化学组成与时空分布特征

发布时间：2016-11-09 08:59

  本文关键词：深圳市PM2.5化学组成与时空分布特征，由笔耕文化传播整理发布。

DOI:10.13227/j.hjkx.2013.04.018

第34卷第4期2013年4月

环境科学Vol．34，No．4Apr．，2013

深圳市PM2.5化学组成与时空分布特征

*

云慧，何凌燕，黄晓锋，兰紫娟，李响，曾立武

（北京大学深圳研究生院城市人居环境科学与技术实验室，深圳518055）

摘要：于2008-12-30～2009-12-25，在深圳市宝安区、罗湖区和盐田区各设置一个采样点采集大气细粒子PM2.5，分析了PM2.5中主要的水溶性离子组分、有机碳和元素碳，同时结合气象条件，对深圳市PM2.5的化学组成及时空分布特征进行了研究．结

2－+

深圳市PM2.5污染总体上呈现西高东低的空间分布特点，但是SO4和NH4的空间差异不大，说明深圳PM2.5污染具果表明，

有明显的区域传输特征．OC/EC值自西向东逐渐升高，说明深圳西部地区受一次源排放影响更为显著．受亚热带海洋性季风深圳市PM2.5总体污染程度表现为秋冬高、夏春低的特点，各主要组分的质量浓度变化也均有类似的特征．与气候的影响，

2004年深圳的类似观测结果比较发现，该地区脱硫措施显著降低了PM2.5中硫酸盐浓度，而机动车尾气对PM2.5的贡献变得更加重要．

关键词：PM2.5；化学组成；空间分布；季节变化；深圳市

中图分类号：X513

文献标识码：A

文章编号：0250-3301（2013）04-1245-07

CharacterisingSeasonalVariationandSpatialDistributionofPM2.5SpeciesinShenzhen

YUNHui，HELing-yan，HUANGXiao-feng，LANZi-juan，LIXiang，ZENGLi-wu

（KeyLaboratoryforUrbanHabitatEnvironmentalScienceandTechnology，ShenzhenGraduateSchoolofPekingUniversity，Shenzhen518055，China）

Abstract：ToinvestigatetheeffectofmeteorologicalcharacteristicsonPM2.5chemicalcompositionandthespatialdistributionof

24-hPM2.5sampleswerecollectedeverysixdaysfromDecember2008toDecember2009.ThedifferentPM2.5speciesinShenzhen，

samplingnetworkincludedanindustrialsiteatBaoan，anurbansiteatLuohuandaseasidesiteatYantian．Water-solubleinorganic

ionsandcarbonaceousmaterial（organiccarbonandelementalcarbon）wereanalyzed．Theindustrialsiteshowedamuchhigherconcentrationthanthatofothertwositesoforganicmatter，elementalcarbonandnitrate，whichpresentedtheobviousdifferenceoflocalemissions．Butfortheconcentrationofsulfateandammoniumofthreedifferentsitesnearlystayedatthesamelevelandindicatedthattheyweremainlyinfluencedbyregionaltransport．OC/EChadthecharacteristicsoftheindustrialsite＜theurbansite＜theseasidesite，whichimpliedthattheindustrialsitehadlesssecondaryorganicmatterandmoreprimarypollutionsources．AsthesubtropicalmaritimemonsoonclimateisthedominantmeteorologicalfeatureofthePearlRiverDeltawithasouthwesterlytransportandabundantraininspringandsummer，incontrasttoanorthwesterlytransportandlittleraininfallandwinter，thePM2.5pollutionwasmuchmoreseriousinwinterthaninsummer．Comparedwiththeresultsofthesimilarexperimentin2004，theconcentrationofsulfateinPM2.5hassignificantlydeclinedbecauseofthemeasuresofreducingtheemissionofsulferdioxide．Butthepollutionofvehicleemissionshasbecomesignificant．

Keywords：PM2.5；chemicalcomposition；spatialdistribution；seasonalvariation；Shenzhen

近年来，国内对大气颗粒物细粒子（PM2.5）污染的关注程度越来越高．PM2.5对大气环境质量和人，体健康有着非常重要的影响能够导致灰霾的

［5，6］

，对人体呼吸系统有明形成并降低大气能见度

［7～10］

．显的损伤，且可能增加暴露人群的死亡风险

根据以往的研究，，我国主要城市大气PM2.5质量浓度，·m，较高平均浓度水平甚至超过100μg已经成为影响我国城市大气环境质量的重要污染物．在2012年3月我国新颁布的国家空气质量标准中，PM2.5是未来我国已经将PM2.5列为常规监测指标，

大气污染防治的重点．

深圳市作为中国第一个经济特区，社会经济发

［11～14］

－3

［1～4］

展快速，工业化和城市化水平高，人口密集，交通发

达，机动车保有量逐年增加．与此同时，城市大气环2009年深圳市境质量却逐渐恶化，灰霾天气频发，

年均灰霾天数达到115d．深圳市PM2.5的污染贡献一方面来自本地污染源的直接排放，如电厂、工业企业、机动车尾气等的排放以及道路和建设扬尘等．另一方面，深圳市地处中国珠三角东岸，珠三角地区目前已经形成了以广州、珠海、中山、东莞、

收稿日期：2012-06-24；修订日期：2012-08-21基金项目：深圳市环境科研课题项目作者简介：云慧（1988～），女，硕士，主要研究方向为大气环境化学，

E-mail：yun-hui-1988@163．com

*通讯联系人，E-mail：huangxf@pku．edu．cn

1246

环境科学34卷

深圳、香港等城市为中心的特大城市群，各个城市排放的大气污染物可以通过区域传输相互影响．此深圳受亚热带海洋性季风气候影响，夏季盛行西外，

湿润多雨，冬季主导东北风，干燥少雨，大气南季风，

环境质量在不同季节差异很大．目前国内对PM2.5

的研究缺乏全年长期观测的数据，本研究于2009年在深圳市设置了3个采样点，采集了全年的PM2.5样品，分析了深圳市全年PM2.5的化学组成特征及其空间和季节变化规律，以期为我国城市PM2.5污染防治提供科学依据．1

材料与方法

+2+2+

批次膜片Na、Mg、Ca这3种离子的本底浓度较高，为保证实验数据的有效性和准确性，文中没有

使用相关的数据．22.1变化

本研究主要分析了PM2.5中的7种组分：有机

2－－++－

物、元素碳、SO4、NO3、NH4、K和Cl．前5种［19］

组分在Hagler等分析的2002～2003年深圳

［20］

PM2.5中占79%，在牛彧文等分析的2004年深圳

结果与讨论

PM2.5质量浓度及化学组成的空间分布和季节

深圳市地处广东省南部，东临大亚湾和大鹏湾，

西濒珠江口和伶仃洋，南边与香港相联，北部与东莞、惠州两城市接壤（图1）．本研究的3个采样点位分别设在宝安区文汇中学楼顶（22°34'37″N，113°53'45″E）、罗湖区洪湖公园内的环境空气自动

114°07'14″E）以及盐田区大监测站上（22°33'49″N，

梅沙附近的中兴通讯研究院楼顶（22°35'42″N，

114°18'06″E）．三点位依次代表了深圳市西部工业区、中部市区及东部滨海旅游区的空气污染水平和特征

．

PM2.5中占78%（夏季）和83%（冬季），这表明在深圳PM2.5中前5种组分所占比例较高，而对广州和香

［21～25］

．因港PM2.5样品的分析也表明了类似结果

此，本研究分析的组分可以代表PM2.5的大部分质

采用rPM2.5表示这7种组分质量浓度的加和．量，

深圳各采样点PM2.5主要组分的质量浓度如表1所示，宝安区、罗湖区及盐田区3个点位rPM2.5的·m－3．平均质量浓度依次为42.3、31.0及28.9μg

［21～24］

该浓度远低于表2中广州市近几年报道的

［25］PM2.5水平，与香港2004～2005年报道的水平较接近．总体上，深圳市PM2.5污染程度呈现自西向东

其中宝安点是背景点盐田的1.5倍，说递减的趋势，

明深圳的PM2.5重污染区在西部，这与深圳西部分布较多的工业园有关．在本地污染源排放较少的盐田点，其rPM2.5的质量浓度略低于中部市区的罗湖点，说明深圳市细粒子污染的本底水平较高，受到污染物区域传输的影响大．在rPM2.5中（图2），有机物所

图1Fig．1

深圳市采样点位示意

占比例自西向东依次为36.6%、34.4%及29.6%；

－SO2所占比例依次为27.5%、31.4%及39.2%．4这两种组分约占所有组分的64%～68%．元素碳、NO3－和NH4+所占比例均在10%左右，K+和Cl－所占比例最低，在2%左右．此外，深圳作为典型的沿海城市，海盐对PM2.5的贡献是不能忽视的，虽然文中没有Na数据，但牛彧文测得的深圳2004年

+

·m－3，夏季和冬季的Na浓度均低于1.0μg由此估测海盐对深圳PM2.5的贡献率不超过10%，其中海

2－+

盐源对SO4的贡献率在3%左右，对K的贡献在

+

［26］

Locationofthreesamplingsites

本研究使用美国哈佛大学专利PM2.5采样器及

石英纤维膜进行样品采集，采样流速均设为16.7L·min－1．从2008-12-30～2009-12-25每6d采样一次，每次采样时间为24h．3个采样点的有效样品数依次为58、56、55.使用ICS-2500离子色谱

－

（Dionex，USA）对样品中的水溶性无机离子SO24、NO3－、Cl－、NH4+、K+等进行分析．使用热/光碳质分析仪（2001A型，美国沙漠研究所）对有机碳（OC）、元素碳（EC）进行分析，升温程序为

16］

IMPROVE方法［15，．样品具体分析过程见本小组

［17］

以往的研究．将有机碳质量乘以经验常数1.6

［18］

获得有机物（OM）的质量．由于实验过程中部分

5%左右［27～29］．

由图3可知，深圳PM2.5中的有机物、元素碳和NO3－都有显著的空间差异，质量浓度均为宝安＞罗湖＞盐田．其中，宝安点有机物的浓度约为盐田点的1.8倍，在PM2.5中所占比例也明显高于盐田点

4期云慧等：深圳市PM2.5化学组成与时空分布特征

表1Table1

宝安区（n=58）

最小值4.31.51.60.600.180.0680.0689.6

最大值51.015.127.533.210.05.42.3136.1

均值15.55.011.64.93.90.740.7042.3

标准偏差9.82.97.26.32.31.00.6126.8

最小值1.20.0590.850.230.0880.0590.0543.2

·m－3各采样点PM2.5主要化学组分的质量浓度/μg

ConcentrationofthemainchemicalspeciesofPM2.5/μg·m－3

罗湖区（n=56）最大值

31.011.821.314.46.82.82.380.0

均值10.73.79.72.73.20.440.5031.0

标准偏差6.62.55.83.31.80.470.4518.0

最小值1.40.181.10.110.180.0280.0784.2

盐田区（n=55）最大值29.85.334.28.88.46.82.685.6

均值8.52.211.32.23.20.800.6428.9

1247

项目OMEC

－SO24NO3－NH4+

－ClK+

rPM2.5

标准偏差5.51.47.82.32.01.30.5717.4

表2

Table2

城市采样点位说明

·m－3近年来珠三角典型城市PM2.5及其化学组成质量浓度比较/μg

采样时间

2004-05-15～2004-05-272004-08-02～2004-10-102007-04-01～2007-04-302004-11-03～2005-10-292004-11-03～2005-10-292008-12-30～2009-12-25

PM2.559.097.579.239.028.434.1

OM23.849.923.718.911.86.911.5

EC10.511.98.17.86.02.13.6

－

SO24

ComparisonoftheconcentrationofPM2.5anditschemicalspeciesamongtypicalcitiesofPearlRiverDelta/μg·m－3

NO3－5.82.59.51.60.83.3

NH4+5.06.17.36.54.13.13.4

加和/PM2.5

98%105%89%62%94%87%96%

文献［21］［22］［23］［24］［25］［25］本研究

12.731.921.613.211.910.9

广州万顷沙（远郊点）

广州白云、荔湾、海珠、天河四点位平均广州华南环境科学协会楼顶（市区点）广州同上香港

荃湾（城市点）鹤嘴（农村点）

2010-01-01～2010-01-31103.317.813.0

深圳三点位平均

（图2）．颗粒物中的有机物既可来自石油、生物质等的直接燃烧排放，也可来自挥发性有机物的二次反应生成．因此，深圳PM2.5中有机物的背景浓度水

同时还受到局地污染源的较大贡献．元平已较高，

NO3主要来自氮素碳主要来自一次燃烧源的排放，

氧化物的二次转化，宝安点元素碳与NO3浓度均为

盐田点的2.3倍，因此深圳西部地区的元素碳受本地排放影响很大，同时西部地区有更多的氮氧化物排放源．

－

3个采样点PM2.5中SO2的质量浓度略有差4

异，但总体水平相当接近，尤其是背景点盐田与宝安2－点基本相等，在一定程度上说明SO4是一个典型的区域污染物，在较大尺度内分布比较均匀．此外，

－－

NH4+的空间差异也不太显著，主要是由于大部分

+

NH4+以（NH4）2SO4的形式存在，因此NH4的空间2－+－

分布特征与SO4类似．尽管K和Cl的质量浓度均较低，但是盐田点高于罗湖点，且与宝安点的浓度

这是由于盐田点靠近海边、受海盐影响更接近，显著．

由于元素碳来自一次燃烧源，且在大气中比较而有机碳除了一次排放还有二次光化学反应稳定，

生成，因此OC/EC的值可用于间接反映某地大气中

通常认为当PM2.5中OC/EC二次有机物的贡献情况，

［30］

的值超过2就有显著的二次有机碳的生成．由图3各采样点PM2.5中OC/EC的比对情况可见，深圳市自西向东OC/EC的值逐渐升高，说明深圳西部

图2Fig．2

rPM2.5的组成比例CompositionofrPM2.5

1248

环境科学34卷

地区二次有机物的贡献要小于东部背景区，深圳西部受到一次燃烧源排放的影响更为显著．

表3给出了各采样点之间同种组分的相关系宝安点和罗湖点之间，各个组分的相关系数范数，

围是0.73～0.93，均具有较高的相关性，这与它们

都属市区点的特征一致．盐田点属于郊区点位，因此与市区两个点位的污染物变化趋势相关性不高

．

图3

Fig．3

PM2.5主要组分的平均质量浓度及OC/EC

AverageconcentrationofthemainspeciesofPM2.5andtherateofOCandEC

表3

Table3

各采样点之间同种组分的相关关系

相关系数RNO3－

0.930.550.64

CorrelationofthemainspeciesofPM2.5betweendifferentsitesEC0.840.300.38

－SO24

采样点宝安区-罗湖区宝安区-盐田区罗湖区-盐田区

OM0.850.540.52

NH4+0.810.600.69

Cl－0.870.210.36

K+0.840.220.24

0.730.570.64

深圳市大气PM2.5污染具有显著的季节变化特2009年3个采样点rPM2.5质量浓从图4上看出，征，

度的时间变化趋势基本一致，在1月、2月、10～12月污染比较突出，其中10月表现为污染上升期；3～9月污染较轻，且相对比较稳定，浓度最低的情况出现在7月．全年多次出现重污染过程（对应图中的峰值），其中7月10日和8月9日出现了夏季少见的重污染过程，都是受到台风外围下沉气流影响导致的污染累积．从化学组成来看，引起rPM2.5质量浓度变化的主要是硫酸盐和有机物，某些重污染时段硝酸盐的增加也十分显著．

气象条件的季节规律是造成大气污染季节变化的重要原因，亚热带海洋性季风气候是珠江三角洲的主要气象特征，这对深圳近地面颗粒物累积、去除以及区域传输等方面有着十分重要的影响．表4中给出了深圳市2009年的气温、相对湿度、降水量、风向风速及大气边界层高度的月均变化．深圳市大气PM2.5污染的季节变化特征与气象条件有着密切的关系：1月、2月、10～12月大气边界层较低，不利于污染物稀释扩散；同时几乎没有降雨过程，污染物可以在较长时间内停留在大气中；另外

主导风向偏北，利于北方污染地区的污染物传输到

仍主导偏北深圳本地．3月尽管边界层也相当低，

风，但降雨增多，雨水的冲刷导致空气比较洁净．4～9月各项气象因素都有利于改善大气污染状况：

一是大气边界层升高，近地面污染物得以稀释和扩散；二是降水过程较强，污染物去除明显；三是主导风向偏东偏南，气团主要来自洁净的洋面，区域传输的贡献很小．这与Louie等致的．2.2

2009年与2004年PM2.5各组分质量浓度的比较牛彧文等

［20］

［31］

研究气象条件对香

港地区大气细粒子季节变化影响的研究结果是一

于2004年夏季6月17日～7月1

日及冬季11月20日～12月7日在宝安区文汇中学点对PM2.5进行了为期各15d的采集，采样时间约为24h．对应其采样时段及采样地点，选取本研究中宝安点6月4日～7月4日（6个样品）及11月1日～12月7日（6个样品）的样品数据进行分析，并与2004年所得数据进行比较．

2009年夏季和冬如表5所示，相比于2004年，

2－++

季PM2.5中的有机物、SO4、NH4、K的质量浓度

都有所下降，降幅从20%到68%不等，冬季的降幅

4期云慧等：深圳市PM2.5

化学组成与时空分布特征1249

图4

Fig．4

rPM2.5质量浓度的时间变化趋势

TimeseriesoftheconcentrationofrPM2.5anditsmainspecies

表4

2009年深圳基本气象条件降水量/mm

0.21.0176.3125.5268.8192.9254.9217.4282.418.632.640.4

·s－1平均风速/m

2.52.22.42.72.52.22.52.02.62.12.62.4

主导风向东北偏北东东北偏北东东西南西南东北偏东东北东北东北偏北东北偏北

大气边界层高度1）/m

690*700*710*860900840910940930800740640

Table4

月份123456789101112

平均气温/℃

14.620.819.122.125.527.928.929.128.726.119.516.5

Meteorologicalcharacteristicsofdifferentmonthsin2009inShenzhen平均相对湿度/%

537479727977757770626369

1）*为2010年同月份的测定结果

明显低于夏季，这与冬季污染物的区域传输特征有

关．比较近年来广州市PM2.5及其化学组成的相关文

2－

发现从2004～2010年广州市PM2.5中SO4献（表2），

质量浓度也均有大幅下降，这说明珠三角地区采取的

2004年有所增加，说明本地一次燃烧源的增强；而冬

－

季则有所降低，说明元素碳区域来源的降低．NO3的2009年比2004年均有所质量浓度无论夏季或冬季，

增加．元素碳与氮氧化物都是机动车尾气排放的主2004～2009年深圳市机动车保有量从66要污染物，

万辆增加到145万辆，由此可见，机动车尾气排放对深圳市PM2.5的贡献越来越重要．

，“十一五”脱硫措施已有成效期间广东省二氧化硫排

放量由129.4万t下降到105.1万t，降幅18.8%．另深圳市夏季的元素碳质量浓度2009年比一方面，

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