烏魯木齊采樣點(diǎn)氣溶膠質(zhì)量濃度特征與影響因素探析

1、 烏魯木齊采樣點(diǎn)氣溶膠質(zhì)量濃度特征與影響因素探析 龐榮華張鵬程楊向榮肖紅偉熱孜艷?庫(kù)先艾力張世凡Summary：通過對(duì)采樣點(diǎn)在2018年3月2019年2月采集到的氣溶膠進(jìn)行質(zhì)量濃度變化特征的探究和對(duì)溫度、氣壓、風(fēng)場(chǎng)等影響采樣點(diǎn)氣溶膠質(zhì)量濃度的因素的分析，我們發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒氣溶膠全年平均質(zhì)量濃度大于粗顆粒氣溶膠，并且由于沙塵氣溶膠的主導(dǎo)作用，采樣點(diǎn)采暖季的氣溶膠質(zhì)量濃度大于非采暖季;在采樣點(diǎn)，氣溶膠的沉降主要與雨雪天氣有關(guān)，雨雪天氣過后，氣溶膠質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)基本為原來的0.5倍以下，特別是細(xì)顆粒氣溶膠，沉降作用更為明顯;在通過對(duì)影響因素的分析后，我們發(fā)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)是影響采樣點(diǎn)氣溶膠的主要因素，它主要通過影響

2、源于附近沙塵區(qū)的氣流，對(duì)采樣點(diǎn)的氣溶膠造成影響，而溫度和壓力對(duì)采樣點(diǎn)氣溶膠的影響作用則十分有限。Key：氣溶膠;質(zhì)量濃度;影響因素中圖文分類號(hào)：X831 ：A ：2095-672X（2020）06-0-03DOI：10.16647/15-1369/X.2020.06.084Analysis on the characteristics and influencing factors of atmospheric aerosol concentration in UrumqiPang Ronghua1，Zhang Pengcheng1，Yang Xiangrong1，Xiao Hongwei2，

3、KoxenaleRazya1，Zhang Shifan1（1.College of Geology and Mining Engineering，Xinjiang University，Urumqi Xinjiang 830047，China;2.Jiangxi Province Key Laboratory of The Causes and Control of Atmospheric Pollution，East China University of Technology，Nanchang Jiangxi 330013，China）Abstract：Based on the study

4、 of the variation characteristics of aerosol concentration collected from March 2018 to February 2019 and the factors affecting aerosol concentration in sampling points，such as temperature，air pressure and wind field.We found that the average mass concentration of fine aerosol in the whole year was

5、also higher than that in coarse aerosol，because of the dominant role of dust aerosol， the aerosol mass concentration in heating season was higher than that in non-heating season.The aerosol deposition at the sampling point is mainly related to the rain and snow weather.After the rain and snow weathe

6、r，the aerosol mass concentration data are basically less than half of the original，especially the fine aerosol， the sedimentation effect is more.After analyzing the influencing factors， we found that the wind field is the main factor affecting the aerosol at the sampling point，which mainly affects t

7、he aerosol at the sampling point through the airflow originating from the nearby dust area，while the effect of temperature and pressure on the aerosol at the sampling point is very limited.Key words：Aerosol;Mass concentration;Influencing factor氣溶膠作為大氣成分的重要組成部分，在大氣環(huán)境中扮演著重要角色，直接影響著多種氣象情況1-3。近年來我國(guó)對(duì)大氣環(huán)境

8、越來越重視，相關(guān)學(xué)者也對(duì)部分地區(qū)影響氣溶膠的因素進(jìn)行了大量探究。韓道文，劉文清等人4-5在對(duì)影響氣溶膠質(zhì)量濃度垂直分布的氣象因素分析的前提下，對(duì)張立盛等人6建立的相對(duì)濕度對(duì)氣溶膠影響的模型進(jìn)行了修正，加入了溫度這一因素，反演后進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證，取得了較好的檢驗(yàn)結(jié)果;黃菊梅等人7對(duì)洞庭湖湖濱氣溶膠特征及氣象條件進(jìn)行了有關(guān)分析，也得出了一定的結(jié)論，我們基于前人的研究對(duì)采樣點(diǎn)的氣溶膠特點(diǎn)及主要影響因素進(jìn)行了有關(guān)分析。1 原理和采樣采樣點(diǎn)位于烏魯木齊市新疆大學(xué)南校區(qū)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)樓旁邊（873713E，43443N，海拔高度約930.00m），過濾口距地表約1.30m。采樣點(diǎn)附近綠化較好，校

9、外東北、正北、正西及西南方向?yàn)闉豸斈君R市區(qū)，正南為紅雁池水庫(kù)，東南方向?yàn)榧t雁池火力發(fā)電廠，正東為荒廢已久的金泉公園和僅有的幾條較寬道路，余者皆為荒林、荒地（圖1）。我們通過對(duì)2018年3月2019年2月采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究影響采樣點(diǎn)氣溶膠質(zhì)量濃度的不同時(shí)段的變化特征和主要影響因素，以期能更好地認(rèn)識(shí)采樣點(diǎn)周邊的氣溶膠有關(guān)特性。采用由東華理工大學(xué)江西省大氣污染成因與控制實(shí)驗(yàn)室提供的KC-1000型大流量TSP采樣儀進(jìn)行樣品采集，該儀器符合總懸浮顆粒物采樣器檢定規(guī)程。采樣器中的顆粒物切割器可將樣品分選為10m（以下簡(jiǎn)稱“粗顆粒氣溶膠”）和2.510m（以下簡(jiǎn)稱“細(xì)顆粒氣溶膠”）的兩種不同粒徑的氣

10、溶膠顆粒物，并用石英質(zhì)濾膜進(jìn)行樣品收集。正常采集時(shí)間為北京時(shí)間9：30到次日9：00，每天正常采樣時(shí)長(zhǎng)23.5h。采樣后的濾紙用樣品袋在室溫下保存，并自然陰干，使?jié)穸扰c室內(nèi)環(huán)境濕度相同。濾紙?jiān)谑褂们坝镁_度為0.001g的電子秤進(jìn)行稱量并記錄質(zhì)量數(shù)據(jù)，在采樣并自然陰干后也進(jìn)行稱量，前后稱量質(zhì)量差即為采集氣溶膠質(zhì)量。用樣品質(zhì)量除以采樣儀記錄的所過濾空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，計(jì)算出氣溶膠每天的平均質(zhì)量濃度。每天在進(jìn)行濾紙更換時(shí)記錄天氣情況及儀器顯示的平均溫度、大氣壓強(qiáng)及附近可能影響氣溶膠質(zhì)量濃度的突發(fā)事件。2 氣溶膠質(zhì)量濃度特征由于采樣點(diǎn)位于烏魯木齊市，該地區(qū)春秋季節(jié)短，一般僅有20天左右，在此期間

11、溫度變化劇烈;而冬夏季節(jié)長(zhǎng)，供暖期從2018年10月10日2019年4月10日，長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，一般意義上的四季之分并不明確，并且供暖與否也與當(dāng)?shù)貧夂蛴嘘P(guān)，所以我們以供暖時(shí)間為節(jié)點(diǎn)，將全年分為采暖季和非采暖季。2.1 沉降特征從整體數(shù)據(jù)來看，氣溶膠質(zhì)量濃度下降時(shí)間主要集中在地表風(fēng)力較小和發(fā)生雨雪天氣時(shí)，地表風(fēng)場(chǎng)主要在風(fēng)力、風(fēng)向作用下影響氣溶膠的補(bǔ)給，而雨雪天氣則主要影響氣溶膠的沉降，且影響作用明顯。在除去異常值后細(xì)顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度大于粗顆粒氣溶膠的質(zhì)量濃度，平均質(zhì)量濃度比值為2.77，平均倍數(shù)為3.61。全年中僅有的20天細(xì)顆粒氣溶膠低于粗顆粒氣溶膠的質(zhì)量濃度的天數(shù)中，當(dāng)天雨雪天氣的占10天，雨

12、雪天氣前后的有7天，晴天的則僅有3天;并且在全年71天雨雪天氣中，當(dāng)天氣溶膠質(zhì)量濃度為沒有降水的前一天氣溶膠質(zhì)量濃度的0.5倍以下，并且就整體而言，細(xì)顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度下降倍數(shù)高于粗顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度下降倍數(shù)。2.2 采暖季、非采暖季特征從表1可知，采暖季、非暖季細(xì)顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度平均值分別為184.9g/m?，123.2g/m?，粗顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度平均值分別為70.5g/m?，40.7g/m?，并且采暖季所含月份氣溶膠平均質(zhì)量濃度明顯大于非暖季包含月份的氣溶膠平均質(zhì)量濃度。由于采暖季、非采暖季兩季雨雪天數(shù)分別為37天和34天，因此造成氣溶膠顯著沉降天氣的天數(shù)相近，可以排除雨雪等沉降因素造

13、成的兩季氣溶膠質(zhì)量濃度明顯不同這一可能。采暖季烏市全市供暖，由于室外天氣寒冷，私家車流量增大，人為來源的氣溶膠質(zhì)量濃度理應(yīng)遠(yuǎn)大于非采暖季。根據(jù)記錄的風(fēng)場(chǎng)特征，采樣點(diǎn)附近全年風(fēng)向主要為東南風(fēng)，市內(nèi)人為來源氣溶膠較少向采樣點(diǎn)擴(kuò)散，在圖2樣品掃描電鏡圖片中也主要發(fā)現(xiàn)了規(guī)則礦物顆粒和礦物集合體，雖然也發(fā)現(xiàn)有粒度小、表面光滑的球狀煙塵集合體8（圖2b），但是數(shù)量極少。出現(xiàn)這種情況是由于烏魯木齊特殊的地理位置（圖3），其地處干旱、半干旱地區(qū)，位于塔里木沙塵區(qū)盆地的東北方緣，準(zhǔn)噶爾盆地的南緣，并且附近沙漠、戈壁等空曠地帶多，風(fēng)區(qū)大，由于采暖季氣溫低等因素，沙塵氣溶膠不易擴(kuò)散，這些起源于附近沙塵區(qū)的氣溶膠經(jīng)過

14、相對(duì)較短距離搬運(yùn)，沉降于烏魯木齊一帶，致使在采暖季氣溶膠質(zhì)量濃度大于非采暖季。如2018年12月1日，克拉瑪依市出現(xiàn)沙暴天氣，在當(dāng)?shù)負(fù)P起的一些物質(zhì)未能及時(shí)沉降，隨氣流飄至烏魯木齊，以至于當(dāng)天烏魯木齊市出現(xiàn)“黃雪”這一異?，F(xiàn)象，當(dāng)天儀器采集的細(xì)顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度為914.6g/m?，達(dá)到采暖季平均值的4.9倍，而粗顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度為1714g/m?，更是達(dá)到了平均值的24.3倍。3 影響因素3.1 溫、壓對(duì)氣溶膠濃度的影響在討論溫度對(duì)氣溶膠質(zhì)量濃度的影響時(shí)，我們僅討論微風(fēng)條件下的數(shù)據(jù)，剔除大風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)天氣下的數(shù)據(jù)和由異常天氣狀況（如沙塵暴）下的數(shù)據(jù)，以消除對(duì)溫度分析時(shí)風(fēng)場(chǎng)帶來的影響。處理后的數(shù)據(jù)

15、細(xì)顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度平均值為128.37g/m?，粗顆粒氣溶膠平均質(zhì)量濃度50.18g/m?。兩組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為87.07和34.39，溫度與兩不同粒徑氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度相關(guān)系數(shù)分別為-0.0247和-0.280，相關(guān)性很差（用開爾文計(jì)算，數(shù)值相同）。從表2中也可以看出，氣壓與氣溶膠質(zhì)量濃度的相關(guān)性也很差，因此結(jié)合數(shù)據(jù)我們認(rèn)為采樣點(diǎn)溫、壓條件對(duì)地表氣溶膠質(zhì)量濃度的影響十分有限，這與韓道文、劉文清等人4在2006年得出的低溫時(shí)，氣溶膠被抑制在近地面，濃度大;高溫時(shí)氣溶膠混合充分，污染層內(nèi)氣溶膠濃度不會(huì)很大這一結(jié)論并不相符，出現(xiàn)這一結(jié)果的原因可能是采樣點(diǎn)特殊的地理位置及當(dāng)?shù)靥厥獾臍夂驐l件。3

16、.2 風(fēng)場(chǎng)與氣溶膠質(zhì)量濃度的關(guān)系風(fēng)場(chǎng)是決定氣溶膠在大氣中擴(kuò)散的最本質(zhì)影響因子，其他一切影響因子都是通過影響風(fēng)場(chǎng)來影響氣溶膠的擴(kuò)散4。決定風(fēng)場(chǎng)的因素主要包括風(fēng)向、近地湍流和高空氣流。從表3可知，2018年3月2019年2月，烏魯木齊采暖季近地表平均風(fēng)向?yàn)?23，非采暖季平均風(fēng)向?yàn)?70，均為由郊區(qū)，經(jīng)過采樣點(diǎn)吹向市區(qū)方向，近地表平均風(fēng)力3.5m/s，風(fēng)力也較小;并且烏魯木齊地處干旱、半干旱地區(qū)，在塔里木沙塵區(qū)盆地的東北緣，是中國(guó)沙塵暴移動(dòng)路線的西路邊緣區(qū)9，當(dāng)?shù)貧馊苣z成分中的遠(yuǎn)源物質(zhì)所占比例大，特別是冬季，附近沙塵區(qū)以近距離運(yùn)輸為主，沙塵氣溶膠不易擴(kuò)散9。因此結(jié)合對(duì)樣品的掃描電鏡圖片分析，在近地

17、表風(fēng)力正常條件下，采樣點(diǎn)氣溶膠來源為風(fēng)場(chǎng)輸送的遠(yuǎn)源沙塵氣溶膠和附近的人為來源氣溶膠，特別是采暖季;近地表風(fēng)力較大情況下，采樣點(diǎn)氣溶膠來源則主要為近地表?yè)P(yáng)塵、遠(yuǎn)源沙塵氣溶膠和附近的人為來源氣溶膠;根據(jù)表4中不同風(fēng)力下氣溶膠的平均質(zhì)量濃度，地表風(fēng)力對(duì)細(xì)顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度的影響隨風(fēng)力增加而變大;當(dāng)風(fēng)力為58級(jí)時(shí)，粗顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度迅速增大34倍，其余風(fēng)力條件下，對(duì)粗顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度影響較小。4結(jié)論（1）2018年3月2019年2月，采樣點(diǎn)全年平均細(xì)顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度大于粗顆粒氣溶膠質(zhì)量濃度，由于采暖季沙塵氣溶膠占比大，采暖季氣溶膠質(zhì)量濃度大于非采暖季。雨雪天氣對(duì)氣溶膠沉降作用明顯，對(duì)細(xì)顆粒氣溶膠

18、沉降作用更加強(qiáng)烈。（2）風(fēng)場(chǎng)是影響采樣點(diǎn)氣溶膠質(zhì)量濃度的主要因素，其主要通過影響附近源區(qū)的沙塵氣溶膠來影響采樣點(diǎn)的氣溶膠濃度，而溫度和壓力對(duì)采樣點(diǎn)的氣溶膠影響作用十分有限。（3）采樣點(diǎn)氣溶膠主要為自然來源的沙塵氣溶膠，人為來源氣溶膠占比較小。Reference1吳永蓮，涂美珍.氣象學(xué)基礎(chǔ)M.北京：北京師范大學(xué)出版社，1987.2S.圖梅.大氣氣溶膠M.王明星、王庚辰，譯.北京：科學(xué)出版社，1977.3J.V.Iribarne，H.-R.Cho.大氣物理學(xué)M.唐東昇，巴文倫，譯.北京：氣象出版社，1984.4韓道文，劉文清，張玉鈞，等.影響氣溶膠質(zhì)量濃度垂直分布的氣象因素A.光子科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化-長(zhǎng)三角光子科技創(chuàng)新論壇暨2006年安徽博士科技論壇論文集C.5韓道文，劉文清，張玉鈞，等.溫度和相對(duì)濕度對(duì)氣溶膠質(zhì)量濃度垂直分布的影響J.中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2017，24（5）：6