摘 要：介紹了β射線法和激光散射法2種測量大氣顆粒物質(zhì)量濃度觀測儀的原理和觀測方法，并通過對比分析衡水市國家基本氣象觀測站2023年的觀測數(shù)據(jù)，得出2種觀測方法測得的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度因觀測原理的不同而存在差異，且兩者的差值與空氣溫度、相對濕度和地面風速大小相關(guān)。

關(guān)鍵詞：β射線法；激光散射法；PM10；PM2.5

中圖分類號：X851 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）06–0-03

顆粒物是大氣污染物的重要組成部分，近年來，顆粒物已成為我國大部分城市大氣污染物中的首要污染物。PM10指空氣動力學直徑≤10 μm的細顆粒物，PM2.5指空氣動力學直徑≤2.5 μm的細顆粒物，能較長時間懸浮于空氣中。PM10和PM2.5在空氣中含量濃度可以代表空氣污染的程度，對空氣質(zhì)量和能見度等具有重要影響。不同粒徑的顆粒物可以進入人體呼吸系統(tǒng)的不同部位，尤其是PM2.5，被人體吸入后會在肺泡上沉積且不易排出，嚴重影響人體健康。此外，粒徑＜10 μm的顆粒物對環(huán)境和氣候也存在一定影響?；诖?，對比分析了2種不同觀測原理的儀器在不同的天氣條件下對顆粒物的測量結(jié)果差異，以期為大氣污染治理提供技術(shù)支撐。

1 觀測原理與資料來源

1.1 β射線法觀測原理

儀器利用β射線法作為輻射源，抽氣泵對大氣進行采樣，實時監(jiān)控抽氣的流量，大氣中的懸浮顆粒被吸附在輻射源和閃爍體探測器之間的濾紙表面上，抽氣前后閃爍體探測器計數(shù)值的改變反映了濾紙上吸附灰塵的質(zhì)量，采用總體積換算得出單位體積空氣中懸浮顆粒物的質(zhì)量濃度。

1.2 激光散射法測量原理

儀器按照設(shè)定的流量自動完成大氣中氣溶膠樣品的進樣，經(jīng)過除濕后進入激光測量腔，激光照在氣溶膠樣品中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時被某一特定角度的接收器接收。系統(tǒng)根據(jù)接收到的散射光脈沖信號頻率和強弱，測量顆粒物的個數(shù)和粒徑大小，再通過密度訂正得到樣品空氣中顆粒物質(zhì)量濃度。

1.3 設(shè)備與資料

選取安裝在衡水市氣象局內(nèi)的β射線法大氣顆粒物監(jiān)測儀（包括LGH-01B型PM10監(jiān)測儀和LGH-01E型PM2.5監(jiān)測儀）和DXC1型視程障礙現(xiàn)象儀作為對比設(shè)備，兩者間隔50 m，距離較短，測量環(huán)境一致，測量數(shù)據(jù)具有可對比性。

2 兩種原理數(shù)據(jù)分析

選取2023年9—10月β射線法大氣顆粒物監(jiān)測儀和采用激光散射原理的DXC1型視程障礙現(xiàn)象儀測得的逐小時數(shù)據(jù)，篩選后共1 464條有效數(shù)據(jù)。通過計算出2種觀測原理的設(shè)備得到在61 d逐小時的平均PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，并分別計算2種觀測原理PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)和PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果顯示：2種觀測原理測得的PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)（r=0.35）小于2種觀測原理測得的PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)（r=0.85），2種觀測原理在觀測PM2.5質(zhì)量濃度時相關(guān)性更好。

圖１的折線圖表示的是在一天之中（從北京時間00：00～23：00）4個變量的變化趨勢。從圖１可以看出，

4條曲線均呈現(xiàn)出先增長再降低然后再增長的趨勢，其中，β射線法觀測得到的PM2.5質(zhì)量濃度是先降再增加再降低然后再增長，且2條PM10質(zhì)量濃度曲線的濃度值均高于2條PM2.5質(zhì)量濃度曲線。由2條PM10質(zhì)量濃度曲線來看，激光散射法觀測得到的PM10質(zhì)量濃度在07：00達到最高濃度值，在17：00達到一天之中的最低濃度值；而β射線法觀測得到的PM10質(zhì)量濃度在09：00達到最高濃度值，在16：00達到一天之中的最低濃度值。從2條PM2.5質(zhì)量濃度曲線來看，激光散射法觀測得到的PM2.5質(zhì)量濃度在07：00達到最高濃度值，在17：00達到一天之中的最低濃度值；而β射線法觀測得到的PM2.5質(zhì)量濃度在09：00達到最高濃度值，在17：00達到一天之中的最低濃度值。這是因為日出后，北方地區(qū)的逆溫現(xiàn)象逐漸消失，隨之氣溶膠也得到擴散；而日落后，氣溫下降，湍流減弱，污染物不易擴散，使得氣溶膠的濃度再度回升。

3 氣象因子對觀測結(jié)果的影響

對比衡水市國家基本氣象觀測站2023年7—12月的數(shù)據(jù)。圖2為2023年7—12月2種觀測數(shù)據(jù)PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)對比，可以看出β射線法與激光散射法觀測的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度觀測結(jié)果的趨勢基本一致，在7—9月激光散射法的觀測數(shù)據(jù)基本高于β射線法，而在10—12月激光散射法的觀測數(shù)據(jù)基本低于β射線法。下面分別討論不同的氣象因子對2種觀測儀器觀測的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度差值的

影響。

3.1 溫度對觀測結(jié)果差值的影響

定義為PM10（PM2.5）質(zhì)量濃度的差值＝激光散射法

觀測的PM10（PM2.5）質(zhì)量濃度－β射線法觀測的PM10

（PM2.5）質(zhì)量濃度。在控制濕度為＞80%、風速在0～3 m/s

時，將溫度與PM10和PM2.5質(zhì)量濃度差值進行對比。

如表1所示，在溫度＞30 ℃時，PM10質(zhì)量濃度平均差值為46.041 μg/m3，PM2.5質(zhì)量濃度平均差值為15.747 μg/m3。隨著溫度的降低，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度差值減小，并在溫度＜0 ℃時，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度差值均為負值。

由此得出結(jié)論，在溫度較高時，激光散射法觀測的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍高于β射線法，隨著溫度的降低，兩者的差值逐漸減?。辉跍囟容^低時，激光散射法觀測的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍低于β射線法。

3.2 濕度對觀測結(jié)果差值的影響

如表2所示，當相對濕度＞90%時，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的平均差值分別為33.857 μg/m3和4.028 μg/m3，

隨著相對濕度的減小，2種儀器所測的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的平均差值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；當相對濕度＜70%時，差值均減小且為負數(shù)[1]。

由此得出結(jié)論，當空氣相對濕度較高時，激光散射法觀測的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍高于β射線法，隨著相對濕度的降低，兩者的差值逐漸減??；在相對濕度較低時，激光散射法觀測的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍低于β射線法。

3.3 風速對觀測結(jié)果差值的影響

表3為晴好天氣條件下，空氣相對濕度＜50%時，

地面風速與PM10和PM2.5質(zhì)量濃度平均差值的對比情況。如表3所示，當?shù)孛骘L速＜2 m/s時，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的平均差值分別為-28.078 μg/m3和-21.654 μg/m3。隨著地面風速的增長，PM10與PM2.5質(zhì)量濃度的平均差值表現(xiàn)出相反的變化趨勢，PM10質(zhì)量濃度的平均差值隨風速的增加而增加，而PM2.5質(zhì)量濃度的平均差值隨風速的增加表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。

4 不同天氣情況下2種設(shè)備數(shù)據(jù)對比分析

4.1 數(shù)據(jù)資料

衡水市位于河北省東南部，華北平原中部，屬大陸季風氣候區(qū)。四季分明，冬夏季長、春秋季短。春季干旱少雨多風增溫快；夏季潮濕悶熱，降水集中；秋季多秋高氣爽天氣；冬季氣候干冷，雨雪稀少。

影響衡水地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度的主要是霧、霾和降水等天氣，在2023年7—12月的小時數(shù)據(jù)中篩選出4 390條有效數(shù)據(jù)，得到509條霧和霾天氣下的有效樣本數(shù)據(jù)。

4.2 霧和霾天氣對觀測結(jié)果的影響

將霧霾天氣分為霧和霾2種天氣進行分析，509條霧霾天氣的有效樣本數(shù)據(jù)分為415條霾天氣和94條霧（包括輕霧）天氣。分別計算2種天氣條件下激光散射法和β射線法測得的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值的平均值，并計算2種原理觀測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)。

由表4可知，在霾天氣時，激光散射法和β射線法2種方法所測的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度均值都高于霧和輕霧天氣，這是由于地面氣象觀測場中的儀器判別輕霧、霧和霾3種視程障礙類天氣現(xiàn)象的指標不同而導致的?，F(xiàn)行業(yè)務(wù)標準對霧、輕霧、霾3種視程障礙類天氣現(xiàn)象的判別標準除能見度和相對濕度的區(qū)別，新增了對消光系數(shù)比值的判別標準。即當吸濕增長后的氣溶膠PM2.5消光系數(shù)與實際大氣的消光系數(shù)之比＜0.8時，判別為霧或輕霧；當吸濕增長后的氣溶膠PM2.5消光系數(shù)與實際大氣的消光系數(shù)之比≥0.8時，判別為霾。

在霾天氣時，激光散射法和β射線法2種觀測原理得到的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)（分別為0.56和0.41）均高于霧或輕霧天氣（分別為0.24和0.25）。這說明在霾天氣時，測得的PM10或PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值更高，相應(yīng)的激光散射法和β射線法2種觀測原理得到的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)也更高，2種結(jié)果的相關(guān)性更好。

5 誤差原因分析

當前，大氣顆粒物的觀測已成為環(huán)境、氣候和健康等領(lǐng)域的重要內(nèi)容，用于觀測顆粒物質(zhì)量濃度的方法很多，但顆粒物的質(zhì)量濃度會受到大氣環(huán)境中眾多氣象因素的影響，還沒有可以十分準確的測定出PM10與PM2.5質(zhì)量濃度的儀器[2]。

由于2個儀器觀測原理不同，且儀器性能和參數(shù)指標存在差異，導致觀測結(jié)果存在差別。β射線法是基于β射線衰減的原理，通過測量采集到的濾膜上的顆粒物對β射線的衰減量，從而得到濾膜收集到的顆粒物的質(zhì)量濃度；而激光散射法是根據(jù)激光照射在氣溶膠樣品中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，根據(jù)接收到的散射光脈沖信號頻率和強弱，測量顆粒物的個數(shù)和粒徑大小，訂正得到顆粒物的質(zhì)量濃度，因此導致測量結(jié)果存在差異。

6 結(jié)論

（1）在溫度較高時，激光散射法觀測的PM10和PM2.5

質(zhì)量濃度數(shù)值普遍高于β射線法；隨著溫度的降低，兩者的差值逐漸減小；在溫度較低時，激光散射法觀測的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍低于β射線法。

（2）當空氣相對濕度較高時，激光散射法觀測的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍高于β射線法；隨著相對濕度的降低，兩者的差值逐漸減??；在相對濕度較低時，激光散射法觀測的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值普遍低于β射線法。

（3）在地面風速較小時，兩者的PM10質(zhì)量濃度觀測結(jié)果差距較小，且隨風速增大，差距增大；在地面風速較大時，兩者的PM2.5質(zhì)量濃度觀測結(jié)果差距較小，且隨風速減小，差距增大。

（4）在霾天氣時，激光散射法和β射線法2種方法所測的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度均值高于霧和輕霧天氣；PM10或PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)值越高時，相應(yīng)的激光散射法和β射線法2種觀測原理得到的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)也更高，兩種結(jié)果的相關(guān)性更好。

參考文獻

[1] 王強，鐘琪，遲穎，等.環(huán)境空氣PM10連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)比對測試評價指標研究[J].環(huán)境污染與防治，2013，35（12）：13-18， 25.

[2] 于麗萍，李棟，孟磊，等.兩種PM10觀測儀器數(shù)據(jù)對比分析[J].氣象水文海洋儀器，2017，34（1）：109-111.

收稿日期：2024-03-12

作者簡介：肖瑋（1997—），女，河北棗強人，助理工程師，研究方向為地面氣象觀測。