广州市冬季灰霾天气过程消光特性研究

生态环境学报2016, 25(11): 1755-1759 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@ 广州市冬季灰霾天气过程消光特性研究
刘文彬，王宇骏，黄祖照，陈彦宁，邝俊侠
广州市环境监测中心站，广东广州510030
摘要：为了解广州地区灰霾天气成因，以及为改善大气能见度提供基础数据和科技支撑，基于广州大气超级站，对广州冬季两次灰霾天气过程（2013年12月1—4日，5—8日）细颗粒物中水溶性离子、有机碳及元素碳进行在线观测，通过IMPROVE 核算方程研究了灰霾天气过程的消光特性。

结果表明：广州冬季大气消光系数均值为（505.55±241.05）Mm-1，主要消光物质为OM、(NH4)2SO4、EC和NH4NO3，分别占总消光的43.84%、24.1%、13.17%和8.4%，OM消光贡献超过了(NH4)2SO4成为广州首要的消光物质。

观测期间，OM、EC消光变化趋势一致，说明OM和EC具有共源性，主要来自机动车排放。

第一次污染过程NH4NO3消光贡献明显增大，与静稳天气，局地机动车排放有关。

第二次污染过程(NH4)2SO4的消光贡献较为显著，结合气溶胶激光雷达和HYSPLIT后向轨迹模型分析判断可能与区域污染输送有关。

关键词：广州；灰霾；消光系数
DOI: 10.16258/ki.1674-5906.2016.11.003
中图分类号：X831 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2016）11-1755-05
引用格式：刘文彬, 王宇骏, 黄祖照, 陈彦宁, 邝俊侠. 2016. 广州市冬季灰霾天气过程消光特性研究[J]. 生态环境学报, 25(11): 1755-1759.
LIU Wenbin, WANG Yujun, HUANG Zuzhao, CHEN Yanning, KUANG Junxia. 2016. Research of extinction characteristics during haze events in winter of Guangzhou [J]. Ecology and Environmental Sciences, 25(11): 1755-1759.
随着经济的快速发展，化石燃料的大量消耗，作为国家中心城市的广州已经成为了灰霾天气常发区域之一。

当灰霾天气出现时，细颗粒物浓度往往呈增长态势（吴兑等，2007），对人体健康具有很大影响（Pope et al.，2006）。

细粒子污染是广州城区冬季大气能见度下降的首要原因，大气细颗粒物中的OM、SO42-、NO3-、NH4+对气溶胶散射消光有重要贡献，EC对气溶胶吸收消光有重要贡献。

近年来国内外学者对颗粒物造成的能见度下降问题十分关注。

1986年美国在30个一类区域建立保护能见度联合监测网IMPROVE，经长期对气溶胶和能见度的观察研究，揭示了污染物和能见度的关系，建立了消光系数的化学核算公式（Watson，2002）。

Chan et al（1999）研究发现导致能见度下降的主要成分来源为：机动车尾气源、生物质燃烧源、工业源和扬尘。

刘文彬等（2014）研究发现，广州市冬季颗粒物对总消光的贡献比重为94%，其中颗粒物吸收消光约占13%，颗粒物散射消光约占81%；陶俊等（2009）研究发现硫酸铵是冬季广州城区大气消光的首要物质；Wang et al.（2012）和杨义红等（2015）研究发现冬季和夏季珠三角地区大气消光的首要贡献物质是硫酸铵。

考虑到气溶胶化学组成和粒径分布的复杂性，探索气溶胶对能见度的影响还需要做大量的监测研究。

本研究利用在线高分辨率观测手段，针对广州2013年12月1—8日出现的灰霾天气，对PM2.5、PM10、OC/EC、水溶性离子组分、消光垂直分布等进行在线监测，并根据IMPROVE核算方程分析影响广州市大气能见度的主要化学成分及对大气消光的贡献，并综合气溶胶激光雷达、气象等数据对污染来源进行简要分析，以期为广州市能见度的改善提供科学支撑。

1 资料与方法
1.1 采样时间与地点
采样时间为2013年12月1—8日；采样点位于广州市环境监测中心站城市超级站（23.12°N，113.27°E），该点位于广州市中心，周围无建筑遮挡，视野开阔，周围无明显工业污染源。

观测结果能够反映广州城区大气污染特征。

1.2 仪器与方法
见表1。

1.3 消光系数的计算
大气组分的消光作用是影响能见度的直接因素，包括散射和吸收，不同组分表现出不同的吸收
基金项目：广州市科技计划项目（201300000130）
作者简介：刘文彬（1982年生），男，高级工程师，研究方向为环境空气监测与研究。

E-mail: gzhjjcz@ 收稿日期：2016-10-26
1756 生态环境学报第25卷第11期（2016年11月）
和散射能力，总的消光系数计算公式如下（Seinfeld et al.，1998）：
b ext=b ext, g+b ext, p=b ag+b sg+b ap+b sp（1）
式中，b ext, g为气体的消光系数，b ext, p为气溶胶的消光系数；b ag为气体的吸收系数，影响气体吸收系数的主要组分是二氧化氮，其值（单位Mm-1）为二氧化氮质量浓度（单位：µg∙m-3）的0.68倍；
b sg为气体的散射系数，通常取值为13 Mm-1；b ap 为气溶胶的吸收系数；b sp为气溶胶的散射系数。

气溶胶吸收系数b sp通过Aethalometer得到的BC质量浓度反算（吴兑等，2009），公式如下：
b ap=8.28×M BC+2.23, R2=0.92 （2）
式中，M BC为黑碳气溶胶的质量浓度，单位为µg∙m-3。

2 结果与分析
2.1 PM2.5质量浓度与消光系数水平
根据近地面天气形势（图略）分析可知，12月2日广州受冷高压脊控制，天气静稳，早晚伴有贴地逆温出现（/upperair/）。

监测点风向以偏北风为主，平均风速为1.1 m∙s-1，相对湿度在20%~60%之间；4—5日有弱冷空气补充，整体气象扩散条件较差，污染物易于累积。

观测期间PM2.5质量浓度出现了先升高后下降再升高两次污染过程（过程I：1—4日，过程II：5—8日）。

PM2.5平均质量浓度为（94.24±33.48）µg∙m-3，日均最大值为（132.50±43.38）µg∙m-3，是环境空气质量标准（GB3095—2012）日均值二级标准75 µg∙m-3的1.8倍。

总水溶性离子（TWSI）平均值为（34.55±14.50）µg∙m-3，是PM2.5质量浓度的36.7%。

二次离子SO42-、NO3-、NH4+平均质量浓度分别为（14.86±9.45）、（6.94±5.46）、（6.60±3.89）µg∙m-3，分别是PM2.5质量浓度的15.8%、7.4%、7.0%。

OM、EC平均质量浓度分别为（30.01±11.24）、（6.31±2.64）µg∙m-3，其中OM为OC的1.8倍。

实测颗粒物吸收系数、散射系数、气体吸收系数、总消光系数均值分别为（85.11±41.84）、（382.99± 166.59）、（19.18±5.12）、（515.92±221.65）Mm-1。

2.2 大气消光系数重建
利用IMPROVE方程计算消光系数，并与实测消光系数进行比较，IMPROVE方程如下：
ext S small 424L
large424S small 43
L large43S
small L large
=2.2(RH)[(NH)SO]+4.8(RH)
[(NH)SO]+2.4(RH)(NH NO)+
5.1(RH)(NH NO)+2.8(RH)
(OM)+ 6.1(RH)(OM)+10(EC)+
r
r r
r
r r r
××××
××
××××
×××
b f f
f
f f
f
SS
2
-3
large total total total
-3
large total total
small total large
(FS)+1.7(RH)(SS)+0.6(CM)+RS+
0.68(NO)
=20 (<20 g m)
= (20 g m)
= -
r r r
r
×××
×
×m⋅
≥m⋅
f
X X X X
X X X
X X X
（3）式中，(NH4)2SO4、NH4NO3、OM按照粒径大小进行划分，并用large、small分别标记大粒径和小粒径；X代表(NH4)2SO4、NH4NO3、OM的质量浓度。

f S（RH）、f L（RH）、f SS（RH）分别为大粒径、小粒径和海盐粒子的相对湿度增长因子（Pitchford et al.，2007）；RS（Rayleigh Scattering）为空气分子的瑞利散射；r(NO2)单位：µg∙m-3，(NH4)2SO4、NH4NO3、OM和海盐的质量浓度通过换算得到，r[(NH4)2SO4]=4.125r(S)=1.375r(SO42-)；r(NH4NO3)= 1.29r(NO3-)，r(OM)=1.8r(OC)，r(SS)=1.8r(Cl-)，单位：µg∙m-3。

图1为利用IMPROVE方程重建的大气消光系数与实测消光系数相关关系，从图1可知，重建大气消光系数均值为（505.55±241.05）Mm-1，与实测消光系数均值（515.92±221.65）Mm-1较为接近。

重建大气消光系数与实测消光系数相关系数较高为r=0.92（P<0.01），回归斜率为0.95，表明观测期间消光系数测定值和计算值相关性较好，
R
e
c
o
n
s
t
r
u
c
t
e
d
b
e
x
t
/
M
m
-
1
Measured b
ext
/Mm-1
图1 重建消光系数与实测大气消光系数相关性 Fig. 1 The correlation between measured and reconstructed light
extinction coefficients
表1 监测项目与仪器方法
Tab1e Monitoring items and instrument methods
项目仪器方法
PM2.5、PM10BAM-1020颗粒物分析仪
水溶性无机离子URG9000D气溶胶离子色谱OC/EC Sunset RT4碳气溶胶分析仪
气溶胶吸收系数(b ap) Aethalometer-AE31黑碳仪
气溶胶散射系数(b sp) Aurora 1000 Nephelometer浊度仪NO2Thermo Fisher Model 42i NO x分析仪气溶胶消光垂直分布偏振米散射激光雷达
刘文彬等：广州市冬季灰霾天气过程消光特性研究 1757
IMPROVE 方程可以较好地反映冬季广州城区实际的大气消光系数和主要化学组分对大气消光系数的贡献情况。

图2为12月1—8日各主要化学成分消光逐时变化，从图2可知，整个观测期间PM 2.5质量浓度出现了先升高后下降再升高两次污染过程，PM 2.5小时最大值为241 µg ∙m -3，出现在12月4日3:00。

第一次污染过程（1—3日）天气静稳，有利于一次污染物累计和二次污染物转化，PM 2.5质量浓度逐渐升高，能见度下降，OM 、NH 4NO 3和EC 对大气
消光贡献占主导。

4—5日受弱冷空气影响，气象扩散条件有所改善，PM 2.5质量浓度迅速回落，能见度逐渐好转。

5日晚间，PM 2.5质量浓度突然迅速上升，能见度再次转差。

(NH 4)2SO 4、OM 和EC 对大气消光贡献突然升高，是造成能见度再次降低的主要原因。

图3为各主要化学成分消光逐日变化，从图3可知，OM 、EC 消光变化趋势较为一致。

通常用OC 和EC 的相关关系判断碳气溶胶的主要来源（Cachier et al.，1996）。

对OC 、EC 相关性进行进一步研究，发现两者相关性较好（r =0.92，P <0.01），说明OM 、EC 来源可能相同。

OC 、EC 回归方程斜率为2.16，根据燃煤、机动车排放和生物质燃烧等不同类型排放源的OC/EC 平均比值（分别为2.7、1.1和9.0）（Watson et al ，2001），判断OM 和EC 主要来自机动车排放。

OC/EC 比值算术平均值为2.79，大于回归方程斜率，高于二次有机物判定的
临界值（2.0）
（Huang et al.，2012），说明SOC 对OC 贡献较为明显。

NH 4NO 3和(NH 4)2SO 4的消光变化趋势不同，第一次污染过程NH 4NO 3对大气消光的贡献显著增加，12月3日，(NH 4)2SO 4、NH 4NO 3消光系数分别为（44.24±17.09）、(117.92±81.87）
Mm -1
，NH 4NO 3消光贡献超过了(NH 4)2SO 4，这与静稳天气，大气层结稳定，局地机动车排放致使NO x
L i g h t e x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t /M
m -1
L i g h t e x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t /
M m -1
L i g h t e x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t /M m -1
Date
L i g h t e x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t /M m -1
Date
图3 各主要化学组分消光逐日变化
Fig. 3 Daily variations of light extinction contribution of chemical composition
L i g h t e x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t /M m -1
Date
r (P M 2.5)/(m g ·m -3)
图2 主要消光因子及PM 2.5质量浓度逐时变化
Fig. 2 Time series of light extinction contribution factors and PM 2.5
为研究12月6日气溶胶输送带的来源，选取气溶胶消光廓线出现峰值的高度，利用NOAA 的HYSPLIT 模式进行气溶胶的轨迹倒推，计算点选择广州（23.12°N ，113.27°E ），回算时间选择12月5日16:00（UTC ），对应地面监测站点PM 2.5质量浓度升高的时刻。

从48 h 气团后向轨迹（图5）可见（/index.php ），离地高度1500 m 和2500 m 气溶胶来自广州北部和西北方向。

12月3日18:00（UTC ）气团起始高度仅为500 m 左右，当地的污染物随着气团一起抬升，形成气溶胶输送带。

离地高度500 m 气溶胶来自广州东北方向，12月3日18:00（UCT ）气团起始高度在8500 m 左右，气团运动速度较快。

5日16:00（UTC ）气团到达广州地区，垂直剖线由8500 m 下降到500 m ，
气团下降过程把离地高度1500 m 和2500 m 染物也带到了近地面，导致近地面PM 2.5质量浓度高值的出现。

因此，区域污染输送是(NH 4)2SO 光系数突然增大的主要原因。

化学组分对消光系数的贡献
图6为广州冬季大气消光贡献组成。

从图知，观测期间主要消光物质为OM 和(NH 4)2SO 平均消光系数分别为（221.64±112.94）、（121.84±
104.32）Mm -1
，分别占总消光的43.84%和24.1%其次是EC 和NH 4NO 3，平均消光系数分别为（66.57±32.47）、（42.47±36.11）Mm -1，分别占总消光的13.17%和8.4%。

4种物质合计占总消光的89.51%，粗颗粒和NO 2消光相当，海盐对消光贡献很小。

与Tao et al.（2010）对广州冬季主要物质消光贡献研究有较大不同，广州冬季OM 对大气消光
Light extinction coefficient/km -1
Light extinction coefficient/km -1
图4 激光雷达探测气溶胶消光垂直分布
Fig. 4 The vertical profile of aerosol light extinction detected by Lidar
图6 广州冬季大气消光贡献组成
Fig. 6 Atomspheric light extinction contribution factors of Guangzhou
图5 48 h 气团后向轨迹
Fig. 5 Air mass back-trajectory by HYSPLIT4 model
刘文彬等：广州市冬季灰霾天气过程消光特性研究 1759
的贡献率已经超过(NH4)2SO4，成为首要的消光物质，这与近年来广州细粒子中二次有机气溶胶比重不断升高有关。

VOCs同时是二次有机气溶胶和臭氧的前体物，积极防控VOCs对大气污染防治和能见度改善具有重要意义。

3 结论
（1）广州冬季大气消光系数均值为（505.55± 241.05）Mm-1，主要消光物质为OM、(NH4)2SO4、EC和NH4NO3，分别占总消光的43.84%、24.1%、13.17%和8.4%，OM消光贡献超过(NH4)2SO4成为首要的消光物质。

（2）观测期间，OM、EC消光变化趋势一致，OC、EC回归方程斜率为2.16，说明OM和EC具有共源性，主要来自机动车排放。

第一次污染过程NH4NO3消光贡献明显增大，可能与静稳天气，大气层结稳定，局地机动车排放有关。

第二次污染过程(NH4)2SO4的消光贡献较为显著，结合气溶胶激光雷达分析判断可能与区域污染输送有关。

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Research of Extinction Characteristics during Haze Events in Winter
of Guangzhou
LIU Wenbin, WANG Yujun, HUANG Zuzhao, CHEN Yanning, KUANG Junxia
Guangzhou Environmental Monitoring Center, Guangzhou 510030, China
Abstract: In order to understand the origin of haze in Guangzhou and further provide basic data and scientific support for improving atmospheric visibility，the mass concentrations of water-solubility ions , organic carbon, element carbon of fine particle were monitored during two haze events (1st-4th and 5th-8th, Dec 2013) at the Guangzhou Atmospheric Supersite, and the characteristics of atmospheric light extinction were studied by IMPROVE formula. The results indicated as follows. The average value of atmospheric light extinction was (505.55±241.05) Mm-1in winter while the contribution of OM, (NH4)2SO4, EC, NH4NO3to atmospheric light extinction were 43.84%, 24.1%, 13.17% and 8.4%, respectively. Thus OM replaced (NH4)2SO4as the primary extinction contributor. Furthermore, the trends of extinction coefficients of OM and EC were similar, which indicated that they had the same source and came from vehicle emission. The extinction contribution of NH4NO3increased significantly during the first pollution episode, which caused by stable metrological condition and local vehicle emission in contrast the extinction contribution of (NH4)2SO4 has significant contribution during the second pollution episode, hence considering the analysis of aerosol Lidar and air mass backward trajectory model of HYSPLIT, regional pollution transportation might be the major reason.
Key words: Guangzhou; haze; extionction coefficient。