成都地區(qū)大氣污染物的城郊對(duì)比分析

向 鋼， 周筠珺，2， 馮桂力， 黃 蕾， 谷 娟， 張曉露

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都610225;2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210044;3.山東省氣象局，山東濟(jì)南250031)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化速度的加快，城市人口的急劇膨脹，大氣污染已經(jīng)由局地性問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榈貐^(qū)性問(wèn)題［1］。能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，機(jī)動(dòng)車排放的增多，使中國(guó)污染物的性質(zhì)逐漸向復(fù)合型大氣污染轉(zhuǎn)變［2］。SO2、NOx、O3、PM10是影響中國(guó)城市空氣的主要污染物［3］。顆粒物中的硫酸鹽和硝酸鹽對(duì)能見(jiàn)度的降低起到重要的消光貢獻(xiàn)，粒子污染導(dǎo)致的持續(xù)性霧霾天氣和重污染過(guò)程逐漸增多［4］。局地氣溶膠分布經(jīng)大尺度氣流的動(dòng)力效應(yīng)，形成局地污染物的遠(yuǎn)距離輸送或擴(kuò)散［5］。

尋求解決大氣污染問(wèn)題的成因與治理已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。在對(duì)中國(guó)大氣環(huán)境污染問(wèn)題研究中，很多針對(duì)北京地區(qū)霧霾的研究發(fā)現(xiàn)邊界層內(nèi)存在逆溫［6］，風(fēng)速和風(fēng)向?qū)ξ廴疚锏臄U(kuò)散有至關(guān)重要的作用［7-8］。田偉等［9］發(fā)現(xiàn)混合層高度過(guò)低，限制了大氣的水平和垂直擴(kuò)散，是造成北京近地面污染物堆積形成重度污染的重要因素。以前的研究主要集中于長(zhǎng)三角、珠三角、京津冀等發(fā)達(dá)地區(qū)，而對(duì)成都等西南地區(qū)城市的研究較少。黃巍等［10］通過(guò)對(duì)成都的PM2.5研究發(fā)現(xiàn)，成都地區(qū)PM2.5與風(fēng)速呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，而與其他氣象要素相關(guān)性較弱，降水對(duì) PM2.5質(zhì)量濃度影響很大。張智勝等［11］發(fā)現(xiàn)成都地區(qū)碳?xì)馊苣z受到燃燒源的重要影響。目前的研究主要集中于成都市中心城區(qū)，對(duì)郊區(qū)的研究很少，有關(guān)成都地區(qū)郊區(qū)和城區(qū)污染物濃度變化情況的對(duì)比不多，利用三道堰區(qū)域背景站及城區(qū)人民公園測(cè)站作為郊區(qū)和城區(qū)的代表性站點(diǎn)，討論不同季節(jié)SO2、NOx、PM10變化特征的差異，污染物的日變化，并分析造成差異的原因，希望為今后研究成都地區(qū)污染物分布的城郊差異及污染物的傳輸及轉(zhuǎn)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

選取成都市環(huán)境監(jiān)測(cè)站的三道堰和人民公園2個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)作為對(duì)比站點(diǎn)。三道堰站(成都市中心城區(qū)8個(gè)國(guó)控空氣子站之一，成都市城區(qū)的背景站)位于郫縣北部，成都市的西北部，距成都市22公里。由于其作為背景觀測(cè)站的特殊作用，在近距離內(nèi)沒(méi)有排污的工礦企業(yè)，所處位置地形開(kāi)闊，受局地環(huán)流影響小。人民公園位于成都市三環(huán)內(nèi)中心繁華地帶。其中三道堰為郊區(qū)站，而人民公園為城區(qū)站。數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度為2010年1月1日～2014年7月14日，中間缺少2010年9、10月，2011年11、12月4個(gè)月的數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括 SO2、NOx、NO、NO2、PM10的逐時(shí)濃度資料。將觀測(cè)期間因儀器標(biāo)定、故障、斷電等原因造成的空白及誤差數(shù)據(jù)剔除。

2 結(jié)果與討論

2．1 污染物濃度月平均變化

圖1 為城郊 2 站 SO2、NOX、NO、NO2、PM10月平均濃度的變化，從圖1可以看出，2站各污染物濃度月變化呈典型單谷型變化特征。2站SO2的月平均濃度變化一致，SO2在夏季(6～8月)濃度很低，城區(qū)和郊區(qū)都在23 μg.m-3(體積分?jǐn)?shù)，下同)以下，城郊2站差異小，濃度相差不超過(guò)2 μg.m-3。SO2的最低濃度出現(xiàn)在6月，這主要是由于夏季SO2的排放源小、降水對(duì)其的清除作用明顯所致。秋、冬季城郊SO2的濃度迅速上升，城區(qū)濃度較郊區(qū)升高明顯，最高濃度均出現(xiàn)在冬季12月，平均濃度為42 μg.m-3，郊區(qū)站和城區(qū)站的8月出現(xiàn)SO2濃度小峰值，這是由于受到了成都地 區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活的影響所致。

圖 1 SO2、NOx、NO、、PM10的逐月平均濃度對(duì)比

月平均NOx濃度的變化趨勢(shì)與SO2的相似。城區(qū)站和郊區(qū)站夏季的濃度都比較低，7月達(dá)到最低值，城區(qū)站和郊區(qū)站的最低值分別為 51μg.m-3、51 μg.m-3。冬季濃度最高，12月達(dá)到最高值，城區(qū)站和郊區(qū)站的最高值分別為 119 μg.m-3、50 μg.m-3。NOx主要來(lái)源于機(jī)動(dòng)車和燃燒排放［12］，冬季大氣的氧化性弱，發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)也最弱，光化學(xué)反應(yīng)消耗的NOx也少。此外，冬季穩(wěn)定的大氣層結(jié)和高靜風(fēng)率，不利于污染物的擴(kuò)散而使其在底層堆積。城區(qū)站的NOx濃度值全年都比郊區(qū)站的高，平均而言城區(qū)站的NOx濃度約為郊區(qū)站的2倍。郊區(qū)站NO濃度的年變化小，由此可見(jiàn)郊區(qū)站周邊沒(méi)有相關(guān)的排放源。城、郊NO2的時(shí)間變化特征與NOx相似。在城區(qū)站NOx、NO和NO2的月變化曲線上的3月和8月出現(xiàn)2個(gè)明顯的峰值。從SO2和NOx污染特征變化的差異可以推斷，SO2的主要來(lái)源為煤煙排放，而NOx的主要來(lái)源為機(jī)動(dòng)車尾氣和煤煙混合排放。

城、郊2站PM10的變化趨勢(shì)一致，但由于背景站受建筑揚(yáng)塵和汽車尾氣的氣粒轉(zhuǎn)化影響遠(yuǎn)小于城區(qū)站，因此郊區(qū)站月較差幅度也遠(yuǎn)小于城區(qū)站。城郊2站夏季PM10濃度都較低，最低濃度分別為7月的73 μg.m-3和6月的47 μg.m-3。成都地區(qū)的降水主要集中在6～9月，占全年降水的73%左右［13］，降水對(duì)污染物的清除作用明顯。城區(qū)站的PM10在秋冬季濃度迅速上升，并在冬季1月達(dá)到最大值178 μg.m-3。成都秋冬季空氣濕度大，有利于氣粒轉(zhuǎn)化。張智勝等［11］的研究也表明在成都地區(qū)，與土壤塵及揚(yáng)塵、生物質(zhì)燃燒、機(jī)動(dòng)車尾氣相比，二次硝酸鹽/硫酸鹽對(duì)秋、冬季PM2.5的貢獻(xiàn)最大。郊區(qū)站附近車流量少，受到人為因素影響小，冬季濃度上升緩慢，最大值為11月的95 μg.m-3。城、郊2站的PM10在3月份都出現(xiàn)了一個(gè)峰值，且背景站的最大值即為3月PM10峰值。這是由于2013年3月成都遭受近10年來(lái)影響最大和持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的強(qiáng)沙塵天氣影響［14］，對(duì)3月PM10的平均濃度貢獻(xiàn)較大。2013年城區(qū)站和背景站3月份PM10的濃度是其他年份的同期的兩倍多。

2．2 污染物濃度不同季節(jié)日變化

圖2 不同季節(jié)SO2日變化的城郊對(duì)比

按照氣象學(xué)的劃分方法，將3～5月劃分為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季、12 ～翌年1、2月為冬季。圖2為城郊2站四季SO2的日變化，從圖中可以看出，總體上城郊2站峰值的大小隨著季節(jié)變化而出現(xiàn)波動(dòng):秋冬季的峰值大于春夏季。2站不同季節(jié)的SO2濃度日變化趨勢(shì)也一樣。冬季城郊2站均為單峰型日變化。早晨7:00之前2站SO2濃度變化緩慢，8:00以后隨著人類活動(dòng)增強(qiáng)，SO2濃度迅速上升冬季成都大氣層結(jié)穩(wěn)定，SO2不斷聚集，在12:00左右達(dá)到最大值。秋季SO2的日變化曲線與冬季相似，城郊2站的最高值均出現(xiàn)在上午10:00左右，比冬季最高值的出現(xiàn)提前2個(gè)小時(shí)。這是由于秋季接收的太陽(yáng)輻射比冬季多，10:00以后大氣湍流運(yùn)動(dòng)旺盛，水平和垂直擴(kuò)散能力強(qiáng)，有利于SO2濃度的稀釋。春季城郊2站SO2濃度日變化差異較大。郊區(qū)站在凌晨濃度較高，上午濃度上升緩慢，12:00達(dá)到最高值，濃度日較差小。城區(qū)站早晨7:00以后濃度迅速上升，10:00達(dá)到最高值，濃度日較差大，這是由于春季午后強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)造成的。夏季城區(qū)站的峰值滯后郊區(qū)站1小時(shí)。

圖3 不同季節(jié)NOx日變化的城郊對(duì)比

城郊2站秋、冬季NOx(圖3)日變化的差異明顯。城區(qū)站峰值出現(xiàn)在冬季 10:00左右，濃度為134 μg.m-3。而郊區(qū)站在10:00和21:00左右各出現(xiàn)一個(gè)峰值，最高濃度出現(xiàn)在冬季21:00，最高值為51 μg.m-3。城區(qū)站為明顯的單峰型變化，郊區(qū)站NOx呈雙峰型變化，秋冬季濃度相差無(wú)幾。城區(qū)站峰值前后出現(xiàn)谷值，是由于NOx在向亞硝酸(HONO)轉(zhuǎn)化的緣故［15］，最低值出現(xiàn)在 17:00左右，濃度為67 μg.m-3。城區(qū)站NOx從早晨7:00開(kāi)始迅速上升，上班高峰期9:00后出現(xiàn)NOx峰值，說(shuō)明早高峰是由上班高峰期機(jī)動(dòng)車尾氣的排放造成。17:00～23:00為NOx濃度持續(xù)上升區(qū)，NOx在夜間一直保持較高濃度。這是由于下班高峰期車流量大、汽車排放的尾氣也比較多，在太陽(yáng)下山后，地面迅速冷卻，形成較低的穩(wěn)定逆溫層。逆溫層的存在不利于地面污染物的擴(kuò)散。逆溫層一直持續(xù)到第二天日出才消失，這是造成夜間城區(qū)NOx高濃度的原因。郊區(qū)站地區(qū)秋冬季夜間取暖，穩(wěn)定的大氣層結(jié)共同造成夜間濃度峰值。城郊2站NO(圖4)的變化規(guī)律與NOx相同。

圖4 不同季節(jié)N O日變化的城郊對(duì)比

圖5 不同季節(jié)NO2日變化的城郊對(duì)比

城郊2站的NO2(圖5)都呈雙峰雙谷型日變化。但四季城區(qū)站的最高濃度都出現(xiàn)在中午12:00左右，而郊區(qū)站為21:00，NO2峰值比NO滯后1小時(shí)左右。城區(qū)站的最高濃度是由汽車尾氣和礦石燃料燃燒所致。郊區(qū)站附近森林覆蓋率高，土壤-植物系統(tǒng)夜間排放的NO很快被氧化成NO2，造成峰值出現(xiàn)在夜間。冬季郊區(qū)夜間取暖使NO2峰值更明顯。早晨隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，NO與O3的光化學(xué)反應(yīng)也增強(qiáng)。NO的濃度最低值出現(xiàn)在17:00，隨著太陽(yáng)輻射的減弱，光化學(xué)反應(yīng)也相應(yīng)減弱。夜間NO2停止光解反應(yīng)，同時(shí)NO和O3發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生NO2，也是造成夜間NO2高濃度的原因之一。

圖6 不同季節(jié)PM10日變化的城郊對(duì)比

PM10作為大氣主要污染物之一，對(duì)人的身體健康有很大危害。圖6為城郊2站四季PM10的日變化，從圖6可以看出，城區(qū)站PM10與SO2的日變化相似，呈單峰型日變化。濃度從大到小依次為:冬季、春季、秋季、夏季。冬季PM10的濃度平均為夏季的兩倍。四季節(jié)日變化的最高值都出現(xiàn)上午9:00，最低值出現(xiàn)在17:00。而郊區(qū)站秋冬季為雙峰型日變化，春季和夏季為單峰型日變化，冬、春、秋三季濃度相差不大，不超過(guò)15 μg.m-3，最低濃度均出現(xiàn)在凌晨6:00，最高濃度出現(xiàn)在夜間21:00左右。上班高峰時(shí)期機(jī)動(dòng)車尾氣的氣粒轉(zhuǎn)化、建筑揚(yáng)塵共同造成了城區(qū)站上午的峰值。雖然午后太陽(yáng)輻射減弱，但地面及地面附近的空氣繼續(xù)升溫，局地溫差增大，此時(shí)大氣層結(jié)不穩(wěn)定，對(duì)流發(fā)展旺盛有利于污染物擴(kuò)散。郊區(qū)站PM10的夜間高濃度可能由做飯、取暖造成。

圖7 SO2、NOx、PM10濃度逐日變化(虛線表示該污染物在國(guó)家新環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中濃度限值)

圖7為城郊2站SO2、NOx、PM10濃度的逐日變化，從圖7可以看出，觀測(cè)期間郊區(qū)站SO2的24 h平均濃度有35次超過(guò)國(guó)家新二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，主要都出現(xiàn)在2012年以前，最高濃度為濃度為0.217 mg.m-3，略高于國(guó)家新二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)24 h平均濃度限值的0.1 mg·m-3;而城區(qū)站只有一次濃度超標(biāo)，出現(xiàn)在2012年11月12日，濃度為0.125 mg.m-3。2012年10月之前郊區(qū)站的SO2濃度大多高于城區(qū)站，2012年之后郊區(qū)站濃度普遍低于城區(qū)站。城郊2站日平均濃度的線性擬合曲線可以看出2站不同的變化趨勢(shì)，城區(qū)站下降趨勢(shì)不明顯，而郊區(qū)站則有明顯的下降趨勢(shì)。這是由于成都市十二五期間調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，淘汰嚴(yán)重污染環(huán)境的項(xiàng)目，關(guān)閉了華能電廠、嘉陵電廠和44家水泥廠，實(shí)施清潔能源的改造，削減SO2的排放量，降低空氣中SO2的濃度。郊區(qū)站自然環(huán)境狀況良好，SO2排放量小，受城區(qū)SO2減排影響大，環(huán)境凈化能力強(qiáng)，因此下降明顯。城區(qū)站NOx日平均濃度有665 d超過(guò)國(guó)家新二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)率為40%，最高濃度達(dá)到372 μg·m-3，超標(biāo)時(shí)段主要出現(xiàn)在每年秋、冬季。郊區(qū)站在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中，超標(biāo)時(shí)段出現(xiàn)在2011年5月以前，最高濃度為136 μg·m-3。城郊兩站的日平均NOx濃度均呈下降的趨勢(shì)，郊區(qū)站下降更明顯。城郊兩站PM10的超標(biāo)率都比較高，2012年以后城區(qū)日平均PM10濃度幾乎都高于郊區(qū)。2013年3月1～5日城郊兩站PM10濃度出現(xiàn)一個(gè)峰值，城區(qū)站最大值達(dá)到866 μg·m-3，郊區(qū)站達(dá)到0．55 μg·m-3，這次重污染過(guò)程是北方沙城暴引起。郊區(qū)站的最大值出現(xiàn)在2011年7月15日，且整個(gè)7月PM10的濃度都嚴(yán)重查表，這期間正值農(nóng)忙季節(jié)，可以斷定是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)引起。從線性擬合曲線可以看出，郊區(qū)站無(wú)明顯變化，而城區(qū)站則成上升趨勢(shì)。許多研究表明細(xì)粒子PM2.5已經(jīng)成為PM10的主要成分［16］，可以通過(guò)調(diào)控 PM2.5來(lái)降低粗粒子 PM10的濃度。因此，對(duì)于減輕成都市顆粒物污染的問(wèn)題需要做到粗、細(xì)粒子雙管齊下，預(yù)防和治理相結(jié)合，制定有效的調(diào)控措施。

表1 四季氣體污染物日平均濃度與顆粒物的相關(guān)性對(duì)比

為清楚地了解冬、春、夏秋四季PM10粒子與SO2、NOx污染氣體的相關(guān)性，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析四季氣體污染物SO2、NOx與固態(tài)污染物PM10的相關(guān)關(guān)系(表1，總樣本數(shù)為1564)，發(fā)現(xiàn)城郊兩站隨季節(jié)不同氣、固態(tài)污染物的相關(guān)程度也不同?？傮w而言，城區(qū)站的SO2和NOx與 PM10的相關(guān)性都比郊區(qū)站的顯著。城區(qū)站2010年1月1日～2014年7月14日 SO2、NOx日平均濃度與 PM10的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.564881、0.519819，相關(guān)性顯著。而郊區(qū)站 SO2、NOx月 PM10的相關(guān)性系數(shù)卻只分別達(dá)到0.321182、0.261276。秋冬季SO2和NOx與PM10的相關(guān)性高于其他季節(jié)，進(jìn)一步說(shuō)明了城市污染過(guò)程中PM10濃度與NOx、SO2濃度相關(guān)顯著，氣粒轉(zhuǎn)化是城市PM10的重要來(lái)源。同一站點(diǎn)不同污染氣體與PM10的相關(guān)性也不同，城郊兩站SO2與PM10的相關(guān)性比NOx與PM10的顯著。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)成都市污染物濃度季節(jié)差異大，NO、NO2、NOx、SO2、PM10在夏季達(dá)到最小值。冬季 NO、NO2、NOx和SO2濃度達(dá)最高。城郊SO2月平均濃度差異不大，而城區(qū)NOx的月平均濃度要遠(yuǎn)高于郊區(qū)。

(2)郊區(qū)站秋冬季NO、NOx的日變化呈雙峰雙谷型，且最高濃度出現(xiàn)在夜間21:00左右，最低濃度出現(xiàn)在凌晨17:00左右，是由于秋冬季夜間取暖所致。反應(yīng)了郊區(qū)大氣的區(qū)域性特征。而城區(qū)站則為單峰雙谷型。城郊2站SO2均呈單峰型日變化，城區(qū)站各季節(jié)濃度略高于背景站。最高值出現(xiàn)在中午12:00。NOx、SO2的日變化反應(yīng)了機(jī)動(dòng)車等人類活動(dòng)對(duì)大氣環(huán)境的影響。

(3)郊區(qū)站的NOx、SO2日平均濃度都呈下降趨勢(shì)，PM10無(wú)明顯變化趨勢(shì);城區(qū)站SO2、NOx變化趨勢(shì)不明顯，PM10呈上升趨勢(shì)。

［1］ 王躍，王莉莉，趙廣娜，等.北京冬季PM2.5重污染時(shí)段不同尺度環(huán)流形勢(shì)及邊界層結(jié)構(gòu)分析［J］. 氣候與環(huán)境研究，2014，(2)：173-184.

［2］ Zhao X J，Zhang X L，Xu X F，et al.Seasonal and diurnal variations of ambient PM2.5 concentration in urban and rural environments in Beijing［J］.Atmospheric Environment，2009，43(18) ：2893-2900.

［3］ 于陽(yáng)春，胡波，王躍思.北京東靈山地區(qū)主要大氣污染物濃度變化特征［J］.環(huán)境科學(xué)，2013，7：2505-2511.

［4］ 趙秀娟，蒲維維，孟偉，等.北京地區(qū)秋季霧霾天PM2.5污染與氣溶膠光學(xué)特征分析［J］.環(huán)境科學(xué)，2013，(2)：416-423.

［5］ 徐祥德，周秀驥，施曉暉.城市群落大氣污染源影響的空間結(jié)構(gòu)及尺度特征［J］.中國(guó)科學(xué)(D輯：地球科學(xué))，2005，(S1)：1-19.

［6］ 廖曉農(nóng)，張小玲，王迎春，等.北京地區(qū)冬夏季持續(xù)性霧-霾發(fā)生的環(huán)境氣象條件對(duì)比分析［J］.環(huán)境科學(xué)，2014，(6)：2031-2044.

［7］ 孫揚(yáng)，王躍思，劉廣仁，等.北京地區(qū)一次大氣環(huán)境持續(xù)嚴(yán)重污染過(guò)程中SO2的垂直分布分析［J］. 環(huán)境科學(xué)，2006，(3)：3408-3414.

［8］ 劉瑞婷，韓志偉，李嘉偉.北京冬季霧霾事件的氣象特征分析［J］.氣候與環(huán)境研究，2014，(2)：164-172.

［9］ 田偉，唐貴謙，王莉莉，張紅星，王躍思.北京秋季一次典型大氣污染過(guò)程多站點(diǎn)分析［J］.氣候與環(huán)境研究，2013，(5)：595-606.

［10］ 黃巍，龍恩深.成都PM2.5與氣象條件的關(guān)系及城市空間形態(tài)的影響［J］.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2014，(4)：93-99.

［11］ 張智勝，陶俊，謝紹東，等.成都城區(qū)PM2.5季節(jié)污染特征及來(lái)源解析［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，(11)：2947-2952.

［12］ 劉潔，張小玲，徐曉峰，等.北京地區(qū)SO2、NOx、O3和PM2.5變化特征的城郊對(duì)比分析［J］.環(huán)境科學(xué)，2008，(4)：1059-1065.

［13］ 李昕翼，肖國(guó)杰，白愛(ài)娟，等.成都地區(qū)降水時(shí)空分布變化［J］. 氣象科技，2011，(4)：417-422.

［14］ 成都市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)［N］，2013.

［15］ 安俊琳，王躍思，李昕，等.北京大氣中 NO、NO2和O3濃度變化的相關(guān)性分析［J］.環(huán)境科學(xué)，2007，(4)：4706-4711.

［16］ 趙晨曦，王云琦，王玉杰，等.北京地區(qū)冬春PM2.5和PM10污染水平時(shí)空分布及其與氣象條件的關(guān)系［J］.環(huán)境科學(xué)，2014，(2)：418-427.