天津市大气能见度与颗粒物污染的关系

边 海,韩素芹,张裕芬,冯银厂*,吴建会,姚 青 (.天津市气象科学研究所,天津 300074；.南开大学环境科学与工程学院,天津 30007)

天津市大气能见度与颗粒物污染的关系

边 海1,韩素芹1,张裕芬2,冯银厂2*,吴建会2,姚 青1(1.天津市气象科学研究所,天津 300074；2.南开大学环境科学与工程学院,天津 300071)

利用天津市大气边界层观测站2009年能见度、相对湿度、风速逐时观测资料和2009年3月9～21日期间颗粒物的膜采样数据,分析天津市大气能见度与颗粒物污染的关系.结果表明,颗粒物质量浓度与能见度变化总体呈负相关,小粒径颗粒对能见度的影响作用明显,随着能见度的降低,小粒径颗粒与大粒径颗粒浓度的比值明显增加.能见度与颗粒物中总碳质量浓度变化呈负相关. SO42-,NO3-,OC和EC对大气消光贡献平均值分别为28.7%,6.1%,27.6%和19.2%.表明观测期间颗粒物中SO42-,OC对能见度的影响明显.关键词：大气能见度；PM10；PM2.5；水溶性离子；碳组分

随着城市化和工业化的迅速发展,能见度下降已经成为重要的城市大气环境问题[1-4].影响大气能见度的因素主要包括气象因子和空气污染因子.空气湿度、风速和颗粒物浓度是影响能见度的主要因素[5].颗粒物主要通过散射和吸收影响能见度[6-7],颗粒物的散射作用大约占其对大气消光系数的 70%,颗粒物的消光贡献可以达到总大气消光的90%[8].粒径小于2.5mm的气溶胶粒子在 λ=0.55mm处对太阳辐射的散射明显大于粗粒子的散射作用[9].大气能见度与总碳质量浓度关系密切,当颗粒物总碳质量浓度提高时,大气能见度明显下降[10].当元素碳的质量浓度高于 15mg/m3时会对通过吸收作用可造成能见度下降[11].

近年来天津市发生低能见度的日数逐年增加,低能见度事件逐渐成为公众关注的焦点[12].本研究在分析气象要素对能见度影响的基础上,探讨不同等级能见度下不同粒径颗粒物质量浓度、碳组分、离子组分与能见度的可能关系,以期了解造成天津市能见度下降原因,为改善区域大气能见度,环境治理等提供依据.

1 实验地点与采样方法

观测地点设在天津市大气边界层观测站内,地处二环路与外环路之间,西南为住宅小区, 东面80m处为友谊路立交桥,北面约150m处为快速路,属于居民与交通混合区.能见度观测采用Belfort6000,相对湿度和风速采用自动气象站数据,观测时间为2009年全年.

颗粒物采样设置在观测站铁塔的第 2层平台(距地面10m),采样仪器选用TH-150AⅡ智能中流量采样器加载PM10和PM2.5切割头,采用石英滤膜和聚丙烯滤膜分别采样.采样时间为2009年3月9日～3月21日,其中3月12日因降雨未采样.颗粒物浓度采用重量法得到,采用梅特勒十万分之一电子天平称量,水溶性无机离子采用美国戴安公司的 DX-120型离子色谱分析,有机碳(OC)和元素碳(EC)采用美国沙漠所研制的Model 2001 热光碳分析仪,根据 IMPROVE (Interagency Monitoring of Protected Visual Environment) 协议规定的TOR法测量.

2 结果与讨论

2.1 能见度的变化特征

参考国家气象行业标准QX/T 113-2010《霾的观测和预报等级》中的有关规定[13],将2009年逐时大气能见度观测数据进行分级,I级为能见度＞10km. II级为能见度5～10km,III级为能见度＜5km.分别统计各级能见度下相对湿度和风速的均值及出现频率,结果见表 1.全年小时能见度＞10km的小时数为3704h,占全年的42%,对应的小时平均风速为2.2m/s,平均相对湿度为41%.能见度＜5km的为2893h,与之对应的平均风速和相对湿度分别为1.2m/s和71%,其中相对湿度小于80%的比例为60%,相对湿度位于80%～90%之间的比例为19%,相对湿度大于90%的比例为22%.能见度在 5～10km之间的为 2063h,平均风速为1.36m/s,平均相对湿度为 58.8%,相对湿度小于80%的小时数比例为82%.

影响大气能见度变化的主要因素是气象条件和颗粒物浓度、粒径及成分.由图1可见,3月12日由于降雨,相对湿度超过 90%,,能见度小于5km;13～14日及19～20日的平均风速大于4m/s时,对应的小时能见度均大于 10km.可见,风速和相对湿度等气象因素对大气能见度影响显著.为突出颗粒物对大气能见度的影响,剔除雨雪雾等高相对湿度可能造成低能见度的天气,选择相对湿度均小于 90%的采样时段讨论颗粒物浓度、粒径和成分与能见度的关系.

表1 不同能见度等级的气象要素均值Table 1 Average value of meteorological factor under different visibility level

图1 观测期间逐时能见度、相对湿度、风速变化Fig.1 Variation of hourly visibility, relative humidity, wind speed during observe period

2.2 能见度与颗粒物浓度的关系

由图2可见,PM10日均浓度均高于国家规定的二级质量标准限值[14],PM2.5质量浓度变化趋势与 PM10一致,且浓度较高.表明采样期间颗粒物污染突出.颗粒物浓度与能见度总体上呈现反相关关系,即随着颗粒物浓度的升高,大气能见度明显下降.当 PM10质量浓度最大达 401mg/m3, PM2.5质量浓度也达到最高值 288mg/m3,相应的能见度下降到5km以下.说明颗粒物浓度大小对大气能见度有显著的影响.

图2 观测期间内颗粒物浓度与能见度日均值变化Fig.2 Daily variation of PM concentration and visibility during observe period

但是,采样期间,3月17～18日出现了颗粒物浓度降低大气能见度也降低的现象.18日颗粒物浓度与17日相比PM10质量浓度从319.0mg/m3降到272.8mg/m3,PM2.5质量浓度从265.4mg/m3降到 227.0mg/m3,能见度也从 5.03km 显著下降到2.1km.这 2d的日平均相对湿度分别是 46%和47%,日平均温度分别是 15.9,20.3℃,日平均风速分别为1.31,1.06m/s,18日与17日相比,颗粒物浓度及能见度出现显著下降,而风速、相对湿度、气温等气象要素的值却没有明显变化,期间也没有降水等天气过程出现.因此,要比较全面地解释颗粒物污染对大气能见度的影响,除了气象因素和颗粒物浓度外,还应该分析颗粒物的粒径及其化学组分对大气的消光作用.

2.3 能见度与颗粒物粒径的关系

将观测期间能见度按等级划分,统计分析相应各能见度等级下的不同粒径颗粒物质量浓度(表2), I级平均能见度为16.7km,II级能见度平均值为6.6km,III级能见度平均值为3.9km.大气能见度由III级提高到I级的过程中,相应的PM10质量浓度分别降低了14%和37%,PM2.5质量浓度分别降低 7%和 49%.进一步分析不同等级能见度下不同粒径颗粒物间的关系表明,PM2.5在PM10中占有较大比例,随着能见度的降低,小粒径颗粒与大粒径颗粒浓度的比值明显增加,特别是能见度降到5km以下时,PM2.5浓度占PM10浓度的 84%.小粒径颗粒(PM2.5)浓度是大粒径颗粒(PM2.5～10)4.96倍,说明大气能见度降低的过程中有大量的细粒子产生或累积,环境空气中细粒子浓度的大量增加是影响天津市能见度变化的重要因素.

表2 不同能见度等级下不同粒径的颗粒物及主要组分质量浓度Table 2 Mass concentration of PM and main components in different size under different visibility level

2.4 能见度与颗粒物成分的关系

大气颗粒物中的总碳成分包括有机碳和元素碳,其中有机碳由排放源直接排放和二次形成的有机碳构成,主要对光辐射起散射效应.元素碳主要由各种燃料不完全燃烧产生,对光辐射有吸收效应.根据采样结果分析不同能见度等级下天津市大气颗粒物总碳质量浓度、元素碳质量浓度及有机碳质量浓度分布(图3):能见度在I,II,III级之间变化时,对应的 PM10中总碳浓度分别为18.7,25.3,30.1mg/m3;元素碳浓度分别为 5.1,6.7, 7.6mg/m3;有机碳浓度分别为13.6,18.6,23.3mg/m3.可以看出,当能见度由I级降为III级时,颗粒物中碳组分浓度呈明显的上升趋势,同时,OC与EC的比值也从2.7上升到3.1, PM2.5中各组分含量随能见度变化也有类似规律.PM2.5中有机碳浓度占PM10中有机碳浓度的87%,其中碳组分的变化与 PM10中的变化规律一致.由于一次排放的有机碳和元素碳具有相对稳定的相关性[15-16],因此,这种现象说明,在能见度下降的过程中,伴随有二次有机碳的生成.二次有机碳的生成及在环境空气中的累积对大气能见度有显著的影响.

图3 不同能见度等级下颗粒物中碳成分质量浓度Fig.3 Mass concentration of carbonaceous species at different visibility level

由图4可见,天津市颗粒物中SO42-浓度远远大于NO3-,I级能见度降到II级时,NO3-和 SO42-离子浓度都有明显增加.PM2.5中SO42-和NO3-离子浓度分别是原来的 3.5倍和 2.3倍,PM10中SO42-和NO3-离子浓度分别增加3.1倍和2.3倍.环境空气中SO42-和NO3-主要是由其前体物SO2和NOX通过大气化学反应产生,颗粒物中硫酸盐和硝酸盐对大气光辐射具有散射作用,环境空气中SO42-和NO3-的生成和累积也是造成大气能见度下降的重要原因.

图4 不同能见度等级SO42-、NO3-浓度变化Fig.4 Mass concentration of SO42-、NO3- at different visibility level

2.5 不同颗粒物成分对能见度的消光贡献

利用美国 IMPROVE研究计划获得的气溶胶消光系数计算公式[17],计算天津春季大气气溶胶消光系数,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为消光系数, Mm-1; f (RH)为相对湿度增长系数(随RH变化)[18]; POM为有机物,其值约为OC的1.4倍;LAC即为吸光性碳EC;Soil为土壤尘; Coarse mass为粗颗粒物质量(空气空力学粒径大于2.5mm小于10mm的颗粒).

根据公式计算各颗粒物组分对消光系数的贡献(表 3),其中 SO42-散射消光的贡献率在10.6%～37.1%之间变化,平均值为 28.7%.NO3-散射消光的贡献率在 2.7%～12.7%之间变化,平均值为 6.1%.有机物散射消光的贡献率在22.5%～38.7%之间变化,平均值为27.6%.OC吸收消光的贡献率在 22.5%～38.7%之间变化,平均值为27.6%.EC吸收消光的贡献率在13.3%～27.3%之间变化,平均值为 19.2%.表明观测期间对大气消光的主要贡献者是SO42-,OC和EC,其中OC对大气消光的贡献要大于 EC.颗粒物中 SO42-,OC和 EC是对大气能见度消光的主要组分,这一结果与广州类似[19],改善大气能见度应主要控制造成大气氧化性增强及二次颗粒物生成的前体物.

表3 不同颗粒物组分对消光系数的贡献(%)Table 3 Contribution of particulate components to atmospheric extinction coefficient (%)

3 结论

3.1 颗粒物质量浓度与能见度变化呈负相关,小粒径颗粒对能见度的作用明显,而且随着能见度的降低小粒径颗粒与大粒径颗粒浓度的比值明显增加.能见度与颗粒物中总碳质量浓度变化呈负相关.

3.2 观测期间SO42-,NO3-,OC和EC对大气消光贡献率平均为 28.7%,6.1%,27.6%和 19.2%.表明颗粒物中SO42-,OC和EC是对大气能见度消光的主要组分,其中硫酸盐浓度对能见度影响最大,其次为有机碳浓度、元素碳浓度,硝酸盐浓度对能见度的影响相对较小.

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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

环保公益性行业科研专项(201009001-4);天津市科委基金项目(10JCYBJC05800)

* 责任作者, 教授, fengyc@nankai.edu.cn

边 海(1959-),男,天津人,副研究员,主要研究方向是大气物理与环境.发表论文5篇.