典型天氣條件下北京西山典型城市森林內(nèi)大氣顆粒物的變化

典型天氣條件下北京西山典型城市森林內(nèi)大氣顆粒物的變化

大氣顆粒是我國北方空氣的主要污染物。目前，關(guān)于城市氣候顆粒的詳細研究主要集中在對震源分析、成分分析、損害評價和動態(tài)變化特征的分析上。關(guān)于不同顆粒變化的影響因素的研究很多，主要結(jié)果表明了不同季節(jié)的空氣候、濕度和霧日的影響，以及交通車輛和人流等人類活動的影響。此外，一些科學(xué)家還研究了撒灰和火災(zāi)等人體內(nèi)碳氫化合物的影響。減少城市森林的影響，改變不同季節(jié)的碳氫化合物的不同，以及不同季節(jié)的不同年的不同，例如，不同季節(jié)的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的不同月份的典型天氣條件。通過對四種類型土壤氣體濃度的監(jiān)測，我們研究了不同季節(jié)不同一套土壤的不同顆粒濃度的變化，以及不同季節(jié)不同月份不同顆粒的不同顆粒濃度的影響。了解不同城市環(huán)境條件下不同月份的污染變化特征以及不同季節(jié)的污染防治措施的實施。1學(xué)習(xí)方法1.1百望山森林公園自然概況試驗地百望山森林公園地處北京西山東端,頤和園北3km處,116°21′43′′E~116°28′12′′E,39°57′52′′N~40°02′11′′N.區(qū)域氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,年均溫度11.6℃,年降水量630mm左右,約70%集中在7~8月份,土壤多為褐土和棕壤,土壤發(fā)育層次不明顯.百望山森林公園面積200余hm2,主峰海拔210m,植被覆蓋率高達95%以上,游憩林是以側(cè)柏(Platycladusorientalis)為主的松柏林、以黃櫨(Cotinuscoggygria)為主的紅葉林,以及側(cè)柏、黃櫨、油松(Pinustabulaeformis)與其他野生灌木組成的混交林,是北京西山城市森林的典型代表.1.2地被物為選擇北京西山百望山森林公園“歷代名家碑林”周圍的3種典型游憩型城市森林,分別是側(cè)柏純林(樹齡40a,樹高7m,胸徑12.6cm,面積3000余m2,郁閉度0.8)、黃櫨純林(樹齡40a,樹高5.5m,胸徑12cm,面積10000m2,郁閉度0.6)和以黃櫨、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、油松、側(cè)柏等構(gòu)成的混交林(喬木樹種4m左右,胸徑9cm,面積5413m2,郁閉度0.7).地被物以荊條(VitexnegundoVar.heterophylla)和酸棗(Choerospondiasaxillaris)為主.1.3典型天氣的選擇通過分析對比北京近年來的氣象資料,總結(jié)不同季度出現(xiàn)頻率較多的天氣類型,從中選擇對大氣顆粒物集聚、擴散、消除等效應(yīng)明顯的天氣類型并綜合考慮觀測的可操作性,跟蹤記錄天氣實況,經(jīng)篩選后將天氣實況與要選擇的天氣類型相符的觀測數(shù)據(jù)作為典型天氣的有效代表數(shù)據(jù).2007年在春、夏、秋、冬四季分別選擇最能代表北方氣候條件的典型天氣3d:春季“連續(xù)晴天”(5月13號)、“風(fēng)后多云”(5月19號)、“雨后晴天”(5月25號);夏季“桑拿天”(7月26日)、“雨后晴天”(8月9號)、“連續(xù)晴天”(8月22號);秋季“霧霾后晴”(10月20號)、“風(fēng)雨后晴”(11月2號)、“晴間多云”(11月8號);冬季“連續(xù)晴天”(11月30號)、“雪后晴天”(12月13號)、“晴間多云”(12月21號).1.4大氣顆粒物測量每天均從9:00~次日9:00進行24h晝夜觀測,每隔2h觀測一次,每次3種游憩型城市森林同步觀測.用Dustmate煙塵檢測儀測定人體平均呼吸高度1.2~1.5m處4種不同粒徑的大氣顆粒物,即TSP(d≤100μm)、PM10、PM2.5、PM1.0的濃度,每次3個重復(fù).同時用小氣候監(jiān)測儀同步監(jiān)測空氣溫度、空氣相對濕度、風(fēng)速和光照.此外,連續(xù)記錄網(wǎng)上(問天網(wǎng)天氣在線)2007年北京全年每日的天氣實況(包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、云量等).用SASv8進行統(tǒng)計分析.2結(jié)果與分析2.1天氣條件對大氣顆粒物影響由表1可見,春季,天氣因素對4種不同粒徑大氣顆粒物水平均有極顯著的影響,“風(fēng)后多云”4種粒徑大氣顆粒物日平均濃度均顯著高于其他2種天氣(α=0.05),特別是在黃櫨林內(nèi)最明顯.對不同林型分組討論天氣條件對其各種粒徑大氣顆粒物影響方差分析后知(表2):在α=0.05下,不同天氣條件對側(cè)柏林TSP、PM10、PM2.5的影響差異均不顯著;對其他2種林型,風(fēng)后多云和連續(xù)晴天TSP、PM10、PM2.5濃度差異均極顯著,二者與雨后兩天有一定差異;不同天氣對3種林型PM1.0的影響均是風(fēng)后多云與其他天氣差異極顯著.不同天氣條件下游憩林大氣顆粒物日均值的差異與不同天氣條件游憩林大氣顆粒物日變化趨勢的差異有很大關(guān)系.根據(jù)以上方差分析的結(jié)果,這里粗、細顆粒物分別僅以有代表性的側(cè)柏林TSP(無顯著差異)(圖1a)、黃櫨林TSP(風(fēng)后多云與其他天氣差異均顯著)(圖1b)和側(cè)柏林PM1.0(3種林型方差分析結(jié)果一致)(圖1c)為例來分析天氣條件對大氣顆粒物的影響.不同天氣條件下TSP總的日變化趨勢是:由圖1可見,風(fēng)后多云TSP總體走勢最高,特別是傍晚后,這主要是因為測定日前幾天無降雨,天氣干燥,但前2日連續(xù)刮風(fēng)(刮風(fēng)時間5月17日8:00~18日23:00,風(fēng)的強度平均約18km/h左右),使空氣中起塵量增加,再加上那天從傍晚開始天氣轉(zhuǎn)為多云,直至次日(20日)下午降了陣雨,風(fēng)后多云使得干燥的地面揚塵不易擴散而聚集增多.與傍晚后相比,上午天氣晴朗使大氣顆粒物濃度較低.不同林分相比,白天刮風(fēng)時黃櫨林起塵量較大,這可能由于黃櫨林地表裸露,刮風(fēng)時容易起塵,同時春季黃櫨葉片未完全萌發(fā)出來,對顆粒物的吸納、消減作用小;相反,側(cè)柏林地被物覆蓋度大,不容易起塵,同時側(cè)柏四季常綠,加上其葉片具粘性、有凹槽等特征,對顆粒物的吸納、滯留作用較大,所以“風(fēng)后多云”黃櫨林內(nèi)TSP濃度最高,側(cè)柏林最低.“雨后兩天”(降雨時間5月22日8:00~23日14:00,雨量平均約7mm/6h左右)白天TSP濃度日變化總體走勢在3種天氣條件下居中(側(cè)柏林)或處于下方(黃櫨林),雨后空氣濕潤和白天風(fēng)速較大使白天大部分時間顆粒物濃度相對較低,而晚上到次日凌晨,由于空氣溫度低(圖2a,b)、空氣相對濕度大(圖2c,d)、風(fēng)速小(圖2e,f),而大氣顆粒物濃度與溫度呈負相關(guān),與空氣濕度呈正相關(guān),所以顆粒物濃度一直保持較高水平.早上9:00~11:00TSP濃度也相對較高,其原因可能與那天凌晨有輕微的降塵現(xiàn)象有關(guān).上述3種天氣條件下的TSP濃度晝夜交替變化使側(cè)柏林TSP日平均濃度在3種天氣條件下無顯著差異,黃櫨林風(fēng)后多云與其他2種天氣呈顯著差異.與TSP相比較,細顆粒PM1.0變化趨勢與此基本相似(圖1c),只是風(fēng)后多云PM1.0濃度增加趨勢更明顯,使得這天3種林型內(nèi)PM1.0日平均值與其他2種天氣差異均極顯著.不僅如此,其他小粒徑顆粒物所占的比例在夜間和清晨也是風(fēng)后多云和雨后兩天較連續(xù)晴天高(表3).且由表4可見,風(fēng)后多云小粒徑顆粒物所占比例日平均值隨著粒徑的逐漸降低而不斷增高,這可能是多云天對細顆粒影響更顯著的緣故.2.2對其他天氣的影響由表5可見,雨后晴天3種林型內(nèi)4種粒徑大氣顆粒物日平均濃度均最低,遠低于其他天氣條件和夏季總體平均值,特別是粗顆粒物TSP,3種林型中雨后晴天TSP濃度只為連續(xù)晴天的0.58~0.68;除個別情況外桑拿天顆粒物濃度最高,尤細粒徑顆粒物更明顯,側(cè)柏林桑拿天PM2.5的濃度是連續(xù)晴天的2.53倍.方差分析顯示,在α=0.05下,天氣因素對大氣顆粒物濃度的影響顯著,其中TSP和PM10濃度在雨后晴天與其他2種天氣差異顯著,而PM2.5和PM1.0濃度在桑拿天與其他2種天氣差異顯著.對不同林型分組討論天氣條件對各種粒徑大氣顆粒物濃度顯著性方差分析后發(fā)現(xiàn)(表6):3種游憩林TSP濃度在雨后晴天與連續(xù)晴天均有顯著差異,與桑拿天也有不顯著差異;除側(cè)柏林外,PM10濃度在3種天氣條件下無顯著差異;PM2.5和PM1.0濃度在桑拿天與其他2種天氣條件差異顯著.出現(xiàn)這種情況的主要原因為:“連續(xù)晴天”連續(xù)一周少云或無云,測定日(8月22日)平均能見度21.5km,最高達30km,除14:00外,其他時刻云底均大于2500m,日平均氣壓1011hPa(數(shù)據(jù)由記錄的天氣資料整理而得),且白天氣溫較高,空氣相對濕度最小,風(fēng)速又相對較大(圖3),這種晴朗的天氣有利于大氣顆粒物的擴散.相反,“桑拿天”離上一次雨距(7月18日)約一周,雨后到測定日(7月26日)連續(xù)多云或陰、輕霧,除雨后第1日外,其他天氣能見度均在15km以下,且日最高溫度29.7~32.6℃,最低溫度22.1~24.9℃,日最大相對濕度72%~92%,最小相對濕度23%~53%,日平均風(fēng)速2.34m/s,最大值均沒超過5m/s.測定日日平均能見度5.94km,最大時(17:00)也只有12km,日平均氣壓1006hPa,白天氣溫不是很高,而空氣相對濕度較大,風(fēng)速又最小(圖3),所以與連續(xù)晴天相比,大氣顆粒物在這種高濕微風(fēng)的“桑拿天”在白天的輸送和擴散相對困難,尤其對郁閉度較大的側(cè)柏林,這種悶熱的天氣條件更容易使林內(nèi)大氣顆粒物聚集增多,特別是粒徑較小的細顆粒物(圖4b);而在夜間由于“桑拿天”那天溫度較“連續(xù)晴天”高,而大氣顆粒物濃度與溫度呈負相關(guān),使得這天與連續(xù)晴天天氣條件下大氣顆粒物濃度在夜間相差不大,甚至還要比連續(xù)晴天低.3種林分相比,桑拿天側(cè)柏林大氣顆粒物增加幅度較其他2種林型大,這除了側(cè)柏林郁閉度大不容易使大氣顆粒物擴散外,還可能由于夏季黃櫨和其他闊葉樹種生理活動最為旺盛,對大氣顆粒物的消納作用顯現(xiàn)明顯,所以黃櫨林和混交林內(nèi)大氣顆粒物較低.“雨后晴天”之前10多日連續(xù)多云、陰天與陣雨交替出現(xiàn),降雨最多的是7月30日,持續(xù)時間12h,降雨量最大達33mm/6h,測定日(8月9日)是雨后轉(zhuǎn)晴的第2日,幾乎全天天氣晴朗,云底大于2500m,觀測時間內(nèi)能見度均在10km以上(平均值16km,最大值25km),氣壓1003hPa,其他小氣候指標介于“桑拿天”和“連續(xù)晴天”之間.與連續(xù)晴天相比,雨后晴天由于連續(xù)幾天降雨的沖刷作用和測定日天氣晴朗,大氣顆粒物濃度在一天內(nèi)各個時刻均有所下降,特別是TSP等粒徑較大的粗顆粒物(圖4a).這說明降雨首先會沖刷掉粒徑較大的顆粒物,而桑拿天對細顆粒的增加更明顯.由表7可見,降雨和桑拿天小粒徑顆粒物所占比例較高,特別是桑拿天最高.2.3大氣顆粒物擴散規(guī)律由表8可見,不管哪種游憩林的哪種粒徑的大氣顆粒物濃度均是在“霧霾后晴”最高,“風(fēng)雨后晴”居中,其中“霧霾后晴”大氣顆粒物濃度達到其他天氣的2倍多.方差分析也顯示,在α=0.05下,3種游憩林4種粒徑的大氣顆粒物濃度均是霧霾后晴天與其他2種天氣差異顯著(表9).出現(xiàn)以上結(jié)果的原因主要是因為秋季總體上從9月份開始多數(shù)天氣為陰、輕霧或少云輕霧,如9月12~18日、22~30日,10月份在測定日(10月20日)之前除14~19日外,其他時間幾乎每天為陰霧天,能見度最高為10km左右,這種長時間陰霧天使得大氣逆溫層增厚,而且測定日夜間溫度較低、相對濕度較高,且?guī)缀蹯o風(fēng)(圖5),這種氣象條件下使大氣顆粒物不易擴散,所以不管是哪種游憩林,“霧霾后晴”4種粒徑大氣顆粒物濃度幾乎在一天內(nèi)均高于其他2種天氣,尤其在夜間這種差異更明顯(圖6).不同林分相比較,側(cè)柏林大氣顆粒物濃度較高,這可能與仍具有一定顆粒物消減作用的黃櫨林內(nèi)環(huán)境開闊而側(cè)柏林郁閉度高不易于大氣顆粒物擴散有關(guān).“風(fēng)雨后晴”在測定日前5d(10月28日)凌晨2:00~8:00降了雷暴雨和陣雨,雨量最大時為11mm/6h,且從白天開始刮4~5級的偏北風(fēng),降雨的沖刷和風(fēng)的擴散作用使大氣顆粒物濃度有所降低.盡管如此,但“風(fēng)雨后晴”仍處在秋季陰霧天的大環(huán)境中,尤其是10月24~27日霧變大,26日整個北京市能見度小于100m,這種情況下使得“風(fēng)雨后晴”大氣顆粒物濃度仍不太顯著地高于其后一周的晴天(“晴間多云”).同時,不同天氣條件相比較,小粒徑大氣顆粒物所占比例的差異不如大氣顆粒物濃度的差異顯著(表10),即霧霾后晴天小粒徑大氣顆粒物所占比例雖仍最高,尤其是側(cè)柏林,但“風(fēng)雨后晴”和“晴間多云”也較高,且與“霧霾后晴”差異不是很大.這說明霧天和多云對小粒徑顆粒物增加明顯,特別是對林內(nèi)環(huán)境相對封閉的林地,而刮風(fēng)和下雨對粗顆粒物的沖刷作用較大,從而使得霧霾天和風(fēng)雨后的晴天小粒徑大氣顆粒物所占比例均大大增加.2.4不同天氣小粒徑大氣顆粒物濃度的變化這主要由于“雪后晴天”測定日前2日(12月10日)從早上5:00到傍晚17:00連續(xù)降雪,平均降雪量1mm/6h,雪在沉降過程中的沖刷作用使大氣顆粒物濃度降低.而且至測定日(12月13日)試驗地地面仍被積雪覆蓋,起塵量大大減少,所以大氣顆粒物濃度在一天內(nèi)均最低(圖7).相反,“晴間多云”那天能見度即使在午后14:00左右也不到10km,而且測定日前2日也多為陰霧天(平均能見度只有7km左右),云霧使得大氣顆粒物不容易擴散而增加,所以不論是粗顆粒物還是細顆粒物,其濃度在一日內(nèi)各個時刻均最高(圖7).3種林分相比,黃櫨林晴間多云大氣顆粒物濃度最高,側(cè)柏林最低,黃櫨林4種粒徑大氣顆粒物濃度是側(cè)柏林的1.04~1.13倍,這可能與冬季黃櫨林落葉對大氣顆粒物的消減作用小有關(guān).另外,從不同天氣小粒徑大氣顆粒物所占的比例還可以看出(表13),雪在沉降過程中各種粒徑大小的顆粒物均被凝結(jié)減少,而多云天氣使小粒徑大氣顆粒物更不容易擴散,所以粒徑較小的空顆粒物所占的比例在雪后晴天和連續(xù)晴天相差不大,而晴間多云卻明顯高于其他2種天氣.3討論3.1降雨的影響本文在春、夏、秋季均研究了降雨后的晴天城市森林內(nèi)大氣顆粒物濃度的變化,發(fā)現(xiàn)降雨后大氣顆粒物濃度均有不同程度的降低:春季“雨后兩天”白天大部分時間顆粒物濃度相對較低;夏季“雨后晴天”大氣顆粒物日平均濃度遠低于夏季總體平均值和其他天氣條件下的濃度;秋季處在2007年秋季陰霧天較多的大環(huán)境中的“風(fēng)雨后晴”在測定日前5日降了暴雨,大氣顆粒物濃度依然有所降低.關(guān)于降雨對大氣顆粒物的影響,日本廣島市曾用干濕沉降研究發(fā)現(xiàn)空氣中多環(huán)芳香烴濃度在晴天較高,在雨天顯著降低,與本研究結(jié)果相符.另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)雨水對粗粒子的沖刷效率明顯,雨后大顆粒迅速減少,而可吸入顆粒物比重可能會加大,本研究也證實了這一點,夏季“雨后晴天”3種林型中粗顆粒物TSP只為連續(xù)晴天的0.58~0.68,而細顆粒物濃度“雨后晴天”并未低于“連續(xù)晴天”,而且降雨后不僅可吸入顆粒物比重加大(為連續(xù)晴天的1.13~1.21倍),而且PM2.5/PM10、PM1.0/PM2.5均會增高.這說明降雨的沖刷作用和雨后空氣濕潤使大氣顆粒物濃度減少,而且降雨首先沖刷減少粗顆粒物,所以雨后晴天小粒徑大氣顆粒物所占的比例會增加.不過,有時在雨后的夜間由于空氣濕度大大氣顆粒物濃度也會增加,本文春季“雨后兩天”晚上到次日凌晨大氣顆粒物濃度保持較高水平就是證明.另外,本文除霧霾天、桑拿天和冬季個別情況外,PM2.5/PM10在20%以下,低于全國50%~70%的比例,這是由于細顆粒物PM2.5主要來源于交通車輛尾氣排放、居民區(qū)生活和取暖燃燒以及氣體揮發(fā)物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的次生顆粒等,本研究地為遠離城區(qū)上述污染源的城市森林內(nèi),所以PM2.5所占的比例小.3.2大氣顆粒物不均粒徑雪覆蓋地表能夠減少揚塵,同時雪在沉降過程中可以通過沖刷、凝結(jié)作用降低大氣顆粒物濃度,本文冬季“雪后晴天”大氣顆粒物不論粗細其濃度在一天內(nèi)均最低,“雪后晴天”4種粒徑顆粒物濃度均約為連續(xù)晴天的0.2倍,所以大氣顆粒物不論粒徑大小,降雪對其均有降減作用,這與美國洛根的部分調(diào)查結(jié)果相一致.此外,在美國洛根還發(fā)現(xiàn)降雪能夠?qū)е履鏈噩F(xiàn)象,從而引起空氣污染事件,本研究未發(fā)現(xiàn)降雪導(dǎo)致明顯的逆溫現(xiàn)象,這可能與降雪量、地區(qū)差異有關(guān).3.3月內(nèi)大氣顆粒物濃度隨時間的變化和高效先前學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),南京冬季霧天顆粒物中PAHs濃度有增加的趨勢;新加坡霧天PM2.5的平均濃度以及大多數(shù)化學(xué)成分都較晴天增加2倍;馬來西亞吉隆坡霧天空氣多環(huán)芳烴中苯并芘(BaP)等顯著增加,對人體健康的危險是平常的4倍多;青島市霧和霾均對粒徑小于1.0μm的細顆粒物的貢獻較大.本研究中秋季不管哪種游憩林的哪種粒徑的大氣顆粒物濃度均是在“霧霾后晴”最高,日平均值達到其他天氣的2倍多,日變化反映出這種增高效應(yīng)在夜間更明顯;冬季“晴間多云”大氣顆粒物濃度在一天內(nèi)均最高,4種粒徑顆粒物為連續(xù)晴天的1.39~3.68倍.這說明多云和霧霾天氣不利于大氣顆粒物的擴散而使其污染加重,而這種加重效應(yīng)在夜間更明顯.同時,本研究中發(fā)現(xiàn)冬季“晴間多云”細顆粒物濃度及所占比例較連續(xù)晴天高,秋季“晴間多云”和“霧霾后晴”小粒徑大氣顆粒物所占比例也較高,尤其對于郁閉度較高的側(cè)柏林,這說明霧霾和多云對小粒徑顆粒物濃度的增加效果明顯,特別是對林內(nèi)環(huán)境相對封閉的林地增加幅度更大.3.4林地細顆粒物濃度夏季高濕靜風(fēng)、悶熱的“桑拿天”也會有如霧霾和多云天的效果,能使郁閉度較大的林地內(nèi)大氣顆粒物特別是細顆粒物及其所占的比例顯著增加.本研究中除個別情況外夏季桑拿天顆粒物濃度最高,郁閉度較大的側(cè)柏林“桑拿天”PM2.5的濃度是“連續(xù)晴天”的2.53倍.3.5不同天氣和光照下格局下大氣顆粒物擴散特征風(fēng)對大氣顆粒物的影響具有一定的復(fù)雜性和不確定性,先前有學(xué)者在美國猶他州、澳大利亞布里斯班等地的調(diào)查發(fā)現(xiàn),一定量的風(fēng)速能使污染物擴散而減少,大氣顆粒物濃度隨風(fēng)速增加而呈指數(shù)下降,當風(fēng)速為3m/s時,顆粒物擴散速率為0.1~0.3cm/s,風(fēng)速為9m/s時,顆粒物擴散速率為2.9cm/s.本研究春季“風(fēng)后多云”測定日前幾日無降雨,天氣干燥,且測定日前2日連續(xù)刮風(fēng),再加上那天從傍晚開始天氣轉(zhuǎn)為多云,結(jié)果使得“風(fēng)后多云”4種粒徑大氣顆粒物日平均濃度均顯著高于其他2種天氣,特別是在地被物較少的黃櫨林內(nèi)顆粒物濃度更高.而在秋季測定日白天刮4~5級偏北風(fēng)但測定日前5日降了雷暴雨和陣雨的“風(fēng)雨后晴”,大氣顆粒物濃度較低.這說明雨后等空氣和地面濕潤時風(fēng)能在一定程度上使大氣顆粒物擴散減少,而在天氣干燥時刮風(fēng)會增加城市森林內(nèi)大氣顆粒物的濃度,尤其是對地表相對裸露的林地,且多云會加重干燥天氣刮風(fēng)后大氣顆粒物的污染程度.3.6不同坡葉樹生物量城市森林內(nèi)大氣顆粒物濃度除受大環(huán)境天氣因素的影響外,還與林分結(jié)構(gòu)