葛衍珍 ，張 軍 ，于 欣 ，牛 勇 ，董 拓 ，高 健 ，湯明珍 ，傅 爽

（1.泰安市生態(tài)環(huán)境保護(hù)控制中心，山東 泰安 271000；2.泰安市生態(tài)環(huán)境局泰山分局，山東 泰安 271000；3.泰安市生態(tài)環(huán)境局開(kāi)發(fā)區(qū)分局，山東 泰安 271000；4.泰安市生態(tài)環(huán)境局東平分局，山東 泰安 271500；5.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；6.山東中醫(yī)藥大學(xué)智能與信息工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250355）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建設(shè)，我國(guó)大氣環(huán)境污染問(wèn)題突出。雖然近年來(lái)大氣環(huán)境呈現(xiàn)持續(xù)快速改善的態(tài)勢(shì)，但秋冬季重污染天氣時(shí)有發(fā)生。我國(guó)大氣污染的成因復(fù)雜，環(huán)境治理工作復(fù)雜且難度較大。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)及手段很難滿足空氣質(zhì)量精細(xì)化管理的需求[1]。

隨著環(huán)境傳感器技術(shù)的發(fā)展，空氣質(zhì)量傳感器廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中。通過(guò)空氣質(zhì)量傳感器與走航監(jiān)測(cè)的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城區(qū)道路環(huán)境污染物的高時(shí)空分辨率監(jiān)測(cè)[2]。尤其是顆粒物傳感器，其技術(shù)相對(duì)成熟，被大量應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究和實(shí)踐應(yīng)用項(xiàng)目中[3]。秦孝良等[4]利用出租車載顆粒物傳感器分析濟(jì)南市城市道路環(huán)境PM2.5及PM10污染特征，任建寧等[5]利用出租車載顆粒物傳感器研究渭南市道路環(huán)境顆粒物污染特征，并分析影響因素。了解大氣顆粒物的粒徑和濃度分布特征是研究大氣顆粒物污染的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確描述粒徑光譜分布對(duì)研究顆粒物的物理和化學(xué)性質(zhì)及其精準(zhǔn)溯源具有重要意義。隨著空氣質(zhì)量精細(xì)化管理及精準(zhǔn)溯源要求的提高，顆粒物傳感器也進(jìn)一步發(fā)展，從原先的只能監(jiān)測(cè)PM2.5及PM10的質(zhì)量濃度，到能夠監(jiān)測(cè)不同粒徑大小的顆粒物及對(duì)應(yīng)的數(shù)量濃度。

本研究利用出租車載顆粒物傳感器分析泰安市道路環(huán)境顆粒物污染分布特征。將走航數(shù)據(jù)與國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證走航數(shù)據(jù)的可靠性。統(tǒng)計(jì)泰安市污染最輕及最重的兩個(gè)路段的積聚態(tài)及粗粒子態(tài)濃度占比，分析重污染路段的污染特征。本文以一次重污染過(guò)程為例，分析泰安市道路環(huán)境粒徑譜變化，利用后向軌跡模型分析污染成因。

1 研究方法

1.1 傳感器及簡(jiǎn)介

本研究采用的傳感器為山東諾方電子科技有限公司的SDS029，采用工業(yè)級(jí)激光器與感光部件，運(yùn)用最新一代光散射顆粒物技術(shù)，用于測(cè)量環(huán)境大氣中的顆粒物（PM0.3、PM1、PM2.5、PM4、PM10、TSP 等）質(zhì)量濃度，支持多達(dá)31 個(gè)粒徑通道，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顆粒物質(zhì)量濃度和粒徑分布。將50 臺(tái)SDS029 集成于出租車頂燈中，通過(guò)出租車運(yùn)行對(duì)泰安市2021 年8—11 月環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其中10 月24—26 日期間出現(xiàn)今秋的首次PM2.5污染過(guò)程，為進(jìn)一步探究重污染過(guò)程中顆粒物濃度變化和遷移規(guī)律提供了有效的數(shù)據(jù)來(lái)源。

1.2 研究方法

HYSPLIT 后向軌跡模型是一種計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。目前后向軌跡聚類分析、潛在源貢獻(xiàn)分析法（PSCF）和濃度權(quán)重軌跡分析法（CWT）是研究污染物跨區(qū)域傳輸以及識(shí)別潛在源區(qū)最常用的方法[6-7]。模型設(shè)置氣象軌跡向前推進(jìn)48 h，探究在1000 m 高度層的氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。將經(jīng)過(guò)聚類分析得出的不同簇氣流與顆粒污染物濃度結(jié)合在一起，分析不同源地、不同路徑的氣流對(duì)局地空氣質(zhì)量的影響。

本研究為泰安市10 月24—26 日PM10的PSCF分析結(jié)果，將PM10濃度閾值設(shè)定為100 μg/m3。PSCF值越大說(shuō)明該網(wǎng)格所代表的區(qū)域?qū)δ繕?biāo)城市的污染越大。CWT 是通過(guò)計(jì)算軌跡經(jīng)過(guò)某個(gè)網(wǎng)格時(shí)污染物質(zhì)量濃度的平均值來(lái)反映不同區(qū)域?qū)δ繕?biāo)城市的污染程度[8-10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

為了探究設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性，選取2021 年8—11 月國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站在設(shè)備1 km內(nèi)的PM2.5及PM10數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)站進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果為PM10的相關(guān)性曲線為y=1.072x+4.040，相關(guān)系數(shù)為R=0.945；PM2.5的相關(guān)性曲線為y=1.033x+2.351，相關(guān)系數(shù)為R=0.949。泰安主城區(qū)道路走航顆粒物與標(biāo)站的相關(guān)性均較好，能夠?yàn)樘┌仓鞒菂^(qū)顆粒物溯源提供有效數(shù)據(jù)支撐。

2.2 粒度分布模態(tài)分析

不同模態(tài)的顆粒來(lái)源、形成過(guò)程及消除過(guò)程各不相同。核膜顆粒很不穩(wěn)定，在大氣中擴(kuò)散很快，容易被其他物質(zhì)或地面吸附而除去，或凝聚長(zhǎng)大成為積聚核膜顆粒。積聚核膜顆粒不易去除，多數(shù)為二次顆粒物，80%以上的硫酸鹽顆粒屬于此模態(tài)。粗粒模顆粒主要是自然界和人類活動(dòng)的一次顆粒物[11]。

核模態(tài)的顆?？梢阅鄱D(zhuǎn)化為積聚模態(tài)的顆粒；但積聚模與粗粒模態(tài)之間一般不會(huì)互相轉(zhuǎn)化[12]。多數(shù)城市大氣中顆粒物的分布屬雙模態(tài)，即積聚模和粗粒模[13]。

走航粒徑譜儀監(jiān)測(cè)到的粒徑分布范圍為0.3～100 μm，選取8—9 月泰安主城區(qū)污染最重（泰安高速交警西北路段）與污染最輕（環(huán)山路常家莊社區(qū)路段）兩個(gè)路段的顆粒物濃度數(shù)據(jù)，將顆粒物劃分為積聚模和粗粒模兩個(gè)模態(tài)。對(duì)上述兩個(gè)路段顆粒物模態(tài)的質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 污染最重與污染最輕路段積聚模和粗粒模的質(zhì)量濃度

由表1 可得，8 月污染最重與污染最輕路段的積聚模態(tài)分別占顆粒物總質(zhì)量濃度的42%和71%，粗粒模態(tài)分別占顆粒物總質(zhì)量濃度的58%和29%；9月污染最重與污染最輕路段的積聚模態(tài)分別占顆粒物總質(zhì)量濃度的22%和61%，粗粒模態(tài)分別占顆粒物總質(zhì)量濃度的78%和39%。9 月較8 月粗粒模態(tài)占顆粒物總質(zhì)量濃度比值增大，說(shuō)明8 月顆粒物污染的主要來(lái)源是二次顆粒物，9 月顆粒物污染的主要來(lái)源是一次顆粒物。污染較重路段的粗粒模態(tài)占比高于污染較輕路段，說(shuō)明污染較重的路段主要受人類活動(dòng)一次顆粒物影響。

2.3 一次重污染過(guò)程分析

重污染天氣的形成一般受風(fēng)速小、濕度大等不利氣象條件的影響，污染物容易在區(qū)域內(nèi)累積。2021年10 月24—26 日，泰安市出現(xiàn)了今年入秋以來(lái)首次大范圍重污染天氣，統(tǒng)計(jì)泰安主城區(qū)日平均值數(shù)據(jù)，重污染過(guò)程中粒徑譜變化情況如圖1 所示。

由圖 1 及表 2 可得，10 月 24—26 日泰安市出現(xiàn)了2021 年進(jìn)入秋冬季以來(lái)首次大范圍重污染過(guò)程，泰安市全市PM10濃度均值分別為58 μg/m3、201 μg/m3、125 μg/m3，PM2.5濃度分別為 31 μg/m3、133 μg/m3、81 μg/m3，其中 10 月 25 日 PM2.5與PM10的比值最高，為0.66。泰安市主城區(qū)10 月25日粒徑小于2.5 μm 的顆粒物濃度迅速增加，峰值主要集中在0.68～5 μm 粒徑范圍內(nèi)，本次重污染過(guò)程是典型的細(xì)顆粒物污染。

表2 10 月重污染過(guò)程中粒徑濃度分布

圖1 重污染過(guò)程中粒徑譜變化情況

2.4 模型分析

為了能夠更加直觀清晰地看出重污染期間泰安市氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡，采用TrajStat 軟件模型對(duì)該區(qū)域10 月24 日—26 日的氣團(tuán)后向軌跡進(jìn)行分析。通過(guò)泰安市氣流后向軌跡聚類分析得出氣流以南部方向和東北方向?yàn)橹?。其中以?lái)自山東省棗莊市的南部氣流為主，其占比為73.6%，該氣團(tuán)傳輸距離較短、速度較慢，污染物在傳輸過(guò)程中逐漸累積；另一股南部氣流來(lái)自河南省商丘市，途徑山東省的菏澤市、濟(jì)寧市，向北在濟(jì)南市出現(xiàn)一個(gè)回旋到達(dá)泰安市，其占比為13.9%；東北氣流途徑濰坊市、淄博市到達(dá)泰安市，該氣團(tuán)占比12.5%。

分析加權(quán)潛在源貢獻(xiàn)因子（WPSCF），WPSCF高值區(qū)（0.15＜WPSCF＜0.3）主要分布在山東省的菏澤市、濟(jì)寧市、濟(jì)南市等地，較低WPSCF 值（0.03＜WPSCF＜0.15）主要分布在山東省南部棗莊和濟(jì)寧等地，說(shuō)明本次PM10濃度污染主要來(lái)源于短距離的本地傳輸。

分析重污染過(guò)程PM10 加權(quán)濃度權(quán)重軌跡（WCWT），WCWT 高值區(qū)主要集中在山東省南部棗莊、濟(jì)寧、菏澤等地，說(shuō)明來(lái)自山東省南部地區(qū)的軌跡所對(duì)應(yīng)的PM10濃度權(quán)重較高，其他區(qū)域軌跡權(quán)重濃度次之，也有一定貢獻(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

出租車走航顆粒物傳感器數(shù)據(jù)與標(biāo)站的相關(guān)性較好，能夠?yàn)樘┌仓鞒菂^(qū)顆粒物溯源提供有效數(shù)據(jù)支撐。經(jīng)分析，2021 年8 月顆粒物污染的主要來(lái)源是二次顆粒物，9 月顆粒物污染的主要來(lái)源是一次顆粒物；污染較重的路段主要受人類活動(dòng)一次顆粒物影響。泰安市此次重污染過(guò)程的主要輸送路徑以南部氣流為主，PM10污染主要來(lái)源于短距離的本地傳輸，集中在山東省南部棗莊市、濟(jì)寧市、菏澤市等地。