平原城市大氣污染物濃度變化及相關(guān)性分析

張培鋒，謝超穎，白云飛

(1.許昌市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河南 許昌 461000； 2.許昌市環(huán)境監(jiān)控信息中心，河南 許昌 461000)

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平原城市大氣污染物濃度變化及相關(guān)性分析

張培鋒1，謝超穎2，白云飛2

(1.許昌市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河南 許昌 461000； 2.許昌市環(huán)境監(jiān)控信息中心，河南 許昌 461000)

通過(guò)對(duì)伏牛山余脈東側(cè)中部平原城市大氣污染物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，大氣污染具有地域性特征，主要污染物濃度均呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性.以許昌市作為研究對(duì)象，對(duì)其2015年P(guān)M2.5、PM10、SO2、NO2及O3等主要大氣污染物濃度變化趨勢(shì)和季節(jié)性分布進(jìn)行分析對(duì)比.通過(guò)CORREL相關(guān)性模型分析，對(duì)各污染因子間的相關(guān)性進(jìn)行研究，得到各污染物濃度的地域性變化和相關(guān)性結(jié)果，為制定本市大氣防治和參與區(qū)域協(xié)同管控提供決策支持.

中部平原城市；相關(guān)性分析；大氣污染物；地貌氣象特征

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，原有產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)展模式的不合理性日益突出，致使我國(guó)部分地區(qū)的大氣環(huán)境污染嚴(yán)重[1]，特別是持續(xù)報(bào)警的霧霾天氣引起全社會(huì)的關(guān)注.多種污染物的并存和相互作用影響，特有的區(qū)域地貌和氣象特征，加上城市能源工業(yè)結(jié)構(gòu)、汽車(chē)數(shù)量、城市綠化率、復(fù)雜的城市冠層[2]等，形成了具有地域特色的大氣污染物時(shí)空分布和相關(guān)性.新環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和六因子大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的全面建立運(yùn)行，為我們更為科學(xué)地分析區(qū)域或城市大氣污染物的變化趨勢(shì)及相關(guān)性提供了技術(shù)可能.

對(duì)于污染因子相關(guān)性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者也進(jìn)行了研究，如任信榮[3]等分析了北京大氣OH自由基濃度與其他物種的相關(guān)性，安俊琳[2]等分析了北京大氣中NO、NO2和O3濃度變化的相關(guān)性，陳建江[4]分析了南京市3種空氣污染物日變化規(guī)律及相關(guān)性，陳魁[5]等分析了天津市空氣質(zhì)量時(shí)間變化規(guī)律及相關(guān)性.所有已有的研究結(jié)果均表明，不同城市大氣污染物都有其特有的規(guī)律分布，且污染物間有著十分密切的關(guān)系.

本文以我國(guó)中部平原地域氣象特征的許昌市大氣污染物為研究對(duì)象，選用2015年該市國(guó)家空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)PM2.5、PM10、SO2、NO2及O3等主要污染物的濃度變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并對(duì)各污染因子間的相關(guān)性加以研究，以期尋找出環(huán)境空氣污染物的地域特征，為平原城市的大氣污染物源強(qiáng)研究和防控探索出新的思路.

1　污染物相關(guān)性統(tǒng)計(jì)函數(shù)模型建立

用CORREL統(tǒng)計(jì)函數(shù)模型[6]分析城市環(huán)境空氣不同污染因子之間的相關(guān)性.具體的模型運(yùn)算式如下.

(1)

表1　相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)及特征標(biāo)準(zhǔn)

2　區(qū)域地貌和氣象特征

2.1地貌特征

許昌市處于我國(guó)中部伏牛山余脈向東平原過(guò)渡地區(qū)，地勢(shì)西北高，東南低，中東部為黃淮沖積平原，地面坡降為2.6‰，平均海拔為70 m左右，境內(nèi)75%的面積為平原，25%的面積為低山崗.城市市區(qū)位于平原區(qū)，屬淮河沖積平原地貌，地形平坦開(kāi)闊，地貌單一、坡降不大，海拔標(biāo)高63～66 m左右.

2.2氣象條件

許昌市屬暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明、熱量豐富、降水適中、光照充足、無(wú)霜期長(zhǎng).春季干旱多風(fēng)沙，夏季炎熱雨集中，秋季晴和氣爽日照長(zhǎng)，冬季寒冷少雨雪.風(fēng)向隨季節(jié)變化明顯，冬季多偏北風(fēng)，夏季多偏南風(fēng).年平均氣溫在15 ℃左右，無(wú)霜期為217天.

3　主要污染物濃度濃度變化規(guī)律及相關(guān)性分析

3.1顆粒物濃度變化規(guī)律及相關(guān)性分析

3.1.1顆粒物濃度變化規(guī)律分析

從許昌市2015年全年顆粒物的月均濃度變化曲線(圖1)和季節(jié)均值統(tǒng)計(jì)表(表2)可以看出：全年P(guān)M2.5和PM10月均濃度值雖分別在5月、10月和6月、10月有所波動(dòng)，但整體均呈兩頭高中間低的U型變化趨勢(shì).PM2.5全年最低月均值出現(xiàn)在8月，為49 ug·m-3；最高月均值出現(xiàn)在12月，為125 ug·m-3，最高值為最低值的2.55倍.PM10全年最低和最高月均濃度同樣出現(xiàn)在8月和12月，最低值為92 ug·m-3，最高值為214 ug·m-3，最高值為最低值的2.32倍.從季節(jié)分布來(lái)看，PM2.5和PM10月均濃度呈現(xiàn)出相同的季節(jié)特征：冬季最高，其次是春季，夏、秋季基本一致，夏季最低;PM2.5冬季/夏季為1.81倍，PM10冬季/夏季為1.57倍.而從 PM2.5占PM10比重來(lái)看，冬季比重最高，達(dá)到67.8%，夏、春、秋季節(jié)基本持平，都在57%～60%之間，說(shuō)明該市全年環(huán)境空氣中細(xì)顆粒物占可吸入顆粒物含量的60%左右.

圖1　2015年P(guān)M2.5和PM10月均濃度變化曲線

表2　2015年P(guān)M2.5和PM10季均濃度值統(tǒng)計(jì)表

3.1.2顆粒物間相關(guān)性分析

用CORREL統(tǒng)計(jì)函數(shù)模型對(duì)許昌市2015年P(guān)M2.5和PM10月均濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表3所示.

表3　2015年P(guān)M2.5和PM10月均濃度相關(guān)性分析

從表3可以看出：2015年該市PM2.5和PM10月均濃度相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.849，說(shuō)明作為內(nèi)陸平原城市的環(huán)境空氣中PM2.5和PM10濃度有高度的相關(guān)性和協(xié)同性.結(jié)合PM2.5和PM10在全年四個(gè)季節(jié)分布及比重情況來(lái)看：冬季PM2.5和PM10濃度突增且PM2.5所占比重增大，與該市季節(jié)采暖的內(nèi)源增加，也和受大陸性季風(fēng)氣候影響，冬季多北風(fēng)造成的外源性輸入雙重影響有關(guān).

3.2氣態(tài)污染物濃度變化規(guī)律及相關(guān)性分析

3.2.1氣態(tài)污染物濃度變化規(guī)律分析

從圖2和表4可以看出，2015年許昌市SO2、NO2的月均濃度與PM2.5具有相似的U型變化趨勢(shì)，且變化更平順些，只在11份微有下浮.SO2的月均最高值出現(xiàn)在1月，最低值出現(xiàn)在7月；NO2的月均最高值則出現(xiàn)在12月，最低值同樣出現(xiàn)在7月.雖然NO2的月均濃度均高于SO2，但是NO2最高值僅為最低值的2.21倍，而SO2最高值與最低值的比值卻高達(dá)4.43倍.說(shuō)明作為內(nèi)陸平原城市，雖然NO2濃度同樣在冬季采暖集中時(shí)候達(dá)到全年最高，但月均濃度波動(dòng)變化卻沒(méi)有SO2強(qiáng)烈.

2015年該市O3的月均濃度變化與PM2.5等其他污染物正好相反，呈現(xiàn)倒U型變化趨勢(shì).其月均濃度在1-5月間逐月增加，5月達(dá)到全年最高，其后開(kāi)始逐月下降，12月份達(dá)到全年最低，最高值為最低值的3.95倍.O3濃度從季節(jié)分布來(lái)看，呈現(xiàn)出春夏高而秋冬季低的趨勢(shì)，最高的夏季均值達(dá)到最低的冬季均值的2.63倍.這與該市夏季高溫、太陽(yáng)輻射強(qiáng)，造成生成O3的光化學(xué)反應(yīng)加劇，同時(shí)O3的另Ⅰ類(lèi)前體物—揮發(fā)性有機(jī)物在夏季對(duì)臭氧高濃度的貢獻(xiàn)增加有關(guān)[4].

圖2　2015年P(guān)M2.5和SO2、NO2、O3月均濃度變化曲線

表4　2015年SO2 、NO2和O3季均濃度值統(tǒng)計(jì)表

3.2.2氣態(tài)污染物間相關(guān)性分析

采用CORREL統(tǒng)計(jì)函數(shù)模型分別對(duì)許昌市2015年SO2、NO2、O3等氣態(tài)污染物的月均濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表5.由表5可以看出：2015年該市SO2和NO2月均濃度具有高度的正相關(guān)性，而SO2、NO2與O3均呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)性.同SO2與O3之間的相關(guān)性相比，NO2與O3之間的負(fù)相關(guān)性更顯著，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-8.22.分析認(rèn)為，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放是環(huán)境空氣中NOx的主要來(lái)源[6]，而NOx中的NO、NO2和O3之間存在光化學(xué)反應(yīng)的循化[3]，導(dǎo)致NO2和O3高度的負(fù)相關(guān)性.

3.3細(xì)顆粒物與氣態(tài)污染物相關(guān)性分析

采用CORREL統(tǒng)計(jì)函數(shù)模型分別對(duì)該市2015年P(guān)M2.5和SO2等氣態(tài)污染物月均濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表6.從表6可以看出：2015年該市PM2.5與SO2和NO2月均濃度均具有較好的正相關(guān)性.與NO2相比，SO2與PM2.5相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.807，具有更強(qiáng)的相關(guān)性和協(xié)同性.結(jié)合SO2、NO2的濃度分布來(lái)看，當(dāng)SO2、NO2濃度較高時(shí)，PM2.5濃度也較高，這可能與三者的產(chǎn)生源、擴(kuò)散傳輸過(guò)程及SO2、NO2的二次鹽轉(zhuǎn)化有關(guān)[7].

表5　2015年SO2、NO2、O3月均濃度相關(guān)性分析

表6　2015年P(guān)M2.5和SO2、NO2、O3月

與其他氣態(tài)污染因子相反，PM2.5與O3月均濃度則表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)性.分析認(rèn)為，這與該區(qū)域夏季炎熱日照強(qiáng)、冬季寒冷少雨雪，四季分明的季風(fēng)氣候條件有主要關(guān)系.

4　結(jié)論

(1) 分析結(jié)果表明，許昌作為中部平原城市，所處地貌氣候環(huán)境，造就了該市環(huán)境空氣污染因子地域性季節(jié)變化趨勢(shì).顆粒物濃度冬春高、夏秋低，PM2.5所占比重在冬季最大;SO2和NO2濃度均呈現(xiàn)冬秋高、夏春低的趨勢(shì)，雖然NO2的月均濃度值均高于SO2，但其全年變化相對(duì)平緩，最大值只有最小值的2.21倍，而SO2的月均濃度最大值是最小值的4.43倍;O3月均濃度的變化則與其他污染物相反，呈春夏高、秋冬低的趨勢(shì)，最高濃度出現(xiàn)在春節(jié)5月，最低出現(xiàn)在冬季12月，最大季均值為最小季均值的2.63倍.顆粒物和氣態(tài)污染物的季節(jié)變化，與暖溫帶季風(fēng)氣候，冬季寒冷多北風(fēng)，夏季炎熱陽(yáng)光足有關(guān).

(2) 采用CORREL統(tǒng)計(jì)函數(shù)模型分別對(duì)該市2015年環(huán)境空氣中污染物月均濃度進(jìn)行相關(guān)性分析.研究結(jié)果表明，顆粒物件間有較高的相關(guān)性和協(xié)同性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.849.PM2.5與SO2、NO2等氣態(tài)污染物的相關(guān)系數(shù)均在0.7以上，呈現(xiàn)較高的正相關(guān)性，說(shuō)明很大一部分SO2、NO2在條件合適的情況下轉(zhuǎn)化為PM2.5;氣態(tài)污染物間SO2與NO2的相關(guān)性最高， O3與NO2的負(fù)關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.822，這與O3產(chǎn)生機(jī)理和區(qū)域氣象條件緊密相關(guān).

(3) 通過(guò)以具有特征地貌、氣候條件的中部平原城市為研究對(duì)象，對(duì)該市2015年環(huán)境空氣污染物的濃度變化規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)污染因子間相關(guān)性進(jìn)行研究，可為制定本市大氣防治和參與區(qū)域協(xié)同管控提供決策支持.

[1]王曉利，張良，魏亞楠，等.城市間氣態(tài)污染物與細(xì)顆粒物的相關(guān)性分析[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2016，32(1)：50-53.

[2]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)，2007，28(4)：706-711.

[3]任信榮，王會(huì)祥，邵可聲，等.北京市大氣OH自由基測(cè)量結(jié)果及特征[J].環(huán)境科學(xué)，2002，23(4)：706-3301.

[4]陳建江.南京市空氣質(zhì)量時(shí)間變化規(guī)律及其成因[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2003，15(3)：16-02.

[5]陳魁.天津市空氣質(zhì)量時(shí)間變化規(guī)律及相關(guān)性分析[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2007，23(1)：50-53.

[6]孔海濤.環(huán)境空氣中臭氧變化規(guī)律及來(lái)源分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014(3)：71-72.

[7]劉新峰，袁惠，楊軍，等.統(tǒng)計(jì)分析方法在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)符合性分析中的探討[J].四川環(huán)境，2012(2)：36-39.

責(zé)任編輯：衛(wèi)世乾

Analysis on Concentration and Correlation Change of Atmospheric Pollutants in Plain City

ZHANG Pei-feng1, XIE Chao-ying2, BAI Yun-fei2

(1.XuchangEnvironmentalMonitoringCenter，Xuchang461000，China;2.XuchangEnvironmentalMonitoringInformationCenter，Xuchang461000，China)

Analyzing the atmospheric pollutants’ concentration monitoring data of the cities in the east slope of central plains of Funiu Mountain odd arteries , we can find that air pollution in this area has its regional characteristic, of which the main pollutants concentrations are presented to be of significant correlation. Taking Xuchang City as an example,This article compares the data of main atmospheric pollutants’ concentration in 2015 with their change trend and seasonal distribution including PM2.5, PM10, SO2, NO2, O3and others. Analyzing the correlation among these pollution factors by CORREL correlation model, we finally find the regional changes of each pollutant’s concentration and correlation results,which can provide decision-making support for the city’s air pollution control and regional coordination control.

the cities of central plains; correlation analysis; atmospheric pollutants; geomorphic and meteorological characteristics

2016-04-02

張培鋒(1975—)，男，河南許昌人，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向：環(huán)境監(jiān)測(cè).

1671-9824(2016)05-0080-04

X515

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