2013年夏末秋初气象条件下金沙江地区大气颗粒物特征及污染特征

2013年夏末秋初气象条件下金沙江地区大气颗粒物特征及污染特征

随着我国经济的快速发展和城市化进程，污染城市的形势越来越严峻。屋顶颗粒已成为中国大部分城市空气的主要污染物。金沙区域大气本底站监测的大气颗粒物按直径大小分为PM10、PM2.5和PM1.0,分别为悬浮在空气中的空气动力学直径小于等于10μm、2.5μm、1.0μm的颗粒物,主要来源是工业生产、汽车尾气排放、火力发电等过程中经过燃烧而排放的残留物,大多含有重金属等有毒物质,这些大气颗粒物通过直接或间接散射太阳辐射,影响地面的能量收支平衡,同时它们的高散射效率是造成大气能见度下降的主要影响因子之一。特别是PM10、PM2.5作为各种化学反应的载体,促进城市上方大气光化学反应的发生,其对环境的污染及对人体健康的危害尤为突出。金沙区域大气颗粒物观测研究已经开展很多,这些研究发现PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度春冬高,夏季低,其上游武汉区域和东部地区的机动车排放,工业生产、土壤尘和二次气溶胶是金沙大气颗粒物的重要来源,气象条件中的风向风速和相对湿度对大气颗粒物的扩散和质量浓度日变化有重要影响。本文通过2013年夏末秋初大气颗粒物的观测结果了解金沙站大气颗粒物的污染特征,为金沙区域大气本底站的PM10、PM2.5和PM1.0污染的深入研究提供依据和参考。1观测和数据处理1.1拔海高度5n金沙区域大气本底站位于湖北省咸宁市崇阳县境内,地处两湖之间,站址114°12.534′E、29°38.156′N,拔海高度750米。北距武汉市105km,西距崇阳县城30km,南距106国道10km,四周无障碍物,周围3km范围内人烟稀少,是代表华中区域大气本底特性的本底站,2006年4月1日开始自动气象站观测及可吸入颗粒物、黑碳气溶胶、温室气体等大气成分观测。1.2空气散射源的测量大气颗粒物(PM10、PM2.5、PM1.0)质量浓度数据采集使用德国GRIMM气溶胶技术公司研制和生产的180型在线环境颗粒物,测量粒径范围为0.25μm到32μm,测量质量浓度范围1到6000μg/m3,精度为量程的2%,其工作原理为激光散射法:使用抽气泵抽取环境空气,首先通过水汽交换装置(去湿),降低空气样品的相对湿度至40%以下,再使样品空气通过激光散射测量腔。激光照射在样品空气中的颗粒物上发生散射,经反射镜聚焦后,由在同一水平面上与激光照射方向成一定角度的检测器接收散射光脉冲信号。数据为每5min采集软件记录一组,经过质量控制后,计算得到小时平均值,且用于计算小时平均值的有效数据样本量不低于60%,日平均采用的有效数据样本量不低于75%。大气本底站所有气象要素的观测均按照中国气象局的地面气象观测规范进行,仪器设备均有标准的维护和标校规范。2结果与讨论2.1观测期的最大质量浓度表1给出了金沙站除2009年外的2007-2013年8、9、10月的大气颗粒物质量浓度的月均值(2009年8、9、10月对仪器进行校准和维护,数据缺测),可以看出,2013年的均值高于历年,特别是2013年10月的质量浓度,为历史同期最高,这是因为2013年8月-10月金沙的降水量远低于历年同期,冷空气过境比较频繁。2010、2011、2013三年8月的质量浓度都是时观测期的最低值,2008、2010、2013年质量浓度在观测期的最高的月份为10月。虽然2011年9月大气颗粒物浓度大于10月,但PM10、PM2.5、PM1.0质量浓度差很小,所有的观测年月中,都是10月大于8月,即夏末秋初末期的质量浓度高于初期。2.2大气颗粒物质量浓度与季节变化关系将2013年8月、9月、10月小时平均值转换成日均值,共91个样本(缺测1天),其变化趋势图如图1。可以看出,金沙区域的PM10、PM2.5、PM1.0质量浓度的变化幅度较大,但变化规律基本一致,有很好的相关性。大气颗粒物月均质量浓度按高低顺序排列为:9月>8月>7月,与表1的历年数据基本一致。8月1日至16日金沙以高温天气为主,相对湿度较小,有利于污染物的扩散,故前15天大气颗粒物质量浓度处于一个较低水平。受台风“潭美”倒槽影响,8月22日金沙站出现阵雨和多次大风,日平均风速为8.7m/s,故该日大气颗粒物浓度骤然降低,为8月最低值。8月底9月初受地面弱冷空气影响,不利于大气颗粒物的扩散,大气颗粒物质量浓度出现一个明显波峰。9月23、24日受“天兔”台风低压倒槽影响,金沙站出现一次中雨降水过程,且9月24日平均风速为7.4m/s,故9月23、24日大气颗粒物浓度骤然降低,24日为夏末秋初的最低值PM10、PM2.5、PM1.0质量浓度4.7μg/m3、2.0μg/m3、1.3μg/m3。10月金沙区域冷空气过程较多,但降水过程较少,大气颗粒物质量浓度和历年相比明显偏高。2.3大气颗粒物扩散规律图2是金沙2006年9月至2012年12月PM10、PM2.5、PM1.0的逐日平均质量浓度变化图。从图中可看出PM10、PM2.5、PM1.0三者的质量浓度变化规律一致,存在正相关性。由图2可见,金沙三种粒径大气颗粒物浓度的逐时变化趋势基本一致,呈波动变化,从01时至下午15:00缓慢下降,PM10、PM1.0在15时达到全天最低值28.7μg/m3、20.8μg/m3,PM2.5在14:00达到最低值22.9μg/m3。16:00到夜间24:00,大气颗粒物浓度值逐渐上升,PM10、PM2.5、PM1.0在23:00达到峰值(37.9μg/m3、33.0μg/m3、30.8μg/m3),这主要与金沙的地理环境和气象条件有关,白天随着温度的升高和太阳辐射强度的增加,地面温度逐渐升高,湍流加强,大气容易处于不稳定状态,大气的湍流交换和垂直扩散能力加强,有利于大气中的污染物逐渐扩散,特别是夏末秋初的(13:00~15:00)随着温度的升高和太阳辐射强度的增加,地面温度较高,大气中的污染物逐渐扩散,大气颗粒物浓度的最低值往往出现在该时段。而夜间则相反,夜间气温降低,湍流减弱,大气多处于稳定状态,不利于污染物的稀释,特别是金沙区域大气本底站南部山谷底海拔较低,夜间地面辐射降温后,大气层结稳定,形成暖盖,导致大气颗粒物浓度升高。另外,夏末秋初早上近地面向外辐射而迅速冷却降温,经常有逆温现象,使近地层大气对流较弱,不利于颗粒物的扩散,使其浓度增大。日变化以白天低、夜晚高为主,这是金沙区域污染物排放和气象条件的综合结果,故与参考文献[7~8]研究有所不同。2.4湿度和湿度的影响因为金沙特殊的地理位置,年出现大雾的平均日数达169天,相对湿度一直居高不下。夏末秋初金沙相对湿度日均值变化范围为63%~80%。从图3和图4可以看出,相对湿度与PM10、PM2.5和PM1.0质量有较好的相关性。8:00后,日照作用加强,气温上升,相对湿度缓慢下降,一直到14:00,相对湿度到达最低值。PM10、PM2.5和PM1.0也同步下降,分别在14:00、15:00到达日最低值。15:00之后相对湿度逐渐上升,在05:00、06:00到达日最高值。随着夜间相对湿度的上升和下降,PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度表现出不完全一致的变化趋势,说明在一定湿度范围(以不发生重力沉降为界限)内,湿度越大越有利于颗粒物的形成,可见,相对湿度是影响大气颗粒物污染的一个较为重要的因素,尤其是高湿度空气容易造成大气颗粒物的较重污染。其中相关性的好坏与颗粒物的大小成反比,如图4,颗粒物越小,其与相对湿度的相关性越明显,PM1.0的相关性要比PM10、PM2.5要明显好一些。2.5变化情况为了更好的分析风向风速与PM10、PM2.5和PM1.0的关系,将这三种颗粒物的质量浓度插值到以风速为极径,风向为级角的极坐标中(图5),0°、45°、90°、270°分别代表风的北、东、南、西四个风向。从风向的角度看,同等风速下,315°至112.5°即西北风、东北风、东南风时三种颗粒物的质量浓度要高于其他风向,这是因为起北风时,气流来自于上游的武汉市,空气的大气颗粒物要明显高于其他风向。西南风时大气颗粒物浓度都比较低,PM2.5基本都小于35μg/m3,空气质量为优。这是因为西南方向山丘较多,植物覆盖面大,村庄、城镇较少,金沙站东部为咸宁温泉城区,人口密集,工业化程度较高,故污染物仅次于北部。从风速角度来看,当风速增大时,3种颗粒物的质量浓度都是减小的,质量浓度最高区域并没有出现在最低风时,或者静风时,而是出现在2~5m/s之间,次高区域为5~7m/s。这说明风速在2~5m/s时,观测点受到局地污染物扩散和上游方向的影响,大气颗粒物质量浓度最高。风速较小和静风时(风速在0~2m/s),观测点主要受局地污染物扩散的影响和污染物输送的双重影响,污染物浓度也较高。当风速大于7m/s,PM1.0的质量浓度基本低于25μg/m3,而PM10、PM2.5在风速为7~10m/s时仍有高质量浓度的现象,即在无外界影响的情况下,风速越大,对越小的颗粒物的清洗越明显。3明度、夏末秋初的大气颗粒物质量浓度的时空变化通过对金沙2007-2013年的8、9、10月PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度变化特征及主要气象要素的分析,得到以下结论:(1)金沙区域夏末秋初,历年大部分月份都是10月大于8月,即夏末秋初末期的质量浓度明显高于初期。2013年的均值整体高于过去5年,特别是2013年10月的三种颗粒物质量浓度,为历史同期最高;(2)影响金沙夏末秋初的大气颗粒物质量浓度的主要天气过程主要有高空低