气溶胶散射系数及空气颗粒物PM10和PM2.5浓度间关联性分析

【摘要】 PM10是大气中一种颗粒物，直径在10微米内；PM2.5是一种细颗粒，直径在2微米以内。本文从多方面对两者进行了分析，并探讨论述了气溶胶散射系数和它们之间的关系。

【关键词】 气溶胶；散射系数；PM10/2.5浓度

1、影响PM10浓度的主要因素

1.1、污染源和源强

PM的污染来源是多方面的，有些工厂在获取能源时还是用燃煤这种比较落后的方法，排出大量PM10，造成的大气污染；对一些住宅区，在冬季取暖时，主要方法也是燃煤。或者在生活中，由于一些不恰当的行为引起PM10量的上升；当地面的风速比较大时，或建筑施工过程中产生的扬尘，以及车辆行驶时因排出的气流较大而带起的扬尘都会造成空气中PM10的浓度增大；此外，汽车尾气也影响着PM10的浓度。

对于污染源的源强，大气中的污染物浓度通常与其成正比。一般情况下，可将PM10的源强分成三个时期：06～11：00属于强污染期，18：00～23：00属于次强污染期，01：00～05：00属于弱污染期。假如其他的影响因素固定不变，PM10浓度增大就是由污染源强直接引起的。

1.2、气象条件

首先是风速，若风速在阈值之内，则与PM10之间呈负相关；一旦超过阈值，地表会有沙尘扬起，上升到空中增加PM10的浓度，且风速越大，PM10的浓度越大，此时，风速和PM10的浓度呈正相关。湍流在影响大气中的污染物时，起的是稀释作用，使其越来越分散，最终降低PM10的浓度。

其次是逆温。秋冬两季，由于早晚气温低，大气层的结构比较稳定，从而引起辐射逆温，削弱了大气对流，地面风速减小，以致于排放出的PM10难以扩散，聚集在底层的狭窄空间，导致PM10的浓度越来越大。在夏季，大气的湍流比较旺盛，受其影响，大气变得不稳定，很少有逆温的现象出现，给PM10的扩散提供了有利条件。相对来说，春季的大气层结构比较稳定，常有逆温现象发生，由于傍晚的对流较强，易引起大气的不稳定，出现逆温的次数减少。

再就是其他因素。有关研究结果显示，空气湿度也影响着PM10的浓度值，且与其呈正相关，因为水汽能够吸附大气中游荡的细小颗粒物，当空气的湿度较高时，PM10的污染就会加重。而降雨其实是湿气沉降，利用雨把大气中的PM10带到地上清除，所以说雨水能够清洁大气。不但如此，当建筑施工或者交通产生地面扬尘时，降雨可减少扬尘；大气中的颗粒物其实也是雾的凝结核，一旦湿度达到饱和状态，水汽凝结，受湍流影响，悬浮低空，就是雾。遇此情形，湍流难以互换，风速和缓，大气结构相对稳定。近地面处，逆温现象多发，且强度大，层度厚，水汽容易饱和，以致于形成雾，阻碍PM10扩散，增大其浓度。此外，大风干旱天气，容易产生沙尘，影响PM10的浓度。

1.3、植被覆盖率

树叶对空气中的颗粒物会产生吸附作用，对其稀释，降低浓度；当风速过大，扬尘卷空，植被可减缓风速，减少扬尘，且植被的覆盖率越高，效果越是明显。

2、影响PM2.5的因素

2.1、PM2.5的构成及来源

PM2.5是大气中一种极为细小的颗粒物，其直径在2.5微米以内，它由五种化学物质构成：①有机碳；②粉尘；③碳黑；④硝酸铵；⑤硫酸铵。其中，①②③又叫一次颗粒物，因为它们都是原生颗粒物，④⑤又叫二次颗粒物，主要是由二氧化氮或二氧化硫在一系列的光化学反应下形成的。

在一次颗粒物中，碳黑粒子的来源有很多，如秸秆焚烧、汽车尾气以及露天烧烤等；粉尘通常来源于三个地方，一是建筑施工，二是道路交通，三是生产过程。在各种来源中，PM2.5占的比例相差较大，因为燃烧而产生的颗粒物多是PM2.5，而建筑扬尘和交通扬尘等颗粒物直径较大。

在二次颗粒物中，硫酸铵多是由二氧化硫经反映形成的，燃烧高硫煤的锅炉或其他地方是其主要来源；硝酸铵多是由氮氧化合物经反映形成的，燃油机动车是其主要来源，氨主要由冷冻车间、化肥生产等产生。大气湿度对二次粒子的形成有着很大影响，决定着二次粒子的粒径以及散射率的变化。

2.2、PM2.5的影响因素

一般情况下，PM2.5的浓度受很多因素的影响，包括当地经济条件、生活水平、地理及天气条件以及排放源等。当排放量在整体上固定不变时，当地的天气状况和地理条件是影响影响PM2.5浓度的主要因素。

逆温，逆温很大程度上影响着近地面PM2.5的浓度，逆温现象多发生于秋冬两季，此时空气对流困难，大气结构较为稳定，妨碍污染物的扩散，加重了PM2.5的污染程度；而于春夏两季，由于逆温层较薄，空气对流旺盛，有利于污染物的扩散，尤其是夏季，PM2.5的浓度最小；风速，风速主要起稀释作用，为污染物的扩散提供一定的条件；降水，相对而言，夏季降雨量大，能够扩散污染物，净化空气，降低PM2.5浓度；燃煤，多数地区冬季需要燃煤，会产生大量的污染物；植被覆盖率，夏季植物多而繁茂，树叶对颗粒物有吸附作用，从而能够减少污染物。

由于南北气候不同，各地的污染程度也不一样。以北京、西安、武汉、广州四地为研究对象，经调查，通常情况下，四个城市污染物最浓的时候在冬春两季，秋季次之，夏季最低。冬春两季污染严重，多由逆温、干燥引起，导致污染物不易扩散，与采暖、燃烧燃料也有很大关系，夏季污染少主要是因为降雨量大，能够清楚颗粒物，起到净化作用。

3、气溶胶散射系数及空气颗粒物PM10和PM2.5浓度间关联性分析

3.1、采样地点

以武汉市某一固定地点为采样点，气溶胶浊度计放置在距离采样点3km处。

3.2、采样时间

以2009年9月到2010年8月这阶段为采样时间，其中，2009年12月23日到2010年1月5日为冬季，2010年3月23日到2010年4月5日为春季，2010年7月23日到2010年8月5日为夏季。

3.3、采样方法

使用两台采样器对大气中的颗粒物进行采样，24小时连续收集PM10和PM2.5，速度设为恒定流量1.5L/min，每天上午7：30更换采样头。两台采样器分别配以玻璃纤维滤纸和石英纤维滤纸，依次对污染物的浓度、PM中的碳素进行测定分析。

测气溶胶的散射系数时，选用Model3563积分式气溶胶浊度计，利用Beer-Lambert定律进行测定，测前需用干净的空气来标定仪器。对不同波长的气溶胶散射系数以每分钟获取一次的速度进行测定。

3.4、采样结果

从上图可知，季节不同，散射系数和PM10、PM2.5间的关系也不一样。除了春季，PM10和散射系数大致呈正相关，而PM2.5三个季节都与散射系数呈正相关。总体来说，各污染物和后向散射系数的相关系数要比总散射系数高。

4、结语

本文选用的是积分式气溶胶浊度计，数据要相对的稳定，但气溶胶光学数据除了受温湿度影响，还和地理条件以及云层等因素密切相关，为此还需做进一步研究。

参考文献

[1] 马露，邹艳琴，李俊，毛飞跃，岛正之，田村宪治.气溶胶散射系数及空气颗粒物PM10和PM2.5浓度间关联性研究[J].2011，49（11）：201-204

[2] 延昊，矫梅燕，赵琳娜，张志刚，牛若芸.中国北方气溶胶散射和PM10浓度特征[J].高原气象，2008，47（4）：187-189

[3] 郭涛.区域大气环境中PM2.5/PM10空间分布研究[J].环境工程学报，2009，36（1）：176-178

[4] 杨新兴，冯丽华，尉鹏.大气颗粒物PM2.5及其危害[J].前沿科学，2012，17（1）：209-210