紀(jì) 芳，吳中華

(襄陽(yáng)市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，湖北 襄陽(yáng) 441000)

1 引言

襄陽(yáng)市地處南陽(yáng)盆地南部，國(guó)土面積1.97萬(wàn)km2,其中山地面積占36.5%，丘陵占54.8%，平原占8.7%[1]。東面和南面分別為桐柏山和大洪山，海拔多在1000 m以下，其間為低丘和坡地，中部的隨棗走廊是南北風(fēng)向的重要通道；鄂北崗地海拔150 m左右，是湖北省年降水量最少的地區(qū)[2]。襄陽(yáng)屬大陸亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，風(fēng)向呈明顯的季節(jié)性變化，冬夏季分別盛行偏北風(fēng)和偏南風(fēng)，春、秋轉(zhuǎn)換季節(jié)內(nèi)風(fēng)向多變。從低空環(huán)流分析，北方冷空氣經(jīng)南陽(yáng)盆地進(jìn)入湖北后傳輸路徑分為兩條：其一是有襄陽(yáng)經(jīng)隨棗走廊傳輸至鄂東南地區(qū)，另一條則是氣團(tuán)經(jīng)襄陽(yáng)南下至荊門[2]。襄陽(yáng)春季平均風(fēng)速最大，一般在3m/s以上。受大氣傳輸通道以及氣象條件，襄陽(yáng)春季易發(fā)生沙塵天氣，通常東北部最先受到沙塵影響，然后在傳輸過(guò)程中逐漸影響西部及南部地區(qū)。

目前已有一些關(guān)于我國(guó)西北、華北地區(qū)的沙塵天氣中顆粒物的研究[3～6]，但華中地區(qū)受北方沙塵傳輸對(duì)空氣質(zhì)量影響研究較少，現(xiàn)對(duì)襄陽(yáng)市2019年春季的一次沙塵天氣的整個(gè)過(guò)程中的大氣顆粒物的成分和粒徑進(jìn)行對(duì)比研究，有助于更好地了解沙塵天氣過(guò)程中顆粒物的組分變化。

2 研究方法

2.1 采樣儀器

采用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀[7](SPAMS,Single Particle Aerosol Mass Spectrometer)。

2.2 環(huán)境空氣樣品采集

利用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀移動(dòng)監(jiān)測(cè)車(單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀SPAMS 0525)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，采樣點(diǎn)位于襄陽(yáng)市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站(32°0′53″N，112°7′43″E)，周邊有學(xué)校、居民區(qū)及較多交通干道。

環(huán)境空氣經(jīng)PM2.5切割頭切割后直接進(jìn)入SPAMS分析，PM2.5切割頭位于移動(dòng)監(jiān)測(cè)車頂部，采樣管經(jīng)車頂采樣口與儀器進(jìn)樣口連接進(jìn)行采樣。采樣時(shí)間為2019年3月20日0:00至3月22日10:00，平均采樣頻率為 個(gè)顆粒/s，共采集含有粒徑信息的顆粒40.2萬(wàn)個(gè)，其中顆粒物粒徑范圍為 0.2～2.0 μm，含有正負(fù)譜圖信息的顆粒為9.8萬(wàn)個(gè)。

2.3 質(zhì)量保證與控制

采樣前采用聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)樣品(PSLs)進(jìn)行粒徑校正，用硝酸鉛溶液對(duì)譜圖進(jìn)行質(zhì)譜偏移校正[8]。監(jiān)測(cè)期間對(duì)單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS 0525)進(jìn)行定期維護(hù)、校準(zhǔn)[9]。

2.4 數(shù)據(jù)分析

將采集到的海量顆粒物通過(guò)自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(ART-2a)[10]進(jìn)行分類。分類過(guò)程中使用的分類參數(shù)為：相似度0.75，學(xué)習(xí)效率0.05。分類后，根據(jù)各類別化學(xué)成分特征將這些顆粒物合并成10類 ：元素碳(Elemental Carbon,EC)、有機(jī)碳(Organic Carbon,OC)、混合碳 (Internally mixed Organic and Elemental Carbon,OC)、高分子有機(jī)碳(Macromolecule OrganicCarbon，HOC)、左旋葡聚糖(Levoglucosan,LEV)、重金屬(Heavy Metal , HM)、富鉀(K-rich，K)、富鈉(Na-rich，Na)、礦物質(zhì)(Mineral Dust,MD)、其他(Other)。此外，參照《大氣顆粒物來(lái)源解析技術(shù)指南(試行)》[11]，根據(jù)大氣顆粒物不同污染來(lái)源特征，利用示蹤離子法[12,13]將襄陽(yáng)市本地大氣顆粒物的污染來(lái)源歸結(jié)為機(jī)動(dòng)車尾氣、燃煤、工業(yè)工藝源、二次無(wú)機(jī)源、揚(yáng)塵、生物質(zhì)燃燒、餐飲及其它等八類。

3 結(jié)果與討論

3.1 監(jiān)測(cè)期間空氣質(zhì)量分析

3月20日6時(shí)中央氣象臺(tái)發(fā)布沙塵暴預(yù)警，受冷空氣大風(fēng)影響，3月20日8時(shí)至21日08時(shí)，新疆東部和南疆盆地、內(nèi)蒙古西部、甘肅河西、寧夏、陜西中北部等地有揚(yáng)沙或浮塵天氣。此次沙塵天氣過(guò)程中沙塵源烏海、阿拉善盟、銀川、中衛(wèi)這些城市PM10小時(shí)濃度均持續(xù)2 h以上600 μg/m3，沙塵途經(jīng)固原、慶陽(yáng)、西安等城市先到達(dá)河南西部再進(jìn)入襄陽(yáng)。

21日清晨伴隨著強(qiáng)東北風(fēng)，襄陽(yáng)開始受北方沙塵擴(kuò)散影響，21日4時(shí)站點(diǎn)PM10濃度上升到154 μg/m3，6時(shí)PM10濃度達(dá)到峰值303 μg/m3，隨著PM10濃度上升，PM2.5濃度下降，空氣質(zhì)量由良變?yōu)檩p度污染以上并持續(xù)15 h。21日20時(shí)后空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為良。根據(jù)環(huán)保部環(huán)辦監(jiān)測(cè)[2016]120號(hào)文要求，確認(rèn)襄陽(yáng)市此次受沙塵天氣影響時(shí)段為2019年3月21日4：00～23：00共計(jì)20 h(圖1)。

圖1 監(jiān)測(cè)期間環(huán)境空氣顆粒物濃度隨時(shí)間變化曲線

3.2 顆粒物成分分析

監(jiān)測(cè)期間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)共采集到具有測(cè)徑信息的顆粒物(SIZE)40.2萬(wàn)個(gè)，同時(shí)有正、負(fù)譜圖的顆粒(MASS)9.8萬(wàn)個(gè)。顆粒物數(shù)濃度與質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)較為一致，測(cè)徑顆粒的小時(shí)變化趨勢(shì)與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)r值達(dá)到0.90，說(shuō)明SPAMS的數(shù)濃度變化趨勢(shì)對(duì)反映大氣污染狀況具有較強(qiáng)的代表性。

襄陽(yáng)市大氣顆粒物組分和污染源比例和數(shù)濃度及PM2.5質(zhì)量濃度的小時(shí)變化分別如圖2、圖3、圖4所示，從顆粒成分來(lái)看，整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段本地大氣顆粒物成分以元素碳為主，主要的成分為元素碳50.3%，其次為富鉀12.1%、有機(jī)碳11.8%。圖4為各顆粒物成分粒徑分布，礦物質(zhì)在大粒徑分布比例顯著增加，它是沙塵過(guò)程中揚(yáng)塵源顆粒物的主要成分來(lái)源。

圖2 SIZE-PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)

3.3 細(xì)顆粒物來(lái)源分析

參照《大氣顆粒物來(lái)源解析技術(shù)指南》，結(jié)合襄陽(yáng)市本地污染源譜庫(kù)和當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)，按照環(huán)境管理需求對(duì)細(xì)顆粒物排放源進(jìn)行分類，將襄陽(yáng)市細(xì)顆粒物污染來(lái)源歸結(jié)為八大類，分別為揚(yáng)塵、生物質(zhì)燃燒、機(jī)動(dòng)車尾氣、燃煤、工業(yè)工藝源、二次無(wú)機(jī)源和其它。由圖5 PM2.5污染物來(lái)源解析結(jié)果可見，整個(gè)監(jiān)測(cè)期間PM2.5首要污染源為機(jī)動(dòng)車尾氣，比例為23.5%，其次為工業(yè)工藝源占比為20.9%，燃煤源占17.8%，排在第三位。

圖3 顆粒物Art-2a分類結(jié)果

圖4 各顆粒物成分粒徑分布

圖5 PM2.5污染物來(lái)源解析結(jié)果

3.3.1 不同類型污染源粒徑分析

圖6為各類顆粒物粒徑分布，揚(yáng)塵顆粒物在大粒徑分布比例顯著增加，即主要分布在大粒徑段，機(jī)動(dòng)車尾氣、燃煤、工業(yè)工藝顆粒物則主要分布在小粒徑段。

3.3.2 不同類型污染源變化趨勢(shì)分析

利用SPAMS高時(shí)間分辨率的特性，可得到小時(shí)級(jí)別的顆粒物來(lái)源解析結(jié)果，如圖7所示，監(jiān)測(cè)期間PM2.5質(zhì)量濃度波動(dòng)變化，各類污染源數(shù)濃度與PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)相近，PM2.5上升期間，機(jī)動(dòng)車尾氣源、工業(yè)工藝源、燃煤源的貢獻(xiàn)率較高。在東北風(fēng)的作用下，隨著沙塵影響開始，各類污染源數(shù)濃度與PM2.5質(zhì)量濃度下降，揚(yáng)塵源比例上升明顯，另外沙塵傳輸過(guò)程途徑洛陽(yáng)、平頂山、南陽(yáng)到達(dá)襄陽(yáng)，從圖8的火點(diǎn)分布圖可以看出，平頂山火點(diǎn)較多，這也是沙塵影響時(shí)段生物質(zhì)燃燒比例升高的原因。

3.4 污染天氣過(guò)程分析

監(jiān)測(cè)期間污染天氣主要是受到沙塵天氣的影響，其中3月21日4：00～19：00的污染持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，污染程度較高。

3.4.1 沙塵傳輸激光雷達(dá)觀測(cè)

上風(fēng)向鄭州和平頂山激光雷達(dá)氣溶膠觀測(cè)結(jié)果如圖9、10所示，從鄭州激光雷達(dá)垂直監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，從雷達(dá)消光系數(shù)與退偏比圖像中可以看到，3月21日0時(shí)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位上空粗顆粒物逐漸向地面沉降，于2時(shí)左右到達(dá)近地面，北區(qū)指揮部站點(diǎn)PM10濃度開始快速上升，PM2.5于1時(shí)開始下降，之后維持在30 μg/m3以下；PM10持續(xù)上升，于3月21日10時(shí)達(dá)到峰值375 μg/m3，PM2.5/PM10比值明顯下降，符合沙塵特征。在11時(shí)07分后，近地面粗顆粒物比重逐漸降低，沙塵污染氣團(tuán)上升至站點(diǎn)上空2～3 km處，之后逐漸退散。

圖6 各類源顆粒物粒徑分布

圖7 各污染源數(shù)濃度、比例及PM2.5質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖8 3月21日火點(diǎn)分布

從平頂山雷達(dá)消光系數(shù)圖像中可以看到，3月21日1時(shí)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位上空粗顆粒物逐漸向地面沉降，于2時(shí)左右到達(dá)近地面，國(guó)控點(diǎn)監(jiān)測(cè)值2時(shí)PM10達(dá)到峰值，在短短3 h內(nèi)PM10濃度由93 μg/m3升至249 μg/m3，PM2.5/PM10小時(shí)濃度比值為0.31，小于前6 h比值平均值(0.32)的50%；17時(shí)，PM10濃度降至109 μg/m3，首次降至與沙塵天氣前6 h PM10平均值(112 μg/m3)相對(duì)偏差小于10%，符合沙塵特征。

3.4.2 后向軌跡與顆粒物來(lái)源分析

沙塵傳輸過(guò)程后向軌跡、污染過(guò)程氣象參數(shù)與顆粒物來(lái)源分析分別如圖11、12、13所示，時(shí)段2至?xí)r段4西北方向的沙塵先到達(dá)河南西部，在較強(qiáng)的東北風(fēng)作用下途徑洛陽(yáng)、鄭州、平頂山、南陽(yáng)再輸送至襄陽(yáng)市。沙塵影響時(shí)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)位空氣濕度40%左右，風(fēng)速5.0 m/s左右，隨著PM2.5質(zhì)量濃度的下降，揚(yáng)塵比例迅速增加，時(shí)段1至?xí)r段2，揚(yáng)塵比例上升2.6%。時(shí)段3達(dá)到污染峰值，受到沙塵影響最為嚴(yán)重，揚(yáng)塵比例高達(dá)19.3%，比沙塵影響前時(shí)段1的揚(yáng)塵比例上升10.3%。時(shí)段4之后，風(fēng)力減弱，風(fēng)向改變，空氣濕度增大，至?xí)r段5的揚(yáng)塵源貢獻(xiàn)率明顯開始下降，沙塵影響逐漸減弱，空氣質(zhì)量迅速好轉(zhuǎn)。

沙塵傳輸過(guò)程中，受上游城市平頂山秸稈焚燒的影響，時(shí)段1至?xí)r段5生物質(zhì)燃燒源比例經(jīng)歷升降變化，時(shí)段3達(dá)到最高比例19.3% 。

圖9 3月21日鄭州激光雷達(dá)垂直數(shù)據(jù)分析

圖10 3月21日平頂山激光雷達(dá)垂直數(shù)據(jù)分析

圖11 沙塵污染過(guò)程顆粒物來(lái)源分析

圖12 監(jiān)測(cè)期間氣象參數(shù)與PM2.5的變化趨勢(shì)

圖13 污染過(guò)程風(fēng)速風(fēng)向空氣質(zhì)量三維圖

4 結(jié)論

(1) 監(jiān)測(cè)期間，顆粒物主要化學(xué)組成為元素碳、富鉀和有機(jī)碳。礦物質(zhì)在大粒徑分布比例顯著增加，它是沙塵過(guò)程中揚(yáng)塵源顆粒物的主要成分來(lái)源。

(2)從污染源解析的角度來(lái)看，整個(gè)監(jiān)測(cè)期間PM2.5首要污染源為機(jī)動(dòng)車尾氣，比例為23.5%，其次為工業(yè)工藝源占比為20.9%，燃煤源占17.8%，排在第三位。揚(yáng)塵顆粒物在大粒徑分布比例顯著增加。

(3)監(jiān)測(cè)期間受西北沙塵傳輸影響，各類污染源數(shù)濃度與PM2.5質(zhì)量濃度下降，揚(yáng)塵源的貢獻(xiàn)率隨之升高。監(jiān)測(cè)分析結(jié)果表明，單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀可快速、實(shí)時(shí)的分析沙塵影響過(guò)程中顆粒物的成分及各類污染源的貢獻(xiàn)率，同時(shí)結(jié)合后向軌跡和氣象參數(shù)分析得出的結(jié)論與根據(jù)環(huán)保部環(huán)辦監(jiān)測(cè)[2016]120號(hào)文要求得出的結(jié)論一致。