齊齊哈爾市PM2.5與氣象因素、氣體污染物濃度的相關(guān)性研究

鄭永杰 張 煒 田景芝

(齊齊哈爾大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

齊齊哈爾市PM2.5與氣象因素、氣體污染物濃度的相關(guān)性研究

鄭永杰 張 煒 田景芝

(齊齊哈爾大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

根據(jù)齊齊哈爾大學(xué)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2014年3月～2015年5月間的大氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及所采集的PM2.5樣品的分析數(shù)據(jù)，研究了監(jiān)測(cè)期間各種氣體污染物濃度在不同時(shí)段的變化特征，以及氣象因素、各種氣體污染物濃度之間的相關(guān)性。PM2.5質(zhì)量濃度與氣象要素的相關(guān)性分析顯示，PM2.5質(zhì)量濃度與大氣壓、風(fēng)向呈正相關(guān)，與溫度、濕度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。PM2.5質(zhì)量濃度與氣體污染物濃度的相關(guān)性分析表明，不同季節(jié)PM2.5質(zhì)量濃度與氣體污染物濃度相關(guān)性不同，整個(gè)監(jiān)測(cè)期間PM2.5質(zhì)量濃度與SO2、CO、NO2濃度呈現(xiàn)正相關(guān)，與O3濃度呈較小的負(fù)相關(guān)。

環(huán)境學(xué) PM2.5氣象因素 氣體污染物濃度

PM2.5的主要來(lái)源是化石燃料和生物質(zhì)燃料的燃燒、工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放等過(guò)程。由于其大多含有重金屬、有機(jī)污染物等有毒物質(zhì)，被吸入人體后會(huì)直接進(jìn)入支氣管,干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病[1]。目前關(guān)于齊齊哈爾市PM2.5的研究較少[2～4]，主要包括對(duì)PM2.5單顆粒的形貌、組成及粒度分布特征進(jìn)行研究，還分析了齊齊哈爾市大氣PM2.5的濃度特征、元素組成、水溶性離子及其來(lái)源。但未見(jiàn)對(duì)氣體污染物濃度的變化特征進(jìn)行過(guò)研究，也未見(jiàn)針對(duì)氣象要素[5,6]、氣體污染物濃度[7,8]對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響進(jìn)行過(guò)研究。有研究表明[9]，氣象要素和氣體污染物及其形成的二次離子，對(duì)消光系數(shù)和大氣能見(jiàn)度都有較強(qiáng)的影響。

根據(jù)齊齊哈爾大學(xué)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2014年6月～2015年5月期間采集的PM2.5樣品，獲得了PM2.5的質(zhì)量濃度和氣象要素?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站獲得每天公布的氣體污染物濃度數(shù)據(jù)。研究了監(jiān)測(cè)期間PM2.5質(zhì)量濃度和各種氣體污染物濃度在不同時(shí)段的變化特征，以及PM2.5質(zhì)量濃度、氣象因素、各種氣體污染物濃度之間的相關(guān)性。

1材料與方法

1.1 設(shè)備與材料

采樣儀器為1臺(tái)美國(guó)METONE粒子監(jiān)測(cè)器(E-BAM)和1臺(tái)武漢天虹TH-16A型大氣顆粒物智能采樣儀。設(shè)置流量值為16.7L/min，采樣通道放置Teflon濾膜。

1.2 樣品采集

采樣地點(diǎn)位于齊齊哈爾大學(xué)中區(qū)校園院內(nèi)(123.57°E，47.23°N)，東臨勞動(dòng)湖，西鄰居民區(qū)，北側(cè)為交通干線，周邊無(wú)顯著的大氣污染排放源，能客觀的反映齊齊哈爾市空氣質(zhì)量狀況。采樣點(diǎn)設(shè)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)樓三樓天臺(tái)，距地面高度約10米。

采用美國(guó)METONE粒子監(jiān)測(cè)器(E-BAM)自動(dòng)監(jiān)測(cè)齊齊哈爾市氣象因素?cái)?shù)據(jù)及PM2.5實(shí)時(shí)質(zhì)量濃度。武漢天虹TH-16A型大氣顆粒物智能采樣儀連續(xù)采集24 h的PM2.5樣品，采樣時(shí)段為2014年3月～2015年5月每天早8:30至次日早8:30，使用直徑47 mm、孔徑0.3 μm的特氟龍濾膜(Teflon，Munktell，SE)，采樣流量為16.7 L/min，所采樣品用于計(jì)算PM2.5濃度及相關(guān)成分分析。

2結(jié)果與討論

本研究的采樣地點(diǎn)為文化區(qū)，根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量功能區(qū)的劃分，本采樣點(diǎn)為二類區(qū)(居住區(qū)、商業(yè)交通居民混合區(qū)、文化區(qū)、工業(yè)區(qū)和農(nóng)村地區(qū)。)應(yīng)執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[12]。

2.1 PM2.5與氣體污染物濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

2.1.1逐日變化規(guī)律

在監(jiān)測(cè)期間，齊齊哈爾市PM2.5與四種氣體污染物濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖1所示。監(jiān)測(cè)期間PM2.5的平均質(zhì)量濃度為41.58 μg/m3，略高于年平均值為35μg/m3的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，在此期間有39日未達(dá)到日均值為75 μg/m3的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值。PM2.5質(zhì)量濃度的峰值出現(xiàn)在2014年10月10日為131.68 μg/m3，是年平均濃度的3.76倍。SO2濃度的峰值主要出現(xiàn)在2014年11月至2015年2月，日均值范圍為3.5～99 μg/m3，最大日平均濃度出現(xiàn)在2015年2月3日，是年平均濃度的3.6倍。CO濃度的峰值主要出現(xiàn)在2014年10、11月和2015年3、4月，日均值范圍為200～2 229 μg/m3，最大日平均濃度出現(xiàn)在2014年11月10日，是年平均濃度的2.6倍。NO2濃度的峰值主要出現(xiàn)在2014年11月和2015年1、2月，日均值范圍為5.2～55.3 μg/m3，最大日平均濃度出現(xiàn)在2014年11月10日，是年平均濃度的2.6倍。O3濃度的峰值主要出現(xiàn)在2014年6、7、8月和2015年4、5月，日均值范圍為28～317 μg/m3，最大日平均濃度出現(xiàn)在2015年7月16日，是年平均濃度的4.1倍。

2.1.2季節(jié)性變化規(guī)律

本研究將季節(jié)分為春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)、冬季(12月～次年2月)。表1為SO2、CO、O3、NO2季度平均濃度。

圖1 四種氣體污染物濃度逐日變化曲線Fig 1 Daily variation curve of four kinds of gaseous pollutant concentration

SO2CONO2O3春21．83787．7319．2197．00夏7．76598．8714．5087．68秋28．39952．6622．0065．62冬52．961133．3130．0257．40

由表1可以看出， SO2濃度冬季明顯高于夏季，春秋季節(jié)相差不大，SO2冬季的平均濃度是夏季的6.8倍。CO和NO2的濃度趨勢(shì)同SO2一致，冬季的平均濃度分別是夏季的1.9倍和2.1倍。SO2的形成主要是燃煤導(dǎo)致的，CO和NO2也主要來(lái)源于燃煤，還有部分來(lái)源于生物質(zhì)燃燒和機(jī)動(dòng)車尾氣[11]。冬季是齊齊哈爾的采暖期，受燃煤影響，SO2、CO和NO2濃度在冬季最高，春秋季節(jié)也有部分時(shí)間處于采暖期，所以SO2、 CO和NO2濃度較高，而夏季最低。另外，氣象要素對(duì)氣體污染物的排放也有一定的影響，冬季氣壓較低時(shí)容易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，不利于污染物的擴(kuò)散，夏季降水對(duì)氣體污染物也起到了一定的清除作用。

O3濃度隨季節(jié)的變化趨勢(shì)與其他三種氣體污染物不同，O3濃度春夏季節(jié)高于秋冬季節(jié)，O3春夏季節(jié)的平均濃度是秋冬季節(jié)的1.7倍。O3主要是由于燃煤、生物質(zhì)燃燒以及機(jī)動(dòng)車尾氣排放到空氣中的二氧化硫、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物等一次污染物，在較高溫度和強(qiáng)光的作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)形成的。一般來(lái)說(shuō)，在晴朗夏季，風(fēng)速小，污染物難以擴(kuò)散，有利于光化學(xué)反應(yīng)生成O3。所以O(shè)3濃度在春夏季節(jié)較高，秋冬季節(jié)較低。

2.2 PM2.5質(zhì)量濃度與氣象要素、氣體污染物濃度相關(guān)性分析

2.2.1PM2.5質(zhì)量濃度與氣象要素的相關(guān)性分析

將PM2.5質(zhì)量濃度的全年日平均值和季度日平均值與氣象要素進(jìn)行相關(guān)性分析。

圖2 PM2.5質(zhì)量濃度與氣象要素之間的相關(guān)系數(shù)Fig 2 Correlation coefficient between PM2.5 mass concentration and meteorological factors

由圖2可知，從全年來(lái)看PM2.5質(zhì)量濃度與大氣壓、風(fēng)向呈正相關(guān)，與溫度、濕度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。其中溫度對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響最大。

由表2可知， PM2.5質(zhì)量濃度在秋冬季節(jié)與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明在秋冬季節(jié)PM2.5質(zhì)量濃度隨溫度的升高有明顯下降的趨勢(shì)。在春季，影響PM2.5質(zhì)量濃度的因素主要是風(fēng)速且為正相關(guān)，因?yàn)辇R齊哈爾市主要污染源為燃煤飛灰，春季為非采暖期，本身污染較小，而且沒(méi)有降水對(duì)PM2.5的影響，所以當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，有利于污染區(qū)的PM2.5向齊齊哈爾輸送，因此在春季PM2.5的質(zhì)量濃度與風(fēng)速呈顯著正相關(guān)；在夏秋季節(jié)，影響PM2.5濃度的主要因素是風(fēng)速和濕度，且濕度呈負(fù)相關(guān)，因?yàn)橄那锛竟?jié)降雨量較大，降水對(duì)PM2.5有顯著的清除作用，所以在夏秋季節(jié)PM2.5的質(zhì)量濃度隨濕度的增大而減?。辉诙?，影響PM2.5濃度的主要因素是風(fēng)向和風(fēng)速，且風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，因?yàn)辇R齊哈爾市冬季為采暖期，污染較大，較大的風(fēng)速有利于污染物的稀釋和擴(kuò)散。

2.2.2PM2.5質(zhì)量濃度與氣體污染物濃度的相關(guān)性分析

將PM2.5質(zhì)量濃度的全年日平均值和季度日平均值與氣體污染物濃度的全年日平均值和季度日平均值進(jìn)行相關(guān)性分析。

表2 PM2.5質(zhì)量濃度與氣象要素之間的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 2 Pearson coefficient between PM2.5 mass concentration and meteorological factors

圖3 PM2.5質(zhì)量濃度與氣體污染物濃度之間的相關(guān)系數(shù)Fig 3 Correlation coefficient between PM2.5 mass concentration and gaseous pollutant concentration

由圖3可知，從全年來(lái)看PM2.5質(zhì)量濃度與四種氣體污染物濃度之間都有較強(qiáng)的相關(guān)性，與SO2、CO、NO2濃度都呈現(xiàn)正相關(guān)，與O3濃度呈較小的負(fù)相關(guān)。其中CO和O3濃度對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響最大。

表3 PM2.5質(zhì)量濃度與氣體污染物之間的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson coefficient between PM2.5 mass concentration and gaseous pollutant concentration

由表3可知，在春夏季節(jié)，由于風(fēng)速小，污染物難以擴(kuò)散，SO2等一次污染物，在陽(yáng)光的作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)形成O3，所以O(shè)3濃度與PM2.5質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，而與SO2、CO、NO2濃度多呈負(fù)相關(guān)；在秋冬季節(jié)，由于進(jìn)入采暖期，受燃煤影響，SO2、 CO和NO2濃度較高，與PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)，而且由于溫度的降低，不利于進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，所以O(shè)3濃度隨溫度的降低而降低，與PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。SO2和CO的全年日平均濃度和各季節(jié)日平均濃度都具有較高的相關(guān)性，說(shuō)明SO2和CO濃度存在一定的同源性，SO2和NO2濃度的相關(guān)性在秋冬季節(jié)較好，說(shuō)明SO2和NO2濃度在秋冬季節(jié)存在一定的同源性。CO和NO2濃度的相關(guān)性在秋冬季節(jié)較好，說(shuō)明SO2和NO2濃度在秋冬季節(jié)也存在一定的同源性。

3結(jié) 論

1. 齊齊哈爾市監(jiān)測(cè)期間PM2.5的平均質(zhì)量濃度為41.58 μg/m3,略高于年平均值為35 μg/m3的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，在此期間有39日未達(dá)到日均值為75 μg/m3的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值。SO2、CO、NO2、O3的年平均濃度濃度分別為19.80 μg/m3、867.60 μg/m3、21.45 μg/m3、76.89 μg/m3，均低于二類區(qū)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值。

2. SO2的濃度變化日均值范圍為3.5～99 μg/m3，最大日平均濃度是年平均濃度的3.6倍；CO的濃度變化日均值范圍為200～2229 μg/m3，最大日平均濃度是年平均濃度的2.6倍；NO2的濃度變化日均值范圍為5.2～55.3 μg/m3，最大日平均濃度是年平均濃度的2.6倍；O3的濃度變化日均值范圍為28～317 μg/m3，最大日平均濃度是年平均濃度的4.1倍。

3. SO2、NO2、CO的濃度均具有明顯的季節(jié)性特征，冬季最高，夏季最低，春秋季節(jié)相差不大；O3的濃度與SO2、NO2、CO濃度的變化趨勢(shì)不同，春夏季節(jié)最高，秋冬季節(jié)較低。

4. PM2.5質(zhì)量濃度與氣象要素的相關(guān)性分析顯示，整體看來(lái)PM2.5質(zhì)量濃度與大氣壓、風(fēng)向呈正相關(guān)，與溫度、濕度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。

5. PM2.5質(zhì)量濃度與氣體污染物濃度的相關(guān)性分析表明，監(jiān)測(cè)期間PM2.5質(zhì)量濃度與SO2、CO、NO2濃度都呈現(xiàn)正相關(guān)，與O3濃度呈較小的負(fù)相關(guān)。在春夏季節(jié)，由于在陽(yáng)光的作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)形成O3，所以O(shè)3濃度與PM2.5質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，在秋冬季節(jié)，不利于進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，所以O(shè)3與PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。

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StudyofRelativitybetweenMeteorologicalFactors、GasPollutantConcentrationandPM2.5inQiqihar

Zheng Yongjie Zhang Wei Tian Jingzhi

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161000)

The variation characteristics of concentration of several gaseous pollutants during the monitoring in different periods, and the relativity between meteorological factors were studied. The concentration of gaseous pollutants and PM2.5in Qiqihar atmosphere were analyzed，according to the samples collection of monitoring site of Qiqihar University in March 2014 to May 2015. The correlation between PM2.5mass concentration and meteorological factors showed that PM2.5mass concentration was positively correlated with atmospheric pressure and wind direction, and negatively correlated with temperature, humidity and wind speed. The correlation analysis between PM2.5mass concentration and gas pollutant concentration showed that the correlation between PM2.5concentration and gas pollutant concentration was different in different seasons.During the monitoring period, the concentration of PM2.5was positively correlated with the concentrations of SO2, CO and NO2, and negatively correlated with the concentration of O3.

environmentalology PM2.5meteorological factors gas pollutant concentration

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.05.002

2017-04-05

齊齊哈爾市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(SFJH-2013176)

鄭永杰(1964～)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境污染物分析。