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        空氣自動(dòng)監(jiān)測中PM2.5與PM10“倒掛”現(xiàn)象特征及原因

        2014-04-25 03:49:04潘本鋒鄭皓皓李莉娜
        中國環(huán)境監(jiān)測 2014年5期
        關(guān)鍵詞:環(huán)境空氣天平恒溫

        潘本鋒,鄭皓皓,李莉娜,汪 巍

        中國環(huán)境監(jiān)測總站,國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100012

        2012年中國頒布了新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012),新標(biāo)準(zhǔn)與《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—1996)相比增加了 PM2.5指標(biāo)。按照國家環(huán)保部關(guān)于空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施“三步走”的戰(zhàn)略部署,從2013年起全國直轄市、省會(huì)城市、計(jì)劃單列市、京津冀、長三角、珠三角等共計(jì)74個(gè)重點(diǎn)地區(qū)城市,按照空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)先行開展了 PM2.5監(jiān)測,并實(shí)時(shí)發(fā)布 PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3等6項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果。其中PM10與PM2.5均是用來表征空氣中顆粒物污染狀況的指標(biāo)。

        環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中將PM10定義為環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10 μm的顆粒物[1],將PM2.5定義為環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物[1],從定義可以看出,PM2.5屬于PM10的一部分,因此,理論上同一點(diǎn)位、同一時(shí)段PM10的濃度應(yīng)該大于PM2.5的濃度;而在監(jiān)測工作實(shí)際中,PM2.5與PM10監(jiān)測方法尚不統(tǒng)一,各方法的監(jiān)測原理和儀器設(shè)計(jì)各不相同,常常出現(xiàn)PM2.5濃度大于PM10濃度的現(xiàn)象,即人們常說的PM2.5與PM10出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象[2-9]。根據(jù)美國、日本等國家環(huán)保部門公布的PM2.5與PM10監(jiān)測結(jié)果來看,“倒掛”現(xiàn)象在這些國家也有發(fā)生?!暗箳臁爆F(xiàn)象明顯不符合邏輯,使人們對(duì)PM10和PM2.5的監(jiān)測結(jié)果感到困惑,影響公眾對(duì)空氣質(zhì)量真實(shí)狀況的理解和判斷。結(jié)合中國環(huán)境監(jiān)測工作實(shí)際情況,從顆粒物自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)的原理和方法、顆粒物監(jiān)測儀器配置情況、測量誤差分析等方面對(duì)PM2.5與PM10“倒掛”現(xiàn)象的特征和原因進(jìn)行了研究和分析。

        1 “倒掛”現(xiàn)象特征分析

        1.1 常見監(jiān)測方法組合下“倒掛”現(xiàn)象分析

        目前,在國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)PM10的監(jiān)測方法主要有2種,即β射線法(采樣管恒溫加熱)和振蕩天平法;PM2.5監(jiān)測方法也有2種,即β射線加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)法和振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)法,因此PM10與PM2.5共有4種不同的監(jiān)測方法組合。據(jù)初步統(tǒng)計(jì),中國環(huán)境空氣監(jiān)測網(wǎng)中PM10及PM2.5監(jiān)測采用振蕩天平法的比例約占15%,采用β射線法的比例約占85%。

        中國環(huán)境監(jiān)測總站大氣監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室針對(duì)各種不同的PM10與PM2.5監(jiān)測方法組合分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時(shí)段涵蓋2013年冬、春、夏、秋4個(gè)季節(jié),每個(gè)季節(jié)實(shí)驗(yàn)天數(shù)至少30 d,實(shí)驗(yàn)中所用儀器為FH62C14型PM10監(jiān)測儀、1405A型 PM10監(jiān)測儀、SHARP5030型PM2.5監(jiān)測儀、1405F型 PM2.5監(jiān)測儀等。每個(gè)季度實(shí)驗(yàn)前后對(duì)每臺(tái)儀器進(jìn)行流量檢查(校準(zhǔn))和標(biāo)準(zhǔn)膜檢查(校準(zhǔn)),確保監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確及儀器之間的可比性。

        實(shí)驗(yàn)中不同PM10與PM2.5監(jiān)測方法組合下的“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率見表1。

        表1 不同監(jiān)測方法組合下“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率

        由表1可見,采用不同PM10與PM2.5監(jiān)測方法組合時(shí),“倒掛”率存在較大差異??傮w而言,當(dāng)PM10采用振蕩天平法時(shí)“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率明顯高于 PM10采用β射線法時(shí)的“倒掛”率;當(dāng)PM10與PM2.5均采用β射線法時(shí)“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率最低;日均值的“倒掛”率明顯低于小時(shí)值。

        1.2 其他監(jiān)測方法組合下“倒掛”現(xiàn)象分析

        目前,國際上對(duì)于PM10及PM2.5的自動(dòng)監(jiān)測方法并不統(tǒng)一,雖然中國對(duì)國家環(huán)境空氣監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)的PM2.5監(jiān)測方法進(jìn)行了規(guī)范,但對(duì)PM10監(jiān)測方法并沒有明確要求。如對(duì)于振蕩天平法PM2.5監(jiān)測儀要求聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng),對(duì)于振蕩天平法PM10監(jiān)測儀是否也必須聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng),目前還沒有明確規(guī)定。因此在許多高等院校和科研單位的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以及其他行業(yè)的監(jiān)測站點(diǎn),PM10與PM2.5的監(jiān)測方法存在多種其他組合形式。對(duì)某些其他自動(dòng)監(jiān)測方法組合下的“倒掛”現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見表2。

        表2 其他監(jiān)測方法組合下“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率

        由表2可見,當(dāng)PM10與PM2.5都采用振蕩天平法時(shí)“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率為9.8%;而當(dāng)PM10采用振蕩天平法聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng),無論P(yáng)M2.5采用何種方法(包括振蕩天平法、振蕩天平法聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)、β射線加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)法),均未出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象;當(dāng)PM10采用β射線法(采樣管恒溫加熱),PM2.5使用振蕩天平法時(shí),也未出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象。

        1.3 不同季節(jié)間的比較

        中國大部分地區(qū),冬、春、夏、秋4個(gè)季節(jié)的氣象條件存在明顯差異,并且受氣象條件及污染源排放特征的影響,4個(gè)季節(jié)間顆粒物污染濃度和污染特征也存在顯著差異。因此對(duì)各種PM10與PM2.5的自動(dòng)監(jiān)測方法組合在冬、春、夏、秋4個(gè)季節(jié)的“倒掛”現(xiàn)象分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,PM10射線法(采樣管恒溫加熱),PM2.5β射線法(采樣管采用動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)法),分析結(jié)果見圖1、圖2,實(shí)驗(yàn)期間4個(gè)季節(jié)的氣象條件變化見圖3。

        摘 要:結(jié)合當(dāng)前我國小學(xué)體育教學(xué)的情況,分析了小學(xué)體育教育中滲透德育教育的現(xiàn)狀及問題,從自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)實(shí)踐出發(fā),多角度論述了我國小學(xué)體育教學(xué)滲透德育的對(duì)策,希望對(duì)今后小學(xué)體育教學(xué)的發(fā)展有所幫助。

        圖1 不同季節(jié)“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果(小時(shí)值)

        圖2 不同季節(jié)“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果(日均值)

        圖3 實(shí)驗(yàn)期間4個(gè)季節(jié)的氣象條件

        由圖1、圖2和圖3可見,無論P(yáng)M10與PM2.5采用何種監(jiān)測方法,冬、夏季節(jié)PM2.5與PM10“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率相對(duì)較高,而春、秋季節(jié)“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率相對(duì)較低。

        結(jié)合不同季節(jié)間的環(huán)境條件差異分析,冬、夏季空氣相對(duì)濕度最高,而春、秋季空氣相對(duì)濕度最低。表明大氣相對(duì)濕度對(duì)PM2.5與PM10“倒掛”現(xiàn)象的發(fā)生率有一定的影響。

        1.4 不同顆粒物濃度下的“倒掛”現(xiàn)象分析

        將 PM2.5濃度劃分為 35 μg/m3以下、35 ~75、75~150、150 μg/m3以上 4 個(gè)區(qū)間,將采用各種不同PM10與PM2.5監(jiān)測方法組合時(shí)所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分析“倒掛”現(xiàn)象發(fā)生時(shí)PM2.5的濃度區(qū)間分布情況,結(jié)果見圖4(不同方法組合以PM10/PM2.5表示)。

        圖4 不同方法組合“倒掛”時(shí)PM2.5濃度分布

        由圖4可見,在各種不同的 PM2.5與PM10監(jiān)測方法組合中,針對(duì)PM2.5小時(shí)濃度而言,大于150 μg/m3的區(qū)間在“倒掛”樣本中所占比例最高;對(duì)于 PM2.5日均濃度,75~150 μg/m3區(qū)間在“倒掛”樣本中所占比例最高;小于75 μg/m3區(qū)間在“倒掛”樣本中所占比例均較低。實(shí)驗(yàn)期間PM2.5小時(shí)濃度值在 35 μg/m3以下、35 ~75、75 ~150、150 μg/m3以上4個(gè)濃度區(qū)間的分布比例分別為30%、23%、22%、25%,4個(gè)濃度區(qū)間的樣本量基本相當(dāng),表明對(duì)各種PM2.5與PM10監(jiān)測方法組合,均表現(xiàn)為當(dāng)PM2.5濃度較高時(shí),出現(xiàn)PM2.5與PM10“倒掛”的幾率更大。

        2 “倒掛”現(xiàn)象原因分析

        2.1 測量誤差導(dǎo)致“倒掛”

        《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》(HJ 653—2013)與《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)安裝與驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》(HJ 655—2013)中均規(guī)定PM10監(jiān)測儀器與PM2.5監(jiān)測儀器的測量誤差上限為15%[10-11],因此當(dāng)特定條件下,環(huán)境中PM2.5占PM10的比例較高時(shí)(如90%以上),PM2.5與PM10的濃度本身極為接近(相對(duì)偏差小于10%),由于PM10和PM2.5在自動(dòng)監(jiān)測過程中的隨機(jī)測量誤差不可避免,即使各自的測量誤差均小于15%,誤差本身也可能造成PM2.5與PM10的監(jiān)測結(jié)果發(fā)生“倒掛”,這在允許誤差范圍內(nèi),監(jiān)測結(jié)果在實(shí)際工作中可以接受。

        2.2 PM10與PM2.5監(jiān)測方法不同導(dǎo)致“倒掛”

        目前,PM10與PM2.5常用的監(jiān)測方法有所不同,對(duì)同一時(shí)段內(nèi)采用振蕩天平法、β射線法和振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法測定PM10與PM2.5的結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果表明,幾種不同的監(jiān)測方法之間測定結(jié)果存在明顯差異。

        分別用振蕩天平法、β射線法(采樣管恒溫加熱)和振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法同時(shí)測定環(huán)境空氣中的 PM10,所用儀器型號(hào)分別為1405A、FH62C14、1405F,測得結(jié)果見圖 5 和圖6。

        圖5 3種不同方法測得的PM10監(jiān)測結(jié)果(小時(shí)值)

        圖6 3種不同方法測得的PM10監(jiān)測結(jié)果(平均值)

        由圖5和圖6可以看出,對(duì)于PM10來說,振蕩天平法(1405A)測得的結(jié)果最低,β射線法(FH62C14,采樣管恒溫加熱)測得的結(jié)果居中,振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法(1405F)測得結(jié)果最高。實(shí)驗(yàn)期間振蕩天平法測得結(jié)果與β射線法的相對(duì)偏差為20.4%,與振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法相對(duì)偏差為35.3%。

        2.2.2 各種監(jiān)測方法在PM2.5測定中的差異分析

        圖7 3種不同方法測得的PM2.5監(jiān)測結(jié)果(小時(shí)值)

        圖8 3種不同方法測得的PM2.5監(jiān)測結(jié)果(平均值)

        分別用振蕩天平法、β射線加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)法和振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法同時(shí)測定環(huán)境空氣中的 PM2.5,實(shí)驗(yàn)所用儀器型號(hào)分別為1405A、SHARP5030、1405F,測得結(jié)果見圖 7 和圖8。由圖7和圖8可見,對(duì)于PM2.5來說,振蕩天平法(1405A)測得的結(jié)果最低,而β射線加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)法(SHARP5030)與振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法(1405F)測得結(jié)果基本相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)期間振蕩天平法測得結(jié)果與β射線法相對(duì)偏差為26.5%,與振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法的相對(duì)偏差為27.0%。

        2.2.3 β射線法恒溫加熱與動(dòng)態(tài)加熱差異分析對(duì)于β射線法而言,在監(jiān)測過程中為防止采樣管結(jié)露對(duì)測量結(jié)果造成影響,通常需要將采樣管加熱。但是目前PM10監(jiān)測儀與PM2.5監(jiān)測儀的采樣管加熱方式并不一致。PM10采用了恒溫加熱方式,將采樣管及采樣平臺(tái)加熱至40℃,而在PM2.5監(jiān)測過程中采用了采樣管動(dòng)態(tài)加熱技術(shù),即根據(jù)樣氣濕度的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣管加熱溫度。分別采用恒溫加熱方式和動(dòng)態(tài)加熱方式同時(shí)測定環(huán)境空氣中PM10和PM2.5,實(shí)驗(yàn)所用儀器型號(hào)分別為 FH62C14、SHARP5030,測得結(jié)果見圖9~圖12。

        圖9 恒溫加熱與動(dòng)態(tài)加熱測得的PM10結(jié)果(小時(shí)值)

        圖10 恒溫加熱與動(dòng)態(tài)加熱測得的PM10結(jié)果(平均值)

        圖11 恒溫加熱與動(dòng)態(tài)加熱測得的PM2.5結(jié)果(小時(shí)值)

        圖12 恒溫加熱與動(dòng)態(tài)加熱測得的PM2.5結(jié)果(平均值)

        由圖9~圖12可以看出,分別用 β射線法(FH62C14,采樣管恒溫加熱)和β射線法(SH ARP5030,采樣管動(dòng)態(tài)加熱)測定 PM10和 PM2.5,采樣管恒溫加熱時(shí)的監(jiān)測結(jié)果均低于采樣管動(dòng)態(tài)加熱時(shí),兩者之間相對(duì)偏差分別為7.7%和10.8%。

        2.2.4 不同監(jiān)測方法間差異原因分析

        國際上常用的PM10和PM2.5監(jiān)測方法主要有振蕩天平法、振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法和β射線法。振蕩天平法在測量過程中為了防止空氣中水分對(duì)測量過程的影響,需將采集樣品后的濾膜加熱并保持在50℃,在此過程中將會(huì)使顆粒物中的部分揮發(fā)性組分揮發(fā)而造成損失;而振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法,由于增加了樣氣除濕裝置,所以不需將樣品高溫加熱,同時(shí)利用補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)揮發(fā)性組分的揮發(fā)損失進(jìn)行了補(bǔ)償,因此振蕩天平法聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法后測得結(jié)果高于振蕩天平法。

        對(duì)于β射線法,采樣管采用恒溫加熱時(shí),加熱溫度過高也將造成顆粒物中揮發(fā)性組分的損失;而采用動(dòng)態(tài)加熱時(shí),可以根據(jù)空氣中相對(duì)濕度的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱溫度,在防止采樣管結(jié)露的同時(shí),最大限度地減少了采樣管加熱造成的揮發(fā)性組分損失,因此測得結(jié)果高于恒溫加熱法。

        目前,國內(nèi)外對(duì)于PM10的自動(dòng)監(jiān)測方法尚沒有統(tǒng)一,如在美國獲得認(rèn)可的PM10自動(dòng)監(jiān)測方法是振蕩天平法[12],而在英國則是振蕩天平法聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法[13]。隨著人們對(duì)顆粒物自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)認(rèn)識(shí)的深入,開展PM2.5自動(dòng)監(jiān)測時(shí),國內(nèi)外普遍要求采用振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)法和β射線加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)法。

        前述PM10與PM2.5不同監(jiān)測方法比較結(jié)果表明,振蕩天平法、β射線法、振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法之間本身存在顯著偏差。

        在中國,環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的PM10與PM2.5自動(dòng)監(jiān)測方法有2種,即振蕩天平法和β射線法[1],并未規(guī)定對(duì)揮發(fā)性組分的補(bǔ)償方式和采樣管的加熱方式。在國家環(huán)境空氣監(jiān)測網(wǎng)能力建設(shè)中僅要求了PM2.5的監(jiān)測方法為振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法、β射線加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)法,而對(duì)PM10的監(jiān)測方法并沒有做出明確要求。目前,采用振蕩天平法和β射線法(采樣管恒溫加熱)測定PM10時(shí),受管路、測量室加熱等影響,測量結(jié)果偏低。而采用振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法和β射線加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)法測定PM2.5時(shí),測定結(jié)果得到補(bǔ)償,因此監(jiān)測方法之間的差異可能會(huì)導(dǎo)致“倒掛”。

        3 結(jié)論與建議

        1)環(huán)境空氣中顆粒物PM2.5與PM10采用不同原理的監(jiān)測方法組合時(shí),“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率存在一定差異。當(dāng)PM10采用振蕩天平法時(shí),“倒掛”現(xiàn)象發(fā)生率明顯高于PM10采用β射線法的結(jié)果;當(dāng)PM10與PM2.5均采用β射線法時(shí)“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率最低;而當(dāng)PM10采用振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法時(shí),無論P(yáng)M2.5采用何種方法,未出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象。不同季節(jié)中冬、夏季PM2.5與PM10“倒掛”現(xiàn)象出現(xiàn)率較高;而春、秋季出現(xiàn)率較低。分析表明空氣相對(duì)濕度和溫度對(duì)“倒掛”現(xiàn)象的發(fā)生有一定影響。

        2)導(dǎo)致PM2.5與PM10發(fā)生“倒掛”的原因,一是當(dāng)PM2.5占PM10比例較高時(shí),測量過程中的誤差可能導(dǎo)致“倒掛”現(xiàn)象發(fā)生,但此時(shí)誤差在允許范圍之內(nèi),監(jiān)測結(jié)果可以接受;二是當(dāng)PM2.5與PM10采用不同原理的監(jiān)測儀器和方法時(shí),監(jiān)測儀器和方法之間的差異可能導(dǎo)致“倒掛”現(xiàn)象發(fā)生,而不同原理的監(jiān)測方法對(duì)樣品溫度、濕度的校正程度不同,以及對(duì)揮發(fā)性組分的補(bǔ)償程度不同可能是造成監(jiān)測結(jié)果差異的主要原因。

        3)考慮到不同方法之間的差異性,建議在中國開展PM10與PM2.5監(jiān)測時(shí),盡可能選用同樣原理的自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備,各地可根據(jù)具體情況,同時(shí)選用振蕩天平聯(lián)用膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)法或β射線加動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)法,以避免出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象,保證PM10與PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)的可比性。

        [1]GB 3095—2012 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

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