distribution characteristics of atmospheric aerosol

这主要是由于冬季排放的污染物浓度大，高湿、静风、强逆温的天气条件不利于这些污染物的扩散与迁移；另外较低的空气温度造成机动车燃烧不充分，排出的尾气更易冷凝成核（许鹏举，2011），导致冬季气溶胶粒子在0.25～0.45 μm范围内出现最高数浓度。夏季污染物排放小、降水较多，气象条件对气溶胶中细粒子的扩散与清除能力强，但由于夏天空气干燥、风速较大，有利于土壤、道路扬尘和建筑尘的悬浮，使得粗粒子的浓度增大。乌鲁木齐入冬较早，从秋季10月中旬进入采暖期，污染物排放量大，所以秋季气溶胶的数浓度较高。

从不同尺度粒子集中情况来看，4个季节不同粒径段的粒子占粒子总数的比例情况如图4所示。在0.25～0.28 μm粒径段粒子占粒子总数的比例夏季最高，为37.87%，其他3个季节比例相差不多；在0.25～0.45 μm之间不同粒径段的粒子占粒子总数的比例冬季大于秋季，而大于0.45 μm粒径的粒子占粒子总数的比例则为秋季大于冬季，这进一步说明冬季粒子主要集中在小于0.45 μm的粒径范围内。有研究表明对能见度影响较大的是0.1～0.5 μm粒径段（许鹏举，2011），在本研究中0.25～0.5 μm粒径段内粒子占粒子总数的比例大小顺序为冬＞春＞夏＞秋，说明这一范围内的气溶胶粒子对冬季雾霾天气能见度降低的贡献较大；在0.8～2.5 μm之间不同粒径段的粒子占粒子总数的比例大小顺序为夏＞秋＞春＞冬。

4个季节0.25～2.5 μm的粒子数分别占粒子总数的99.99%、99.90%、99.64%、99.78%，可见不同季节大气气溶胶粒子基本上全部集中在PM2.5中，因此对PM2.5的研究尤为重要，后文主要对PM2.5质量浓度及其理化特性进行讨论与分析。

2.1.3气溶胶数浓度小时分布特征

图4　不同季节不同粒径段粒子占粒子总数比例Fig.4 The seasonal proportion of the different sizes particles

根据Grimm 180气溶胶粒谱分析仪工作原理，将粒径在0.25～2.5 μm之间的粒子定义为细粒子，粒径在2.5～10 μm之间的粒子定义为粗粒子，分别计算得出观测期间粗粒子和细粒子的数浓度小时平均值。观测期间，气象局站和黑山头站粒子数浓度平均值分别为2277.3和2073.0 particle·cm-3，其中细粒子数浓度平均值分别为2274.5和2070.8 particle·cm-3，分别占总数的99.88%和99.90%，粗粒子数浓度平均值分别为2.8和2.1 particle·cm-3，分别占总数的0.12%和0.10%。

根据前文数据分析发现，大气颗粒物基本集中在2.5 μm以下的粒径范围内，所以只对2.5 μm以下的大气颗粒物的数浓度进行研究分析。采用常规的数理统计方法对2.5 μm以下粒子的数浓度数据进行处理，求出小时平均值，并对其变化特征进行讨论。

图5是乌鲁木齐气象局站和黑山头站采暖期和非采暖期数浓度的小时变化图。由图可以看出，采暖期两个站点小时变化都呈现为双峰型，且数浓度值相差不多，故选取这一部分数据进行讨论。采暖期在6:00─8:00出现1个不明显的小峰，之后数浓度下降至11:00出现1个谷值，紧接着迅速增加，在15:00时达到峰值，之后开始缓慢下降，到凌晨5:00达到最低值；非采暖期数浓度起伏相对较小，两个站点变化趋势基本一致，并且表现为不太明显的三峰型，白天在7:00─9:00、13:00─15:00出现峰值，夜间在0:00左右出现峰值。在采暖期和非采暖期，数浓度均在上午8:00左右出现了峰值，这一时间正好是人类活动、工业生产、交通运输的高峰期，污染源排放量大；另外，这一时段大气边界层稳定，有逆温现象出现，不利于污染物的扩散、稀释，导致PM2.5数浓度增大。11:00左右出现低值的原因是地面温度上升，近地面垂直方向大气湍流作用大，不稳定的大气使得污染物的扩散、迁移能力增强，从而使得PM2.5数浓度降低。采暖期傍晚至次日早晨是集中供暖的时间段，燃煤燃气增加，导致颗粒物浓度较高，并在午夜前后出现夜间的峰值，之后PM2.5数浓度开始下降，但下降幅度不大。由此可见，采暖期供暖对PM2.5数浓度的贡献非常大。

2.2PM2.5质量浓度分布变化特征

2012年初，我国环境保护部公布新拟定的《环境空气质量标准》（GB 3095─2012），将PM2.5纳入空气质量评价。环境标准体系中，表征污染物水平的主要指标为质量浓度，PM2.5的一级标准为日均值35 μg·m-3，年均值15 μg·m-3，二级标准为日均值75 μg·m-3，年均值35 μg·m-3。乌鲁木齐市属于二类区域，执行空气质量二级标准。将观测得到的质量浓度数据与《环境空气质量标准》（GB3095─2012）进行比较分析，可得知观测点PM2.5污染状况。

选择2013年3月1日─2014年2月28日PM2.5质量浓度（μg·m-3）数据（5 min观测资料）进行分析。。采用常规的数理统计方法对观测期间PM2.5质量浓度数据进行处理，分别获得PM2.5质量浓度小时平均值、日平均值、月平均值及季节平均值，并对其特征进行分析、讨论。

图6是观测期间两个观测点PM2.5质量浓度的变化曲线。观测期间，气象局和黑山头的PM2.5质量浓度范围分别为9.60～331.31，7.16～218.05 μg·m-3，平均质量浓度分别为61.77，43.42 μg·m-3。对比《环境空气质量标准》（GB3095─2012）中的二级标准，PM2.5年平均浓度限值为35 μg·m-3，两个观测点的PM2.5年平均质量浓度均超标。PM2.524 h平均浓度限值为75 μg·m-3，气象局和黑山头PM2.5质量浓度日平均值的超标率分别是30.81%和16.44%，说明气象局和黑山头细颗粒物污染均比较严重；黑山头站污染程度较轻，这主要与采样点的地理位置有关，黑山头站点位于山上，距离山下商业区、城市主干道较远。从图中可以看出两个站点均表现为2013年3─10月份PM2.5质量浓度较低，大多数监测数据在二级标准限值以下，2013 年10月—2014年2月份污染较重，超标频率增大。

图5　PM2.5数浓度小时变化Fig.5 The hourly change of PM2.5mean number density

图6　观测期间PM2.5质量浓度变化Fig.6 The change of PM2.5mean mass concentration during the observation period

2.2.1PM2.5质量浓度小时变化

乌鲁木齐冬季采暖期为6个月，从当年10月10日─次年4月9日，其余时间为非采暖期。选取2013年4月10日─2014年2月28日的监测数据，分别计算得到气象局、黑山头在采暖期和非采暖期PM2.5小时平均浓度变化趋势曲线，见图7。PM2.5质量浓度小时变化起伏较大，采暖期质量浓度高于非采暖期。

采暖期：由图7（a）可以看出，气象局PM2.5浓度呈现单峰，在19:00─21:00出现峰值，最大质量浓度为137.25 μg·m-3，气象局出现峰值的时间与下午下班高峰期时间相对应，车流量增大，污染物排放量大（王永宏等，2012），加之这一时间段大气温度下降幅度较大，容易产生逆温层，导致污染物扩散能力减弱；12:00出现最低值83.32 μg·m-3，这一时间段近地面层温度逐渐升高，湍流变强，对流充分，有利于污染物的扩散与迁移（纪玉玲等，2004）。黑山头PM2.5浓度则呈现双峰，在6:00─8:00出现峰值，最大浓度为80.06 μg·m-3。这是因为日出前后大气边界层稳定，有逆温层存在，不利于污染物扩散；另外，这一时间段与早上人们出行活动高峰期对应，车流量较大，汽车尾气的排放及扬尘造成PM2.5质量浓度增大。在20:00出现一个不太明显的小峰，这与下班高峰期时间相对应，人、车流量增大。最低值出现在9:00，浓度为62.95 μg·m-3，日出之后，大气温度开始上升，风速变大，对流运动增强，有利于污染物的扩散与迁移。

非采暖期：由图7（b）可以看出，气象局与黑山头PM2.5质量浓度变化趋势一致，均表现为双峰型，在6:00─9:00出现第一个峰值，气象局和黑山头最大浓度分别为35.00和32.31 μg·m-3，这是由于这一时间段是上班高峰期，汽车尾气和扬尘导致污染物排放量大；在23:00─凌晨1:00出现第二个峰值，峰值分别为39.79和26.97 μg·m-3，由于夜间温度较低，静风频率高，逆温强度大，不利于污染物的扩散与稀释；两站点的最低值出现在17:00─19:00。

2.2.2PM2.5质量浓度周变化

图7　PM2.5质量浓度小时变化Fig.7 The hourly change of PM2.5mean mass concentration

交通源排放对于城市地区来说，是影响城市空气质量的一个重要因素。居民的生活习惯与作息规律会对交通源的排放强度产生较大影响。根据观测点大气成分在线监测数据，得到全年对应PM2.5浓度的周平均值，并对周中和周末PM2.5质量浓度进行分析。由图8可以看出，气象局和黑山头PM2.5质量浓度均表现为不太明显的周末效应，表现为周中PM2.5质量浓度略高于周末，均在星期三出现最大值，分别为65.81和45.38 μg·m-3；气象局在星期一出现最小值53.32 μg·m-3，黑山头在星期天出现最小值38.97 μg·m-3。气象局的平均浓度比黑山头高13.34～20.99 μg·m-3。导致这种现象的原因可能与观测站的位置有关，气象局站受交通污染以及周边居民日常生活的影响较大。但是整体上，乌鲁木齐PM2.5质量浓度周中、周末差距并不大，可能原因是：（1）与欧美发达国家相比，我国社会生产活动中周末休息率比较低，周中、周末差距并不明显。这使得乌鲁木齐市区车流量在周末并无明显的减少，污染物的交通源排放与周中相比差别不大（严文莲等，2008）；（2）乌鲁木齐特殊的地理位置和气象条件限制了污染物的扩散与迁移，污染物容易长时间聚集，在一定程度上削弱了PM2.5质量浓度在周中与周末间的差异。

图8　PM2.5质量浓度周变化Fig.8 The weekly change of PM2.5mean mass concentration

2.2.3PM2.5质量浓度月变化

根据观测点大气成分在线监测数据，得到全年对应PM2.5浓度的月平均值。如图9所示，气象局和黑山头PM2.5质量浓度随月份的变化趋势基本一致，表现为11月─次年2月浓度较高，5─8月份浓度低。PM2.5质量浓度最大月分别为气象局2014年1月（143.81 μg·m-3），黑山头2013年11月（85.50 μg·m-3），最小月都是7月，浓度分别为16.13和12.8 μg·m-3。整体上，气象局PM2.5质量浓度高于黑山头。由于乌鲁木齐市雾天气集中出现在12月、1月和2月，而大气颗粒物的浓度与雾产生频率呈正相关（亚力昆江·吐尔逊，2010），较高浓度的细颗粒物可能是雾形成的重要因素。5─8月份由于污染物排放量小，另外，此时降水增加，大气对流强烈，有利于PM2.5的清除和扩散，所以PM2.5质量浓度较低。

图9　PM2.5质量浓度月变化Fig.9 The monthly change of PM2.5mean mass concentration

图10　PM2.5质量浓度季节变化Fig.10 The seasonal change of PM2.5mean mass concentration

2.2.4PM2.5质量浓度季节变化

全年的季节划分按照春季3─5月，夏季6─8月，秋季9─11月，冬季12─次年2月。根据观测点大气成分在线监测数据，得到全年对应PM2.5浓度的季节平均值。由图10可以看出，气象局和黑山头PM2.5质量浓度的季节变化均表现为冬季＞秋季＞春季＞夏季，气象局冬季平均浓度为119.44 μg·m-3，夏季为22.11 μg·m-3，黑山头冬季为73.27 μg·m-3，夏季为15.92 μg·m-3。其原因是乌鲁木齐三面环山，冬季湿度高、风速小，极易形成低空逆温，在没有较强的天气系统侵袭时，气流难以垂直上升（郭宇宏等，2006），大气污染物不易扩散。由于乌鲁木齐冬季温度比较低，需要大量燃烧天然气进行供暖，周边郊区还存在燃煤现象，这使得PM2.5的浓度急剧增加。春季和秋季PM2.5质量浓度相对较高，主要是因为春季气候干燥，降水少，并且频繁发生沙尘天气，对大气中PM2.5有一定的贡献；气象局站和黑山头站秋季PM2.5质量浓度是春季的两倍左右，这主要是因为秋季昼夜温差增大，大气层结稳定，容易发生逆温，污染物不易扩散和迁移，除此之外，乌鲁木齐10月中旬开始进入采暖期，燃煤燃气量的增加导致污染物的排放量巨大，使得PM2.5质量浓度处在较高的水平。夏季由于气温较高，大气对流活动旺盛，污染物可扩散、迁移迅速，另外，夏季降水较多，对大气中PM2.5的污染物有明显的清除作用（赵克蕾等，2014），所以夏季PM2.5浓度最低。

3　结论

（1）气象局站和黑山头站气溶胶数浓度分布趋势一致，0.25～0.28 μm之间的粒子数浓度最大，分别为680.4和613.7 particle·cm-3；整体趋势表现为双峰型，第1峰出现在0.30～0.35 μm之间，峰值分别为467.0和455.4 particle·cm-3；第2峰出现在4.0～5.0 μm之间，峰值较小；粒径小于2.5 μm的粒子数占到了粒子总数的99.88%，说明颗粒物基本集中在2.5 μm以下的粒径范围内。

（2）气溶胶粒子数浓度4个季节均以0.25～0.28 μm之间的粒子数浓度最大，并在0.30～0.35和4.0～5.0 μm之间出现峰值，表现为双峰型。在粒径0.25～0.45 μm范围内冬季气溶胶粒子数浓度最高；在粒径＞0.45 μm范围内秋季气溶胶粒子数浓度最高；在粒径0.25～1 μm范围内夏季气溶胶粒子数浓度最低；在粒径＞1 μm范围内夏季气溶胶粒子颗粒数增大，仅次于秋季，而冬季在这一范围内数浓度最低；0.25～0.5 μm粒径段内粒子占粒子总数的比例大小顺序为冬＞春＞夏＞秋；0.8～2.5 μm之间不同粒径段的粒子占粒子总数的比例大小顺序为夏＞秋＞春＞冬。

（3）PM2.5数浓度小时变化表现为：采暖期在6:00─8:00出现1个不明显的小峰，在15:00出现峰值，在5:00和11:00出现谷值；非采暖期数浓度起伏相对较小，表现为不太明显的三峰型，白天在7:00─9:00、13:00─15:00出现峰值，夜间在0:00左右出现峰值。

（4）观测期间，气象局和黑山头的PM2.5质量浓度范围分别为9.60～331.31、7.16～218.05 μg·m-3，平均浓度分别为61.77、43.42 μg·m-3，超标率分别是30.81%和16.44%。采暖期PM2.5质量浓度小时变化表现为：气象局呈现单峰，在19:00─21:00出现峰值，12:00出现最低值83.32 μg·m-3；黑山头则呈现双峰，在6:00─8:00出现峰值，20:00出现一个不太明显的小峰，最低值出现在9:00。非采暖期PM2.5质量浓度小时变化表现为：气象局与黑山头PM2.5质量浓度变化趋势一致，均表现为双峰型，在6:00─9:00出现第一个峰值，在23:00─凌晨1:00出现第二个峰值，最低值出现在17:00─19:00。

（5）乌鲁木齐市的社会活动没有明显的周中、周末差异及特殊的地形和不利的气象因素是气象局和黑山头PM2.5质量浓度周中、周末差距不大的主要原因；两个站点PM2.5质量浓度的季节变化均表现为冬季＞秋季＞春季＞夏季，气象局冬季平均浓度为119.44 μg·m-3，夏季为22.11 μg·m-3，黑山头冬季为73.27 μg·m-3，夏季为15.92 μg·m-3，特殊的地理位置和不同季节污染源的排放强度、气象条件是导致PM2.5质量浓度随季节变化的主要原因。

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Analysis on the Size Distribution of Atmospheric Aerosol and the Mass Concentration Change Characteristics of Fine Particulate Matter （PM2.5）

LIU Xinchun1，2，CHEN Hongna3，ZHAO Kelei4，ZHONG Yuting1，2，YAN Jingwu3
1.Institute of Desert Meteorology，CMA，Urumqi 830002，China；2.Desert Atmosphere and Environment Observation Experiment of Taklimakan Station，Tazhong 831000，China；3.Administration Office of Motor Vehicle Emission Supervision，Urumqi City，Urumqi 830054，China；4.Beijing KingWing Environmental Protection Technology Co.，Ltd，Beijing 101300，China

Abstract：Based on online monitoring data of atmospheric aerosol form January 1，2013 to February 28，2014 with ambient dust monitor （Grimm 180） at Meteorological Administration （MA） and Heishantou （HST） in the center of Urumqi，distribution of number and mass concentration data of inhalable particles were analyzed.The results showed that，（1） Aerosol number concentration distribution had the same trend at MA and HST.The maximum values of particle number concentration were between 0.25 and 0.28 μm.Aerosol size distribution showed a bimodal shape with the first peak between 0.30 and 0.35 μm and the second peak between 4.0 and 5.0 μm.Aerosol particles with the diameter less than 2.5 μm in the number of particles accounted for 99.88% of the total number concentration.The number of particles within 0.25～0.45 μm in winter was the maximum value，while the number of particles larger than 0.45 μm in autumn was the maximum value.The number of particles within 0.25～1 μm in summer was the minimum value，while the number of particles larger than 1μm in autumn was the minimum value.Diurnal variations of PM2.5number concentration presented a bimodal shape during heating period and a trimodal shape during non-heating period.（2） The average concentration of PM2.5at MA and MSS were 61.77 and 43.42 μg·m-3，and the excessive rate were 30.81% and 16.44%，respectively.During heating period diurnal variations of PM2.5mass concentration presented a single peak which appeared in 19:00 to 21:00 at MA，but a bimodal shape at HST.While during non-heating period diurnal variations of PM2.5mass concentration presented a bimodal shape at two sites.The seasonal distributions of PM2.5mass concentrations were winter＞ autumn＞ spring＞ summer at two sites.

Key words：atmospheric aerosol； number density； mass concentration； size distribution； fine particulate matter （PM2.5）

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.009

中图分类号：X51

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2016）04-0605-09

基金项目：新疆维吾尔自治区自然科学基金项目“塔克拉玛干沙漠与帕米尔高原沙尘气溶胶特性观测研究”

作者简介：刘新春（1977年生），男，副研究员，主要从事大气环境科学研究。E-mail:liuxinchun2001@163.com； liuxch@idm.cn

收稿日期：2015-12-02