第24屆冬奧會(huì)舉辦地空氣質(zhì)量特征及環(huán)境因子響應(yīng)機(jī)制

陳文婧，王丹丹，陸瑜心，韓旖旎*

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 暨陽學(xué)院，浙江 紹興 311800；2.亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300；3.中國水利水電科學(xué)研究院泥沙研究所，北京 100038)

2000年以來，隨著城市化加速發(fā)展，北京空氣污染問題日益加劇。近些年顆粒物污染備受關(guān)注，相應(yīng)措施的開展對改善北京市空氣質(zhì)量起到了積極作用，但在特定的天氣環(huán)境條件下，顆粒物污染依然嚴(yán)重。我國大氣顆粒物污染研究工作起步較晚，2013年1月，全國大面積霧霾污染事件造成大量航班延誤、高速公路封閉、呼吸道疾病患者增加，城市空氣質(zhì)量問題的研究工作迫在眉睫。作為受霧霾影響最嚴(yán)重的城市之一，北京同年開始對6個(gè)空氣質(zhì)量指標(biāo)展開全面監(jiān)測(O3、NO2、SO2、CO、PM2.5、PM10)。

目前，對北京城區(qū)顆粒物污染動(dòng)態(tài)及源解析工作開展迅速，研究發(fā)現(xiàn)城區(qū)PM2.5主要組成為有機(jī)物(OM)、硝酸鹽(NO3-)、硫酸鹽(SO42-)等[1]，北京城區(qū)從2013年5月提出開始取消煤炭取暖，工廠外遷等措施，因而城區(qū)顆粒物污染主要來源于汽車尾氣排放[2]，郊區(qū)顆粒物時(shí)空分布情況研究較少，而且受監(jiān)測條件限制，大部分研究監(jiān)測頻率低、時(shí)間連續(xù)性差。隨著相關(guān)政策措施的實(shí)施，北京城區(qū)本地排放對PM2.5的貢獻(xiàn)逐年降低[3]，在奧運(yùn)會(huì)、APEC等重大活動(dòng)期間往往會(huì)采取相關(guān)污染物減排措施，不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件下依然會(huì)對空氣質(zhì)量改善結(jié)果造成嚴(yán)重威脅[4-8]。近幾年人們對氣體污染物關(guān)注度下降，但其危害卻不容忽視，一方面來自無機(jī)污染氣體本身的危害，大氣中O3濃度過高會(huì)影響人類健康和植被生長[9-12]，因城市內(nèi)汽車保有量不斷增加，O3污染問題日益突出，而O3和NOX之間的相互關(guān)系的研究也越來越受科研工作者的重視[13-14]，加之O3與CO轉(zhuǎn)化產(chǎn)物(CO2)是對全球變暖的重要貢獻(xiàn)；另一方面它們作為細(xì)顆粒物的前體物增加了霾污染的危害，對京津冀地區(qū)氣體和顆粒物的相互關(guān)系及其環(huán)境因子響應(yīng)機(jī)制在大氣污染研究中具有重要意義[5]。

2015年7月北京-張家口申辦第24屆冬奧會(huì)成功，對北京大氣環(huán)境治理問題提出了高要求。該研究擬以北京奧體中心、延慶和張家口3個(gè)主要冬奧會(huì)場館所在地的6個(gè)空氣質(zhì)量指標(biāo)為研究對象，對近幾年北京及周邊空氣污染治理效果進(jìn)行評估，同時(shí)重點(diǎn)分析奧體中心各空氣質(zhì)量指標(biāo)的環(huán)境響應(yīng)機(jī)制，以期為空氣污染治理工作提供科學(xué)支持。

1 研究區(qū)概況

3個(gè)研究點(diǎn)中，奧體中心(40°0′N，116°24′E)位于市中心，屬于典型城市監(jiān)測點(diǎn)，延慶縣(40°27′N，115°58′E)屬于城郊對照點(diǎn)，張家口(40°50′N，114°53′E)監(jiān)測點(diǎn)位于京津風(fēng)沙源農(nóng)牧交錯(cuò)帶南緣。3個(gè)站點(diǎn)均屬于溫帶大陸季風(fēng)氣候，張家口多年平均降水量在300～550 mm[15]，全年以西北風(fēng)為主，多年平均風(fēng)速3.6～4.1 m/s[16]，北京多年平均降水量585 mm[17]，冬季盛行東北、北風(fēng)，夏季東南風(fēng)，多年平均風(fēng)速1.9～2.6 m/s[18]。3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)周圍無高大遮擋物，無大型污染源，監(jiān)測結(jié)果均表現(xiàn)該地大氣環(huán)境平均水平。

2 材料與方法

該研究空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源為中國環(huán)境監(jiān)測中心實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)(每小時(shí)均值)，氣象數(shù)據(jù)來源于奧林匹克森林公園通量塔，環(huán)境因子響應(yīng)分析選用空氣質(zhì)量和氣象數(shù)據(jù)完整度最高的2016年。數(shù)據(jù)處理通過Microsoft Excel完成，并結(jié)合SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(單因素方差分析，相關(guān)分析，回歸分析等)，制圖通過Sigmaplot1 2.5完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)顆粒物濃度動(dòng)態(tài)

2014-2019年，PM2.5和PM10最大月平均濃度分別為153.47 μg/m3和207.08 μg/m3(奧體中心，2015年12月)，最小值為10.74 μg/m3和21.25 μg/m3(張家口，2014年6月)。3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)顆粒物(PM2.5和PM10)達(dá)標(biāo)率(當(dāng)年達(dá)標(biāo)天數(shù)/當(dāng)年監(jiān)測天數(shù))表現(xiàn)為張家口>延慶>奧體中心(表1)，與顆粒物濃度空間規(guī)律相反，從市中心向郊區(qū)呈梯度遞減(奧體>延慶>張家口)。年際尺度上，奧體中心和延慶顆粒物濃度呈逐年下降趨勢，達(dá)標(biāo)率逐年上升；而張家口顆粒物濃度呈增加趨勢，導(dǎo)致其2019年P(guān)M10濃度為3監(jiān)測點(diǎn)最高(表2)。季節(jié)尺度上，奧體中心和延慶PM2.5季節(jié)變化明顯，高濃度主要出現(xiàn)在秋冬季節(jié)，而PM10濃度春季(3-4月)較高夏秋較低(圖1)，無明顯季節(jié)差異(圖1)。

表1 2014-2019年P(guān)M2.5和PM10日平均值達(dá)標(biāo)比例Table 1 The standard ratios of daily means of PM2.5 and PM10 from 2014 to 2019 %

圖1 2014-2019年3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)顆粒物濃度月均值Fig.1 Monthly mean of PM2.5 and PM10 in three monitoring locations from 2014 to 2019

3.2 3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)氣體污染物動(dòng)態(tài)

2014-2019年，4個(gè)氣體污染物(CO，NO2，O3，SO2)指標(biāo)中，CO、NO2、SO2均表現(xiàn)為奧體中心濃度最高，延慶次之，最優(yōu)的是張家口，而O3濃度空間變化規(guī)律恰好相反。年際尺度上，奧體中心及延慶CO、NO2、SO2濃度逐年下降，空氣質(zhì)量改善明顯，O3變化不明顯；張家口SO2下降明顯，其余3氣體污染物年際差異不顯著。由3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)6 a氣體污染物年平均日動(dòng)態(tài)(圖2)可知，CO和NO2日變化規(guī)律一致，存在明顯早高峰，O3和SO2日變化均呈單峰型，O3峰值出現(xiàn)在15:00左右，而SO2峰值出現(xiàn)在正午。CO濃度季節(jié)差異明顯，秋、冬>春、夏，2015年冬季濃度值(2.42±0.29 μg/m3)最高(圖2(a))；NO2濃度四季差異不顯著(P>0.1)，奧體中心年際差異明顯，春夏秋3季NO2濃度值逐年下降，冬季變化不明顯(圖2(b))；O3濃度晝夜差異明顯，夏季O3濃度明顯高于其他季節(jié)，2015年平均濃度達(dá)到106.9μg/m3，3監(jiān)測點(diǎn)差異不顯著(P>0.1)，O3濃度均呈增加趨勢(圖2(c))；張家口SO2濃度為3監(jiān)測點(diǎn)中最高，其冬季濃度值最高，夏季最低，整體呈逐年下降趨勢(圖2(d))，截至2019年平均濃度較2014年降低26.44 μg/m3，尤其2016年后與奧體中心及延慶SO2濃度差異已不顯著。

圖2 2014-2019年3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)CO(a)、NO2(b)、O3(c)、SO2(d)四季24 h日動(dòng)態(tài)(灰色豎實(shí)線為年際分界線)Fig.2 Diurnal dynamics of CO (a),NO2 (b),O3 (c),SO2 (d) of four seasons in the three monitoring locations from 2014 to 2019 (the gray vertical lines are the interannual boundaries)

表2 2014-2019年6個(gè)空氣質(zhì)量指標(biāo)日平均濃度方差分析Table 2 Variance analysis of the daily means of the six air quality indexes in different years and different locations

本研究中，2014-2019年3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)CO濃度均達(dá)到《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3095-2012》一級標(biāo)準(zhǔn)(年平均4 mg/m3)，此外張家口、延慶NO2達(dá)到國家二級標(biāo)準(zhǔn)(年均值40 μg/m3)，2016年后的張家口以及延慶、奧體中心SO2也達(dá)到國家二級標(biāo)準(zhǔn)(年均值20 μg/m3)；雖然奧體中心NO2濃度逐年下降明顯，但截至2019年NO2濃度年均值及冬季日均值均高于國家二級標(biāo)準(zhǔn)(年平均40 μg/m3；24 h平均80 μg/m3)；3監(jiān)測點(diǎn)夏季8 h O3濃度最高，日均值均高于國家二級標(biāo)準(zhǔn)(160 μg/m3)。

3.3 奧體中心各空氣質(zhì)量指標(biāo)環(huán)境響應(yīng)

3.3.1 環(huán)境因子影響 研究區(qū)春夏盛行南風(fēng)，秋冬季盛行西北風(fēng)(圖4)。通過對風(fēng)速、風(fēng)向與各空氣質(zhì)量指標(biāo)做相關(guān)分析知，年尺度上6空氣質(zhì)量指標(biāo)濃度與風(fēng)向關(guān)系不明顯(圖5)；冬季各空氣質(zhì)量指標(biāo)均與風(fēng)速有較高相關(guān)性，其中CO、NO2、SO2、PM2.5和PM10與風(fēng)速呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著風(fēng)速增大，各空氣質(zhì)量指標(biāo)濃度降低，強(qiáng)風(fēng)對顆粒物和氣體污染物有明顯稀釋和去除作用，靜風(fēng)則使懸浮顆粒物在當(dāng)?shù)鼐奂?。?dāng)日平均風(fēng)速<1 m/s時(shí)，各空氣質(zhì)量指標(biāo)濃度積累，均出現(xiàn)了年最大濃度，其中PM10達(dá)到465.5 μg/m3，PM2.5達(dá)到373.2 μg/m3，O3達(dá)到186.9 μg/m3，NO2達(dá)到155.5 μg/m3，SO2達(dá)到68.4 μg/m3，CO達(dá)到7.6 mg/m3。只有冬季O3與秋季SO2濃度與風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系(表3)，相關(guān)系數(shù)分別為0.78和0.40(P<0.01)，冬季O3濃度較低，同時(shí)較高的風(fēng)速抬高了大氣邊界層高度，上層O3向下運(yùn)輸起到關(guān)鍵作用；類似的，秋季SO2濃度低(圖3)，氣團(tuán)交換是引起監(jiān)測點(diǎn)SO2濃度變化的主要影響因子。

3.3.2 6個(gè)空氣質(zhì)量指標(biāo)濃度關(guān)系 本研究通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),各空氣質(zhì)量指標(biāo)之間存在明顯相關(guān)關(guān)系，其中相關(guān)性較高的指標(biāo)分別為：CO與PM2.5(R=0.85**)，NO2與CO(R=0.83**)，O3與NO2(R=-0.61**)，SO2與CO(R=0.59**)，PM10與PM2.5(R=0.76**)。根據(jù)圖3中2顆粒物濃度季節(jié)分布特征，此處將全年劃分為2部分進(jìn)一步做相關(guān)分析，5-9月份為低濃度階段(O3為高濃度階段)，其他月份為高濃度階段(O3為低濃度階段)。其中O3與CO、SO2的相關(guān)性存在季節(jié)差異(圖6)，高濃度階段O3與兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(R分別為-0.45**和-0.31**)，低濃度階段O3與兩者呈正相關(guān)關(guān)系(R分別為0.40**和0.43**)。

圖3 2016年奧體中心6指標(biāo)濃度和氣象因子日均值Fig.3 Daily means of the six air quality indexes and environmental factors of 2016 in Olympic Sports Center

圖4 2016年奧體公園風(fēng)玫瑰圖Fig.4 Wind-rose diagram of Beijing Olympic Forest Park in 2016

4 結(jié)論與討論

4.1 各空氣質(zhì)量指標(biāo)動(dòng)態(tài)

我國城市環(huán)境污染源主要包括工業(yè)生產(chǎn)、冬季供暖、汽車尾氣排放和揚(yáng)塵，各空氣質(zhì)量指標(biāo)季節(jié)動(dòng)態(tài)規(guī)律與OMI衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)呈現(xiàn)規(guī)律一致[22-23]。由于奧體中心位于北京市區(qū)北四環(huán)邊，交通尾氣排放和道路揚(yáng)塵對顆粒物濃度增加起到重要作用，導(dǎo)致其濃度仍高于另外2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，可見顆粒物濃度與城市發(fā)展水平、人為活動(dòng)強(qiáng)度有很大關(guān)系。但隨著相關(guān)政策的實(shí)施，北京市屬2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)顆粒物濃度逐年下降，空氣質(zhì)量有所改善，2019年P(guān)M10年均值已低于張家口。張家口各空氣質(zhì)量指標(biāo)中除SO2外均無明顯改善，而顆粒物濃度呈逐年增加趨勢，一是春季大風(fēng)導(dǎo)致?lián)P塵天氣頻發(fā)，增加了空氣中PM10顆粒物含量；二是冬季燃煤取暖廢氣排放在一定程度上增加了空氣中2顆粒物含量[24]，且張家口位于京津風(fēng)沙源沙塵的重要源地[25-27]，春季揚(yáng)塵天氣較北京嚴(yán)重，因而PM10污染最為嚴(yán)重，大顆粒物污染是張家口大氣污染治理的重點(diǎn)。

4.2 空氣質(zhì)量指標(biāo)關(guān)系及其環(huán)境因子響應(yīng)

大量研究證明了氮氧化物濃度可作為交通排放強(qiáng)度的可靠指標(biāo)[28-29]，尤其在無工業(yè)污染來源的情況下，大氣中氮氧化物93%來源于道路交通排放[30-31]。該研究中奧體中心臨近北四環(huán)，周邊無工業(yè)區(qū)，工業(yè)污染源對該監(jiān)測點(diǎn)污染物指標(biāo)沒有直接貢獻(xiàn)，研究認(rèn)為監(jiān)測點(diǎn)的NO2主要來自道路交通。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)奧體中心監(jiān)測點(diǎn)附近的污染源主要為汽車尾氣和道路揚(yáng)塵、汽車排放固體懸浮顆粒、NOx、CO、VOCs和硫化物(包括SO2和還原態(tài)硫化物)，而對于延慶和張家口而言SO2另一個(gè)重要來源是冬季燃煤供暖，這些物質(zhì)會(huì)通過一系列復(fù)雜理化過程而發(fā)生轉(zhuǎn)化，例如強(qiáng)光下形成O3，是城市大氣中O3濃度升高的主要原因[21,32]。而環(huán)境因子通過影響這一系列反應(yīng)過程來影響各氣體指標(biāo)濃度。綜合來看,CO與NO2濃度的關(guān)鍵環(huán)境影響因子為Rn(圖3，表3，表4)，2氣體在空氣中極不穩(wěn)定，其濃度波動(dòng)主要受光化學(xué)反應(yīng)影響，即兩者與其他氣體組成的相互作用和轉(zhuǎn)化。O3濃度的影響因子相對復(fù)雜，與風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、大氣壓和太陽輻射均存在明顯相關(guān)性，可見其濃度波動(dòng)不僅受光化學(xué)反應(yīng)影響，還受空氣流動(dòng)傳遞影響；不同于林內(nèi)小尺度空間環(huán)境，SO2、PM2.5、PM10濃度受環(huán)境因子影響較小[33]。

圖5 空氣質(zhì)量指標(biāo)平均濃度各風(fēng)向分布Fig.5 The average concentration of the six air quality indexes in different wind directions

表3 奧體中心空氣質(zhì)量指標(biāo)和四季風(fēng)速風(fēng)向的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 3 Seasonal Pearson correlation coefficient between air quality indexes and wind speed and direction in Olympic Sports Center

表4 奧體中心空氣質(zhì)量指標(biāo)和其他環(huán)境因子Pearson相關(guān)系數(shù)Table 4 Pearson correlation coefficient between air quality indexes and environmental factors in Olympic Sports Center

圖6 不同時(shí)間段O3與CO、SO2關(guān)系Fig.6 The relationship between O3 and CO,SO2 in different time periods

CO與NO2濃度存在明顯相關(guān)關(guān)系(R=0.83**)，且兩者都存在早高峰(7：00-9：00)，由于汽車尾氣是CO的主要來源[34]，這進(jìn)一步驗(yàn)證了之前的假設(shè)，監(jiān)測點(diǎn)的NO2主要來自道路交通[33]。CO的谷值出現(xiàn)在16：00前后(圖2(a))。白天CO濃度下降主要受太陽輻射影響，大氣中的絕大多數(shù)的CO通過與羥基反應(yīng)除去(約85%)(反應(yīng)1)[35]，羥基在紫外線照射下經(jīng)過水電離形成，隨著太陽輻射增強(qiáng)，大氣中羥基自由基濃度增加，CO向CO2轉(zhuǎn)變效率增加，CO濃度下降，16：00左右達(dá)到最低值，隨著交通晚高峰CO排放，其濃度逐漸積累在午夜或次日交通早高峰達(dá)到最大值。在年尺度上，夏季高溫高輻射條件下，CO向CO2轉(zhuǎn)化更高效更徹底，導(dǎo)致了夏季整體CO濃度低于冬季(圖3)。

CO+-OH→CO2

(1)

與CO和NO2不同的是O3日變化動(dòng)態(tài)呈單峰型，峰值出現(xiàn)在15：00(圖2(c))。 O3作為一種光化學(xué)產(chǎn)物，有明顯晝夜變化，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)O3濃度變化其光化學(xué)反應(yīng)前體物NO2存在明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系(R=-0.61**)，與氣象因子氣溫相關(guān)性最高(R=0.71**)，太陽輻射次之(R=0.63**)，兩者都是影響該反應(yīng)轉(zhuǎn)換速率的關(guān)鍵因子。白天隨著光照強(qiáng)度和溫度升高，發(fā)生反應(yīng)(2)導(dǎo)致O3濃度增加，在15：00左右達(dá)到最大值，于此同時(shí)NO2濃度降低，NO作為一次污染物也會(huì)與空氣中O3反應(yīng)生成NO2(反應(yīng)3)[36-37]。

NO2+hv(O2)→O3+NO

(2)

O3+NO→NO2+O2

(3)

SO2濃度日動(dòng)態(tài)呈同樣單峰型，但峰值出現(xiàn)在12：00左右?？諝庵蠸O2與水汽反應(yīng)生成SO32-(反應(yīng)4)，該反應(yīng)是酸雨的主要成因[38-39]，空氣中SO2濃度與空氣濕度(RH)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4)，此過程除了與水汽濃度相關(guān)之外，還受溫度影響，隨著溫度升高，該反應(yīng)逆向反應(yīng)速率增加，正午空氣濕度最低，溫度最高，正向反應(yīng)速率下降，SO2濃度上升。在監(jiān)測期內(nèi)，大氣中SO2與NO2濃度比值均<1，年平均值為0.23，該值低于高慶先[40]對2014年奧體中心空氣質(zhì)量的分析結(jié)果(0.37)，說明北京仍為明顯的硝酸型污染，且越來越嚴(yán)重。

SO2+H2O→H2SO3

(4)

表5 奧體中心PM2.5對PM10貢獻(xiàn)率月均值Table 5 Monthly mean of PM2.5/PM10 in Olympic Sports Center

監(jiān)測期內(nèi)PM2.5和PM10之間以及與其他4個(gè)空氣質(zhì)量指標(biāo)均存在相關(guān)性(P<0.01)，其中與CO、NO2濃度呈明顯正相關(guān)(PM2.5與兩者相關(guān)系數(shù)：R=0.85**，R=0.63**；PM10與兩者相關(guān)系數(shù)：R=0.74**，R=0.54**)，這也進(jìn)一步解釋了奧體中心顆粒物污染很大程度上來源于汽車尾氣[41-43]。PM2.5/PM10年均值為0.63(表5)，即在該監(jiān)測點(diǎn)，PM2.5對PM10平均貢獻(xiàn)率達(dá)到63%，冬季PM2.5在PM10占比例大于其他季節(jié)，最大貢獻(xiàn)率達(dá)到74%(12月)。

4.3 結(jié)論

3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)空氣質(zhì)量由北京城區(qū)向城郊污染強(qiáng)度逐漸降低，即張家口優(yōu)于延慶優(yōu)于奧體中心，但除了CO濃度完全達(dá)標(biāo)外，其他指標(biāo)均存在高于國家二級標(biāo)準(zhǔn)的情況，尤其奧體中心NO2濃度2019年仍明顯高于國家標(biāo)準(zhǔn)；3監(jiān)測點(diǎn)空氣質(zhì)量整體改善，其中張家口SO2濃度降低最為明顯，年平均濃度從2014年的37.50 μg/m3下降到2019年的11.06 μg/m3；相較于其他4個(gè)氣體指標(biāo)，2014-2019年張家口PM2.5和PM10濃度較高且呈增大趨勢。因此奧體中心附近的氣體污染物及張家口顆粒物污染是各自重點(diǎn)治理的對象。

奧體中心監(jiān)測點(diǎn)附近人為活動(dòng)引起的大氣污染問題仍是3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)中最嚴(yán)重的，監(jiān)測點(diǎn)臨近北四環(huán)，其主要影響來源為汽車尾氣排放。CO、NO2、O3、SO2的關(guān)鍵環(huán)境因子分別為Rn、Rn、Ta、Ta；且各空氣質(zhì)量指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系強(qiáng)于環(huán)境因子的影響；在年尺度上風(fēng)速與6空氣質(zhì)量指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，各指標(biāo)最大濃度值均出現(xiàn)在風(fēng)速<1 m/s時(shí)，分別為7.6 mg/m3、155.5、186.9、68.4、373.2 μg/m3和465.5 μg/m3。