天津市大氣能見度與顆粒物污染的關(guān)系

邊 海,韓素芹,張裕芬,馮銀廠*,吳建會,姚 青 (.天津市氣象科學研究所,天津 300074；.南開大學環(huán)境科學與工程學院,天津 30007)

天津市大氣能見度與顆粒物污染的關(guān)系

邊 海1,韓素芹1,張裕芬2,馮銀廠2*,吳建會2,姚 青1(1.天津市氣象科學研究所,天津 300074；2.南開大學環(huán)境科學與工程學院,天津 300071)

利用天津市大氣邊界層觀測站2009年能見度、相對濕度、風速逐時觀測資料和2009年3月9～21日期間顆粒物的膜采樣數(shù)據(jù),分析天津市大氣能見度與顆粒物污染的關(guān)系.結(jié)果表明,顆粒物質(zhì)量濃度與能見度變化總體呈負相關(guān),小粒徑顆粒對能見度的影響作用明顯,隨著能見度的降低,小粒徑顆粒與大粒徑顆粒濃度的比值明顯增加.能見度與顆粒物中總碳質(zhì)量濃度變化呈負相關(guān). SO42-,NO3-,OC和EC對大氣消光貢獻平均值分別為28.7%,6.1%,27.6%和19.2%.表明觀測期間顆粒物中SO42-,OC對能見度的影響明顯.關(guān)鍵詞：大氣能見度；PM10；PM2.5；水溶性離子；碳組分

隨著城市化和工業(yè)化的迅速發(fā)展,能見度下降已經(jīng)成為重要的城市大氣環(huán)境問題[1-4].影響大氣能見度的因素主要包括氣象因子和空氣污染因子.空氣濕度、風速和顆粒物濃度是影響能見度的主要因素[5].顆粒物主要通過散射和吸收影響能見度[6-7],顆粒物的散射作用大約占其對大氣消光系數(shù)的 70%,顆粒物的消光貢獻可以達到總大氣消光的90%[8].粒徑小于2.5mm的氣溶膠粒子在 λ=0.55mm處對太陽輻射的散射明顯大于粗粒子的散射作用[9].大氣能見度與總碳質(zhì)量濃度關(guān)系密切,當顆粒物總碳質(zhì)量濃度提高時,大氣能見度明顯下降[10].當元素碳的質(zhì)量濃度高于 15mg/m3時會對通過吸收作用可造成能見度下降[11].

近年來天津市發(fā)生低能見度的日數(shù)逐年增加,低能見度事件逐漸成為公眾關(guān)注的焦點[12].本研究在分析氣象要素對能見度影響的基礎(chǔ)上,探討不同等級能見度下不同粒徑顆粒物質(zhì)量濃度、碳組分、離子組分與能見度的可能關(guān)系,以期了解造成天津市能見度下降原因,為改善區(qū)域大氣能見度,環(huán)境治理等提供依據(jù).

1 實驗地點與采樣方法

觀測地點設(shè)在天津市大氣邊界層觀測站內(nèi),地處二環(huán)路與外環(huán)路之間,西南為住宅小區(qū), 東面80m處為友誼路立交橋,北面約150m處為快速路,屬于居民與交通混合區(qū).能見度觀測采用Belfort6000,相對濕度和風速采用自動氣象站數(shù)據(jù),觀測時間為2009年全年.

顆粒物采樣設(shè)置在觀測站鐵塔的第 2層平臺(距地面10m),采樣儀器選用TH-150AⅡ智能中流量采樣器加載PM10和PM2.5切割頭,采用石英濾膜和聚丙烯濾膜分別采樣.采樣時間為2009年3月9日～3月21日,其中3月12日因降雨未采樣.顆粒物濃度采用重量法得到,采用梅特勒十萬分之一電子天平稱量,水溶性無機離子采用美國戴安公司的 DX-120型離子色譜分析,有機碳(OC)和元素碳(EC)采用美國沙漠所研制的Model 2001 熱光碳分析儀,根據(jù) IMPROVE (Interagency Monitoring of Protected Visual Environment) 協(xié)議規(guī)定的TOR法測量.

2 結(jié)果與討論

2.1 能見度的變化特征

參考國家氣象行業(yè)標準QX/T 113-2010《霾的觀測和預報等級》中的有關(guān)規(guī)定[13],將2009年逐時大氣能見度觀測數(shù)據(jù)進行分級,I級為能見度＞10km. II級為能見度5～10km,III級為能見度＜5km.分別統(tǒng)計各級能見度下相對濕度和風速的均值及出現(xiàn)頻率,結(jié)果見表 1.全年小時能見度＞10km的小時數(shù)為3704h,占全年的42%,對應的小時平均風速為2.2m/s,平均相對濕度為41%.能見度＜5km的為2893h,與之對應的平均風速和相對濕度分別為1.2m/s和71%,其中相對濕度小于80%的比例為60%,相對濕度位于80%～90%之間的比例為19%,相對濕度大于90%的比例為22%.能見度在 5～10km之間的為 2063h,平均風速為1.36m/s,平均相對濕度為 58.8%,相對濕度小于80%的小時數(shù)比例為82%.

影響大氣能見度變化的主要因素是氣象條件和顆粒物濃度、粒徑及成分.由圖1可見,3月12日由于降雨,相對濕度超過 90%,,能見度小于5km;13～14日及19～20日的平均風速大于4m/s時,對應的小時能見度均大于 10km.可見,風速和相對濕度等氣象因素對大氣能見度影響顯著.為突出顆粒物對大氣能見度的影響,剔除雨雪霧等高相對濕度可能造成低能見度的天氣,選擇相對濕度均小于 90%的采樣時段討論顆粒物濃度、粒徑和成分與能見度的關(guān)系.

表1 不同能見度等級的氣象要素均值Table 1 Average value of meteorological factor under different visibility level

圖1 觀測期間逐時能見度、相對濕度、風速變化Fig.1 Variation of hourly visibility, relative humidity, wind speed during observe period

2.2 能見度與顆粒物濃度的關(guān)系

由圖2可見,PM10日均濃度均高于國家規(guī)定的二級質(zhì)量標準限值[14],PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢與 PM10一致,且濃度較高.表明采樣期間顆粒物污染突出.顆粒物濃度與能見度總體上呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系,即隨著顆粒物濃度的升高,大氣能見度明顯下降.當 PM10質(zhì)量濃度最大達 401mg/m3, PM2.5質(zhì)量濃度也達到最高值 288mg/m3,相應的能見度下降到5km以下.說明顆粒物濃度大小對大氣能見度有顯著的影響.

圖2 觀測期間內(nèi)顆粒物濃度與能見度日均值變化Fig.2 Daily variation of PM concentration and visibility during observe period

但是,采樣期間,3月17～18日出現(xiàn)了顆粒物濃度降低大氣能見度也降低的現(xiàn)象.18日顆粒物濃度與17日相比PM10質(zhì)量濃度從319.0mg/m3降到272.8mg/m3,PM2.5質(zhì)量濃度從265.4mg/m3降到 227.0mg/m3,能見度也從 5.03km 顯著下降到2.1km.這 2d的日平均相對濕度分別是 46%和47%,日平均溫度分別是 15.9,20.3℃,日平均風速分別為1.31,1.06m/s,18日與17日相比,顆粒物濃度及能見度出現(xiàn)顯著下降,而風速、相對濕度、氣溫等氣象要素的值卻沒有明顯變化,期間也沒有降水等天氣過程出現(xiàn).因此,要比較全面地解釋顆粒物污染對大氣能見度的影響,除了氣象因素和顆粒物濃度外,還應該分析顆粒物的粒徑及其化學組分對大氣的消光作用.

2.3 能見度與顆粒物粒徑的關(guān)系

將觀測期間能見度按等級劃分,統(tǒng)計分析相應各能見度等級下的不同粒徑顆粒物質(zhì)量濃度(表2), I級平均能見度為16.7km,II級能見度平均值為6.6km,III級能見度平均值為3.9km.大氣能見度由III級提高到I級的過程中,相應的PM10質(zhì)量濃度分別降低了14%和37%,PM2.5質(zhì)量濃度分別降低 7%和 49%.進一步分析不同等級能見度下不同粒徑顆粒物間的關(guān)系表明,PM2.5在PM10中占有較大比例,隨著能見度的降低,小粒徑顆粒與大粒徑顆粒濃度的比值明顯增加,特別是能見度降到5km以下時,PM2.5濃度占PM10濃度的 84%.小粒徑顆粒(PM2.5)濃度是大粒徑顆粒(PM2.5～10)4.96倍,說明大氣能見度降低的過程中有大量的細粒子產(chǎn)生或累積,環(huán)境空氣中細粒子濃度的大量增加是影響天津市能見度變化的重要因素.

表2 不同能見度等級下不同粒徑的顆粒物及主要組分質(zhì)量濃度Table 2 Mass concentration of PM and main components in different size under different visibility level

2.4 能見度與顆粒物成分的關(guān)系

大氣顆粒物中的總碳成分包括有機碳和元素碳,其中有機碳由排放源直接排放和二次形成的有機碳構(gòu)成,主要對光輻射起散射效應.元素碳主要由各種燃料不完全燃燒產(chǎn)生,對光輻射有吸收效應.根據(jù)采樣結(jié)果分析不同能見度等級下天津市大氣顆粒物總碳質(zhì)量濃度、元素碳質(zhì)量濃度及有機碳質(zhì)量濃度分布(圖3):能見度在I,II,III級之間變化時,對應的 PM10中總碳濃度分別為18.7,25.3,30.1mg/m3;元素碳濃度分別為 5.1,6.7, 7.6mg/m3;有機碳濃度分別為13.6,18.6,23.3mg/m3.可以看出,當能見度由I級降為III級時,顆粒物中碳組分濃度呈明顯的上升趨勢,同時,OC與EC的比值也從2.7上升到3.1, PM2.5中各組分含量隨能見度變化也有類似規(guī)律.PM2.5中有機碳濃度占PM10中有機碳濃度的87%,其中碳組分的變化與 PM10中的變化規(guī)律一致.由于一次排放的有機碳和元素碳具有相對穩(wěn)定的相關(guān)性[15-16],因此,這種現(xiàn)象說明,在能見度下降的過程中,伴隨有二次有機碳的生成.二次有機碳的生成及在環(huán)境空氣中的累積對大氣能見度有顯著的影響.

圖3 不同能見度等級下顆粒物中碳成分質(zhì)量濃度Fig.3 Mass concentration of carbonaceous species at different visibility level

由圖4可見,天津市顆粒物中SO42-濃度遠遠大于NO3-,I級能見度降到II級時,NO3-和 SO42-離子濃度都有明顯增加.PM2.5中SO42-和NO3-離子濃度分別是原來的 3.5倍和 2.3倍,PM10中SO42-和NO3-離子濃度分別增加3.1倍和2.3倍.環(huán)境空氣中SO42-和NO3-主要是由其前體物SO2和NOX通過大氣化學反應產(chǎn)生,顆粒物中硫酸鹽和硝酸鹽對大氣光輻射具有散射作用,環(huán)境空氣中SO42-和NO3-的生成和累積也是造成大氣能見度下降的重要原因.

圖4 不同能見度等級SO42-、NO3-濃度變化Fig.4 Mass concentration of SO42-、NO3- at different visibility level

2.5 不同顆粒物成分對能見度的消光貢獻

利用美國 IMPROVE研究計劃獲得的氣溶膠消光系數(shù)計算公式[17],計算天津春季大氣氣溶膠消光系數(shù),公式如下:

σext= 3f (RH) [(NH4)2SO4+ NH4NO3] +4[POM] + 10[LAC] + 1[soil] +0.6[coarse mass]+10 (1)式中: σext為消光系數(shù), Mm-1; f (RH)為相對濕度增長系數(shù)(隨RH變化)[18]; POM為有機物,其值約為OC的1.4倍;LAC即為吸光性碳EC;Soil為土壤塵; Coarse mass為粗顆粒物質(zhì)量(空氣空力學粒徑大于2.5mm小于10mm的顆粒).

根據(jù)公式計算各顆粒物組分對消光系數(shù)的貢獻(表 3),其中 SO42-散射消光的貢獻率在10.6%～37.1%之間變化,平均值為 28.7%.NO3-散射消光的貢獻率在 2.7%～12.7%之間變化,平均值為 6.1%.有機物散射消光的貢獻率在22.5%～38.7%之間變化,平均值為27.6%.OC吸收消光的貢獻率在 22.5%～38.7%之間變化,平均值為27.6%.EC吸收消光的貢獻率在13.3%～27.3%之間變化,平均值為 19.2%.表明觀測期間對大氣消光的主要貢獻者是SO42-,OC和EC,其中OC對大氣消光的貢獻要大于 EC.顆粒物中 SO42-,OC和 EC是對大氣能見度消光的主要組分,這一結(jié)果與廣州類似[19],改善大氣能見度應主要控制造成大氣氧化性增強及二次顆粒物生成的前體物.

表3 不同顆粒物組分對消光系數(shù)的貢獻(%)Table 3 Contribution of particulate components to atmospheric extinction coefficient (%)

3 結(jié)論

3.1 顆粒物質(zhì)量濃度與能見度變化呈負相關(guān),小粒徑顆粒對能見度的作用明顯,而且隨著能見度的降低小粒徑顆粒與大粒徑顆粒濃度的比值明顯增加.能見度與顆粒物中總碳質(zhì)量濃度變化呈負相關(guān).

3.2 觀測期間SO42-,NO3-,OC和EC對大氣消光貢獻率平均為 28.7%,6.1%,27.6%和 19.2%.表明顆粒物中SO42-,OC和EC是對大氣能見度消光的主要組分,其中硫酸鹽濃度對能見度影響最大,其次為有機碳濃度、元素碳濃度,硝酸鹽濃度對能見度的影響相對較小.

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Relationship between atmospheric visibility and particulate matter pollution in Tianjin.

BIAN Hai1, HAN Su-qin1, ZHANG Yu-fen2, FENG Yin-chang2*, WU Jian-hui2, YAO Qing1(1.Tianjin Institute of Meteorological Science, Tianjin 300074, China；2.College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：406～410

s：Relationship between atmospheric visibility and particulate matter was analyzed using the observed hourly visibility, relative humidity, wind speed and particulate sample data at Tianjin atmospheric boundary station in 2009. Visibility had significant negative correlation with the mass concentration of the particulate matters. The ratio of mass concentration between PM2.5and PM2.5～10increased considerably when the visibility reduced, implying that PM2.5played major role in the poor visibility. Atmospheric visibility also had significant negative correlation with the mass concentration of the total carbon. The average contribution of SO42-,NO3-,OC and EC to atmospheric extinction coefficient was 28.7%, 6.1%, 27.6% and 19.2%, showing that sulfate and organic carbon were the main components influencing the visibility.

atmospheric visibility；PM10；PM2.5；water-soluble iron；carbonaceous species

X823

A

1000-6923(2012)03-0406-05

2011-06-10

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(201009001-4);天津市科委基金項目(10JCYBJC05800)

* 責任作者, 教授, fengyc@nankai.edu.cn

邊 海(1959-),男,天津人,副研究員,主要研究方向是大氣物理與環(huán)境.發(fā)表論文5篇.