引言

大气中颗粒物是影响人体健康、大气能见度和地球辐射平衡的重要污染物，同时也是大气化学反应的良好载体^[1]，因此，人们越来越关注对颗粒物的研究，尤其是对细粒子的研究。虽然它在大气中的含量很少，但是它对环境和人体的危害都很大。有的颗粒物本身就是有毒物质，有的颗粒物还可以成为其他有毒物质的载体，随颗粒物粒径大小的不同，它们沉积在人呼吸系统的部位也不同，会对人体造成不同程度的伤害。大气中的颗粒物可以作为大气中一些化学反应的反应床，使空气污染变得更加错综复杂，通过吸收和散射太阳辐射而影响气候的变化^[2-4]。

大气颗粒物是造成城市空气污染的主要原因之一，已成为我国许多大中城市空气污染中的首要污染物，也是中国大气污染研究的重要内容之一。我国一些城市开展了针对细粒子污染的研究，结果表明中国城市PM_2.5污染十分严重，广州、武汉、兰州、重庆四大城市PM_2.5日均值为46～160μg·m^-3, 是美国1997年颁布的年均值标准15μg·m^-3的3～10倍^[5]。天津作为环渤海经济中心，其环境质量受到越来越多的关注，为研究天津城区秋季细粒子在近地层的时空变化规律，作者在天津255m气象铁塔的不同高度进行了PM_2.5 质量浓度的在线观测，分析了近地层PM_2.5的垂直分布特征，探讨近地层混合层高度和大气稳定度变化等对气溶胶质量浓度的影响。

1 实验与资料

实验地点位于天津市大气边界层梯度观测站(39°04′29.37″N, 117°12′20.11″E)高25 5m的观测铁塔(铁塔站)，地处天津市二环路与外环路之间，西南面为住宅小区，东面80m处为友谊路立交桥，北约150m处快速路，交通源对它有一定的影响。

采样仪器为美国安普RP1400a型颗粒物分析仪，该仪器基于微振荡天平的工作原理，利用PM_2.5质量浓度与微振荡天平频率之间的相关关系测量PM_2.5质量浓度。采样膜为锥形泰富隆(Teflon)膜。3台颗粒物分析仪分别安装在气象铁塔40m、120m、220m观测平台上；风、温观测仪器安装在距离地面5、10、20、30、40、60、80、100、120、140、160、1 80、200、220、250m平台上，监测不同高度的气象要素，时间间隔为20s。

本研究实验时间为2006年10月1日至31日，利用大气边界层梯度观测铁塔对天津城区近地层细颗粒物PM_2.5质量浓度垂直分布进行24小时连续、实时的观测，比对环境监测中心的PM₁₀监测资料，同时结合同步观测的气象要素，对PM_2.5的质量浓度变化特征和垂直分布影响进行了分析。能见度资料来源于同一站址的天津市城市气候监测站，PM₁₀资料来源于天津市环境监测中心城区梅江站，距本实验地点约1km。

2 数据分析 2.1 PM_2.5质量浓度变化特征

来自环保部门的统计，天津市2006年可吸入颗粒物浓度年均值超过国家年均二级标准，全年有286天(占78%)可吸入颗粒物为首要污染物，其中影响因素主要是城市扬尘、煤烟尘、自然风沙尘和机动车尾气尘污染。我国现行的环境空气质量标准规定PM₁₀的二级质量标准为年均值为0.10mg·m^-3，日均值为0.15mg·m^-3，无PM_2.5的质量标准。1997年美国首次颁布了PM_2.5的空气质量标准，年均值为15μg·m^-3 ，日均值为65μg·m^-3，2006年又将日均值订正为35μg·m^-3，依此标准，天津城区秋季PM_2.5质量浓度超标日出现频率较高。

从表 1可以看出监测期间三层PM_2.5日变化范围及超标情况。监测结果表明天津市城区可吸入颗粒物PM_2.5污染水平相当严重，监测期间三层PM_2.5质量浓度日均值全部超过美国EPA1997 PM_2.5标准，超标日数都在20天以上，超标率均在60%以上，最大日均值发生在10月27日的120m处。三层PM_2.5质量浓度日均值与EPA1997年标准65μg ·m^-3相比，最高超标倍数近4倍，与EPA新修订标准35μg·m^-3相比，个别污染日超标倍数高达5～7倍。天津城区高浓度的PM_2.5主要来自人为污染源和氮氧化物等形成的二次污染物，同时监测期间雾日和静风出现频率高于其它季节，秋季大气稳定度主要为中性、稳定和不稳定三种类型，也是导致污染物堆积，浓度较大的主要原因。

王庚辰等人对北京地区PM_2.5的质量浓度的垂直分布进行了研究，发现其随高度的增加而减小。杨龙等对北京秋冬季近地层PM_2.5质量浓度的垂直分布轮廓线进行了回归分析，发现浓度随高度的变化成显著的对数递减关系。监测期间天津城区PM_2.5各层质量浓总体趋势度从大到小为120m＞40m＞220m，这与其他人研究结果不尽相同。各层观测结果表明天津地区受污染严重的程度120m高于40m和220m。天津城区在120m处存在高污染现象，可能与天津本地的污染源排放和气象条件有关，需要作进一步的研究。

2.2 PM_2.5质量浓度垂直变化特征

在边界层中，风和湍流是影响大气扩散能力的主要动力因子，大气稳定度是主要热力因子，混合层高度是风与大气稳定度的综合体现。混合层高度变化是影响污染物垂直扩散的主要因素，为研究混合层厚度变化对污染物浓度的影响，利用地面气象观测资料，采用国标法计算与实验同时段的大气混合层厚度，结果表明天津秋季混合层厚度的日变化规律明显，早晚低，中午高，随混合层高度的变化，各层PM_2.5的浓度也有明显的日变化。

由图 1可见，随混合层高度的变化，PM_2.5的质量浓度变化为220m单峰型，40m为双峰型，而120m出现三峰型。夜间由于城市边界层的特性导致夜间逆温的存在，混合层高度变化范围在120～190m之间，PM_2.5在120m浓度明显高于其它两层，从22时开始不断累积，由75μg·m^-3上升到130μg·m^-3左右，这主要是因为垂直方向上的湍流受到很强的抑制，逆温层增厚，导致120m污染物累积，污染物浓度增高；7时开始，受出行高峰和建筑施工等污染源的影响，低层细粒子浓度快速增加，从8—10时，40m、120m、220m浓度相继达到日均最大值135.6、155.2、142.5μg·m^-3，之后随混合层高度迅速增加，对流运动的增强，颗粒物在混合层内不断扩散，导致三层颗粒物浓度同时持续上升后又快速下降；13时，混合层厚度达到日最大为980m，垂直方向上的湍流强度较大；随大气扩散能力的增强，污染物在混合层内充分混合、扩散，浓度不断被稀释，三层PM_{2. 5}质量浓度同时下降，从高层到低层PM_2.5的浓度依次下降了36、65、52μg·m ^-3。从14时开始，混合层厚度逐渐下降，19时下降至200m以下，这段时间内交通污染源的影响大，PM_2.5停留在低层大气很小的空间范围内，扩散能力减弱，导致PM_2.5浓度的从最低值开始累积升高，40m和120m处PM_2.5质量浓度小幅增加，浓度水平从大到小依次为40m、120m、220m。混合层厚度的对污染物的扩散有明显的影响作用，是影响天津城区秋季空气污染的重要气象参数之一。

2.3 PM_2.5质量浓度日变化特征

由图 1可见，PM_2.5质量浓度一天中的峰值出现在上午8：00—11：00，和下午17：00—19：00左右这个范围内，同时120m处在凌晨2：00—4：00也出现峰值。通过对监测期间逐时气象资料计算的大气稳定度变化分析可知，稳定类在天津城区秋季的频率较高，达到了60 %。大气稳定度日变化特征为早晨和夜间大气层结偏于稳定，中午偏于不稳定，反映了辐射的日变化对大气稳定度的影响。稳定度的变化对天津秋季PM_2.5浓度的变化水平有一定影响。由于采样所处的深秋季节，早晚气温较低，在早晨和夜间多为稳定类和中性类，大气层结稳定，空气对流弱、湍流小，稳定的层结阻挡污染物的扩散，使污染物滞留、累积，其质量浓度增大，随之上班出行高峰时间和建筑施工等污染源影响，导致污染物浓度不断增高并达到极值，三层PM_2.5浓度值均在130μg·m^-3以上。之后，太阳辐射强度大，地面增温强烈，对流运动增强，不稳定类为主，污染物的扩散能力增强，使细粒子浓度得到稀释降低至80μg·m^-3左右。气象条件和早晚出行高峰期污染源的共同影响导致PM_2.5的质量浓度出现峰值。

2.4 PM_2.5与PM₁₀的关系

许多研究结果表明，PM₁₀和PM_2.5之间具有较好的相关关系。由于观测站内没安排PM₁₀采样，利用天津市环境监测中心监测中心梅江站PM₁₀小时平均资料相比较，从图 2中所示，PM₁₀与PM_2.5的总体变化趋势基本一致。监测期间，PM 10质量浓度范围为33～215μg·m^-3，月均值为121μg·m^-3，PM₁₀观测数据与塔上40m PM_2.5的观测数据之间有较好的相关性，相关系数(R₂)为0.7678，表明污染物来源基本相同。对PM₁₀和PM_2.5数据进行分析，结果表明PM _2.5/PM₁₀比值范围在0.65～0.99之间，平均值0.86，比较吴国平等得到的广州、武汉、重庆和兰州1995—1996年变化范围0.52～0.75之间，邵龙义等在北京得到的2001年平均值0.46，天津城区PM_2.5/PM₁₀比值较高，主要原因除了监测站点位置的差异外，也表明天津地区秋季细粒子在PM₁₀中占有较高的比例，人为污染较重。

2.5 PM_2.5与能见度的相互关系

图 3给出了在秋季所观测的能见度和细粒子质量浓度的趋势，可以发现，能见度水平和细粒子污染水平呈现较好的负相关，即当细粒子质量浓度开始升高时，能见度便开始下降，而且能见度的波峰和谷底往往是细粒子质量浓度的谷底和波峰。许多研究结果表明，能见度和细粒子质量浓度呈现较好的负相关，细粒子质量浓度的高低是决定能见度好坏的主要因子，细粒子的污染程度呈上升趋势，无疑细粒子污染是造成大气能见度下降的重要原因。

2.6 PM_2.5与降水的关系

从图 4可以看到，降水对细粒子的清除作用还是比较明显的，10月份，共发生3次降水过程，降水期间PM_2.5质量浓度均有较大幅度的下降。其中10月8日降水量达到了18.8 mm，三层细粒子的浓度从降水前的约150μg·m^-3均下降到湿清除后约4～6μg·m ^-3，均为本月日均浓度值的最小值，10月11日和10月21日是小雨天气，PM_2.5 质量浓度只有10～30μg·m^-3，说明降水过程是颗粒物从大气中清除的重要机制。在降水过程中，从高到低三层上的细粒子没有明显的分层现象。

3 结论与建议

(1) 天津城区PM_2.5污染水平相当严重，日均质量浓度远高于美国1997年制定和200 6年新修订的排放标准，个别污染日超标倍数高达5～7倍。各层浓度总体趋势为120m＞40m＞220m。

(2) 混合层厚度的变化对PM_2.5浓度变化有一定的影响，PM_2.5各层的质量浓度值随混合层的变化有所不同，PM_2.5的质量浓度变化为220m单峰型，40m为双峰型，而120m出现三峰型。23—11时，120m浓度明显高于其它各层，7时始，受出行高峰和建筑施工等污染源的影响，三层PM_2.5的浓度都达到了日均最大值，11—18时，三层PM_2.5的质量浓度随扩散能力的增加开始降低，18—23时，40m和120m处PM_2.5质量浓度小幅增加。

(3) 稳定度的变化对天津秋季PM_2.5浓度的变化水平有一定影响，稳定类在天津城区秋季的频率较高，达到了60%。PM_2.5平均质量浓度一天中的峰值常常出现在上午8：00—11：00，和下午17：00—19：00左右这个范围内，凌晨2：00—4：00也出现峰值，气象条件和早晚出行高峰期污染源共同作用导致PM_2.5的质量浓度出现峰值。

(4) 环境监测中心PM₁₀观测数据与塔上40m PM_2.5的观测数据之间有较好的相关性。PM₁₀与PM_2.5的总体变化趋势基本一致，说明污染物来源基本相同。天津城区PM_2.5/PM₁₀比值较高，主要原因除了监测站点位置的差异外，也表明天津地区秋季细粒子在PM₁₀中占有较高的比例，人为污染较重。

(5) 能见度水平和细粒子污染水平呈现较好的负相关。

(6) 降水过程是颗粒物从大气中清除的重要机制。

(7) 目前，我国还没有对PM_2.5进行大规模的系统研究，只有部分城市在个别点位进行了一些短期的研究，由于各城市对PM_2.5监测时间不平行，采用的监测方法也不统一(不同的监测方法测得的结果存在一定的差异)，大大降低了各城市之间PM_2.5质量浓度的可比性，因此开展大规模的系统的PM_2.5的监测研究非常必要。建议防治大气污染，在控制污染源排放、改变能源结构、搞好环境规划的同时，开展大气污染物监测，应加快对PM_2.5的研究，探明背景场的污染水平，尽快制订适合我国国情的PM_2.5 空气质量标准，对于治理大气污染、研究对人体健康影响都十分重要。