1、天津市近地層PM2.5的垂直分布特征韓素芹1，2*,李培彥2,李向津2, 孫玫玲21.南開大學環境科學與工程學院，天津300071；2. 天津市氣象科學研究所，天津300074摘要：大氣細顆粒物PM2.5是導致城市能見度降低的重要原因之一，研究低層大氣細顆粒物的垂直分布特征，利于了解邊界層內污染物的大氣物理化學反應機制，能為大氣污染綜合治理決策提供新的科學數據。2006年8月16日2007年8月31日期間以天津市255m氣象塔為觀測平臺，分別在40m、120m和220m3個不同高度進行大氣污染物PM2.5質量濃度和氣象要素的同步觀測。對觀測資料的分析表明：PM2.5質量濃度季節變化規律非常明顯

2、，冬季最高，春季最低。PM2.5日變化特征非常明顯，呈明顯的雙峰變化規律：冬季峰值最大、春季最小。邊界層內PM2.5質量濃度在各個高度存在明顯差異，受逆溫層影響，四個季節的早晨第一個峰值出現時間隨高度增加均存在滯后現象，PM2.5從地面擴散到220m大約需要2 h。各個觀測高度PM2.5質量濃度隨風向變化不大，得到天津市細粒子主要是由本地源生成的結論。關鍵詞：PM2.5；近地層；垂直分布；夜間混合層高度中圖分類號：X513文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2008）03-0975-05大氣細顆粒物PM2.5與人體健康顯著相關，對大氣能見度有著重要影響，并因其涉及二次污染和跨區域輸送

3、而備受關注1, 2。PM2.5在大氣中停留的時間較長，受到復合排放源、粒子特性、氣象條件等多種因素的影響，其空間分布規律較一般氣態污染物更為復雜。從本地工廠、交通和居民等污染源向大氣排放的空氣污染物以及外地輸送過來的空氣污染物都會在城市邊界層中進行輸送、擴散、稀釋和沉降，掌握城市邊界層中空氣污染物垂直結構特征對于深入了解其中的大氣物理化學過程十分重要。隨著現代化城市的發展，高層建筑的不斷涌現使人們的活動范圍逐漸由單一平面發展到近地層空間，因此也更加關心空氣污染物在近地層不同高度的垂直分布特征3-5。國內關于大氣污染物質量濃度垂直分布的觀測研究一般集中在三個高度：一是借助城市建筑物對污染物進行梯

4、度觀測，觀測高度一般在40m以下；二是借助城市高塔進行梯度觀測，觀測高度一般在300 m左右；第三種就是借助激光雷達等設備進行觀測，但該種觀測高度一般在500m以上，不能用于近地層污染物梯度變化特征研究。Chan等6在香港不同的城市環境中測量了不同高度處的TSP、PM10和PM2.5，發現街道峽谷（3、21和26m3個高度）顆粒物隨高度呈指數遞減規律，而在開闊街道處（7、10和18m3個高度）為線性遞減規律，但在香港科技大學（3、8和25m3個高度）的測量結果為TSP開始隨高度增加，而后逐漸降低。楊龍7對北京秋冬季節垂直觀測的結果表明近地層PM2.5的垂直分布隨高度增加呈對數遞減的規律。丁國安

5、等8在2003年8月1026日的觀測數據揭示北京地區PM2.5和PM10的垂直結構和動力特征，并將氣溶膠垂直分布分為減緩遞減型和快速遞減型。吳水平等9在天津氣象鐵塔上20、40和60m三個不同高度觀測TSP和PM10顆粒物的質量濃度，結果表明無論是TSP還是PM10，不同時間不同高度采集的顆粒物濃度之間都存在差異，并且40m高度處顆粒物質量濃度比60m處的質量濃度高。以上結果都是基于短期試驗資料進行的分析，本文在2006年8月15日2007年8月31日期間利用天津255m氣象鐵塔在3個高度（40m、120m和220m）同時觀測，系統分析城市邊界層內PM2.5的垂直分布特征及影響機制。1觀測實驗

6、1.1 觀測時間與場地為獲得城市污染大氣中PM2.5質量濃度的分布特征，2006年8月16日-2007年8月31日期間以天津市255m氣象塔為觀測平臺，分別在40m、120m和220m 3個不同高度進行大氣污染物PM2.5質量濃度和氣象要素的同步觀測。255m氣象鐵塔位于城市南部，經緯度為(39o4N，117o12E)，地面塔底海拔高度3m。鐵塔附近以居民樓住宅和商業區為主，無大型煙囪。鐵塔北距快速路約100m，東臨友誼路友誼南路，該塔周邊沒有工業污染源。1.2觀測儀器及數據處理方法污染物采樣點設在鐵塔觀測站院內。在鐵塔5m、10m、20m、30m、40m、60m、80m、100m、120m、

7、140m、160m、180m、200m、220m和250m15個平臺處設置風速、風向、溫度和濕度（3層）響應儀器，本文取10 min平均值。PM2.5梯度觀測設在鐵塔的40m、120m和220m觀測平臺上，PM2.5采用Ambient particulate Monitor chemiluminescence進行觀測，儀器滿足美國EPA監測標準，各項污染物質量濃度值均每1 min紀錄1次數據。各要素在采樣期間采用60s的間隔，即每1 min輸出一個平均值，每24h的觀測值寫在一個文件上。進行數據處理時，首先對明顯不合理的數據如超過5倍方差、負值和小于測量精度的值去除，開始觀測的第一天數據予以剔

8、除，以獲得穩定的觀測值。1 h均值以正點前后30 min的觀測值求平均。2結果分析2.1PM2.5平均時間變化特征圖1是不同季節40m測點處PM2.5平均質量濃度（1 h均值）變化特征：PM2.5季節變化規律非常明顯，質量濃度從高到低依次為：冬季、秋季、夏季和春季，其平均質量濃度分別為：104.7µg·m-3、90.0µg·m-3、76.8µg·m-3和60.7µg·m-3。這一變化規律與PM10春冬季最高，夏季最弱的季節變化規律明顯不同10。PM2.5質量濃度春季最低可能是由于春季風大，空氣比較干燥，氣候條件不利

9、于二次粒子的生成，大氣懸浮顆粒物中以粗粒子為主。（春季） （夏季）（秋季） （冬季）圖2 四季不同高度PM2.5平均日變化特征Fig. 2Daily variation of mean values of PM2.5 concentration at different height in four seasons圖1 四季PM2.5平均日變化Fig. 1Daily variation of mean values of PM2.5concentration in four seasons各個季節PM2.5日變化特征非常明顯，呈明顯的雙峰變化規律，平均質量濃度1 d中的峰值常常出現在早晨（5:

10、0010:00）和晚上（18:0023:00)左右這個范圍內，而且以早晨峰值最為明顯。四個季節峰值大小和出現時間均有差異：冬季峰值最大（120.5µg·m-3）、春季最小（76.5µg·m-3），冬季峰值高除冬季加熱采暖造成排放源增加外，冬季不利氣象條件也是造成冬季污染嚴重的重要因素。早晨峰值出現時間為：夏季在早晨6:00左右出現PM2.5第一個峰值，春季在早晨7:00左右，秋季則在8:00左右，冬季則一直推遲到9:00左右，夏季最早、冬季最遲，每個季節約滯后1 h，峰值出現時間主要與人類活動規律有關。2.2 PM2.5質量濃度垂直梯度變化特征PM2.5

11、的空間分布規律較一般氣態污染物更為復雜，受到復合排放源、粒子特性、氣象條件等多種因素的影響11-15。圖2表明不同季節PM2.5的垂直變化規律：四個季節各個高度PM2.5質量濃度一般呈雙峰日變化規律，早晨和夜間各有一個峰值，各個季節早晨峰值出現時間隨高度增加均存在滯后現象。春季夜間120m濃度最高，其次是40m，220m質量濃度最低。根據20032006年鐵塔資料計算夜間逆溫層底高度發現春季平均高度在100150m左右16，220m處在夜間混合層以外。夜間近地層排放的污染物的向上垂直擴散最終堆積在混合層內，造成120m質量濃度最高，40m次之，220m質量濃度最低。早晨污染物排放量增加，40m

12、處在7:00左右出現第一個峰值，日出后逆溫層逐漸被破壞，細粒子污染物逐漸向上擴散，近地層質量濃度逐漸降低，120m和220m觀測點依次在8:00和9:00左右出現第一個峰值，可以認為這個滯后時間是細粒子從低層擴散到高層所用時間，即從地面擴散到220m高度大約需要2 h。中午湍流充分發展，三層觀測點都處在混合層高度內，40m的質量濃度最低，220m的質量濃度達到最高。夏季日間PM2.5的質量濃度變化和春季有相似變化規律，由于夏季對流比較強，在18:0023:00之間各層PM2.5的質量濃度梯度差別很小, 凌晨在40m和120m高度的質量濃度變化曲線一致，220m的質量濃度較低，且峰值出現時間滯后

13、于40m和120m，說明夏季夜間40m和120m都處在NPBL內。秋季PM2.5的質量濃度變化和春季類似，唯一不同之處是夜間40m的質量濃度最高，說明秋季只有40m完全處在NPBL內，120m可能處在NPBL交界處。圖3 冬季不同時刻PM2.5質量濃度廓線Fig. 3 PM2.5 vertical profiles at selected period in winter冬季PM2.5質量濃度的梯度變化與前面三個季節有所不同：污染物質量濃度梯度變化非常明顯：120m質量濃度最高，日平均質量濃度為122.8µg·m-3，其次為40m，日平均質量濃度為104.7µg&

14、#183;m-3，220m質量濃度最低，日平均質量濃度只有77.0µg·m-3，比120m觀測點質量濃度低45.8µg·m-3。40m高度第一個峰值出現在上午9:00左右，120m峰值出現時間滯后1 h，220m則在10:00左右開始出現峰值，但質量濃度始終低于低層，說明冬季PM2.5在垂直方向上的擴散受到限制。圖3是冬季PM2.5質量濃度不同時刻質量濃度廓線變化特征，可以看到在各個時刻均是120m濃度最高；中午由于垂直方向湍流運動比較強，三個高度質量濃度梯度變化不是很大，其他時刻120m質量濃度明顯偏大。而且冬季9:0012:00的質量濃度值要大于其他

15、時刻均值，說明冬季PM2.5出現極值的時間要滯后于其他季節（7:009:00），這和平均質量濃度日變化特征曲線出現極值時間結果一致。2.3天津市PM2.5質量濃度的來源分析為分析本地源和周邊地區輸送對天津市PM2.5質量濃度貢獻值的大小，本文統計40m、120m和220m三個主要觀測高度PM2.5質量濃度隨風向變化規律，試圖給出天津市PM2.5的污染成因。圖4是四季不同高度PM2.5質量濃度玫瑰圖。各季220m觀測高度的PM2.5質量濃度隨風向變化不大，可以認為天津市PM2.5污染絕大部分是由本地源造成，周邊地區的遠距離輸送只占較小的比例。對220m高度質量濃度值進行統計分析，表明天津市春季P

16、M2.5背景質量濃度約為60µg·m-3，周邊地區影響大約10µg·m-3。夏季PM2.5背景質量濃度約為70µg·m-3，周邊地區影響約為1015µg·m-3。秋冬季PM2.5背景質量濃度約為70µg·m-3，基本由本地源造成。根據PM2.5質量濃度隨風向變化統計結果說明，在一定程度上可以認為天津市氣溶膠以當地源生成為主，周邊輸送只占很小比例，天津市氣溶膠污染控制應以治理當地源為主。3結論2006年8月16日2007年8月31日期間以天津市255m氣象塔為觀測平臺，分別在40m、120m和22

17、0m三個不同高度進行大氣污染物PM2.5質量濃度和氣象要素的同步觀測。對觀測資料的分析表明：PM2.5質量濃度季節變化規律非常明顯，冬季最高，春季最低；PM2.5日變化特征非常明顯，呈明顯的雙峰變化規律：冬季峰值最大、春季最小；邊界層內PM2.5質量濃度在各個高度存在明顯差異，受逆溫層影響，早晨第一個峰值出現時間隨高度增加均存在滯后現象，PM2.5從地面擴散到220m高度大約需要2 h；各個觀測高度PM2.5質量濃度隨風向變化不大，在一定程度上可以認為天津市細粒子主要是由本地源生成。（春季） （夏季）（秋季） （冬季）圖4 四季不同高度PM2.5平均質量濃度玫瑰Fig. 4 PM2.5 con

18、centration versus wind direction at different height in four seasons參考文獻：1袁楊森,劉大錳,車瑞俊,等.北京市秋季大氣顆粒物的污染特征研究J.生態環境,2007,16(1):18-25.Yuan Yangsen, Liu Dameng, Che Ruijun, et al. Research on the pollution situation of atmospheric particulates during Autumn in Beijing cityJ. Ecology and Environment,2007,1

19、6(1):18-25.2 SO K L , GUO H, LI Y S. Long-term variation of PM2.5levels and composition at rural, urban, and roadside sites in Hong Kong: Increasing impact of regional air pollutionJ.Atmospheric Environment,2007(41):9427-9434.3FISH D.The vertical distribution of NOx in the atmospheric boundary layer

20、J.Atmospheric Environment,1999(33):687-691.4HAN Suqin,Liu Aixia, Bian Hai, et al. Study of vertical distributive characters of O3 in autumn with 255m meteorological tower in tianjin, chinaJ. Abstracts of papers of American Chemical Society,2007: 272-276.5安俊琳,王躍思,李昕,等.北京大氣中SO2、NOX、CO和O3體積分數變化分析J.生態環境

21、,2007,16(6):1585-1589.An Junlin,Wang Yuesi,Li Xin, et al. Measurement on the atmospheric SO2,NOX,CO and O3 concentrations inBeijingJ Ecology and Environment,2007,16(6): 1585-1589.6CHAN LY, KWOK WS. Vertical dispersion of suspended particulates in urban area of Hong KongJ.Atmospheric Environment,2000

22、(34):4403-4412.7楊龍,賀克斌,張強等.北京秋冬季近地層PM2.5質量濃度垂直分布特征J.環境科學研究,2005,18(2):23-28.Yang Long, He Kebin, Zhang Qiang, et al. Vertical Distributive Characters of PM2.5 at the Ground Layer in Autumn and Winter in BeijingJ. Research of Environmental Science, 2005,18(2):23-28.8丁國安,陳尊裕,高志球, 等.北京城區低層大氣PM10和PM2.5垂

23、直結構及其動力特征研究J.中國科學: D輯 地球科學, 2005,35(增刊1):31-44.Ding Guoan, Chen Zunyu, Gao Zhiqiu, et al. Vertical structures of PM10 and PM2.5 and their dynamical character in low atmosphere in Beijing urban areasJ.Science in china Ser.D Earth Sciences 2005,35(supp):31-44.9吳水平,藍天,左謙,等.不同高度大氣顆粒物中多環芳烴的粒徑分布J.環境化學,200

24、5,24(1):76-80.Wu Shuiping, Lan Tian, Zuo Qian, et al. Vertical and size distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons in Tianjin urban aerosolJ. Environmental Chemistry, 2005,24(1):76-80. 10 潘建國,曹軍驥,李順誠.珠海空氣中可吸入顆粒物(PM10)的時空變化特征J.環境科學研究,2003,16(5): 6-10.Pan Jianguo, Cao Junji, Li Shuncheng. Spatia

25、l-Temporal Variations of Atmospheric PM10 over ZhuhaiJ. Research of Environmental Science,2003,16(5): 6-10.11 徐祥德,施曉輝,謝立安,等.城市冬、夏季大氣污染氣、粒態復合型相關空間研究J.中國科學: D輯 地球科學,2005,35(增刊):53-65.Xu Xiangde, Shi Xiaohui, Xie Lian, et al. Spatial character of the gaseous and particulate state compound correction of

26、 urban atmospheric pollution in winter and summerJ. Science in china Ser.D Earth Sciences 2005,35(supp):53-65.12余學春,賀克斌,馬永亮,等.北京市PM2.5水溶性有機物污染特征J.中國環境科學,2004,24(1):53-57.Yu Xuechun, He Kebin, Ma Yongliang, et al. Pollution character of PM2.5 water-soluble organic compounds in Beijing CityJ. China En

27、vironmental Science, 2004,24(1):53-57.13周明煜,姚文清,徐祥德,等.北京城市大氣邊界層低層垂直動力和熱力特征及其與污染物濃度關系的研究J.中國科學: D輯 地球科學,2005,35(增刊):20-30.Zhou Mingyu, Yao Wenqing, Xu Xiangde, et al. Vertical dynamic and thermodynamic characteristics of urban lower boundary layer and its relationship with aerosol concentration over

28、BerjingJ ,Science in china Ser.D Earth Sciences 2005,35(supp): 20-30.14周麗,徐祥德,丁國安,等.北京地區氣溶膠PM2.5粒子濃度的相關因子及其估算模型J.氣象學報, 2003,61(6):761-768.Zhou Li, Xu Xiangde, Ding Guoan, et al. The correlation factors and pollution forecast model for PM2.5 concentration in Beijing areaJ. Acta meteorological sinica,

29、 2003,61(6):761-768.15 He Kebin, Yang Fumo, Ma Yongliang, et al. The characteristics of PM2.5 in Beijing, ChinaJ. Atmospheric Environment, 2001(35): 4959-4970.16 HAN S Q, BIAN H, TIE X X, et al. ImpactofNocturnalPlanetaryBoundaryLayeronUrbanAirPollutants:Measurementsfroma250metertoweroverTianjin,Chi

30、naJ. JournalofHazardousMaterials,2008, doi:/10.1016/j.jhazmat.2008.05.056.Vertical Distribution of the PM2.5 at the Ground Layer in TianjinHan Suqin1,2, Li Peiyan2, Li Xiangjin2, Sun Meiling21. Collage of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China;2. Tianjin mete

31、orology institute, Tainjin 300074, ChinaAbstracts: The pollution caused by atmospheric particulate PM2.5 is one of the important factors affecting urban visibility, research on the vertical distributive characters of PM2.5 at the ground layer is benefit for the understanding the formation mechanism of the primary pollutants, which will provide a new scientific basis for the comprehensive pollution control. Experiments were carried out from 16, Aug of 2006 to 31,Aug of 2007 on the meteorological tower of 255m height i