2020, Vol. 12 
2. 广州禾信仪器股份有限公司，广东 广州 510530;
3. 暨南大学质谱仪器与大气环境研究所，广东 广州 510632
2. Guangzhou Hexin Instrument Co.Ltd., Guangzhou, Guangdong 510530, China;
3. Institute of Mass Spectrometer and Atmospheric Environment, Jinan University, Guangzhou, Guangdong 510632, China
大气污染治理是一项复杂的系统工程，其中对于颗粒物化学组分和来源分析是科学、有效地开展颗粒物污染防治和保障大气污染治理工作高效实施的基础和前提[1-2]。现利用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)对2018—2019年上海浦东新区环境空气中细颗粒物(PM2.5)开展高时间分辨率的细粒子化学组分、来源等要素的联合监测，综合分析细粒子污染特征，为及时、有效地反映细粒子污染随着气象条件和污染源变化的响应提供科学支撑[3]。
1 研究方法 1.1 采样时间为2018年1月1日—2019年12月31日。
1.2 监测地点上海市浦东新区环境监测站顶楼，测点离地高度约30 m，测点以南50 m为灵山路，以西100 m为源深路，东北方向均有多层住宅小区包围，行政属地为陆家嘴商圈，代表浦东新区典型市区状况。
1.3 采样仪器单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS 0515)，环境空气经PM2.5切割头切割后进入SPAMS实时在线检测[4]。
1.4 采集颗粒信息采集颗粒数汇总见表 1。由表 1可见，2018年7—8月由于站房电路维修，总体有效采集时间较短，电离颗粒数和测径颗粒数均较少，此外2018年3、7—8月，2019年4、7—9月整体电离颗粒数不足100万个。打击率(被电离激光击中的粒子数占有粒径信息粒子数量的比例，被电离颗粒数/有粒径信息颗粒数)方面，只有2018年3月，2019年4、8和12月打击率不到10%。监测期间共采集电离颗粒数3 345.80个，测径颗粒数20 898.03个，整体打击率16%。
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表 1 采集颗粒数汇总 |
图 1为PM2.5每小时捕获的有粒径信息的颗粒数与实测质量浓度相关性趋势。由图 1可见，2018—2019年整体SPAMS测径颗粒数与ρ(PM2.5)变化趋势较为一致，相关系数r = 0.74，说明SPAMS系统检测到的颗粒数浓度一定程度上可以代表ρ(PM2.5)的变化，进而反映了实际PM2.5污染状况的变化。
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图 1 ρ(PM2.5)和数浓度变化趋势 |
对浦东新区监测点位2018年1月—2019年12月常规大气污染6参数年均值进行统计，结果见表 2。2018、2019年空气质量等级见图 2(a)(b)。由图 2可见，2019年相较于2018年除优良率显著提升外，轻、中度污染天气出现频率也明显降低[5]。
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表 2 2018、2019年常规污染6参数年均值 |
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图 2 2018、2019年空气质量等级 |
2018—2019年逐月ρ(PM2.5)及小时值优良率总体均呈现夏季较低而秋冬季相对较高的趋势，见图 3。其中最低为2018年8月均值仅为15.3 μg/m3，最高为2018年1月，达到55.9 μg/m3。这与上海的季风气候有关，夏季通常以东风，东南风为主，海面上的洁净空气降低了大气ρ(PM2.5)。
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图 3 2018、2019年逐月ρ(PM2.5)及小时值优良率 |
SPMAS采集的颗粒物粒径为0.2~2.5 μm，峰值分布为0.6~0.7 μm。2019年获取粒径信息的颗粒数明显高于2018年，见图 4。
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图 4 2018、2019年颗粒物粒径分布 |
利用自适应共振神经网络分类方法(Art-2a)对SPAMS采集的数据进行了成分分类，分类过程中使用的分类参数为：相似度0.75，学习效率0.05[3]。分类后，再经过人工合并，最终确定了8类颗粒物：矿物质(Mineral Dust, MD)、重金属(Heavy Metal, HM)、左旋葡聚糖(Levoglucosan, LEV)、富钾(K-rich, K)、有机碳(Organic Carbon, OC)、元素碳(Elemental Carbon, EC)、混合碳(Internally mixed Organic and Elemental Carbon, ECOC)、其他(Others)。
图 5为2018—2019年逐月颗粒物成分分布。由图 5可见，全年元素碳占比均>25%，最高为2018年3月，贡献高达55.0%;富钾、有机碳和混合碳呈现一定的季节变化特点，整体秋冬季高于春夏季，一方面可能与冬季北方城市采暖有关(季风气候导致冬季上海地区常刮北风或西北风，污染天气的形成通常与污染物的境外输入有关); 另一方面秋冬季扩散条件较差，有利于气态污染物的二次转化; 左旋葡聚糖和矿物质则相反，夏季占比显著升高; 重金属除2019年8—9月>10%以外，其余各月份占比相对较为稳定。
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图 5 2018—2019年颗粒物逐月成分分布 |
图 6(a)(b)为2018和2019年整体颗粒物成分分布。由图 6可见，相较于2018年，富钾颗粒物升幅较为明显，左旋葡聚糖、重金属和元素碳有小幅增加，其余各成分则相对减少，整体2018和2019年成分占比相当。富钾颗粒一般来自二次无机源或生物质燃烧，在一定程度上可以反映大气二次反应的强弱，从负离子左旋葡聚糖占比小，硝酸盐和硫酸盐占比较大来判断，2019年富钾颗粒物类型有升幅主要归结为大气二次颗粒物的增加。
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图 6 2018、2019年整体成分分布 |
基于监测结果，参照生态环境部发布的《大气颗粒物来源解析技术指南(试行)》，结合本地的能源结构，按照环境管理需求对细颗粒物排放源进行分类，可将污染来源归结为7大类，分别为扬尘、生物质燃烧、汽车尾气、燃煤、工业工艺源、二次无机源和其他。其中，机动车尾气源包含了柴油车、汽油车等交通工具排放的颗粒; 燃煤源包含了燃煤电厂、锅炉、散煤燃烧、煤工艺制造过程等排放的颗粒[6]; 扬尘包含建筑扬尘、道路扬尘、土壤尘等颗粒; 生物质燃烧源主要是农作物秸秆、野草等露天焚烧及生物燃料锅炉排放的颗粒; 工业工艺源包含了化工、金属冶炼等工艺过程排放的颗粒; 餐饮源为餐饮饭店油烟排放; 二次无机源主要指从单颗粒谱图来看，除钾离子外，只含有二次无机组分(硫酸盐、硝酸盐等)的颗粒，在一定程度上可以反映大气二次反应的强度。此类颗粒物中的硫酸盐、硝酸盐等二次组分主要是在高湿条件下由大气中的二氧化硫、二氧化氮等气态污染物转化而成[7]。
图 7为2018—2019年污染源数浓度、源解析结果比例随时间变化堆叠图。从全年源解析结果随时间变化趋势上来看，机动车尾气源作为首要污染源，占比相对较高，监测期间ρ(PM2.5)升高时，其数浓度升幅高于其余各源; 扬尘源和生物质燃烧源往往在ρ(PM2.5)低值时段占比升高，这可能是由于其余各污染源数浓度大幅度减少，而大气背景中含有扬尘源和生物质燃烧源特征的颗粒占比凸显出来; 燃煤源和二次无机源贡献往往在秋冬季相对较高。
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图 7 2018—2019年颗粒物数浓度、源解析结果比例随时间变化堆叠图 |
图 8为2018—2019年逐月源解析结果。由图 8可见，全年机动车尾气占比几乎均>25%，其中2018年3和7月、2019年2和3月贡献超过40%;二次无机源和燃煤源呈现一定的季节变化特点，整体秋冬季高于春夏季，一方面可能与冬季北方城市采暖有关，另一方面秋冬季扩散条件较差，有利于气态污染物的二次转化[6]; 生物质燃烧源和扬尘源则相反，夏季占比显著升高; 工业工艺源2018年5月、2018年10月—2019年1月和2019年5月占比相对较高，其余各月份占比相对较为稳定。
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图 8 2018—2019年逐月源解析结果 |
图 9(a)(b)为2018和2019年整体颗粒物源解析结果，其中为方便对比，将2019年11—12月单独归类的海盐源包含进其他源中。由图 9可见，相较于2018年，机动车尾气源占比有小幅增长，燃煤源、工业工艺源和扬尘源则明显降低，二次无机源有显著增长。
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图 9 2018、2019年全年源解析结果 |
(1) 监测期间整体SPAMS测径颗粒数与ρ(PM2.5)变化趋势较为一致，相关系数r = 0.74，说明SPAMS测到的颗粒数浓度一定程度上可以代表ρ(PM2.5)的变化;
(2) 相较于2018年，2019年除ρ(PM2.5)和ρ(NO2)2年持平外，其余各污染物浓度均明显降低，综合指数显著降低，AQI达标率由74.8%升高至86.6%，中度污染天气出现频率也明显降低;
(3) 从化学成分来看，全年元素碳占比均在25%以上，最高为2018年3月，贡献高达55.0%，元素碳通常与汽车尾气排放相关。富钾、有机碳和混合碳呈现一定的季节变化特点，整体秋冬季高于春夏季，秋冬季污染物排放量增加，气象扩散条件较差，有利于气态污染物的二次转化;
(4) 从源解析结果来看，机动车尾气源作为首要污染源，占比相对较高，监测期间ρ(PM2.5)升高时，其数浓度升幅高于其余各源; 扬尘源和生物质燃烧源往往在ρ(PM2.5)低值时段占比升高，这可能是由于其余各污染源数浓度大幅度减少，而大气背景中含有扬尘源和生物质燃烧源特征的颗粒占比凸显出来; 燃煤源和二次无机源贡献往往在秋冬季相对较高，可归结于冬季采暖需求增高和大气扩散程度差有关。
| [1] |
徐娇, 王海婷, 马咸, 等. 利用单颗粒气溶胶质谱仪研究燃煤尘质谱特征[J]. 环境科学学报, 2019, 39(1): 28-34. |
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张晓雨, 赵欣, 应蓉蓉, 等. 广州大气PM2.5中含碳组分的污染特征及来源解析[J]. 生态与农村环境学报, 2018(7): 26-30. |
| [3] |
付怀于, 闰才青, 郑玫, 等. 在线单颗粒气溶胶质谱SPAMS对细颗粒物中主要组分提取方法的研究[J]. 环境科学, 2014, 36(11): 4070-4077. |
| [4] |
李梅, 李磊, 黄正旭, 等. 运用单颗粒气溶胶质谱技术初步研究广州大气矿尘污染[J]. 环境科学研究, 2011, 24(6): 632-636. |
| [5] |
中华人民共和国环境保护部, 国家质量监督检验检疫总局.环境空气质量标准: GB 3095—2012[S].北京: 中国环境科学出版社, 2012.
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