南京霾天颗粒物数浓度特征及其受气象条件影响分析

南京霾天颗粒物数浓度特征及其受气象条件影响分析

花艳1,2 潘良宝1,2 汤莉莉1,2 陈杨1,2 魏建苏3

【摘 要】摘要：2013年12月，我国中东部地区爆发持续性霾污染过程。本研究利用空气动力学粒径谱仪和气溶胶粒径谱仪在线观测这次霾污染过程中13.6～20 000 nm颗粒物数浓度，结合气象参数和颗粒物化学组分对南京霾天颗粒物数浓度分布特征，及其与气象条件相关性进行分析。结果表明，霾天颗粒物主要分布在积聚模态，且500～1 000 nm和1 000～2 500 nm粒径段颗粒物数浓度的增多是造成霾天能见度低的主要原因；随着相对湿度的增大，13.6～100 nm粒径段颗粒物数浓度逐渐降低，而大于100 nm颗粒物数浓度升高； 500～1 000 nm和1 000～2 500 nm粒径段颗粒物数浓度受相对湿度的影响尤为明显，并且这2个粒径段颗粒物受气态污染物(SO2，NOX)的二次转化影响较大。霾污染期间南京大气颗粒物主要来自南京东南和西北方向的污染源排放，颗粒物数浓度总体上与风速呈负相关关系；温度对颗粒物数浓度的影响主要集中在13.6～100 nm粒径段；边界层的高度与粒径>100 nm颗粒物呈负相关性，边界层的抬升反而利于超细粒子的生成和增长；逆温层的强度对超细粒子的作用更为明显。 【期刊名称】气象科学 【年(卷),期】2017(037)003 【总页数】9

【关键词】霾；大气颗粒物；数浓度；气象条件；南京

引 言

大气颗粒物是形成霾天气的首要污染物[1，2]，不仅显著降低大气能见度，还

携带有害物质进入呼吸系统，从而影响人体健康[3，4]。虽然目前国内大部分研究以颗粒物质量浓度来描述气溶胶浓度特征和分布情况，但颗粒物的数浓度对人类健康影响更大[5]，研究颗粒物数浓度特征有助于进一步了解大气颗粒物的性质和环境效应[6]。研究表明，大气颗粒物的粒径分布一般呈连续多峰分布，是影响气溶胶光学特性以及云凝结核数量的重要参数[7]。由于颗粒物在环境、健康、气候等方面起着重要的作用，对其数浓度以及粒径特征研究已成为气溶胶前沿科学问题。大气颗粒物数浓度除了受本地污染源排放的直接影响，温度、湿度以及边界层高度会影响颗粒物数浓度[8，9]，气团来源[10]对颗粒物数浓度及其谱分布也有一定影响，并且不同区域的传输使得颗粒物数浓度特征差异明显[11]。因此，气象条件、气团来源也是影响大气颗粒物数浓度特征的重要因素[12-14]。

长三角地区属于我国重污染地区之一，霾污染严重，且霾日数呈逐年增多趋势[10]。以南京为例，据统计结果表明[16]，1980—2001年，南京霾日数从40 d增加到140 d，造成大气环境质量下降，严重危害人们的日常生活和公共安全。而针对不同气象条件下南京地区细颗粒物数浓度及粒径特征研究不多。本研究以南京2013年12月一次持续性霾天气为例，分析霾天气下颗粒物数浓度分布及日变化特征，探讨了气象条件与不同粒径段颗粒物数浓度的相关性，以期进一步认识霾天气下大气颗粒物污染特征，为大气重污染防治提供科学依据。

1 研究方法

1.1 观测地点与时间

观测点位于江苏省环境监测中心大气多参数观测站楼顶(32°05′ N,118°76′ E)，距地高度约为18 m，该点位15 m外是交通密集干道，并且周围环境以餐饮业、

居民区和办公楼为主，可以代表城市所具有的基本特征。

观测时间选取2013年11月29日和12月1—9日，根据观测期间的气象条件和AQI指数，11月29日为晴天且能见度在10 km以上，属于清洁天；12月1—9日能见度小于10 km且日均相对湿度小于80%，定义为霾天。观测前分别对仪器进行了校准和检修，同时通过地面自动站获取逐时能见度、相对湿度、温度、风速风向等常规气象数据。 1.2 仪器及原理

本研究采用美国TSI公司生产的3081/3085型气溶胶粒径谱分析仪(SMPS)和3321型空气动力学粒径谱仪(APS)对2.5～20 000 nm颗粒物的粒径大小和粒径分布进行测量。SMPS由3部分组成，即微分迁移率分析仪(DMA)、凝结核计数器(CPC)和电子分级器(EC)组成，其中DMA有两种的测量范围分别为2.5～85 nm(DMA3085),10～500 nm(DMA3081)。SMPS主要工作原理是EC产生稳定的、单分散的、粒径从2～1 000 nm的亚微米级气溶胶，CPC可以高效地测量细微颗粒物的数浓度，并且蒸汽鞘流能够将全部颗粒物控制住过饱和状态，使检测结果具有一个非常精确的检测下限值。

APS主要测量空气动力学粒径在500～20 000 nm范围内的气溶胶粒子，能够在宽粒径范围内实现在线、高分辨率测量颗粒物的空气动力学直径和数谱分布，时间分辨率可以达到1 s。APS的测量原理是测定每一粒子通过两束近距离激光束的飞行时间，以此换算粒子的空气动力学粒径。本次观测采样时间分辨率均为5 min。

此次观测还采用水溶性离子分析仪(MARGA, 荷兰能源研究所(ECN)与瑞士万通(Metrohm)及其子公司Applikon共同研制)对可溶性离子成分进行实时在线连