呼和浩特夏季污染氣體變化特征分析

阿木爾薩那

(呼和浩特市氣象局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

近年來，隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快以及機(jī)動車保有量的增加，人為排放的大氣污染物越來越多，所面臨的生態(tài)環(huán)境壓力也在增大，大氣污染形勢嚴(yán)峻。大氣污染物中的氣態(tài)污染物和顆粒物，對氣候、環(huán)境和人體健康都有著重要的影響[1]。SO2和NO2能夠造成酸沉降，對人體呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生危害[2，3]。大量的O3會對人體的呼吸道、肺功能造成危害。大氣污染物的研究受到社會各界的廣泛關(guān)注。

目前，關(guān)于呼和浩特地區(qū)大氣污染特征研究相對較少。呼和浩特市為內(nèi)蒙古自治區(qū)首府城市，地處內(nèi)蒙古中西部核心區(qū)域，是內(nèi)蒙古自治區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，也是我國北方地區(qū)重要城市。其環(huán)境空氣質(zhì)量的好壞，直接影響人民群眾的工作、生活和身體健康。本研究以時間序列2019年6月1日-2019年8月31日為期3個月的夏季數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)對污染氣體變化特征進(jìn)行分析討論，以期為今后呼和浩特地區(qū)大氣污染防治提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 觀測站點(diǎn)

選取觀測站點(diǎn)為小召(XZ)監(jiān)測站(40°48′N，111°39′E)，本站點(diǎn)位于市中心，為商業(yè)與居民混合區(qū)。與大東街相鄰，以西400m為交通主干道大北街，該區(qū)域交通密度相對較高，機(jī)動車排放相對密集，周圍2km范圍內(nèi)無明顯工業(yè)大氣污染源。因此，本觀測站點(diǎn)數(shù)據(jù)資料可代表城市大氣污染特點(diǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)與方法

本研究采用呼和浩特市環(huán)境空氣自動監(jiān)測站中小召監(jiān)測站CO、NO2、O3、SO2等4種污染物2019年6月1日-2019年8月31日的小時質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來源于國家環(huán)境監(jiān)測中心(http：//106.37.208.233：20035/)。常規(guī)氣象資料數(shù)據(jù)來源于呼和浩特市氣象局。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB3095—2012)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效性檢驗(yàn)，污染物日均濃度計(jì)算至少包括20h平均濃度(O3的8h平均值至少包括6h平均濃度)，對不滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。對于周末效應(yīng)部分：由于星期一和星期五為工作日與周末過渡時期，不具代表性，因此，本研究將星期二、星期三、星期四定義為工作日，星期六、星期日定義為周末。本研究考慮到降水天氣對光化學(xué)反應(yīng)的影響，因此將長時間連續(xù)降水日數(shù)據(jù)剔除，剩余有效樣本數(shù)為66d(時間分別率為1h)，其中工作日39d，周末27d。為了便于對比分析，本研究中統(tǒng)一采用質(zhì)量濃度(μg·m-3，mg·m-3)。

2 結(jié)果與討論

2.1 CO、NO2、O3和SO2的變化特征分析

圖1給出了主要污染氣體CO、NO2、O3和SO2的日變化。圖中可知NO2日變化表現(xiàn)為單峰型，從夜間22：00出現(xiàn)最大值，為43.29μg·m-3，之后呈下降趨勢，午后14：00出現(xiàn)日最小值16.44μg·m-3，隨后開始呈現(xiàn)上升趨勢。O3日變化呈單峰型，白天呈現(xiàn)上升趨勢，午后15：00出現(xiàn)日最大值，為131.94μg·m-3，隨后持續(xù)下降，在04：00出現(xiàn)日最小值，為54.52μg·m-3。SO2日變化特征呈現(xiàn)雙峰型，06：00出現(xiàn)日最小值，為5.72μg·m-3，之后明顯上升，在12：00出現(xiàn)日最大值，為8.40μg·m-3，隨后開始下降，在20：00出現(xiàn)次峰，為6.80μg·m-3。CO日變化特征呈現(xiàn)不規(guī)則多峰型，最大值出現(xiàn)在夜間22：00，為0.75 mg·m-3，日最小值出現(xiàn)在18：00和05：00，為0.61 mg·m-3。

圖1 污染氣體的日變化

2.2 工作日與周末CO、NO2、O3和SO2的周末效應(yīng)分析

對流層O3的產(chǎn)生主要是平流層的向下輸送和低層大氣的光化學(xué)反應(yīng)過程。城市污染大氣中，人類活動排放的NOx(包括NO、NO2)、VOCs和CO等污染物可以通過光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生高濃度O3，則有如下反應(yīng)：

NO2+hv→NO+O

(1)

O2+O+M→O3+M

(2)

O3+NO→NO2+O2

(3)

其中M是第三體，包括大氣氮和氧分子。反應(yīng)(2)生成的O3通過反應(yīng)(3)被消耗。但是污染大氣中CO、VOCS等可以促進(jìn)O3的生成，以CO為例：

CO+HO+O2→CO2+HO2

(4)

HO2+NO→NO2+OH

(5)

反應(yīng)(5)和(3)相爭，降低(3)的O3消耗，并同時氧化NO生成NO2，NO2再繼續(xù)通過反應(yīng)(1)和(2)生成O3。

由圖2可知，CO表現(xiàn)出明顯的“周末效應(yīng)”，特征為工作日各個時刻小時平均質(zhì)量濃度均高于周末。CO工作日與周末質(zhì)量濃度日變化趨勢類似，日最大值均出現(xiàn)在夜間。工作日CO的日變化規(guī)律表現(xiàn)為不規(guī)則的雙峰型分布，峰值分別出現(xiàn)在08：00和22：00，質(zhì)量濃度分別為0.71mg·m-3和0.78 mg·m-3；谷值出現(xiàn)在05：00，質(zhì)量濃度為0.60mg·m-3。工作日CO在06：00-08：00以及19：00-20：00質(zhì)量濃度快速增加，均是由于上下班高峰期機(jī)動車排放影響。周末呈雙峰型分布，峰值出現(xiàn)在09：00和22：00，質(zhì)量濃度分別為0.65mg·m-3和0.69mg·m-3。周末CO質(zhì)量濃度在白天整體呈現(xiàn)下降的趨勢，在17：00達(dá)到日最低值，為0.52mg·m-3。通過表1可知在周末CO與O3、NO2相關(guān)性均較高，分別為-0.54和0.66，可知周末CO質(zhì)量濃度下降明顯與O3的質(zhì)量濃度變化關(guān)系密切。結(jié)合圖3可知，CO質(zhì)量濃度日變化特征與風(fēng)速變化特征相一致，08：00風(fēng)度降到全天最小，CO質(zhì)量濃度達(dá)到第一個峰值，隨著風(fēng)速增加，CO質(zhì)量濃度開始下降，白天周末的風(fēng)速表現(xiàn)出大于工作日的變化特征，因此在周末污染物擴(kuò)散條件更好，這也是CO在周末白天質(zhì)量濃度下降較快的原因。近地層大氣中CO主要來源于燃料的不完全燃燒，汽車尾氣的排放是近地層CO的重要來源。此外CO除了來自汽車尾氣和工廠排放等礦物質(zhì)燃料的不完全燃燒外，還來自生物質(zhì)燃燒、海洋、植物排放、CH4的氧化和 NMHC的氧化等[4]。CO質(zhì)量濃度的日變化特征整體表現(xiàn)為工作日質(zhì)量濃度大于周末，主要是因?yàn)橹苣C(jī)動車出行減少以及工廠排放減少造成。

圖2 工作日和周末污染氣體的日變化

圖3 工作日和周末氣溫和風(fēng)速的日變化

NO2的“周末效應(yīng)”也較為明顯，在0：00-03：00和05：00-08：00以及17：00-21：00平均質(zhì)量濃度值表現(xiàn)為工作日大于周末，08：00-16：00質(zhì)量濃度均值基本接近。工作日質(zhì)量濃度日變化特征表現(xiàn)為雙峰型分布，其中次峰出現(xiàn)在06：00，質(zhì)量濃度為36.50μg·m-3，與交通早高峰出現(xiàn)時間比較一致；另一個峰值出現(xiàn)在00：00，質(zhì)量濃度為47.00μg·m-3，此時濃度達(dá)到最大值，此峰值滯后于晚高峰，主要原因是在夜間大氣湍流減弱，大氣邊界層較低，大氣擴(kuò)散條件差，NO2濃度造成累積；最小值出現(xiàn)在14：00，質(zhì)量濃度為16.50μg·m-3。周末表現(xiàn)為不規(guī)則的雙峰型分布，峰值分別出現(xiàn)在02：00和22：00，對應(yīng)的質(zhì)量濃度分別為42.18μg·m-3和46.61μg·m-3，谷值出現(xiàn)在14：00，質(zhì)量濃度為15.65μg·m-3，在06：00時出現(xiàn)第二個谷值，質(zhì)量濃度為30.76μg·m-3。工作日午夜至凌晨NO2質(zhì)量濃度高于周末的原因可能是CO濃度在工作日較高，促使反應(yīng)(4)和(5)較周末更快，促使NO2堆積；06：00工作日與周末濃度相差較大，這是由于工作日早高峰機(jī)動車排放產(chǎn)生大量的氮氧化物與揮發(fā)性有機(jī)化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后造成。

O3表現(xiàn)出明顯的“周末效應(yīng)”，午夜至05：00工作日與周末小時平均質(zhì)量濃度差別較小，05：00-08：00小時平均質(zhì)量濃度工作日小于周末，08：00至午夜表現(xiàn)為工作日小時平均質(zhì)量濃度整體大于周末。工作日O3質(zhì)量濃度日變化呈單峰型分布，谷值出現(xiàn)在06：00，為45.63μg·m-3，峰值出現(xiàn)在14：00，為135.32μg·m-3。周末O3質(zhì)量濃度日變化同樣也呈現(xiàn)單峰型分布，峰值和谷值分別出現(xiàn)在14：00和04：00，值分別為124.86μg·m-3和47.95μg·m-3。

有研究指出O3質(zhì)量濃度的日循環(huán)主要分為4個階段[5]：O3及前體物的前夜累積階段、清晨NOx大量排放的O3抑制階段、O3光化學(xué)生成階段、O3消耗階段。呼和浩特市O3質(zhì)量濃度日循環(huán)也存在類似的變化特征：00：00-05：00近地層城市O3小時平均質(zhì)量濃度基本維持且為全天最低值，前體物CO、NO2小時平均質(zhì)量濃度在周末基本維持，工作日下降明顯，為O3及前體物的累積階段；05：00-08：00隨著上班早高峰帶來的大量的尾氣排放，近地層大氣中NOx含量迅速增加，由于此時輻射條件較弱，主要是NO作為還原物質(zhì)消耗O3的過程，使得O3質(zhì)量濃度略有下降，是O3生成的抑制階段。對比工作日與周末可知，在此階段工作日小時平均質(zhì)量濃度變化O3呈下降趨勢、NO2呈上升趨勢，周末與之相反，這是由于周末早高峰較工作日滯后造成的；08：00-14：00隨著太陽輻射加強(qiáng)，大量的NO2發(fā)生光解，促使O3生成，質(zhì)量濃度快速增加，達(dá)到日最大值，該時段為光化學(xué)生成階段；14：00至午夜為O3的消耗階段，在14：00之后隨著垂直混合、水平輻散加強(qiáng)，太陽輻射減弱以及下班高峰帶來的新的NO排放量對O3消耗作用，使得O3在夜間下降到全日質(zhì)量濃度低值區(qū)。綜合分析，在O3的抑制階段工作日CO增長速率更快以及大量的尾氣排放造成NOx的增多，促使反應(yīng)(3)(4)(5)加快，造成更多的NO2的堆積；在O3的光化學(xué)反應(yīng)階段，工作日整體氣溫高于周末利于光化學(xué)反應(yīng)，且工作日風(fēng)速小于周末不利于污染物的擴(kuò)散，因此呼和浩特市區(qū)表現(xiàn)為工作日O3小時平均質(zhì)量濃度大于周末的“周末效應(yīng)”。

SO2也表現(xiàn)出明顯的“周末效應(yīng)”，特征為小時平均質(zhì)量濃度在01：00-06：00和17：00-22：00表現(xiàn)為工作日大于周末，06：00-16：00表現(xiàn)為周末大于工作日。工作日SO2質(zhì)量濃度日變化呈雙峰型分布，06：00出現(xiàn)谷值，為5.66μg·m-3，峰值出現(xiàn)在12：00，為8.48μg·m-3，20：00出現(xiàn)次峰，值為7.30μg·m-3。周末SO2質(zhì)量濃度同樣也呈現(xiàn)雙峰型分布，谷值出現(xiàn)在06：00，為5.67μg·m-3，12：00出現(xiàn)峰值，為8.91μg·m-3，次峰出現(xiàn)在20：00，值為7.00μg·m-3。有研究指出，城市大氣中SO2主要來自化石燃料的燃燒及工業(yè)生產(chǎn)過程等固定源[6]。

由表1可知無論工作日還是周末，SO2與NO2相關(guān)性均較高，分別為-0.74和-0.70，可見兩者均來自同一排放源，因此說明呼和浩特市地區(qū)SO2除了來自工業(yè)排放外，汽車尾氣也是其重要來源。SO2質(zhì)量濃度變化與人類活動有關(guān)，在夜間大氣邊界層較低、風(fēng)速較小以穩(wěn)定天氣型為主，再則工業(yè)排放SO2量也小，因此夜間SO2質(zhì)量濃度值整體偏低。06：00之后，由于氣溫的升高、人類活動的增加和污染源排放強(qiáng)度的增大，SO2質(zhì)量濃度逐漸上升，12：00達(dá)到最大值，隨后隨著氣溫持續(xù)升高、風(fēng)速也逐漸達(dá)到日最大值，此時大氣湍流旺盛，此時的擴(kuò)散條件最利于SO2的擴(kuò)散和稀釋。18：00之后，由于氣溫下降、風(fēng)速減小氣象條件開始不利于污染物的擴(kuò)散，而且此時又迎來下班晚高峰，SO2質(zhì)量濃度再次得到累積，出現(xiàn)次峰。

3 結(jié)論

①觀測期間NO2日變化表現(xiàn)為單峰型，從夜間22：00出現(xiàn)最大值，為43.29μg·m-3，14：00出現(xiàn)日最小值16.44g·m-3。O3日變化呈單峰型，15：00出現(xiàn)日最大值，為131.94μg·m-3，04：00出現(xiàn)日最小值，為54.52μg·m-3。SO2日變化特征呈現(xiàn)雙峰型，06：00出現(xiàn)日最小值，為5.72μg·m-3，12：00出現(xiàn)日最大值，為8.40μg·m-3，20：00出現(xiàn)次峰，為6.80μg·m-3。CO日變化特征呈現(xiàn)不規(guī)則多峰型，最大值出現(xiàn)在夜間22：00，為0.75mg·m-3，日最小值出現(xiàn)在18：00和05：00，為0.61mg·m-3。②觀測期間CO、NO2、O3、SO2均存在明顯的“周末效應(yīng)”。CO小時平均質(zhì)量濃度日循環(huán)工作日與周末均呈現(xiàn)雙峰型分布，工作日各個時刻均大于周末，日最大值均出現(xiàn)在夜間。NO2小時平均質(zhì)量濃度日循環(huán)在工作日與周末均呈現(xiàn)雙峰型分布，日最大值出現(xiàn)在夜間，主要原因是夜間大氣湍流減弱，大氣邊界層較低，大氣擴(kuò)散條件差，NO2濃度造成累積；谷值出現(xiàn)在14：00；工作日在06：00出現(xiàn)次峰與交通早高峰出現(xiàn)時間一致。O3小時平均質(zhì)量濃度日循環(huán)工作日與周末均呈單峰型分布，在O3的光化學(xué)生成階段和消耗階段工作日質(zhì)量濃度均大于周末，均在午后14：00出現(xiàn)峰值，夜間質(zhì)量濃度較低。SO2小時平均質(zhì)量濃度工作日與周末均表現(xiàn)為雙峰型分布，01：00-06：00和17：00-22：00表現(xiàn)為工作日大于周末，06：00-16：00表現(xiàn)為周末大于工作日，峰值均出現(xiàn)在12：00和20：00，谷值出現(xiàn)在06：00。