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(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300071；2. 天津市氣象科學(xué)研究所，天津300074摘要：大氣細(xì)顆粒物PM2.5是導(dǎo)致城市能見度降低的重要原因之一，研究低層大氣細(xì)顆粒物的垂直分布特征，利于了解邊界層內(nèi)污染物的大氣物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，能為大氣污染綜合治理決策提供新的科學(xué)數(shù)據(jù)。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(cè)平臺(tái)，分別在40m、120m和220m3個(gè)不同高度進(jìn)行大氣污染物PM2.5質(zhì)量濃度和氣象要素的同步觀測(cè)。對(duì)觀測(cè)資料的分析表明：PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化規(guī)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(guī)律：冬季峰值最大、春季最小。邊界層內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度在各個(gè)高度存在明顯差異，受逆溫層影響，四個(gè)季節(jié)的早晨第一個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)間隨高度增加均存在滯后現(xiàn)象，PM2.5從地面擴(kuò)散到220m大約需要2 h。各個(gè)觀測(cè)高度PM2.5質(zhì)量濃度隨風(fēng)向變化不大，得到天津市細(xì)粒子主要是由本地源生成的結(jié)論。關(guān)鍵詞：PM2.5；近地層；垂直分布；夜間混合層高度中圖分類號(hào)：X513文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-2175（2008）03-0975-05大氣細(xì)顆粒物PM2.5與人體健康顯著相關(guān)，對(duì)大氣能見度有著重要影響，并因其涉及二次污染和跨區(qū)域輸送

3、而備受關(guān)注1, 2。PM2.5在大氣中停留的時(shí)間較長(zhǎng)，受到復(fù)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(guī)律較一般氣態(tài)污染物更為復(fù)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(guò)來(lái)的空氣污染物都會(huì)在城市邊界層中進(jìn)行輸送、擴(kuò)散、稀釋和沉降，掌握城市邊界層中空氣污染物垂直結(jié)構(gòu)特征對(duì)于深入了解其中的大氣物理化學(xué)過(guò)程十分重要。隨著現(xiàn)代化城市的發(fā)展，高層建筑的不斷涌現(xiàn)使人們的活動(dòng)范圍逐漸由單一平面發(fā)展到近地層空間，因此也更加關(guān)心空氣污染物在近地層不同高度的垂直分布特征3-5。國(guó)內(nèi)關(guān)于大氣污染物質(zhì)量濃度垂直分布的觀測(cè)研究一般集中在三個(gè)高度：一是借助城市建筑物對(duì)污染物進(jìn)行梯

4、度觀測(cè)，觀測(cè)高度一般在40m以下；二是借助城市高塔進(jìn)行梯度觀測(cè)，觀測(cè)高度一般在300 m左右；第三種就是借助激光雷達(dá)等設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)，但該種觀測(cè)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(huán)境中測(cè)量了不同高度處的TSP、PM10和PM2.5，發(fā)現(xiàn)街道峽谷（3、21和26m3個(gè)高度）顆粒物隨高度呈指數(shù)遞減規(guī)律，而在開闊街道處（7、10和18m3個(gè)高度）為線性遞減規(guī)律，但在香港科技大學(xué)（3、8和25m3個(gè)高度）的測(cè)量結(jié)果為TSP開始隨高度增加，而后逐漸降低。楊龍7對(duì)北京秋冬季節(jié)垂直觀測(cè)的結(jié)果表明近地層PM2.5的垂直分布隨高度增加呈對(duì)數(shù)遞減的規(guī)律。丁國(guó)安

5、等8在2003年8月1026日的觀測(cè)數(shù)據(jù)揭示北京地區(qū)PM2.5和PM10的垂直結(jié)構(gòu)和動(dòng)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(gè)不同高度觀測(cè)TSP和PM10顆粒物的質(zhì)量濃度，結(jié)果表明無(wú)論是TSP還是PM10，不同時(shí)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(zhì)量濃度比60m處的質(zhì)量濃度高。以上結(jié)果都是基于短期試驗(yàn)資料進(jìn)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(gè)高度（40m、120m和220m）同時(shí)觀測(cè)，系統(tǒng)分析城市邊界層內(nèi)PM2.5的垂直分布特征及影響機(jī)制。1觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

6、1.1 觀測(cè)時(shí)間與場(chǎng)地為獲得城市污染大氣中PM2.5質(zhì)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(cè)平臺(tái)，分別在40m、120m和220m 3個(gè)不同高度進(jìn)行大氣污染物PM2.5質(zhì)量濃度和氣象要素的同步觀測(cè)。255m氣象鐵塔位于城市南部，經(jīng)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(yè)區(qū)為主，無(wú)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(yè)污染源。1.2觀測(cè)儀器及數(shù)據(jù)處理方法污染物采樣點(diǎn)設(shè)在鐵塔觀測(cè)站院內(nèi)。在鐵塔5m、10m、20m、30m、40m、60m、80m、100m、120m、

7、140m、160m、180m、200m、220m和250m15個(gè)平臺(tái)處設(shè)置風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和濕度（3層）響應(yīng)儀器，本文取10 min平均值。PM2.5梯度觀測(cè)設(shè)在鐵塔的40m、120m和220m觀測(cè)平臺(tái)上，PM2.5采用Ambient particulate Monitor chemiluminescence進(jìn)行觀測(cè)，儀器滿足美國(guó)EPA監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)污染物質(zhì)量濃度值均每1 min紀(jì)錄1次數(shù)據(jù)。各要素在采樣期間采用60s的間隔，即每1 min輸出一個(gè)平均值，每24h的觀測(cè)值寫在一個(gè)文件上。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先對(duì)明顯不合理的數(shù)據(jù)如超過(guò)5倍方差、負(fù)值和小于測(cè)量精度的值去除，開始觀測(cè)的第一天數(shù)據(jù)予以剔

8、除，以獲得穩(wěn)定的觀測(cè)值。1 h均值以正點(diǎn)前后30 min的觀測(cè)值求平均。2結(jié)果分析2.1PM2.5平均時(shí)間變化特征圖1是不同季節(jié)40m測(cè)點(diǎn)處PM2.5平均質(zhì)量濃度（1 h均值）變化特征：PM2.5季節(jié)變化規(guī)律非常明顯，質(zhì)量濃度從高到低依次為：冬季、秋季、夏季和春季，其平均質(zhì)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(guī)律與PM10春冬季最高，夏季最弱的季節(jié)變化規(guī)律明顯不同10。PM2.5質(zhì)量濃度春季最低可能是由于春季風(fēng)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(gè)季節(jié)PM2.5日變化特征非常明顯，呈明顯的雙峰變化規(guī)律，平均質(zhì)量濃度1 d中的峰值常常出現(xiàn)在早晨（5:

10、0010:00）和晚上（18:0023:00)左右這個(gè)范圍內(nèi)，而且以早晨峰值最為明顯。四個(gè)季節(jié)峰值大小和出現(xiàn)時(shí)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(yán)重的重要因素。早晨峰值出現(xiàn)時(shí)間為：夏季在早晨6:00左右出現(xiàn)PM2.5第一個(gè)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(gè)季節(jié)約滯后1 h，峰值出現(xiàn)時(shí)間主要與人類活動(dòng)規(guī)律有關(guān)。2.2 PM2.5質(zhì)量濃度垂直梯度變化特征PM2.5

11、的空間分布規(guī)律較一般氣態(tài)污染物更為復(fù)雜，受到復(fù)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(jié)PM2.5的垂直變化規(guī)律：四個(gè)季節(jié)各個(gè)高度PM2.5質(zhì)量濃度一般呈雙峰日變化規(guī)律，早晨和夜間各有一個(gè)峰值，各個(gè)季節(jié)早晨峰值出現(xiàn)時(shí)間隨高度增加均存在滯后現(xiàn)象。春季夜間120m濃度最高，其次是40m，220m質(zhì)量濃度最低。根據(jù)20032006年鐵塔資料計(jì)算夜間逆溫層底高度發(fā)現(xiàn)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(kuò)散最終堆積在混合層內(nèi)，造成120m質(zhì)量濃度最高，40m次之，220m質(zhì)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(xiàn)第一個(gè)峰值，日出后逆溫層逐漸被破壞，細(xì)粒子污染物逐漸向上擴(kuò)散，近地層質(zhì)量濃度逐漸降低，120m和220m觀測(cè)點(diǎn)依次在8:00和9:00左右出現(xiàn)第一個(gè)峰值，可以認(rèn)為這個(gè)滯后時(shí)間是細(xì)粒子從低層擴(kuò)散到高層所用時(shí)間，即從地面擴(kuò)散到220m高度大約需要2 h。中午湍流充分發(fā)展，三層觀測(cè)點(diǎn)都處在混合層高度內(nèi)，40m的質(zhì)量濃度最低，220m的質(zhì)量濃度達(dá)到最高。夏季日間PM2.5的質(zhì)量濃度變化和春季有相似變化規(guī)律，由于夏季對(duì)流比較強(qiáng)，在18:0023:00之間各層PM2.5的質(zhì)量濃度梯度差別很小, 凌晨在40m和120m高度的質(zhì)量濃度變化曲線一致，220m的質(zhì)量濃度較低，且峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后

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

14、#183;m-3，220m質(zhì)量濃度最低，日平均質(zhì)量濃度只有77.0µg·m-3，比120m觀測(cè)點(diǎn)質(zhì)量濃度低45.8µg·m-3。40m高度第一個(gè)峰值出現(xiàn)在上午9:00左右，120m峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后1 h，220m則在10:00左右開始出現(xiàn)峰值，但質(zhì)量濃度始終低于低層，說(shuō)明冬季PM2.5在垂直方向上的擴(kuò)散受到限制。圖3是冬季PM2.5質(zhì)量濃度不同時(shí)刻質(zhì)量濃度廓線變化特征，可以看到在各個(gè)時(shí)刻均是120m濃度最高；中午由于垂直方向湍流運(yùn)動(dòng)比較強(qiáng)，三個(gè)高度質(zhì)量濃度梯度變化不是很大，其他時(shí)刻120m質(zhì)量濃度明顯偏大。而且冬季9:0012:00的質(zhì)量濃度值要大于其他

15、時(shí)刻均值，說(shuō)明冬季PM2.5出現(xiàn)極值的時(shí)間要滯后于其他季節(jié)（7:009:00），這和平均質(zhì)量濃度日變化特征曲線出現(xiàn)極值時(shí)間結(jié)果一致。2.3天津市PM2.5質(zhì)量濃度的來(lái)源分析為分析本地源和周邊地區(qū)輸送對(duì)天津市PM2.5質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)值的大小，本文統(tǒng)計(jì)40m、120m和220m三個(gè)主要觀測(cè)高度PM2.5質(zhì)量濃度隨風(fēng)向變化規(guī)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(zhì)量濃度玫瑰圖。各季220m觀測(cè)高度的PM2.5質(zhì)量濃度隨風(fēng)向變化不大，可以認(rèn)為天津市PM2.5污染絕大部分是由本地源造成，周邊地區(qū)的遠(yuǎn)距離輸送只占較小的比例。對(duì)220m高度質(zhì)量濃度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表明天津市春季P

16、M2.5背景質(zhì)量濃度約為60µg·m-3，周邊地區(qū)影響大約10µg·m-3。夏季PM2.5背景質(zhì)量濃度約為70µg·m-3，周邊地區(qū)影響約為1015µg·m-3。秋冬季PM2.5背景質(zhì)量濃度約為70µg·m-3，基本由本地源造成。根據(jù)PM2.5質(zhì)量濃度隨風(fēng)向變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果說(shuō)明，在一定程度上可以認(rèn)為天津市氣溶膠以當(dāng)?shù)卦瓷蔀橹鳎苓呡斔椭徽己苄”壤旖蚴袣馊苣z污染控制應(yīng)以治理當(dāng)?shù)卦礊橹鳌?結(jié)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(cè)平臺(tái)，分別在40m、120m和22

17、0m三個(gè)不同高度進(jìn)行大氣污染物PM2.5質(zhì)量濃度和氣象要素的同步觀測(cè)。對(duì)觀測(cè)資料的分析表明：PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化規(guī)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(guī)律：冬季峰值最大、春季最小；邊界層內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度在各個(gè)高度存在明顯差異，受逆溫層影響，早晨第一個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)間隨高度增加均存在滯后現(xiàn)象，PM2.5從地面擴(kuò)散到220m高度大約需要2 h；各個(gè)觀測(cè)高度PM2.5質(zhì)量濃度隨風(fēng)向變化不大，在一定程度上可以認(rèn)為天津市細(xì)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(zhì)量濃度玫瑰Fig. 4 PM2.5 con

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