臨沂市區(qū)冬季大氣污染物的特征解析*

王 璐 溫天雪 周 旭 劉 旭

(1.北京首創(chuàng)大氣環(huán)境科技股份有限公司，北京 100176；2.中節(jié)能天融科技有限公司，北京 100085；3.中國科學(xué)院大氣物理研究所，大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；4.中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗急劇增加，機(jī)動車數(shù)量不斷攀升，造成了大氣污染物過量排放，由此導(dǎo)致環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)惡化[1]。由于氣象原因，我國大氣污染問題普遍在冬季最為嚴(yán)峻，不僅污染物濃度高，而且污染過程持續(xù)時間長。臨沂由于粗放式經(jīng)濟(jì)增長和環(huán)保措施滯后，近年的環(huán)境空氣污染問題較為嚴(yán)重，特別是臨沂市區(qū)[2-3]。

目前，關(guān)于臨沂市區(qū)大氣一次污染過程中的PM2.5濃度變化[4],[5]5979和冬季PM2.5中化學(xué)成分和來源[6],[7]1052已有一些研究，而對于其他大氣污染物(SO2、NO2、CO、O3和PM10)的研究還鮮有涉及。SO2和NO2是酸雨的前體物，一旦形成酸雨會對生態(tài)系統(tǒng)、人體健康和建筑設(shè)施造成危害[8]。而且在高相對濕度條件下，氣態(tài)SO2和NO2還可能轉(zhuǎn)化成顆粒態(tài)的硝酸鹽和硫酸鹽，從而造成霾污染[9]。此外，NO2發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)還會造成光化學(xué)污染[10]。CO是間接溫室氣體，轉(zhuǎn)變成CO2后會影響氣候和大氣環(huán)境[11]，而且CO本身還具有毒性。近地面O3濃度過高會導(dǎo)致人體肺功能減弱和肺泡損傷，還會導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)[12-13]。PM2.5和PM10是主要的大氣顆粒物類型，都不可忽視。因此，事實(shí)上全面開展SO2、NO2、CO、O3、PM2.5和PM106項(xiàng)大氣污染物的監(jiān)測研究對了解一個地區(qū)的大氣污染狀況非常重要。

本研究利用臨沂市區(qū)4個國控環(huán)境空氣自動監(jiān)測子站數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象因子，解析了2018年冬季臨沂市區(qū)6項(xiàng)大氣污染物的特征，以期為臨沂市區(qū)大氣污染治理提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.2 研究方法

1.2.1 后向軌跡聚類分析

利用美國國家海洋及大氣管理局(NOAA)開發(fā)的HYSPLIT模型分析大氣污染物的后向軌跡[14]121,[15-16]。通過計(jì)算每兩條軌跡的空間相似度對氣團(tuán)軌跡進(jìn)行聚類分析[17]。本研究將臨沂市區(qū)中心(35.05°N，118.37°E)作為后向軌跡的起始點(diǎn)，運(yùn)行時間向后延伸36 h，運(yùn)行高度設(shè)為500 m，每小時計(jì)算1次。

1.2.2 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析用Pearson積矩公式計(jì)算[18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣污染物空間差異分析

臨沂市區(qū)冬季SO2日均值均低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級標(biāo)準(zhǔn)(150 μg/m3)，空間上呈現(xiàn)LN>XG>HD>YH的趨勢，且各站空間差異極顯著(P<0.001)。LN以東700 m是蒙山高架路，大量柴油車過境的尾氣排放可能使得SO2濃度偏高[19]978。XG周圍聚集了工業(yè)區(qū)，SO2主要由工業(yè)生產(chǎn)過程排放[5]5980。HD在北部新城區(qū)，人口相對較少，YH緊鄰沂河，周圍是公園和廣場，綠化環(huán)境較好，因此這兩個站的SO2濃度較低。不過總體而言，臨沂市區(qū)冬季SO2濃度水平不高，小時均值也未監(jiān)測到超過GB 3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)500 μg/m3的情況。由表1可見，與其他地區(qū)相比，臨沂市區(qū)SO2比濟(jì)南、青島和濱州均低。

HD、LN、XG和YH的NO2日均值超過GB 3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)(80 μg/m3)的天數(shù)分別有8、11、10、7 d，超標(biāo)比率分別為8.89%、12.22%、11.11%、7.78%。其中，LN的NO2小時均值有1次超過GB 3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)(200 μg/m3)，出現(xiàn)在2019年2月24日11:00，質(zhì)量濃度為212 μg/m3。臨沂市區(qū)冬季NO2日均值空間差異不顯著(P>0.050)。從表1來看，臨沂市區(qū)NO2低于汽車保有量大的省會城市濟(jì)南，但高于青島和濱州。臨沂市區(qū)NO2濃度較高可能與當(dāng)?shù)氐臋C(jī)動車保有量有關(guān)。

HD和YH的CO日均值均低于GB 3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)(4 mg/m3)，而LN和XG的CO日均值均有1次超過GB 3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)比率均為1.11%。其中，LN的CO小時均值也有1次超過GB 3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)(10 mg/m3)，出現(xiàn)在2019年1月3日9:00，質(zhì)量濃度為10.3 mg/m3。臨沂市區(qū)冬季CO日均值空間上呈現(xiàn)XG>LN>HD>YH的趨勢，且各站空間差異顯著(P<0.050)，可能與各站周圍的工業(yè)活動和車流量不同有關(guān)。分析表1發(fā)現(xiàn)，臨沂市區(qū)CO與青島相近，比濱州低。

選取2018年3月～2018年10月無錫市宜興市九如城康復(fù)醫(yī)院康復(fù)科收治的腦卒中后康復(fù)的患者60例作為研究對象。將其隨機(jī)分為治療組和對照組，各30例，治療組接受常規(guī)康復(fù)治療加溫針治療，對照組接受常規(guī)康復(fù)加普通針灸治療。兩組患者的一般資料比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

臨沂市區(qū)冬季O3小時均值均低于GB 3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)(200 μg/m3)。O3日均值空間上呈現(xiàn)XG>HD>LN>YH的趨勢，且各站空間差異顯著(P<0.050)。臨沂市區(qū)O3濃度水平整體較低，低于濟(jì)南、青島和濱州(見表1)。

HD、LN、XG和YH的PM2.5日均值超過GB 3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)(75 μg/m3)的天數(shù)分別有52、55、48、52 d，超標(biāo)比率分別為57.78%、61.11%、53.33%、57.78%，都有一半以上的天數(shù)PM2.5超標(biāo)，說明臨沂市區(qū)冬季PM2.5污染比較嚴(yán)重。PM2.5日均值空間差異不顯著(P>0.050)。臨沂市區(qū)冬季PM2.5濃度近年雖有降低的趨勢[7]1053，但仍高于濟(jì)南、青島和濱州(見表1)。

與PM2.5相似，HD、LN、XG和YH的PM10日均值超過GB 3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)(150 μg/m3)的天數(shù)分別有44、51、48、43 d，超標(biāo)比率分別為48.89%、56.67%、53.33%、47.78%。PM10日均值空間差異不顯著(P>0.050)。與其他地區(qū)相比，臨沂市區(qū)PM10高于青島和濱州(見表1)。

表1 臨沂市區(qū)大氣污染物日均值與其他地區(qū)的比較

HD、LN、XG和YH的PM2.5/PM10(質(zhì)量比)分別為0.58、0.54、0.51、0.57，均大于0.5，表明臨沂市區(qū)冬季PM2.5占比較大，PM2.5為主(PM2.5/PM10>0.5)的天數(shù)占比分別為66.67%、58.89%、50.00%、63.33%。這主要是由于冬季工業(yè)排放、燃煤取暖和機(jī)動車尾氣排放所致，加上不利的氣象條件，使得PM2.5占比較高。

4個站中LN的SO2、NO2、PM2.5和PM10濃度均最高，主要與LN周圍存在較多工業(yè)源有關(guān)，與蒙山大道和工業(yè)大道等道路交通源也有重要關(guān)系。YH周圍主要是居民小區(qū)，環(huán)境綠化較好，因此其SO2、NO2、CO、O3和PM10濃度均最低。

2.2 大氣污染物日變化特征

從圖1可以看出，SO2日變化呈雙峰型，峰值分別出現(xiàn)在9:00—10:00和20:00—21:00，峰型與沈陽[23]和呼和浩特[24]相似，但與杭州[25]97、重慶[26]824和成都[27]不同。早高峰與工廠開工時間引起的車流量有關(guān)，夜間高峰主要與冬季燃煤取暖和不利的氣象條件有關(guān)。

圖1 大氣污染物日變化Fig.1 Diurnal cycles of atmospheric pollutants

NO2呈單谷型分布，與南京[28]相似，谷值出現(xiàn)在14:00—16:00。這是由于下午太陽輻射強(qiáng)，NO2參與光化學(xué)反應(yīng)被消耗，下午的湍流交換也有利于NO2的擴(kuò)散，所以下午NO2濃度最低。

CO呈雙峰型分布，與杭州[25]97相似，峰值分別出現(xiàn)在9:00和22:00—23:00，谷值出現(xiàn)在16:00—17:00。上午的峰值比夜間的峰值更高，主要與早高峰車流量大有關(guān)。夜間的峰值主要是由于大氣邊界層低使得CO累積。

O3呈單峰型分布，峰值出現(xiàn)在14:00—15:00，2019年1月和2019年2月峰值出現(xiàn)時間比2018年12月滯后，2019年2月的O3日變化峰值最高。O3日變化與近地面大氣污染物的光化學(xué)過程密切相關(guān)，日出后隨著太陽輻射強(qiáng)度增強(qiáng)，二次光化學(xué)反應(yīng)持續(xù)生成O3，在14:00—15:00出現(xiàn)最高值，夜間由于NO等還原物質(zhì)與O3發(fā)生大氣化學(xué)反應(yīng)而被消耗[29]537。

PM2.5總體呈一峰二谷型分布，特別是2018年12月，峰值出現(xiàn)在9:00，谷值分別出現(xiàn)在6:00和16:00。

PM10總體呈雙峰型分布，與杭州[25]97、成都[19]979和重慶[26]825相似。早高峰也是與工廠開工時間引起的車流量有關(guān)。夜間高峰受冬季燃煤和用電取暖、大車過境和餐飲油煙等因素影響，同時受到氣象條件的影響。

2.3 大氣污染物的污染程度評價

參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)，以PM2.5為標(biāo)準(zhǔn)，將PM2.5≤75 μg/m3、75 μg/m3150 μg/m3分別劃為清潔天、輕度污染天和重度污染天。臨沂市區(qū)2018年冬季清潔天、輕度污染天和重度污染天天數(shù)占比分別為42.50%、38.06%、19.44%。由此求得臨沂市區(qū)2018年冬季清潔天、輕度污染天和重度污染天SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10和PM2.5/PM10的平均值(見表2)。

由表2可見，除O3外，大氣污染指標(biāo)均呈現(xiàn)重度污染天高于輕度污染天和清潔天，特別是PM2.5，重度污染天質(zhì)量濃度(188.93 μg/m3)分別是輕度污染天(108.71 μg/m3)和清潔天(42.59 μg/m3)的1.74、4.44倍。重度污染天大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，PM2.5等污染物在大氣中累積，氣溶膠光學(xué)厚度增大，削弱了到達(dá)地面的太陽輻射，抑制了光化學(xué)反應(yīng)生成O3[30]。而清潔天空氣質(zhì)量較好，大氣中PM2.5等污染物濃度較低，太陽輻射增加，光化學(xué)作用較強(qiáng)，因此O3濃度較高[31]。重度污染天和輕度污染天的PM2.5/PM10分別為0.69、0.59，主要顆粒物為PM2.5；而清潔天的PM2.5/PM10為0.45，主要顆粒物為PM10。

2.4 大氣污染物與氣象因子間的相關(guān)性分析

不同的氣象條件會影響大氣污染物的時空分布[19]981,[26]826。表3分析了各大氣污染物與氣象因子間的相關(guān)性。由表3可見，PM2.5和PM10與溫度和相對濕度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與降水量和風(fēng)速呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。O3與溫度和風(fēng)速也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，同時O3與降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而O3與相對濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。SO2、NO2和CO與降水量和風(fēng)速均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與溫度均呈正相關(guān)關(guān)系。SO2與相對濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，CO與相對濕度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

表3 大氣污染物與氣象因子的相關(guān)系數(shù)1)

圖2給出了臨沂市區(qū)不同方向上的風(fēng)頻、風(fēng)速和不同風(fēng)向條件下的大氣污染物濃度。根據(jù)風(fēng)頻和風(fēng)速得出，臨沂市區(qū)冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸睎|北(NNE)風(fēng)和東北 (NE)風(fēng)，風(fēng)頻分別為20.10%、19.50%，風(fēng)速分別為3.86、3.87 m/s。雖然南東南(SSE)風(fēng)的風(fēng)頻和風(fēng)速都較低，但該風(fēng)向下SO2、CO、PM2.5和PM10濃度均最高，說明這幾種污染物主要來自于該風(fēng)向的區(qū)域輸送。而NO2濃度受風(fēng)向的影響不大，各風(fēng)向上分布較為均勻，說明NO2主要來源于本地[29]541。O3在南西南(SSW)風(fēng)向上濃度最高。除O3外，其他大氣污染物均在東北(NE)風(fēng)向上濃度最低，說明高風(fēng)頻和高風(fēng)速的東北(NE)方向上清潔的海風(fēng)對臨沂市區(qū)大氣污染物有清除作用。

注：風(fēng)頻單位為%；風(fēng)速單位為m/s，C表示風(fēng)速小于0.2 m/s的靜風(fēng)條件；大氣污染物中除CO的單位為mg/m3外，其他污染物的單位均為μg/m3。圖2 大氣污染物與風(fēng)向的關(guān)系Fig.2 Relationship between the atmospheric pollutants and wind directions

2.5 氣團(tuán)后向軌跡聚類分析

本研究使用HYSPLIT模型對臨沂市區(qū)冬季氣團(tuán)做了聚類分析，得到5類后向軌跡，它們的大氣污染物質(zhì)量濃度和污染程度統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 后向軌跡的大氣污染物質(zhì)量濃度和污染程度統(tǒng)計(jì)

1#、2#和3#為近距離軌跡，移動緩慢，垂直高度低于1 000 m，易將沿途的污染物裹挾后向下游移動，出現(xiàn)頻率分別為18.02%、29.78%、9.86%。其中，1#來源于河南安陽，途徑河南濮陽、山東菏澤和濟(jì)寧后到達(dá)臨沂市區(qū)。2#來源于山東青島，途徑黃海和江蘇連云港后到達(dá)臨沂市區(qū)，除攜帶污染物外還可能攜帶海鹽氣溶膠。3#來源于江蘇南京，途徑江蘇宿遷后到達(dá)臨沂市區(qū)。這些地區(qū)大都是大氣污染較重的內(nèi)陸城市。4#為中距離軌跡，出現(xiàn)頻率為20.73%，來自北京，途徑天津、渤海、山東東營和濰坊后到達(dá)臨沂市區(qū)，所途經(jīng)的地區(qū)大多是內(nèi)陸人口密集，機(jī)動車保有量多，人為源污染較重的北方大中型城市，冬季采暖期又增加了污染物的排放，加上氣團(tuán)運(yùn)行高度較低，會將這些地區(qū)的污染物及海鹽氣溶膠帶至臨沂市區(qū)。5#為遠(yuǎn)距離軌跡，出現(xiàn)頻率為21.61%，氣團(tuán)產(chǎn)生和輸送都在2 000 m以上的高空，移動速度較快，來源于蒙古國，途徑我國內(nèi)蒙古自治區(qū)等地后到達(dá)臨沂市區(qū)。

從表4還可以看到，近距離軌跡下的SO2、NO2、CO、PM2.5和PM10濃度高于中、遠(yuǎn)距離軌跡下的濃度。1#的SO2(41.17 μg/m3)、NO2(63.69 μg/m3)、CO(1.54 mg/m3)、PM2.5(124.58 μg/m3)和PM10(207.73 μg/m3)質(zhì)量濃度均在5類軌跡中最高。2#的重度污染天出現(xiàn)頻率最高(6.49%)。而5#的SO2(19.61 μg/m3)、NO2(41.60 μg/m3)、CO(0.97 mg/m3)和PM2.5(66.66 μg/m3)質(zhì)量濃度均最低，清潔天出現(xiàn)頻率最高，達(dá)15.27%，是清潔氣團(tuán)[14]121，PM2.5/PM10小于0.5，說明主要是沙塵污染。

3 結(jié) 論

(1) 臨沂市區(qū)冬季大氣污染物中PM2.5和PM10污染最為嚴(yán)重，其次是NO2和CO，而SO2和O3污染較輕。SO2、CO和O3空間差異顯著，NO2、PM2.5和PM10空間差異不顯著。

(2) 日變化特征分析發(fā)現(xiàn)，SO2、CO和PM10均呈早晚雙峰型，NO2呈單谷型，O3呈單峰型，PM2.5呈一峰二谷型分布。

(3) O3與其他大氣污染物不同，清潔天空氣質(zhì)量較好，強(qiáng)太陽輻射會促進(jìn)光化學(xué)反應(yīng)生成更多O3。

(4) 臨沂市區(qū)冬季大氣污染物以受近距離的氣團(tuán)輸送影響為主，也受到來源于蒙古國的高空遠(yuǎn)距離沙塵輸送影響。