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中国环境科学2012,32(3):406--410 China EnvironmentaI Science 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 (1.天津市气象科学研究既天津300074;2.南开大 学环境科学与工程学院,天津300071) 摘要: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’,j、粒径颗粒对能见度的影响作用明显, 随着能见度的降低.,J、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.8042,No3,OC和Ec对 大气消光贡献平均值分别为28. ,6.1%,27.6%和l9.2%.表明观测期间颗粒物中5042,0C对能见度的影响明显. 关键词:大气能见度;PMl0;PM2 5:水溶性离子;碳组分 中图分类号:X823 文献标识码:A 文章编号;1000—6923(2o ̄2)03—0406-05 Relationship between atmospheric visibility and particulate matter pollution in Tianjin.BIAN Hai ,HAN Su—qin , ZHANG Yu.fen ,FENG Yin.chang2’,WU Jian-hui ,YAO Qing (1.Tianjin Institute of Meteorological Science,Tianjin 300074,China;2.College ofEnvironmental Science and Engineering,Nankai University,Tianjin 300071,China).China Environmental Science,2012,32(3):406-410 Abstracts:Relationship between atmospheric visibility and particulate matter was analyzed using the observed hourly visibiliyt,relative humidiyt,wind speed and particulate sample data at Tianjin atmospheric boundary sattion in 2009. vismility had signiifcant negative co,eltaion with the mass concentration of hte particulate maaem.The ratio of mass concentration between PM2.5 nad PM2 5 10 increased considerably when the visibiliyt reduced,implying that PM2.5 played major role in the poor visibiliyt.Atmospheric visibility also had signiifcant negative correlation with the mass concentration ofthe total carbon.The average contribution of 804 ,NO3’,OC nad EC to atmospheric extinction coefifcient Was 28.7%,6.1%,27.6%and 19-2%,showing that sulfate and organic carbon were the main components influencing hte visibiliyt. Key words:atmospheric visibility;PM1o;aM251 water-soluble iron;carbonaceous species .随着城市化和工业化的迅速发展,能见度下 近年来天津市发生低能见度的日数逐年增 降已经成为重要的城市大气环境问题【l_4】.影响 加,低能见度事件逐渐成为公众关注的焦点B2]. 大气能见度的因素主要包括气象因子和空气污 本研究在分析气象要素对能见度影响的基础上, 染因子.空气湿度、风速和颗粒物浓度是影响能 探讨不同等级能见度下不同粒径颗粒物质量浓 见度的主要因素 J.颗粒物主要通过散射和吸收 度、碳组分、离子组分与能见度的可能关系,以 影响能见度【61J,颗粒物的散射作用大约占其对 期了解造成天津市能见度下降原因,为改善区域 大气消光系数的70%,颗粒物的消光贡献可以达 大气能见度,环境治理等提供依据. 到总大气消光的90%l 1.粒径小于2.5p.m的气溶 胶粒子在2=0.55 ̄tm处对太阳辐射的散射明显 1 实验地点与采样方法 大于粗粒子的散射作用【9].大气能见度与总碳质 观测地点设在天津市大气边界层观测站内, 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【l。。.当元素碳的质量浓度高 收稿日期:2011-06-10 基金项目:环保公益性行业科研专项(201 009001-4); ̄津市科委基 于15 ̄tg/m 时会对通过吸收作用可造成能见度 金项 ̄OoJcYBJC05800) 下 I1. ’责任作者,教授,fengyc@nankai.edu.ca
408 中国环境科学 32卷 的二级质量标准限值【14],pM2II级提高到I级的过程中,相应的PMlo 5质量浓度变化趋 见度由IPM2.5质量浓度 势与PMl0一致,且浓度较高.表明采样期间颗粒 质量浓度分别降低了14%和37%,.进一步分析不同等级能见 物污染突出.颗粒物浓度与能见度总体上呈现反 分别降低7%和49%.PM2.5在 相关关系,即随着颗粒物浓度的升高,大气能见度 度下不同粒径颗粒物间的关系表明,0中占有较大比例,随着能见度的降低,小粒 明显下降.当PMl0质量浓度最大达401 g/m , PM PM2tg/m3,相应的 径颗粒与大粒径颗粒浓度的比值明显增an,特别 5质量浓度也达到最高值288b.PM2.5浓度占PMlo浓 能见度下降到5km以下.说明颗粒物浓度大小对 是能见度降到5km以下时,大气能见度有显著的影响. 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 Table2 MassconcentrationofPMandmaincomponents f、 叁 日期 indiferent sizeunderdiferentvisibiliyltevel 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 ofPM concen ̄ion and visibility during observe period —o—PMl0一△一PM2 5一口一能见度 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PM】0质量浓度从319.Op,g/m3 降到272.81.tg/m3,PM24 ̄g/m 降 5质量浓度从265..到227.01.tg/m3,能见度也从5.03kin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、 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 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 素碳,其中有机碳由排放源直接排放和二次形成 主要对光辐射起散射效应.元素碳 颗粒物污染对大气能见度的影响,除了气象因素 的有机碳构成,对光辐射有吸 和颗粒物浓度外,还应该分析颗粒物的粒径及其 主要由各种燃料不完全燃烧产生,收效应.根据采样结果分析不同能见度等级下天 2.3能见度与颗粒物粒径的关系 津市大气颗粒物总碳质量浓度、元素碳质量浓度 图3):能见度在I,II,III级 将观测期间能见度按等级划分,统计分析相 及有机碳质量浓度分布(对应的PM】0中总碳浓度分别为 应各能见度等级下的不同粒径颗粒物质量浓度 之间变化时,化学组分对大气的消光作用. (表2),I级平均能见度为16.7km,II级能见度平均 l8.7,25.3,30.1 ;元素碳浓度分别为5.1,6.7, 61.tg/m3;: ̄机碳浓度分别为13.6,18.6,23.3 ̄tg/m3. 值为6.6km,III级能见度平均值为3.9kin:大气能 7.
3期 边海等:天津市大气能见度与颗粒物污染的关系 可以看出,当能见度由I级降为III级时,颗粒物中 和硝酸盐对大气光辐射具有散射作用,环境空气 碳组分浓度呈明显的上升趋势,同时,OC与EC的 中8042-和NO3-的生成和累积也是造成大气能见 比值也从2.7上升到3.1,PM25中各组分含量随 度下降的重要原因. 能见度变化也有类似规律.PM25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PMl0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[I I6],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. 一 III/望v 蟥 NO3(PMIo)SO42一(PM10) NOr(PM25)SO42(VM2 5) .如 ∞ 如 }、NO3浓度变化 0 图4不同能见度等级SO4Fig.4 Mass concentration of SO4}、NO3 at different visibiliy ltevel 囊 ■■<5kin口5 ̄10km >10km 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【1 刀,计算天津春季大气气溶 胶消光系数,公式如下: aext:3f(RH)【( m4)2804+NH4NO3]+4[POM】 +10[LAC】+1[soil】+O.6[coarse mass]+10 (1) 茵 蠖 墨 |. 式中:‰为消光系数,M1"n- ;f(RH)为相对湿度 增长系数(随RH变化)【l剐;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2.5 】小于101am的颗粒). 根据公式计算各颗粒物组分对消光系数的 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 贡献(表3),其中SO4 一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 l<5km口5 ̄10km >lOkm 由图4可见,天津市颗粒物中SO42一浓度远远 22.5%~38.7%之间变化,平均值为27.6%.OC吸收 5%~38.7%之间变化,平均值 大于NOr,I级能见度降到II级时,NO3一和SO4 消光的贡献率在22.离子浓度都有明显增加.PM2.5中8042-和NO3-离 为27.6%.EC吸收消光的贡献率在13.3% ̄27.3% 平均值为19.2%.表明观测期间对大气 子浓度分别是原来的3.5倍和2.3倍,PMl0中 之间变化,2-,oc和EC,其中OC对 SO4 和NO3-离子浓度分别增加3.1倍和2.3倍. 消光的主要贡献者是804颗粒物中8042-,OC 环境空气中8042-和NO3-主要是由其前体物SO2 大气消光的贡献要大于EC.和NOx通过大气化学反应产生,颗粒物中硫酸盐 和EC是对大气能见度消光的主要组分,这一结
410 中国环境科学 32卷 果与广州类似【 l,改善大气能见度应主要控制造 研究【J】.气候与环境研究,2006,11(6):733—738. 【1O】张索敏,王赞红,张荣英,等.石家庄市大气能见度变化特征及其 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(o/o) Table 3 Contribution of particulate components to 与大气颗粒物碳成分的关系【J].河北师范大学学报/自然科 学版,2008,32(6):825—833. [1 1】Deng Xuejiao,Tie Xuexi,Wu Dui,et a1.Long—ertm trend of visibility andits characterizationsinthe PearlRiverDelta(PRO) region,China叽.Atmospheric Environment,2008,42(7):1424— atmospheric extinction coefficient(%) 143j. 【12】吴彬贵,解以扬,吴丹朱,等.京津塘高速公路秋冬季低能见度及 应对措施[J1.自然灾害学报,2009,18(4):12—17. [13】QX/T 113—2010霾的观测和预报等级【S】. 【14】GB 3095—1996环境空气质量标准【s】. 【15】吴琳,冯银厂,戴莉,等.天津市大气中PMI()、PM2 s及其碳组 3结论 分污染特征分析[J】.中国环境科学,2009,29(11):l134—1139. 【16】叶文嫒.大气颗粒物中二次有机碳估算方法的研究与比较【D】. 3.1 颗粒物质量浓度与能见度变化呈负相关, 度的降低小粒径颗粒与大粒径颗粒浓度的比值 天津:南开大学,2011. 小粒径颗粒对能见度的作用明显,而且随着能见 【17】Sitfer J F,Maim W C.Interpretation of tendsr of PM2 5 and reconstructed visibility from the IMPROVE network【J】.J.Air 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-,Of和EC对大气消光 Waste ManagAssoc.,2O00,50(5):775—789 [18】Maim W C,Derek E D.Estimates of aerosol species scatteirng characteristics as a function of relative humidiy啊.Attmos. Environ.,2001,35:2845—2860 贡献率平均为28.7%,6.1%,27.6%和19.2%.表明 【l9】陶俊,张仁健,许振成,等.广州冬季大气消光系数的研究[J】. 颗粒物中8042-,OC和EC是对大气能见度消光 气候与环境研究,2oo9,14(5):484-490. 的主要组分,其中硫酸盐浓度对能见度影响最大, 1959一),男,天津人,副研究员,主要研究方向是大 其次为有机碳浓度、元素碳浓度,硝酸盐浓度对 作者简介:边海(能见度的影响相对较小. 气物理与环境.发表论文5篇. 参考文献: …1 Doylem Doding S.Visibility trends in the UK 1950~1997【J】. Atmos—phefic Environment,2002,36(19):3163—3172. 【2】林盛群,林莽,万军明,等.香港大气能见度与污染物长期变化 的特征和相互关系[J].中国环境科学,2009,29(4):35 1—356. 【3】徐政,李卫军,于阳春,等_济南秋季霾与非霾天气下气溶胶光 学性质的观测【J】.中国环境科学,2011,3I(4):546—552. [4 孙4】霞,银燕,孙玉稳,等.石家庄地区春季晴、霾天气溶胶观测 研究田.中国环境科学,2011,31(5):705—713. 【5 王淑英,5】张小玲,徐晓峰.北京地区大气能见度变化规律及影响 因子统计分析 .气象科技,2003,31(2):109—114 [6】 韩素芹,张裕芬,李英华,等厌滓市春季气溶胶消光特征和辐射 效应的数值模拟阴.中国环境科学,2011,31(1):8—12. [7】 陈义珍,赵丹,柴发合,等广州市与北京市大气能见度与颗粒 物质量浓度的关系[J].中国环境科学,2010,30(7):967-971. [8】刘新民,邵敏.北京市夏季大气消光系数的来源分析[J].环 境科学学报,2004,24:185—189. 【9】刘新罡,张远航,曾立民,等.广州市大气能见度影响因子的贡献
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