气象条件对大气气溶胶影响的研究

气象条件对大气气溶胶影响的研究

1气象条件与大气气溶胶污染环境噪音不仅与环境因素有关，而且还影响着环境的污染和人类健康。当污染源相对稳定时,气象条件是影响大气污染的重要因素,不利的气象条件则会加重大气污染程度。温度、相对湿度、风速、风向和降水等气象条件对大气环境污染的影响主要体现在对污染物的扩散、输运、积聚和冲刷作用。因而许多研究者利用气象条件变化特征对大气污染进行预警。大气气溶胶污染是大气污染的重要形式之一,它同样也受气象因素的影响。我国研究者朱能文、尹振东、梅鹏蔚等对温度、相对湿度和风级等因素与PM10的相关性进行了研究,发现不同气象因素与大气颗粒物浓度具有不同的相关性。而且Smirnov和Despiau等还发现,即使在相同的气象条件下,不同粒径大气气溶胶受到的影响也存在差异。本文将研究不同粒径大气气溶胶的粒子数浓度和质量浓度与各气象因素的相关性,讨论气象因素对大气气溶胶浓度和粒径分布的影响。2数据和方法2.1大气气溶胶粒子数浓度和质量浓度测定采样点位于上海市嘉定区中国科学院上海应用物理研究所内(31°24′N,121°17′E),实验数据采集于2008年4月12—13日。采用ELPI(ElectricalLowPressureImpactor,DEKATI公司)记录大气气溶胶粒子数浓度和质量浓度。温度、相对湿度、气压、风向和风速等气象数据由DavisPro小型气象站采集(DavisInstrumentsCorp.,USA)。2.2elp的工作原理ELPI是DEKATI公司生产的气溶胶采样仪。它不但可以对气溶胶按粒径大小进行分级采样(切割粒径为0.0287—9.950μm,分为12级),而且可以实时记录气溶胶粒子数浓度和质量浓度的粒径分布(时间分辨率为1—2s)。它的基本结构和工作原理见图1。气溶胶进入ELPI后,首先经过一个Corona荷电器使气溶胶带上电荷。随后,带电气溶胶被引入串级冲击器,利用空气动力学原理将不同粒径气溶胶收集在冲击板上。通过静电计测量每级感应的电流,经计算得到不同粒径气溶胶的粒子数浓度和质量浓度。由于静电计十分灵敏,因此ELPI可以非常灵敏地测量到气溶胶浓度的瞬时变化,具有较快的时间响应。3结果分析3.1月13日风向图2为2008年4月12—13日的风向频率及风速分布统计。4月12日风向以NE—NNE为主,风速主要分布在1.5—3.5m/s。4月13日风向以NNE—N为主,风速相对较小,主要变化在0.0—2.0m/s。由于风向与所处的地理位置和气候特征相关联,某些特定的风向往往会导致污染物浓度升高。上海地区空气污染物浓度受地面风向的影响显著,偏西风往往伴随大气污染物浓度升高。2d的实验过程中以N—NE风向为主,风速较小,气象条件相对稳定。因此实验期间受外来污染影响较小。3.2气溶胶粒子数浓度与温度和湿度的关系图3显示了2008年4月12—13日PM2.5的粒子数浓度与风速、温度和相对湿度在1d内的变化。从图3可以看出,这2d内温度呈单峰分布,凌晨至上午06时左右温度达最低,日出后温度逐渐升高,至午后15时左右达最高温度,之后温度又逐渐下降。相对湿度变化趋势与温度变化趋势相反。风速变化无明显规律。为讨论温度、相对湿度和风速等气象条件对大气气溶胶浓度的影响程度,分别计算了它们与质量浓度、粒子数浓度的相关性(表1)。从表1可以看出,在这2d中,温度、相对湿度和风速与质量浓度的相关性较一致,但与粒子数浓度却有差异。4月12日气溶胶粒子数浓度与温度和相对湿度分别呈正相关和负相关,而4月13日则相反,粒子数浓度与温度和相对湿度分别呈负相关和正相关性。要解释风速、温度和相对湿度与气溶胶粒子数浓度、质量浓度相关性的差异,需要分析气象因素对气溶胶的影响。风速和垂直温度梯度主要影响大气的水平扩散和垂直对流。当风速较大时,大气流动加强,扩散加快,可以有效减小污染物浓度;而静风或风速小时,大气水平流动能力减弱,大气污染物容易聚积。文献研究表明,当风速小于6m/s时,扩散作用占主导,与大气污染物浓度呈负相关。温度主要对大气垂直对流产生影响。温度较高时,大气垂直对流作用加剧,有利于大气扩散,因而一般与污染物浓度呈负相关。相对湿度增大利于气溶胶粒径增大并在空气中滞留(若不发生沉降),与污染物浓度往往呈正相关。由表1可知,4月12日粒子数浓度与温度和相对湿度的相关性分别为0.25和-0.20,与上述推论矛盾。由于气溶胶的粒子数浓度大多是细和超细气溶胶的贡献,而质量浓度受较粗颗粒物更大的影响,因此这样的差异可以间接说明气象因素对超细气溶胶的影响与对较大粒径气溶胶是有差异的。3.3粒子数浓度和粒径的关系首先分析温度的影响。根据每天的温度变化特征划分为3个时段:夜间(日落后及日出前)、温度上升阶段(日出后至午后15时)和温度下降阶段(午后15时至日落前)。图4显示了4月12日和13日大气气溶胶粒子数浓度和质量浓度在3个不同阶段的粒径分布情况。由图4a和图4c可以看出,当温度升高时,超细气溶胶(小于0.1μm)的粒子数浓度明显升高,而粒径较大的气溶胶(大于0.2μm)质量浓度却略有降低(图4b和图4d)。由此可以看出,温度对不同粒径的气溶胶作用是不同的。在前一节中曾经讨论过,温度上升可以促进大气垂直对流,利于污染物扩散。但超细气溶胶显然不符合这样的规律。这是因为温度升高会加快大气化学反应,利于二次气溶胶的生成,从而使细和超细气溶胶浓度增加。由于大气中细和超细气溶胶对粒子数浓度贡献较大,因此表1中4月12日温度和粒子数浓度呈正相关正是存在二次气溶胶生成过程的间接证据。图5显示了温度、风速和相对湿度与不同粒径气溶胶粒子数浓度的相关性。可以得到以下几个规律:(1)超细气溶胶与气象条件的相关性往往与粗气溶胶相反,但相关程度相对较弱;(2)温度对超细气溶胶的影响大于风速,且呈正相关,说明温度升高有利于超细气溶胶生成;(3)风速对超细气溶胶影响较小,主要影响粒径大于0.1μm的气溶胶;(4)相对湿度与超细气溶胶有显著的负相关性;(5)粒径在0.2—0.6μm的气溶胶受气象条件影响较大。4气象条件对大气气溶胶的作用机制通过气象条件与大气气溶胶相关性的粒径分布特征分析,可以得到以下结论。(1)气象条件对大气气溶胶的影响是多种因素综合作用的结果,但在一定条件下某些特定因素起主要作用。(2)气象条件对大气气溶胶的作用机制和效果与气溶胶的粒径有很大关联。(3)温度升高会导致超细气溶胶粒子数浓度增大,这很可能是受二次气溶胶生成过程的影响。(4)由上述