单颗粒气溶胶质谱仪在襄阳市沙尘污染过程分析中的应用

纪 芳，吴中华

(襄阳市环境保护监测站，湖北 襄阳 441000)

1 引言

襄阳市地处南阳盆地南部，国土面积1.97万km2,其中山地面积占36.5%，丘陵占54.8%，平原占8.7%[1]。东面和南面分别为桐柏山和大洪山，海拔多在1000 m以下，其间为低丘和坡地，中部的随枣走廊是南北风向的重要通道；鄂北岗地海拔150 m左右，是湖北省年降水量最少的地区[2]。襄阳属大陆亚热带季风气候区，风向呈明显的季节性变化，冬夏季分别盛行偏北风和偏南风，春、秋转换季节内风向多变。从低空环流分析，北方冷空气经南阳盆地进入湖北后传输路径分为两条：其一是有襄阳经随枣走廊传输至鄂东南地区，另一条则是气团经襄阳南下至荆门[2]。襄阳春季平均风速最大，一般在3m/s以上。受大气传输通道以及气象条件，襄阳春季易发生沙尘天气，通常东北部最先受到沙尘影响，然后在传输过程中逐渐影响西部及南部地区。

目前已有一些关于我国西北、华北地区的沙尘天气中颗粒物的研究[3～6]，但华中地区受北方沙尘传输对空气质量影响研究较少，现对襄阳市2019年春季的一次沙尘天气的整个过程中的大气颗粒物的成分和粒径进行对比研究，有助于更好地了解沙尘天气过程中颗粒物的组分变化。

2 研究方法

2.1 采样仪器

采用单颗粒气溶胶质谱仪[7](SPAMS,Single Particle Aerosol Mass Spectrometer)。

2.2 环境空气样品采集

利用单颗粒气溶胶质谱仪移动监测车(单颗粒气溶胶质谱仪SPAMS 0525)进行连续监测，采样点位于襄阳市环境保护监测站(32°0′53″N，112°7′43″E)，周边有学校、居民区及较多交通干道。

环境空气经PM2.5切割头切割后直接进入SPAMS分析，PM2.5切割头位于移动监测车顶部，采样管经车顶采样口与仪器进样口连接进行采样。采样时间为2019年3月20日0:00至3月22日10:00，平均采样频率为 个颗粒/s，共采集含有粒径信息的颗粒40.2万个，其中颗粒物粒径范围为 0.2～2.0 μm，含有正负谱图信息的颗粒为9.8万个。

2.3 质量保证与控制

采样前采用聚苯乙烯标准样品(PSLs)进行粒径校正，用硝酸铅溶液对谱图进行质谱偏移校正[8]。监测期间对单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS 0525)进行定期维护、校准[9]。

2.4 数据分析

将采集到的海量颗粒物通过自适应共振神经网络算法(ART-2a)[10]进行分类。分类过程中使用的分类参数为：相似度0.75，学习效率0.05。分类后，根据各类别化学成分特征将这些颗粒物合并成10类 ：元素碳(Elemental Carbon,EC)、有机碳(Organic Carbon,OC)、混合碳 (Internally mixed Organic and Elemental Carbon,OC)、高分子有机碳(Macromolecule OrganicCarbon，HOC)、左旋葡聚糖(Levoglucosan,LEV)、重金属(Heavy Metal , HM)、富钾(K-rich，K)、富钠(Na-rich，Na)、矿物质(Mineral Dust,MD)、其他(Other)。此外，参照《大气颗粒物来源解析技术指南(试行)》[11]，根据大气颗粒物不同污染来源特征，利用示踪离子法[12,13]将襄阳市本地大气颗粒物的污染来源归结为机动车尾气、燃煤、工业工艺源、二次无机源、扬尘、生物质燃烧、餐饮及其它等八类。

3 结果与讨论

3.1 监测期间空气质量分析

3月20日6时中央气象台发布沙尘暴预警，受冷空气大风影响，3月20日8时至21日08时，新疆东部和南疆盆地、内蒙古西部、甘肃河西、宁夏、陕西中北部等地有扬沙或浮尘天气。此次沙尘天气过程中沙尘源乌海、阿拉善盟、银川、中卫这些城市PM10小时浓度均持续2 h以上600 μg/m3，沙尘途经固原、庆阳、西安等城市先到达河南西部再进入襄阳。

21日清晨伴随着强东北风，襄阳开始受北方沙尘扩散影响，21日4时站点PM10浓度上升到154 μg/m3，6时PM10浓度达到峰值303 μg/m3，随着PM10浓度上升，PM2.5浓度下降，空气质量由良变为轻度污染以上并持续15 h。21日20时后空气质量好转，表现为良。根据环保部环办监测[2016]120号文要求，确认襄阳市此次受沙尘天气影响时段为2019年3月21日4：00～23：00共计20 h(图1)。

图1 监测期间环境空气颗粒物浓度随时间变化曲线

3.2 颗粒物成分分析

监测期间，监测点共采集到具有测径信息的颗粒物(SIZE)40.2万个，同时有正、负谱图的颗粒(MASS)9.8万个。颗粒物数浓度与质量浓度变化趋势较为一致，测径颗粒的小时变化趋势与PM2.5质量浓度的相关性较高，相关系数r值达到0.90，说明SPAMS的数浓度变化趋势对反映大气污染状况具有较强的代表性。

襄阳市大气颗粒物组分和污染源比例和数浓度及PM2.5质量浓度的小时变化分别如图2、图3、图4所示，从颗粒成分来看，整个监测时段本地大气颗粒物成分以元素碳为主，主要的成分为元素碳50.3%，其次为富钾12.1%、有机碳11.8%。图4为各颗粒物成分粒径分布，矿物质在大粒径分布比例显著增加，它是沙尘过程中扬尘源颗粒物的主要成分来源。

图2 SIZE-PM2.5质量浓度变化趋势

3.3 细颗粒物来源分析

参照《大气颗粒物来源解析技术指南》，结合襄阳市本地污染源谱库和当地的能源结构，按照环境管理需求对细颗粒物排放源进行分类，将襄阳市细颗粒物污染来源归结为八大类，分别为扬尘、生物质燃烧、机动车尾气、燃煤、工业工艺源、二次无机源和其它。由图5 PM2.5污染物来源解析结果可见，整个监测期间PM2.5首要污染源为机动车尾气，比例为23.5%，其次为工业工艺源占比为20.9%，燃煤源占17.8%，排在第三位。

图3 颗粒物Art-2a分类结果

图4 各颗粒物成分粒径分布

图5 PM2.5污染物来源解析结果

3.3.1 不同类型污染源粒径分析

图6为各类颗粒物粒径分布，扬尘颗粒物在大粒径分布比例显著增加，即主要分布在大粒径段，机动车尾气、燃煤、工业工艺颗粒物则主要分布在小粒径段。

3.3.2 不同类型污染源变化趋势分析

利用SPAMS高时间分辨率的特性，可得到小时级别的颗粒物来源解析结果，如图7所示，监测期间PM2.5质量浓度波动变化，各类污染源数浓度与PM2.5质量浓度变化趋势相近，PM2.5上升期间，机动车尾气源、工业工艺源、燃煤源的贡献率较高。在东北风的作用下，随着沙尘影响开始，各类污染源数浓度与PM2.5质量浓度下降，扬尘源比例上升明显，另外沙尘传输过程途径洛阳、平顶山、南阳到达襄阳，从图8的火点分布图可以看出，平顶山火点较多，这也是沙尘影响时段生物质燃烧比例升高的原因。

3.4 污染天气过程分析

监测期间污染天气主要是受到沙尘天气的影响，其中3月21日4：00～19：00的污染持续时间长，污染程度较高。

3.4.1 沙尘传输激光雷达观测

上风向郑州和平顶山激光雷达气溶胶观测结果如图9、10所示，从郑州激光雷达垂直监测数据可以发现，从雷达消光系数与退偏比图像中可以看到，3月21日0时在监测点位上空粗颗粒物逐渐向地面沉降，于2时左右到达近地面，北区指挥部站点PM10浓度开始快速上升，PM2.5于1时开始下降，之后维持在30 μg/m3以下；PM10持续上升，于3月21日10时达到峰值375 μg/m3，PM2.5/PM10比值明显下降，符合沙尘特征。在11时07分后，近地面粗颗粒物比重逐渐降低，沙尘污染气团上升至站点上空2～3 km处，之后逐渐退散。

图6 各类源颗粒物粒径分布

图7 各污染源数浓度、比例及PM2.5质量浓度随时间变化趋势

图8 3月21日火点分布

从平顶山雷达消光系数图像中可以看到，3月21日1时在监测点位上空粗颗粒物逐渐向地面沉降，于2时左右到达近地面，国控点监测值2时PM10达到峰值，在短短3 h内PM10浓度由93 μg/m3升至249 μg/m3，PM2.5/PM10小时浓度比值为0.31，小于前6 h比值平均值(0.32)的50%；17时，PM10浓度降至109 μg/m3，首次降至与沙尘天气前6 h PM10平均值(112 μg/m3)相对偏差小于10%，符合沙尘特征。

3.4.2 后向轨迹与颗粒物来源分析

沙尘传输过程后向轨迹、污染过程气象参数与颗粒物来源分析分别如图11、12、13所示，时段2至时段4西北方向的沙尘先到达河南西部，在较强的东北风作用下途径洛阳、郑州、平顶山、南阳再输送至襄阳市。沙尘影响时段监测点位空气湿度40%左右，风速5.0 m/s左右，随着PM2.5质量浓度的下降，扬尘比例迅速增加，时段1至时段2，扬尘比例上升2.6%。时段3达到污染峰值，受到沙尘影响最为严重，扬尘比例高达19.3%，比沙尘影响前时段1的扬尘比例上升10.3%。时段4之后，风力减弱，风向改变，空气湿度增大，至时段5的扬尘源贡献率明显开始下降，沙尘影响逐渐减弱，空气质量迅速好转。

沙尘传输过程中，受上游城市平顶山秸秆焚烧的影响，时段1至时段5生物质燃烧源比例经历升降变化，时段3达到最高比例19.3% 。

图9 3月21日郑州激光雷达垂直数据分析

图10 3月21日平顶山激光雷达垂直数据分析

图11 沙尘污染过程颗粒物来源分析

图12 监测期间气象参数与PM2.5的变化趋势

图13 污染过程风速风向空气质量三维图

4 结论

(1) 监测期间，颗粒物主要化学组成为元素碳、富钾和有机碳。矿物质在大粒径分布比例显著增加，它是沙尘过程中扬尘源颗粒物的主要成分来源。

(2)从污染源解析的角度来看，整个监测期间PM2.5首要污染源为机动车尾气，比例为23.5%，其次为工业工艺源占比为20.9%，燃煤源占17.8%，排在第三位。扬尘颗粒物在大粒径分布比例显著增加。

(3)监测期间受西北沙尘传输影响，各类污染源数浓度与PM2.5质量浓度下降，扬尘源的贡献率随之升高。监测分析结果表明，单颗粒气溶胶质谱仪可快速、实时的分析沙尘影响过程中颗粒物的成分及各类污染源的贡献率，同时结合后向轨迹和气象参数分析得出的结论与根据环保部环办监测[2016]120号文要求得出的结论一致。