李永麒

（山西省太原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山西 太原 030002）

大氣細(xì)顆粒物（PM2.5）是大氣中的重要污染物，不僅對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量[1-2]有顯著影響，而且與人體健康以及全球氣候變化有著緊密的聯(lián)系。大氣中PM2.5可通過吸收和散射太陽(yáng)輻射直接影響氣候，也可通過云凝結(jié)核的形成改變?cè)频墓鈱W(xué)性質(zhì)和分布而間接影響氣候[3]，另外，大氣中PM2.5可在大氣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間停留產(chǎn)生二次污染，使其可水平輸送到其他地區(qū)而影響區(qū)域大氣環(huán)境[4]。研究PM2.5及其組分的含量、變化特征及來源情況對(duì)人體健康及相關(guān)政府部門科學(xué)合理制定防控措施具有重要意義。本文利用科學(xué)儀器對(duì)2021 年5 月6 日至8 日沙塵天氣期間太原市PM2.5的濃度變化、主要組成及在線來源進(jìn)行了分析，以期為太原市環(huán)境空氣治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地點(diǎn)及時(shí)間

采樣點(diǎn)設(shè)在山西省太原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心樓頂（37°52'09"N，112°32'13"E），距地面約15 m，采樣點(diǎn)地處商業(yè)、交通和居民混合區(qū)，周圍無高大建筑物，臨近街道，附近人流密集、車流量較大，可以代表太原市典型的城市環(huán)境。采樣時(shí)間為2021 年5 月6 日8 時(shí)至8 日16 時(shí)。

1.2 所用儀器

本研究所用儀器包括PM2.5在線監(jiān)測(cè)儀（美國(guó)熱電，太原市國(guó)控點(diǎn)位PM2.5監(jiān)測(cè)儀器）、在線氣體/氣溶膠監(jiān)測(cè)（Marga，瑞士萬通）、有機(jī)碳/元素碳分析儀（OCEC，美國(guó)Sunset）、單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀（SPAMS，廣州禾信）。所有儀器均位于山西省太原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心樓頂，除國(guó)控點(diǎn)位儀器外，其余儀器均按照要求定期進(jìn)行維護(hù)，確保數(shù)據(jù)連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5 變化概況

2021 年5 月6 日至8 日，受甘肅省西部地區(qū)沙塵傳輸影響，太原市出現(xiàn)較嚴(yán)重的沙塵天氣，受此影響，顆粒物濃度出現(xiàn)了較大幅度的增加，環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）有15 個(gè)小時(shí)出現(xiàn)了爆表情況（AQI 指數(shù)超過500）。細(xì)顆粒物PM2.5質(zhì)量濃度在沙塵期間變化情況如圖1 所示。從圖1 中可知，PM2.5質(zhì)量濃度從5 月6 日12 時(shí)開始上升明顯，于14 時(shí)達(dá)到峰值，之后濃度逐漸下降。從23 時(shí)再次升高，此次過程持續(xù)至5 月7 日13 時(shí)沙塵過程基本結(jié)束。沙塵期間，PM2.5質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在5 月7 日凌晨2 時(shí)，其質(zhì)量濃度值為393 μg/m3，按照PM2.5質(zhì)量濃度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境空氣質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了嚴(yán)重污染水平。

圖1 沙塵期間PM2.5 濃度變化情況

2.2 PM2.5 主要組分變化情況

大氣PM2.5的化學(xué)組成復(fù)雜，主要是由水溶性離子、有機(jī)物質(zhì)、含碳組分及載帶金屬元素組成[5]，此次沙塵天氣情況下，沙塵前和沙塵期間PM2.5各組分質(zhì)量濃度值見第229 頁(yè)表1。從表1 中可知，沙塵期間，二次生成離子SO42-、NO3-、NH4+質(zhì)量濃度明顯下降，3 種離子分別下降1.2 倍、1.6 倍及2.0 倍；礦物質(zhì)離子Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度增加明顯，特別是Ca2+質(zhì)量濃度，增長(zhǎng)了3 倍；含碳組分OC 和EC 質(zhì)量濃度變化不大，載帶金屬元素濃度值增幅明顯。PM2.5中主要組分在沙塵期間期間的小時(shí)濃度變化見圖2。從圖2 中可知，二次生成離子SO42-、NO3-、NH4+和含碳組分EC 受沙塵影響較?。ǘ坞x子在沙塵前期和后期，由于污染物擴(kuò)散條件變差，質(zhì)量濃度值有所升高），OC 質(zhì)量濃度在部分時(shí)間段有較明顯增大，可能跟外來輸送有關(guān)。揚(yáng)塵特征離子Ca2+質(zhì)量濃度和金屬元素質(zhì)量濃度在沙塵期間升高幅度明顯，特別是金屬元素，這與外來沙塵輸送以及本地?fù)P塵有關(guān)。PM2.5中主要金屬元素在沙塵期間的變化情況如圖3所示，從圖3 中可知，地殼元素鐵、鈣以及鉀受沙塵影響較大，與低值期相比，三者質(zhì)量濃度最高值分別增加了6.9 倍、7.3 倍和9.1 倍。

圖3 PM2.5 中金屬元素小時(shí)濃度變化情況

表1 沙塵前與沙塵期間PM2.5 主要組分質(zhì)量濃度μg·m-3

圖2 PM2.5 主要組分小時(shí)濃度變化情況

2.3 PM2.5 在線來源解析情況

單顆粒質(zhì)譜儀采用自適應(yīng)共振理論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ART-2a）對(duì)顆粒物進(jìn)行分析，能夠?qū)?.2μm～2.0μm 范圍內(nèi)的顆粒粒徑及化學(xué)組分進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)分析，根據(jù)化學(xué)成分特征人為將這些顆粒物類型合并，能夠快速對(duì)PM2.5進(jìn)行在線來源解析[6]。根據(jù)顆粒物來源，將顆粒物分為燃煤源、機(jī)動(dòng)車尾氣源、工業(yè)工藝源、揚(yáng)塵源、二次無機(jī)源及生物質(zhì)燃燒源六大污染源，圖4 為以上各污染源在沙塵期間變化情況。從圖4 中可知，沙塵期間，隨著PM2.5質(zhì)量濃度快速增長(zhǎng)，揚(yáng)塵源占比出現(xiàn)較大幅度的增加，其占比最高時(shí)能達(dá)到PM2.5的66%。從圖4 中還可看出，隨著揚(yáng)塵源占比的增加，生物質(zhì)燃燒源占比也有較大幅度的增長(zhǎng)，這可能與外來輸送有關(guān)。

圖4 沙塵期間各污染源隨時(shí)間變化情況

第230 頁(yè)圖5、圖6 為不同類型顆粒物在沙塵前后占比情況。從圖5、圖6 中可知，與沙塵前相比，沙塵期間礦物質(zhì)顆粒物大幅增加，由沙塵前5.7%增至沙塵期間28.8%，占比增加值為23.1%，反映了外來沙塵對(duì)本地細(xì)顆粒物的影響；另外，元素碳顆粒物增加較為明顯，元素碳顆粒主要來源于不完全燃燒過程，與燃煤、機(jī)動(dòng)車排放及生物質(zhì)燃燒過程有關(guān)，該類型顆粒物占比增加，可能與沙塵傳輸路徑中臨近城市或鄉(xiāng)村的外來輸入有關(guān)；除此之外，作為生物質(zhì)燃燒的特征物左旋葡聚糖顆粒物占比也有小幅增加，這可能與外來生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的顆粒物影響有關(guān)。

圖5 沙塵前不同類型顆粒物占比圖6 沙塵期間不同類型顆粒物占比

3 結(jié)論

1）沙塵期間，太原市環(huán)境空氣質(zhì)量惡化明顯，AQI 指數(shù)有超過15 個(gè)小時(shí)達(dá)到爆表狀態(tài)，細(xì)顆粒物PM2.5質(zhì)量濃度最高值為393 μg/m3，達(dá)到嚴(yán)重污染水平。

2）沙塵期間，PM2.5組分中，二次生成離子SO42-、NO3-、NH4+質(zhì)量濃度明顯下降，OC、EC 質(zhì)量濃度與沙塵前相比變化較小，礦物質(zhì)離子Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度增加明顯；金屬元素中，地殼元素鐵、鈣以及鉀質(zhì)量濃度分別增加了6.9 倍、7.3 倍和9.1 倍。

3）PM2.5在線源解析表明，沙塵期間揚(yáng)塵源占比大幅增加，最高占比達(dá)到66%。受外來傳輸影響，不同類型的顆粒物中，礦物質(zhì)顆粒物增加最為明顯，元素碳顆粒、生物質(zhì)燃燒表征物左旋葡聚糖顆粒也有一定程度增長(zhǎng)。