煤烟型无机气溶胶的形成特征研究

王 伟，田 晓，崔 阳，郭利利，何秋生，王新明

(1.太原科技大学 环境科学与工程学院，太原 030024；2.中国科学院广州地球化学研究所 有机地球化学国家重点实验室，广州 510630)

细颗粒物(PM2.5)依然是影响我国北方大多数城市空气质量的主要大气污染物，尤其在冬季。PM2.5是指空气中动力学当量直径小于2.5 μm的颗粒物，其具有消光特性，会导致区域大气能见度降低[1]，影响空气质量、区域和全球气候，也会对人类的身体健康产生不利的影响[2]。

1 实验材料与方法

监测点位于太原盆地最南端的介休市，是山西的人口集中区和煤化工集中区。采样时间为2020年8月1日-31日和12月1日-31日。

图1 采样点地理位置图

由ACSM测定的NR-PM2.5与PM2.5的质量浓度具有较好的一致性(图2).通过对NR-PM2.5与PM2.5进行拟合，得到斜率为0.67，R2为0.81，能够反应PM2.5的变化。

图2 PM2.5和NR-PM2.5散点图

监测过程中，记录了五项污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM2.5)和气象参数(温度、相对湿度(RH)、风速、风向、降雨量)的数据。

2 结果与讨论

2.1 污染物浓度水平

图3显示了PM2.5组分和五项污染物在夏季和冬季的时间序列图，冬季和夏季的PM2.5平均浓度分别为(57.74±53.79)μg/m3和(45.66±31.31)μg/m3，高于北京市冬季35 μg/m3[8]，低于长治市冬季PM2.5浓度67.9 μg/m3[9]，低于石家庄市冬季PM2.5浓度113 μg/m3[10].冬季和夏季SO2、NO2、CO的浓度分别是(86.44±79.61)μg/m3、(51.46±23.76)μg/m3、(1.32±1.08)mg/m3和(31.63±23.31)μg/m3、(39.33±21.05)μg/m3、(1.15±0.52)mg/m3，冬季的SO2和NO2浓度平均值低于太原市的浓度(119.09 μg/m3和63.92 μg/m3)[11]；太原市也是在冬季的PM2.5浓度高于夏季(夏季和冬季浓度分别为135.78 μg/m3和257.29 μg/m3)[12].

图3 各物质的时间序列图

2.2 组分日变化

图4 PM2.5组分日变化图

2.3 影响因素分析

(1)

(2)

图5 夏季(a、b)和冬季(c、d)SOR和NOR与RH和OX(O3+NO2)的相关性

图6 夏季(a、b、c、d)和冬季和与RH和OX的散点图

此外，从图3和图7可以看出，清洁天气和污染天气交替出现，其中气象条件、区域传输、本地排放和二次转化扮演着重要角色。将夏季和冬季的时间序列分成3个清洁时期(C)(PM2.5≤75 μg/m3)，3个中等污染时期(M)(75 μg/m3115 μg/m3).在冬季，H时期RH为63%、风速为0.6 m/s且风向主要以西南风为主，在C时期RH为56%、风速为1.3 m/s，风向主要以西北风为主；从C→H时期，SIA是PM2.5的主要组分(占比从67.37%降到62.32%)，同时Org、SIA和Cl-在H时期的浓度均显著高于C时期，说明在H时期二次无机气溶胶的重要性；Elser等人[6]也发现随着污染的加重，污染时期二次组分的浓度显著高于清洁时期，同时随着污染的加重二次气溶胶的占比逐渐上升；夏季三个时期RH变化幅度较小，当出现污染时，风速低于1 m/s，风向主要以西南风和东北风为主；从C→M→H时期，SIA在PM2.5中仍为主导(占比为62.51%上升到73.71%)，SIA占比上升说明重污染的出现主要是由于二次气溶胶的转化导致的，同时SIA的浓度也随着PM2.5的上升而增大，二次无机气溶胶仍然是PM2.5污染的主要成分。这些说明了在不同季节二次无机气溶胶的形成机制不同，同时气象条件对于颗粒物污染形成的重要性[18]。

图7 夏季(a、b)和冬季和的风速风向贡献图

3 结论

(1)在冬季的SO2、NO2和CO浓度显著高于夏季，受冬季取暖的影响，煤炭消耗量增加。

(4)夏季重污染出现是由于低风速(<1 m/s)条件下，二次气溶胶的转化和区域传输是主要原因，冬季重污染出现是由于低风速高RH条件下，污染物累积和二次气溶胶转化是主要原因。在夏季和冬季随着PM2.5浓度逐渐上升，SIA的浓度也呈现逐渐上升的趋势。