庞荣华　张鹏程　杨向荣　肖红伟　热孜艳?库先艾力　张世凡

摘要：通过对采样点在2018年3月～2019年2月采集到的气溶胶进行质量浓度变化特征的探究和对温度、气压、风场等影响采样点气溶胶质量浓度的因素的分析，我们发现细颗粒气溶胶全年平均质量浓度大于粗颗粒气溶胶，并且由于沙尘气溶胶的主导作用，采样点采暖季的气溶胶质量浓度大于非采暖季;在采样点，气溶胶的沉降主要与雨雪天气有关，雨雪天气过后，气溶胶质量浓度数据基本为原来的0.5倍以下，特别是细颗粒气溶胶，沉降作用更为明显;在通过对影响因素的分析后，我们发现风场是影响采样点气溶胶的主要因素，它主要通过影响源于附近沙尘区的气流，对采样点的气溶胶造成影响，而温度和压力对采样点气溶胶的影响作用则十分有限。

关键词：气溶胶;质量浓度;影响因素

中图文分类号：X831 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）06-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.06.084

Analysis on the characteristics and influencing factors of atmospheric aerosol concentration in Urumqi

Pang Ronghua1，Zhang Pengcheng1，Yang Xiangrong1，Xiao Hongwei2，Koxenale·Razya1，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 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 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 weather，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 the 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

氣溶胶作为大气成分的重要组成部分，在大气环境中扮演着重要角色，直接影响着多种气象情况[1-3]。近年来我国对大气环境越来越重视，相关学者也对部分地区影响气溶胶的因素进行了大量探究。韩道文，刘文清等人[4-5]在对影响气溶胶质量浓度垂直分布的气象因素分析的前提下，对张立盛等人[6]建立的相对湿度对气溶胶影响的模型进行了修正，加入了温度这一因素，反演后进行了相关验证，取得了较好的检验结果;黄菊梅等人[7]对洞庭湖湖滨气溶胶特征及气象条件进行了有关分析，也得出了一定的结论，我们基于前人的研究对采样点的气溶胶特点及主要影响因素进行了有关分析。

1 原理和采样

采样点位于乌鲁木齐市新疆大学南校区地质与矿业工程学院实验教学楼旁边（87°37′13″E，43°44′3″N，海拔高度约930.00m），过滤口距地表约1.30m。采样点附近绿化较好，校外东北、正北、正西及西南方向为乌鲁木齐市区，正南为红雁池水库，东南方向为红雁池火力发电厂，正东为荒废已久的金泉公园和仅有的几条较宽道路，余者皆为荒林、荒地（图1）。我们通过对2018年3月～2019年2月采集的数据进行分析，探究影响采样点气溶胶质量浓度的不同时段的变化特征和主要影响因素，以期能更好地认识采样点周边的气溶胶有关特性。

采用由东华理工大学江西省大气污染成因与控制实验室提供的KC-1000型大流量TSP采样仪进行样品采集，该仪器符合《总悬浮颗粒物采样器检定规程》。采样器中的颗粒物切割器可将样品分选为>10μm（以下简称“粗颗粒气溶胶”）和2.5～10μm（以下简称“细颗粒气溶胶”）的两种不同粒径的气溶胶颗粒物，并用石英质滤膜进行样品收集。正常采集时间为北京时间9：30到次日9：00，每天正常采样时长23.5h。采样后的滤纸用样品袋在室温下保存，并自然阴干，使湿度与室内环境湿度相同。滤纸在使用前用精确度为0.001g的电子秤进行称量并记录质量数据，在采样并自然阴干后也进行称量，前后称量质量差即为采集气溶胶质量。用样品质量除以采样仪记录的所过滤空气在标准状态下的体积，计算出气溶胶每天的平均质量浓度。每天在进行滤纸更换时记录天气情况及仪器显示的平均温度、大气压强及附近可能影响气溶胶质量浓度的突发事件。

2 气溶胶质量浓度特征

由于采样点位于乌鲁木齐市，该地区春秋季节短，一般仅有20天左右，在此期间温度变化剧烈;而冬夏季节长，供暖期从2018年10月10日～2019年4月10日，长达6个月，一般意义上的四季之分并不明确，并且供暖与否也与当地气候有关，所以我们以供暖时间为节点，将全年分为采暖季和非采暖季。

2.1 沉降特征

从整体数据来看，气溶胶质量浓度下降时间主要集中在地表风力较小和发生雨雪天气时，地表风场主要在风力、风向作用下影响气溶胶的补给，而雨雪天气则主要影响气溶胶的沉降，且影响作用明显。

在除去异常值后细颗粒气溶胶质量浓度大于粗颗粒气溶胶的质量浓度，平均质量浓度比值为2.77，平均倍数为3.61。全年中仅有的20天细颗粒气溶胶低于粗颗粒气溶胶的质量浓度的天数中，当天雨雪天气的占10天，雨雪天气前后的有7天，晴天的则仅有3天;并且在全年71天雨雪天气中，当天气溶胶质量浓度为没有降水的前一天气溶胶质量浓度的0.5倍以下，并且就整体而言，细颗粒气溶胶质量浓度下降倍数高于粗颗粒气溶胶质量浓度下降倍数。

2.2 采暖季、非采暖季特征

从表1可知，采暖季、非暖季细颗粒气溶胶质量浓度平均值分别为184.9μg/m?，123.2μg/m?，粗颗粒气溶胶质量浓度平均值分别为70.5μg/m?，40.7μg/m?，并且采暖季所含月份气溶胶平均质量浓度明显大于非暖季包含月份的气溶胶平均质量浓度。

由于采暖季、非采暖季两季雨雪天数分别为37天和34天，因此造成气溶胶显著沉降天气的天数相近，可以排除雨雪等沉降因素造成的两季气溶胶质量浓度明显不同这一可能。

采暖季乌市全市供暖，由于室外天气寒冷，私家车流量增大，人为来源的气溶胶质量浓度理应远大于非采暖季。根据记录的风场特征，采样点附近全年风向主要为东南风，市内人为来源气溶胶较少向采样点扩散，在图2样品扫描电镜图片中也主要发现了规则矿物颗粒和矿物集合体，虽然也发现有粒度小、表面光滑的球状烟尘集合体[8]（图2b），但是数量极少。

出现这种情况是由于乌鲁木齐特殊的地理位置（图3），其地处干旱、半干旱地区，位于塔里木沙尘区盆地的东北方缘，准噶尔盆地的南缘，并且附近沙漠、戈壁等空旷地带多，风区大，由于采暖季气温低等因素，沙尘气溶胶不易扩散，这些起源于附近沙尘区的气溶胶经过相对较短距离搬运，沉降于乌鲁木齐一带，致使在采暖季气溶胶质量浓度大于非采暖季。如2018年12月1日，克拉玛依市出现沙暴天气，在当地扬起的一些物质未能及时沉降，随气流飘至乌鲁木齐，以至于当天乌鲁木齐市出现“黄雪”这一异常现象，当天仪器采集的细颗粒气溶胶质量浓度为914.6μg/m?，达到采暖季平均值的4.9倍，而粗颗粒气溶胶质量浓度为1714μg/m?，更是达到了平均值的24.3倍。

3 影响因素

3.1 温、压对气溶胶浓度的影响

在讨论温度对气溶胶质量浓度的影响时，我们仅讨论微风条件下的数据，剔除大风、强风天气下的数据和由异常天气状况（如沙尘暴）下的数据，以消除对温度分析时风场带来的影响。处理后的数据细颗粒气溶胶质量浓度平均值为128.37μg/m?，粗颗粒气溶胶平均质量浓度50.18μg/m?。两组数据的标准差分别为87.07和34.39，温度與两不同粒径气溶胶颗粒物质量浓度相关系数分别为-0.0247和-0.280，相关性很差（用开尔文计算，数值相同）。从表2中也可以看出，气压与气溶胶质量浓度的相关性也很差，因此结合数据我们认为采样点温、压条件对地表气溶胶质量浓度的影响十分有限，这与韩道文、刘文清等人[4]在2006年得出的低温时，气溶胶被抑制在近地面，浓度大;高温时气溶胶混合充分，污染层内气溶胶浓度不会很大这一结论并不相符，出现这一结果的原因可能是采样点特殊的地理位置及当地特殊的气候条件。

3.2 风场与气溶胶质量浓度的关系

风场是决定气溶胶在大气中扩散的最本质影响因子，其他一切影响因子都是通过影响风场来影响气溶胶的扩散[4]。决定风场的因素主要包括风向、近地湍流和高空气流。从表3可知，2018年3月～2019年2月，乌鲁木齐采暖季近地表平均风向为123°，非采暖季平均风向为170°，均为由郊区，经过采样点吹向市区方向，近地表平均风力3.5m/s，风力也较小;并且乌鲁木齐地处干旱、半干旱地区，在塔里木沙尘区盆地的东北缘，是中国沙尘暴移动路线的西路边缘区[9]，当地气溶胶成分中的远源物质所占比例大，特别是冬季，附近沙尘区以近距离运输为主，沙尘气溶胶不易扩散[9]。因此结合对样品的扫描电镜图片分析，在近地表风力正常条件下，采样点气溶胶来源为风场输送的远源沙尘气溶胶和附近的人为来源气溶胶，特别是采暖季;近地表风力较大情况下，采样点气溶胶来源则主要为近地表扬尘、远源沙尘气溶胶和附近的人为来源气溶胶;根据表4中不同风力下气溶胶的平均质量浓度，地表风力对细颗粒气溶胶质量浓度的影响随风力增加而变大;当风力为5～8级时，粗颗粒气溶胶质量浓度迅速增大3～4倍，其余风力条件下，对粗颗粒气溶胶质量浓度影响较小。

4结论

（1）2018年3月～2019年2月，采样点全年平均细颗粒气溶胶质量浓度大于粗颗粒气溶胶质量浓度，由于采暖季沙尘气溶胶占比大，采暖季气溶胶质量浓度大于非采暖季。雨雪天气对气溶胶沉降作用明显，对细颗粒气溶胶沉降作用更加强烈。（2）风场是影响采样点气溶胶质量浓度的主要因素，其主要通过影响附近源区的沙尘气溶胶来影响采样点的气溶胶浓度，而温度和压力对采样点的气溶胶影响作用十分有限。（3）采样点气溶胶主要为自然来源的沙尘气溶胶，人为来源气溶胶占比较小。

参考文献

[1]吴永莲，涂美珍.气象学基础[M].北京：北京师范大学出版社，1987.

[2]S.图梅.大气气溶胶[M].王明星、王庚辰，译.北京：科学出版社，1977.

[3]J.V.Iribarne，H.-R.Cho.大气物理学[M].唐东昇，巴文伦，译.北京：气象出版社，1984.

[4]韩道文，刘文清，张玉钧，等.影响气溶胶质量浓度垂直分布的气象因素[A].光子科技创新与产业化-长三角光子科技创新论坛暨2006年安徽博士科技论坛论文集[C].

[5]韩道文，刘文清，张玉钧，等.温度和相对湿度对气溶胶质量浓度垂直分布的影响[J].中国科学院研究生院学报，2017，24（5）：619-624.

[6]张立盛，石广玉.相对湿度对气溶胶辐射特性和辐射強迫的影响[J].气象学报，2002，62（2）：230-237.

[7]黄菊梅，徐志伟，黄海波，等.洞庭湖湖滨气溶胶及与气象条件的关系[J].广东气象，2018，40（3）：57-61.

[8]阿依克孜·吾吉，迪丽努尔·塔力甫，胡颖，等.学校食堂、烤肉店PM2.5的微观形貌及粒度分布[J].环境科学研究，2013，26（11）：1147-1154.

[9]徐成鹏.中国地区沙尘气溶胶的时空分布特征[D].兰州：兰州大学，2011.

[10]杨艳，王杰，田明中，等.中国沙尘暴分布规律及研究方法分析[J].中国沙漠，2012（02）：465-472.

收稿日期：2020-03-14

基金项目：新疆大学国家大学生创新训练计划项目-大气气溶胶来源及变化规律（201810755038）

作者简介：庞荣华（1998-），男，本科学历，研究方向为环境矿物学。

通讯作者：杨向荣，教授，研究方向为矿物学、岩石学、矿床学方向及地球化学方向教学科研。

肖红伟，校内教授，研究方向为大气氮稳定同位素地球化学。