1.1　基本概念

大氣中有多種污染物存在，在環境科學中顆粒物特指懸浮在空氣中的固體顆粒或液滴，是空氣污染的主要來源。

1.1.1　顆粒粒徑

目前對大氣中顆粒物粒徑的表示方法有空氣動力學等效直徑、體積等效直徑或幾何直徑、光學等效直徑等^［3-6］。

（1）空氣動力學等效直徑　這是最常用的粒徑表示方法。在大氣中，若所研究的不規則形狀粒子與單位密度直徑為D_p的球形粒子空氣動力學效應相同，則定義D_p為所研究粒子的空氣動力學等效直徑。它反映粒子大小與沉降速率的關系，直接表達了粒子的性質和行為，如粒子在空氣中的滯留時間、各種粒子在呼吸道中可能沉積的部位等。

（2）體積等效直徑或幾何直徑　若所研究的不規則形狀粒子與單位密度直徑為D_p的球形粒子體積相同，則定義D_p為所研究粒子的體積等效直徑^{［7，8］}。

（3）光學等效直徑　若所研究的不規則形狀粒子與一個直徑為D_p的球形粒子具有相同的光散射能力，則定義D_p為所研究粒子的光學等效直徑。

1.1.2　顆粒物的特征

大氣顆粒物按粒徑分布，分為細顆粒物和粗顆粒物。粒徑小于2μm的統稱為細顆粒物，粒徑大于2μm的統稱為粗顆粒物。大氣顆粒物中大部分硫酸、硫酸氫銨、硫酸銨、硝酸銨、元素碳（EC）和有機碳（OC）等都屬于細顆粒物范疇。美國環境保護署（簡稱美國環保署，USEPA）提出的PM_2.5主要是區分粗、細粒子的界限，而不是根據顆粒物進入呼吸系統某些部位的能力來區分；ISO（國際標準化組織）提出的易引起兒童和成人發生肺部疾病的“高危性”顆粒物的粒徑小于2.4μm，與PM_2.5接近。與粗顆粒物相比，細顆粒物的比表面積大得多，更易成為其他污染物的載體和反應體，許多有毒、有害化學成分在細顆粒物中的富集度更高^［9-11］。

1.1.3　大氣顆粒的粒徑分類

環境空氣質量研究中常用的幾種顆粒物粒徑分類：總懸浮顆粒物（TSP）；可吸入顆粒物（PM₁₀）；細顆粒物（PM_2.5）；超細顆粒物（UFP）；納米顆粒物。

（1）總懸浮顆粒物（total suspended particulate，TSP，PM₁₀₀）　是指懸浮在空氣中并停留一定時間、空氣動力學直徑在100μm以下的全部顆粒物，一般為沙塵暴天氣的揚塵和煙塵。

（2）可吸入物（PM₁₀）　是指空氣動力學直徑≤10μm的顆粒物，可以穿透人體呼吸系統屏障到達支氣管和肺泡。

（3）細顆粒物（fine particulate matter，PM_2.5）　是指空氣動力學直徑≤2.5μm的細顆粒物，比表面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質（如重金屬、微生物等），在大氣中的停留時間長，輸送距離遠，可被吸入并聚集在人體肺部，具有更強的穿透力，并干擾肺內的氣體交換。更小的微粒（直徑≤100nm）甚至會通過肺部傳遞而影響其他器官。

（4）超細顆粒物（ultrafine particle，UFP）　是指空氣動力學等效直徑≤0.1μm的粒子。

（5）納米顆粒物（nano-particles）　是指空氣動力學等效直徑在幾納米到幾十納米的粒子^［12］。

1.1.4　PM_2.5、PM₁₀和TSP的比較

2013年2月，全國科學技術名詞審定委員會將PM_2.5的中文名稱審定為細顆粒物，又稱細粒、細顆粒。PM_2.5是當量直徑≤2.5μm的細顆粒物的英文簡稱，濃度單位為μg/m³。細顆粒物在空氣中濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。雖然PM_2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響。PM_2.5的化學成分主要包括有機碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸鹽、硫酸鹽等^［9-11］。PM_2.5、PM₁₀和 TSP三者的化學組分、來源、形成原因和在大氣中的停留時間的比較見表1-1。

1.1.5　顆粒物濃度的表示方法

顆粒物濃度是描述顆粒物特性最重要的物理量之一，表示方法有粒子數濃度、質量濃度和化學成分質量濃度^［12］。

粒子數濃度的定義為單位體積空氣中懸浮粒子的數目。測量方法是把一定體積的氣體抽進觀測儀器的計數腔，然后進行計數。粒子數濃度的常用單位是個/cm³。

質量濃度的定義為單位體積空氣中粒子的質量，常用單位為mg/m³或μg/m³。也有用粒子的質量與空氣的質量之比來度量粒子的質量濃度，單位是mg/kg，或者使用無量綱數（即粒子質量和空氣質量使用同一單位）。干凈大氣中粒子的質量濃度在1μg/m³以下，而在類似重霾空氣中的粒子質量濃度可達幾千微克/m³。

1.1.6　PM_2.5在PM₁₀中所占比重的分析

研究表明，PM_2.5在PM₁₀中所占的比重很大。根據加拿大和美國的研究，污染程度較輕的城市PM_2.5/PM₁₀大部分在0.3～0.4，污染較重的則在0.5～0.7。而魏復盛等的研究表明，1995～1996年間，廣州城區的這一比值為64.7%～66.1%，蘭州為51.6%～51.9%，武漢為52.6%～60.5%，重慶為61.8%～65.1%，這些城市都位于污染較重的城市之列。徐敬等通過對北京市2003～2004年PM_2.5的研究分析得出，PM_2.5和PM₁₀比值的平均值為0.55，其中采暖期和非采暖期的比值分別為0.62和0.52。研究還指出，這一比值與很多因素有關，包括季節、氣象條件的變化以及人們的日常行為活動等。春季常出現的揚塵天氣以及上下班高峰的交通運輸，都會引起大氣中粗顆粒物的增加，使得PM_2.5和PM₁₀的比值有所降低；冬季采暖期煤的燃燒則加劇了PM_2.5的排放，使得兩者比值顯著增加；夏季的光化學反應條件充分，二次反應加劇也會引起這一比值的升高。楊復沫等通過對北京市城區和居住區采集顆粒物進行濃度分析，對于該比值的變化得出了和徐敬等相同的結論，反映出采暖季煤炭燃燒對細顆粒物的貢獻較大，而春季的沙塵天氣則對粗顆粒物的貢獻較大^{［4，10］}。