楊帆，徐建平，翁祖峰，馬佳，李梅，3

(1.上海市浦東新區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，上海 201200;2.廣州禾信儀器股份有限公司，廣東 廣州 510530；3.暨南大學(xué)質(zhì)譜儀器與大氣環(huán)境研究所，廣東 廣州 510632)

大氣污染治理是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其中對于顆粒物化學(xué)組分和來源分析是科學(xué)、有效地開展顆粒物污染防治和保障大氣污染治理工作高效實施的基礎(chǔ)和前提[1-2]?，F(xiàn)利用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS)對2018—2019年上海浦東新區(qū)環(huán)境空氣中細顆粒物(PM2.5)開展高時間分辨率的細粒子化學(xué)組分、來源等要素的聯(lián)合監(jiān)測，綜合分析細粒子污染特征，為及時、有效地反映細粒子污染隨著氣象條件和污染源變化的響應(yīng)提供科學(xué)支撐[3]。

1 研究方法

1.1 采樣時間

為2018年1月1日—2019年12月31日。

1.2 監(jiān)測地點

上海市浦東新區(qū)環(huán)境監(jiān)測站頂樓，測點離地高度約30 m，測點以南50 m為靈山路，以西100 m為源深路，東北方向均有多層住宅小區(qū)包圍，行政屬地為陸家嘴商圈，代表浦東新區(qū)典型市區(qū)狀況。

1.3 采樣儀器

單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS 0515)，環(huán)境空氣經(jīng)PM2.5切割頭切割后進入SPAMS實時在線檢測[4]。

1.4 采集顆粒信息

采集顆粒數(shù)匯總見表1。由表1可見，2018年7—8月由于站房電路維修，總體有效采集時間較短，電離顆粒數(shù)和測徑顆粒數(shù)均較少，此外2018年3、7—8月，2019年4、7—9月整體電離顆粒數(shù)不足100萬個。打擊率(被電離激光擊中的粒子數(shù)占有粒徑信息粒子數(shù)量的比例，被電離顆粒數(shù)/有粒徑信息顆粒數(shù))方面，只有2018年3月，2019年4、8和12月打擊率不到10%。監(jiān)測期間共采集電離顆粒數(shù)3 345.80個，測徑顆粒數(shù)20 898.03個，整體打擊率16%。

表1 采集顆粒數(shù)匯總

1.5 數(shù)據(jù)有效性分析

圖1為PM2.5每小時捕獲的有粒徑信息的顆粒數(shù)與實測質(zhì)量濃度相關(guān)性趨勢。由圖1可見，2018—2019年整體SPAMS測徑顆粒數(shù)與ρ(PM2.5)變化趨勢較為一致，相關(guān)系數(shù)r= 0.74，說明SPAMS系統(tǒng)檢測到的顆粒數(shù)濃度一定程度上可以代表ρ(PM2.5)的變化，進而反映了實際PM2.5污染狀況的變化。

圖1 ρ(PM2.5)和數(shù)濃度變化趨勢

2 結(jié)果和討論

2.1 空氣質(zhì)量狀況

2.1.1 空氣質(zhì)量變化

對浦東新區(qū)監(jiān)測點位2018年1月—2019年12月常規(guī)大氣污染6參數(shù)年均值進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。2018、2019年空氣質(zhì)量等級見圖2(a)(b)。由圖2可見，2019年相較于2018年除優(yōu)良率顯著提升外，輕、中度污染天氣出現(xiàn)頻率也明顯降低[5]。

表2 2018、2019年常規(guī)污染6參數(shù)年均值 μg/m3

2.1.2ρ(PM2.5)變化

2018—2019年逐月ρ(PM2.5)及小時值優(yōu)良率總體均呈現(xiàn)夏季較低而秋冬季相對較高的趨勢，見圖3。其中最低為2018年8月均值僅為15.3 μg/m3，最高為2018年1月，達到55.9 μg/m3。這與上海的季風(fēng)氣候有關(guān)，夏季通常以東風(fēng)，東南風(fēng)為主，海面上的潔凈空氣降低了大氣ρ(PM2.5)。

圖2 2018、2019年空氣質(zhì)量等級

圖3 2018、2019年逐月ρ(PM2.5)及小時值優(yōu)良率

2.2 顆粒物粒徑分析

SPMAS采集的顆粒物粒徑為0.2～2.5 μm，峰值分布為0.6～0.7 μm。2019年獲取粒徑信息的顆粒數(shù)明顯高于2018年，見圖4。

圖4 2018、2019年顆粒物粒徑分布

2.3 顆粒物成分分析

利用自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法(Art-2a)對SPAMS采集的數(shù)據(jù)進行了成分分類，分類過程中使用的分類參數(shù)為：相似度0.75，學(xué)習(xí)效率0.05[3]。分類后，再經(jīng)過人工合并，最終確定了8類顆粒物：礦物質(zhì)(Mineral Dust, MD)、重金屬(Heavy Metal, HM)、左旋葡聚糖(Levoglucosan, LEV)、富鉀(K-rich, K)、有機碳(Organic Carbon, OC)、元素碳(Elemental Carbon, EC)、混合碳(Internally mixed Organic and Elemental Carbon, ECOC)、 其他(Others)。

圖5為2018—2019年逐月顆粒物成分分布。由圖5可見，全年元素碳占比均>25%，最高為2018年3月，貢獻高達55.0%；富鉀、有機碳和混合碳呈現(xiàn)一定的季節(jié)變化特點，整體秋冬季高于春夏季，一方面可能與冬季北方城市采暖有關(guān)(季風(fēng)氣候?qū)е露旧虾５貐^(qū)常刮北風(fēng)或西北風(fēng)，污染天氣的形成通常與污染物的境外輸入有關(guān))；另一方面秋冬季擴散條件較差，有利于氣態(tài)污染物的二次轉(zhuǎn)化；左旋葡聚糖和礦物質(zhì)則相反，夏季占比顯著升高；重金屬除2019年8—9月>10%以外，其余各月份占比相對較為穩(wěn)定。

圖5 2018—2019年顆粒物逐月成分分布

圖6(a)(b)為2018和2019年整體顆粒物成分分布。由圖6可見，相較于2018年，富鉀顆粒物升幅較為明顯，左旋葡聚糖、重金屬和元素碳有小幅增加，其余各成分則相對減少，整體2018和2019年成分占比相當(dāng)。富鉀顆粒一般來自二次無機源或生物質(zhì)燃燒，在一定程度上可以反映大氣二次反應(yīng)的強弱，從負離子左旋葡聚糖占比小，硝酸鹽和硫酸鹽占比較大來判斷，2019年富鉀顆粒物類型有升幅主要歸結(jié)為大氣二次顆粒物的增加。

圖6 2018、2019年整體成分分布

2.4 顆粒物來源解析結(jié)果

基于監(jiān)測結(jié)果，參照生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《大氣顆粒物來源解析技術(shù)指南(試行)》，結(jié)合本地的能源結(jié)構(gòu)，按照環(huán)境管理需求對細顆粒物排放源進行分類，可將污染來源歸結(jié)為7大類，分別為揚塵、生物質(zhì)燃燒、汽車尾氣、燃煤、工業(yè)工藝源、二次無機源和其他。其中，機動車尾氣源包含了柴油車、汽油車等交通工具排放的顆粒；燃煤源包含了燃煤電廠、鍋爐、散煤燃燒、煤工藝制造過程等排放的顆粒[6]；揚塵包含建筑揚塵、道路揚塵、土壤塵等顆粒；生物質(zhì)燃燒源主要是農(nóng)作物秸稈、野草等露天焚燒及生物燃料鍋爐排放的顆粒；工業(yè)工藝源包含了化工、金屬冶煉等工藝過程排放的顆粒；餐飲源為餐飲飯店油煙排放；二次無機源主要指從單顆粒譜圖來看，除鉀離子外，只含有二次無機組分(硫酸鹽、硝酸鹽等)的顆粒，在一定程度上可以反映大氣二次反應(yīng)的強度。此類顆粒物中的硫酸鹽、硝酸鹽等二次組分主要是在高濕條件下由大氣中的二氧化硫、二氧化氮等氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化而成[7]。

圖7為2018—2019年污染源數(shù)濃度、源解析結(jié)果比例隨時間變化堆疊圖。從全年源解析結(jié)果隨時間變化趨勢上來看，機動車尾氣源作為首要污染源，占比相對較高，監(jiān)測期間ρ(PM2.5)升高時，其數(shù)濃度升幅高于其余各源；揚塵源和生物質(zhì)燃燒源往往在ρ(PM2.5)低值時段占比升高，這可能是由于其余各污染源數(shù)濃度大幅度減少，而大氣背景中含有揚塵源和生物質(zhì)燃燒源特征的顆粒占比凸顯出來；燃煤源和二次無機源貢獻往往在秋冬季相對較高。

圖7 2018—2019年顆粒物數(shù)濃度、源解析結(jié)果比例隨時間變化堆疊圖

圖8為2018—2019年逐月源解析結(jié)果。由圖8可見，全年機動車尾氣占比幾乎均>25%，其中2018年3和7月、2019年2和3月貢獻超過40%；二次無機源和燃煤源呈現(xiàn)一定的季節(jié)變化特點，整體秋冬季高于春夏季，一方面可能與冬季北方城市采暖有關(guān)，另一方面秋冬季擴散條件較差，有利于氣態(tài)污染物的二次轉(zhuǎn)化[6]；生物質(zhì)燃燒源和揚塵源則相反，夏季占比顯著升高；工業(yè)工藝源2018年5月、2018年10月—2019年1月和2019年5月占比相對較高，其余各月份占比相對較為穩(wěn)定。

圖8 2018—2019年逐月源解析結(jié)果

圖9(a)(b)為2018和2019年整體顆粒物源解析結(jié)果，其中為方便對比，將2019年11—12月單獨歸類的海鹽源包含進其他源中。由圖9可見，相較于2018年，機動車尾氣源占比有小幅增長，燃煤源、工業(yè)工藝源和揚塵源則明顯降低，二次無機源有顯著增長。

圖9 2018、2019年全年源解析結(jié)果

3 結(jié)論

(1)監(jiān)測期間整體SPAMS測徑顆粒數(shù)與ρ(PM2.5)變化趨勢較為一致，相關(guān)系數(shù)r= 0.74，說明SPAMS測到的顆粒數(shù)濃度一定程度上可以代表ρ(PM2.5)的變化；

(2)相較于2018年，2019年除ρ(PM2.5)和ρ(NO2)2年持平外，其余各污染物濃度均明顯降低，綜合指數(shù)顯著降低，AQI達標率由74.8%升高至86.6%，中度污染天氣出現(xiàn)頻率也明顯降低；

(3)從化學(xué)成分來看，全年元素碳占比均在25%以上，最高為2018年3月，貢獻高達55.0%，元素碳通常與汽車尾氣排放相關(guān)。富鉀、有機碳和混合碳呈現(xiàn)一定的季節(jié)變化特點，整體秋冬季高于春夏季，秋冬季污染物排放量增加，氣象擴散條件較差，有利于氣態(tài)污染物的二次轉(zhuǎn)化；

(4)從源解析結(jié)果來看，機動車尾氣源作為首要污染源，占比相對較高，監(jiān)測期間ρ(PM2.5)升高時，其數(shù)濃度升幅高于其余各源；揚塵源和生物質(zhì)燃燒源往往在ρ(PM2.5)低值時段占比升高，這可能是由于其余各污染源數(shù)濃度大幅度減少，而大氣背景中含有揚塵源和生物質(zhì)燃燒源特征的顆粒占比凸顯出來；燃煤源和二次無機源貢獻往往在秋冬季相對較高，可歸結(jié)于冬季采暖需求增高和大氣擴散程度差有關(guān)。