气溶胶散射系数及空气颗粒物PM10和PM25浓度间关联性分析

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

2.1PM2.5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。

2.2PM2.5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

图1表示的是三个阶段的散射系数和PM10、PM2.5每天的动态，如图1所示。

图1 PM10、PM2.5和后向散射系数的变化情况

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。

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