秦皇島市夏季大氣污染物的降雨清除效率及影響因素

張麗艷　毛智政　郭玲

摘要：降雨是大氣污染物最主要的濕沉降過程。通過對秦皇島市夏季降雨前后及降雨過程大氣污染物濃度變化進(jìn)行分析，定量計算降雨對污染物的清除率，探討不同氣象要素對清除率的影響。結(jié)果表明，降雨對顆粒物的清除率高于氣態(tài)污染物，PM10清除率最高，其次是PM2.5，SO2清除率較低，與夏季秦皇島市SO2本底濃度較低有關(guān);NOX濃度變化和O3呈負(fù)相關(guān);降雨量與污染物的清除率呈正相關(guān)，但連續(xù)降雨清除率呈下降趨勢，甚至不降反升;SO2清除率與最大降雨強(qiáng)度相關(guān)性最強(qiáng);O3清除率與氣壓相關(guān)性最強(qiáng); PM2.5清除率與風(fēng)速相關(guān)性最強(qiáng);其他氣象要素對大氣污染物清除效率影響很小或沒有影響。

關(guān)鍵詞：大氣污染物;降雨;清除效率

中圖分類號：X16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）06-0-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.06.078

Precipitation removal efficiency of atmospheric pollutants and influencing factors in summer Qinhuangdao

Zhang Liyan1，Mao Zhizheng2，Guo Ling3

（1.Hebei Qinhuangdao Ecological Environment Monitoring Center，Qinhuangdao Hebei 066000，China;2.Qinhuangdao Meteorological Bureau，Qinhuangdao Hebei 066000，China;3.Qinhuangdao Environmental Monitoring Center，Qinhuangdao Hebei 066000，China）

Abstract：Rainfall is the main wet precipitation process of atmospheric pollutants.The influence of different meteorological elements on atmospheric pollutants clearance rate were discussed through analyzing atmospheric pollutant concentration before， during and after summer rainfall and quantitatively calculation of the pollutant clearance rate in Qinhuangdao city.The results showed that the removal rate of particulate pollutants by rainfall was higher than that of gaseous pollutants， with the highest removal rate of PM10， followed by PM2.5，the lower SO2 clearance rate is related to the lower SO2 background concentration in Qinhuangdao in summer;The change of NOX concentration was negatively correlated with O3;There was a positive correlation between precipitation and pollutant clearance rate， but the clearance rate of continuous rainfall showed a downward trend or even increased instead of decreasing;The SO2 clearance rate has the strongest correlation with the maximum rainfall intensity;O3 clearance rate has the strongest correlation with air pressure;PM2.5 clearance rate has the strongest correlation with wind speed; Other meteorological elements have little or no effect on the removal efficiency of atmospheric pollutants.

Key words：Atmospheric pollutants;Precipitation;Removal efficiency

大氣污染物從大氣中的去除過程，主要是干沉降和濕沉降過程[1]。濕沉降（降水）是大氣污染物從大氣中去除的主要方式。夏季降雨和冬季降雪是大氣污染物最主要的濕沉降過程。除降雨量影響大氣污染物的清除效率，氣象要素對大氣污染物濃度變化亦有很大影響，氣壓、濕度、風(fēng)速等對大氣污染物的清除都有影響。利用中國環(huán)境監(jiān)測總站在中國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺發(fā)布的秦皇島市空氣質(zhì)量監(jiān)測小時濃度數(shù)據(jù)和同期秦皇島市氣象站地面觀測小時數(shù)據(jù)，計算和比較降雨對不同大氣污染物的清除效率，討論不同氣象因素對清除率的影響，將為秦皇島市重污染天氣的預(yù)警預(yù)報和通過人工降雨降低大氣污染物濃度凈化空氣，提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 大氣污染物濃度資料及氣象資料

大氣污染物濃度資料使用中國環(huán)境監(jiān)測總站在中國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺發(fā)布的2017年7、8月-2019年7、8月秦皇島市空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括SO2、NOX、CO、O3、PM10和PM2.5小時濃度平均值，其中，CO濃度單位為mg/m3，其余污染物濃度單位為ug/m3。降雨量等氣象資料使用同期秦皇島市氣象站地面氣象觀測小時數(shù)據(jù)，包括過去1小時降雨量、氣壓、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等。

1.2 降雨清除率的計算

降雨清除率用污染物降雨前后濃度的變化量占降雨前污染物濃度的百分比表示：

式中：C1為降雨前大氣污染物濃度值;C2為降雨后大氣污染物濃度值;η為污染物的清除率。當(dāng)η>0時說明降雨后污染物的濃度降低，降雨有清除效果;當(dāng)η<0時說明降雨后污染物的濃度增加，降雨沒有清除效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨前后及過程中大氣污染物的濃度變化及清除率

秦皇島市夏季降雨主要集中在每年7、8月間，據(jù)統(tǒng)計2017年7、8月-2019年7、8月秦皇島市共9場有效降雨（中強(qiáng)降雨）。通過降雨前后大氣污染物濃度變化，計算和分析降雨對不同大氣污染物的清除效率，見表1。CO降雨后濃度不降或反升的占77.8%，CO的濃度變化與降雨沒有相關(guān)性[2]，與安林昌等人的研究結(jié)果相符，不再做CO的清除率分析;降雨對顆粒物的清除效率高于氣態(tài)污染物，PM10清除率最高，平均39.9%，其次是PM2.5，平均22.8%;SO2清除率平均7.9%;NOX濃度變化和O3的濃度變化呈負(fù)相關(guān)。分析降雨前后及降雨過程中大氣污染物的濃度變化趨勢，選取有代表性的降雨過程，做雨前1小時至雨后1小時大氣污染物小時濃度和同步的小時降雨量關(guān)系圖，使不同大氣污染物濃度隨降雨的變化趨勢更加直觀清晰。降雨對大氣污染物的清除作用，并不是簡單的線性關(guān)系，大氣污染物的降雨清除過程是由云、降水和大氣污染物之間相互作用來完成[3]，是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程。降雨初期，SO2、PM10、PM2.5的濃度均有不同程度的下降，短期強(qiáng)降雨清除效率更高，見圖6;降雨前污染物初始濃度高，降雨的清除率高，見圖1;降雨前污染物濃度低，清除效果不明顯，甚至?xí)遊4]見圖3;降雨對PM10和PM2.5的清除效果比SO2好;連續(xù)降雨時，污染物濃度降低就減緩或停止，甚至不降反升，隨著降雨量的增加和降雨時間的延長，污染物濃度會反復(fù)升降，見圖4、圖5。說明降雨對大氣污染物的影響和清除效率不僅與降雨量、降雨強(qiáng)度有關(guān)，也與降雨時間有關(guān)。超過一定時段，污染物濃度降低就減緩或停止[5]，甚至不降反升。降雨對大氣污染物的清除能力，存在一個限值[6]，降雨過程中，降雨強(qiáng)度先強(qiáng)后弱比先弱后強(qiáng)對大氣污染物清除率高[7]見圖1、圖2、圖3;NOX濃度變化和O3的濃度變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[8]見圖1-圖6。降雨天氣高空云量增加會減弱光化學(xué)反應(yīng)，同時對流雨中常伴隨著閃電，閃電會導(dǎo)致O3增多[9]。降雨的同時濕度、氣壓、風(fēng)速等都有變化，影響光化學(xué)反應(yīng)速率，影響O3和NOX的濃度[10]。NOX是O3重要的前體物，NO2發(fā)生光解反應(yīng)生成O3，因此降雨對NOX、O3的影響和清除作用是極其復(fù)雜的過程。

2.2 同場降雨中不同監(jiān)測點位大氣污染物的清除率

利用秦皇島市海港區(qū)三個空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)，計算比較同場降雨同樣氣象條件對不同監(jiān)測點位的大氣污染物的清除效率。三個點位大氣污染物小時濃度與同步小時降雨關(guān)系見圖6-圖8。由于各點位污染物降雨前初始濃度不同，降雨過程和降雨后的濃度變化會有差異，但總體趨勢是一致的：同場降雨P(guān)M10的清除效率最高，為38.8～43.1%，降雨清除率接近;其次為PM2.5，清除率為10～42.8%，降雨清除率差異較大，與各點位雨前初始濃度差異較大有關(guān);SO2清除率為0～20%，見表2。三個點位雨前O3初始濃度相近，降雨過程中變化趨勢一致;三個點位NOX濃度雨后都是不降反升，與O3變化趨勢呈負(fù)相關(guān)。

2.3 不同氣象要素對降雨清除率的影響

2.3.1 最大降雨強(qiáng)度對大氣污染物清除率的影響

對最大降雨強(qiáng)度和大氣污染物清除效率的相關(guān)性分析見圖9，結(jié)果顯示：最大降雨強(qiáng)度與氣態(tài)污染物的清除率呈正相關(guān)，正相關(guān)系數(shù)最高的SO2，最小的是O3;最大降雨強(qiáng)度與顆粒物的清除率呈負(fù)相關(guān)，負(fù)相關(guān)系數(shù)最高的PM10;降雨強(qiáng)度越大，氣態(tài)污染物的清除效率越高，顆粒物的清除效率越低。這與降雨對不同污染物的清除機(jī)制不同有關(guān)，也與降雨強(qiáng)度增大顆粒物特別是細(xì)顆粒物的濕度增加有關(guān)。

2.3.2 氣壓對大氣污染物清除率的影響

對氣壓和大氣污染物清除效率的相關(guān)性分析見圖10，結(jié)果顯示：氣壓與氣態(tài)污染物的清除率呈正相關(guān)，正相關(guān)系數(shù)最大的是O3，最差的是NOX;氣壓與顆粒物的清除率呈負(fù)相關(guān)，負(fù)相關(guān)系數(shù)最高的PM2.5;氣壓越高，降雨強(qiáng)度往往較小，氣壓越低，降雨強(qiáng)度相對較大，氣壓通過降雨強(qiáng)度間接影響大氣污染物清除效率，與最大降雨強(qiáng)度對大氣污染物清除效率的相關(guān)性分析相吻合。

2.3.3 風(fēng)速對大氣污染物清除率的影響

對風(fēng)速和大氣污染物清除效率的相關(guān)性分析見圖11，結(jié)果顯示：風(fēng)速與大氣污染物清除效率的相關(guān)性不強(qiáng)，PM2.5的清除率與風(fēng)速相關(guān)系數(shù)最大，說明大風(fēng)加快顆粒物的擴(kuò)散，清除效率會更高。

2.3.4 其他氣象要素對大氣污染物清除率的影響

對相對濕度、溫度等其他氣象要素和大氣污染物清除效率的相關(guān)性進(jìn)行分析，這些要素與大氣污染物的清除效率相關(guān)性很弱或沒有相關(guān)性，說明這些氣象要素對大氣污染物清除效率影響很小或沒有影響。

3 結(jié)論

通過對秦皇島市降雨前后大氣污染物濃度變化，計算降雨對不同大氣污染物的清除率，降雨對顆粒物的清除率高于氣態(tài)污染物，PM10清除率最高，其次是PM2.5;氣態(tài)污染物的清除效率差異較大，與降雨對不同氣態(tài)污染物的清除機(jī)制不同有關(guān)，SO2平均清除率不高，但比較接近;NOX濃度變化和O3濃度變化呈負(fù)相關(guān);降雨影響最不明顯的是CO。連續(xù)降雨時，污染物的降雨清除效率呈下降趨勢，甚至不降反升，隨著降雨時間和降雨量的增加，污染物濃度會反復(fù)增減，證明降雨對大氣污染物的清除能力存在一個限值。降雨天氣溫度、氣壓、濕度和風(fēng)速等其他氣象要素也隨著變化[11]，不同氣象要素對降雨清除率的影響不同。最大降雨強(qiáng)度與大氣污染物的降雨清除率相關(guān)性最強(qiáng)，與氣態(tài)污染物的清除率呈正相關(guān)，與顆粒物清除率呈負(fù)相關(guān);與氣壓相關(guān)性最強(qiáng)的是O3;與風(fēng)速相關(guān)性最強(qiáng)的是PM2.5;相對濕度、溫度等其他氣象要素和大氣污染物清除效率的相關(guān)性很弱或沒有相關(guān)性，說明這些氣象要素對大氣污染物清除效率影響很小或沒有影響。

參考文獻(xiàn)

[1]戴樹桂.環(huán)境化學(xué)[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]楊茜，高陽華，陳貴川.降水對重慶市大氣污染物濃度的影響分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2019，42（2）：68-73.

[3]李星敏，董妍，董自鵬，等.降水的清除作用對氣溶膠光學(xué)物理特性的影響[C]//第32屆中國氣象學(xué)會年會，2015：426-429.

[4]李波蘭，周筠珺，向鋼.成都地區(qū)閃電產(chǎn)生氮氧化物的觀測研究[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報，2014，29（S1）：116-122.

[5]張占峰，甘露，馬小萍，等.降水對西寧市大氣污染物濃度的影響分析[J].青海環(huán)境，2016，26（2）：57-61.

[6]陳小敏，鄒倩，周國兵.重慶主城區(qū)冬春季降水強(qiáng)度對大氣污染物影響[J].西南師范大學(xué)學(xué)報，2013，38（7）：113-121.

[7]韓力慧，張海亮，向欣，等.北京市典型區(qū)域夏季降水及其對大氣污染物的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2017，38（6）：2211-2217.

[8]劉星，黃虹，左嘉，等.夏季降雨對大氣污染物的清除影響[J].環(huán)境污染與防治，2016，38（3）：20-24.

[9]李明艷，孫明虎.濟(jì)南夏季降水過程對大氣污染物的影響[J].中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報，2018，28（3）：90-93.

[10]鄒長偉，黃虹，楊帆，等.大氣顆粒物和氣態(tài)污染物的降雨清除效率及影響因素[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2017（01）：139-146.

[11]安林昌，張恒德，李凱飛.降雨天氣對大氣污染物濃度的影響分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2018，34（3）：58-70.

收稿日期：2020-04-17

作者簡介：張麗艷（1963-），女，漢族，雙學(xué)士學(xué)位，高級工程師，研究方向為自動環(huán)境監(jiān)測。