銀川市近年大氣顆粒物與臭氧的關(guān)聯(lián)性特征

楊麗蓉，郭英茹，郭小寧，艾雙雙，孫 媛

（1.銀川市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，寧夏 銀川 751100；2.安徽藍盾光電子股份有限公司，安徽 銅陵 244000）

“十三五”期間，我國大氣環(huán)境質(zhì)量有了明顯的改善，超額完成空氣質(zhì)量約束性指標，顆粒物（PM2.5）質(zhì)量濃度大幅下降，但仍有一些城市的PM2.5與臭氧（O3）未達到年評價值。PM2.5與O3的大氣復(fù)合污染已成為我國很多城市面臨的污染新問題[1]。目前，已有研究人員從時空變化、來源解析及影響因素等方面對PM2.5，O3的單項因子進行研究。研究發(fā)現(xiàn)：PM2.5普遍呈現(xiàn)冬高夏低、春秋居中的季節(jié)性變化特征[2]；5—8 月是長三角地區(qū)O3污染最為嚴重的月份[3]，珠三角地區(qū)O3污染以3 月、10 月較為突出[4]；京津冀地區(qū)O3的質(zhì)量濃度夏季高、冬季低，且O3質(zhì)量濃度較高的月份集中在5—9 月[5-6]；PM2.5與O3污染在時間上基本呈相反態(tài)勢。近年來，關(guān)于PM2.5與O3復(fù)雜關(guān)聯(lián)性的研究逐漸增多，研究對象多集中在珠三角、京津冀、長三角等大氣污染重點區(qū)域。已有研究表明，PM2.5和O3具有共同的前體物NOx和VOCs，且兩者之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系[6-7]。邵平等[8]利用光化學(xué)箱模式分析了長三角地區(qū)氣溶膠消光效應(yīng)對O3生成的影響，發(fā)現(xiàn)隨著氣溶膠光學(xué)厚度的下降，O3質(zhì)量濃度快速上升，較重的顆粒物污染在一定程度上抑制了近地層O3的光化學(xué)生成。趙淑婷等[9]發(fā)現(xiàn)邯鄲市在溫度為21.0～29.0 ℃、濕度略高、氣壓偏低、風(fēng)速較小的條件下，容易產(chǎn)生PM2.5-O3復(fù)合污染。蔡彥楓等[10]指出南京市PM2.5質(zhì)量濃度的升高使得氣溶膠光學(xué)厚度增加20%～40%，造成O3凈生成率下降30%～40%。姚懿娟等[11]提出廣州市在O3和PM2.5污染季節(jié)，O3和PM2.5的質(zhì)量濃度均呈正相關(guān)關(guān)系，且兩者的相關(guān)性在O3污染季節(jié)要高于PM2.5污染季節(jié)。

近年來，銀川市通過持續(xù)科學(xué)的大氣環(huán)境治理，空氣質(zhì)量有了明顯改善。然而，最近兩年銀川市大氣環(huán)境又呈現(xiàn)夏季O3污染天氣頻發(fā)、冬季PM2.5重污染天氣未完全消除等特征，大氣污染治理的難度進一步加大。已有許多學(xué)者對銀川市PM2.5來源解析、臭氧的污染特征及氣象因素等進行了研究[12-14]，但對PM2.5和O3的關(guān)聯(lián)性研究較少。本文系統(tǒng)分析銀川市PM2.5和O3的污染特征及關(guān)聯(lián)性，對進一步開展銀川市及周邊區(qū)域PM2.5和O3的協(xié)同管控及采取更為有效的協(xié)同控制措施具有理論指導(dǎo)意義。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

銀川市2016—2020 年空氣質(zhì)量資料及氣象觀測數(shù)據(jù)來源于6 個國家空氣質(zhì)量監(jiān)測站，分別為興慶區(qū)1 個（上海東路）、金鳳區(qū)2 個（水鄉(xiāng)路和賀蘭山東路）、西夏區(qū)2 個（文昌北街和學(xué)院路）、清潔對照點1 個（賀蘭山馬蓮口）（表1）。本文采用的研究數(shù)據(jù)包括大氣污染物PM2.5，PM10，NO2，SO2，CO，O3質(zhì)量濃度和氣象數(shù)據(jù)（氣壓、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、濕度）。

表1 銀川市空氣質(zhì)量監(jiān)測點位表

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

文中PM2.5和O3數(shù)據(jù)為國家空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB 3095—2012）和《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ 633—2013）等技術(shù)規(guī)定，采用PM2.5質(zhì)量濃度小時平均值計算日平均、月平均和年平均值；O3年均質(zhì)量濃度和日均質(zhì)量濃度均采用日最大8 小時滑動平均值的第90 百分位數(shù)進行統(tǒng)計，并按相關(guān)要求判定超標情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM2.5 和O3 的總體狀況

從PM2.5和O3年均質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果看，2016—2020 年銀川市PM2.5質(zhì)量濃度呈逐年下降趨勢，但2020 年有所上升；2016—2019 年P(guān)M2.5年均質(zhì)量濃度由48 μg/m3下降至33 μg/m3，2020 年該值又上升至37 μg/m3（圖1 a）。由圖1a 可知，2016—2017 年O3質(zhì)量濃度呈上升趨勢，2017 年達到最大值155 μg/m3，2019 年呈下降趨勢，2020 年小幅上升，整體呈上升趨勢。2016—2020 年銀川市共出現(xiàn)O3和PM2.5超標天數(shù)236 d，占近5 年各類污染物總超標天數(shù)的69.2%；O3超標天數(shù)最多的年份為2017 年，超標天數(shù)為31 d，占全年各類污染物總超標天數(shù)的36.5%；O3超標天數(shù)最少的年份為2016 年，超標天數(shù)為10 d；PM2.5超標天數(shù)最多的是2016 年，超標天數(shù)為53 d，占全年各類污染物總超標天數(shù)的65.4%；2019 年P(guān)M2.5超標天數(shù)最少，為13 d（圖1b）。

2.2 PM2.5 和O3 的時間變化特征

從月均質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果看，PM2.5質(zhì)量濃度高值主要集中在1 月、2 月、11 月、12 月（圖1c），O3質(zhì)量濃度高值主要集中在5 月、6 月、7 月、8 月（圖1d）。2016—2020 年P(guān)M2.5超標天數(shù)最多的月份均為1月，超標天數(shù)分別為12 d，17 d，7 d，5 d，18 d。2020 年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度在1 月、11 月、12 月有明顯的抬升現(xiàn)象，其中1 月PM2.5月均質(zhì)量濃度為90 μg/m3，位居近5 年P(guān)M2.5月均質(zhì)量濃度第2 位，較2016 年1 月上升34.3%；2020 年冬季PM2.5平均質(zhì)量濃度為65 μg/m3，位居近5 年第2位，較2018 年上升29.2%，表明2020年冬季銀川市PM2.5有明顯的污染加重趨勢。2016—2020 年O3超標天數(shù)最多的月份均為6 月，超標天數(shù)分別為4 d，14 d，6 d，7 d，4 d。與2016 年相比較，2020 年O3月均質(zhì)量濃度超標月份由6 月、7 月、8 月增加至5月、6月、7 月、8 月，O3月均質(zhì)量濃度最大值由162 μg/m3（2016年6—7 月）上升至171 μg/m3（2020 年8月），說明銀川市O3污染呈現(xiàn)污染時間延長、污染程度加重的特征。

從日平均小時質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果看，2016—2020 年P(guān)M2.5小時質(zhì)量濃度呈雙峰變化趨勢。2016—2017 年P(guān)M2.5小時質(zhì)量濃度在21:00 至次日02:00 及08:00—11:00 呈明顯的雙峰特征；2018—2020 年P(guān)M2.5小時質(zhì)量濃度雙峰特征趨于平緩；2016—2020 年P(guān)M2.5小時質(zhì)量濃度逐步下降；2020年P(guān)M2.5小時質(zhì)量濃度整體較2016 年下降11 μg/m3，其中0:00 下降幅度最大，為17 μg/m3（圖1e）。2016—2020 年O3小時質(zhì)量濃度呈單峰變化趨勢，O3峰值時段為14:00—17:00；與2016 年相比較，2017—2020 年O3小時質(zhì)量濃度大幅下降，平均下降幅度為32 μg/m3（圖1f）。

圖1 2016—2020 年銀川市PM2.5，O3 變化趨勢圖

2.3 PM2.5 和O3 的關(guān)聯(lián)性

本文通過2016—2020 年P(guān)M2.5和O3小時均值的關(guān)聯(lián)性分析，可知PM2.5和O3小時質(zhì)量濃度呈明顯的負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.70，0.80，0.85，0.83，0.80；將PM2.5日均值以35，75，115，150，250 μg/m3為臨界值，分為PM2.5單項指標優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染5 個等級，以便于分析在不同PM2.5污染條件下O3的變化特征。在PM2.5日均值≤35 μg/m3時，O3質(zhì)量濃度為37～224 μg/m3，其中O3輕度污染天數(shù)為78 d，中度污染天數(shù)為12 d，占O3總污染天數(shù)的92.8%，主要集中在6—8 月；PM2.5日均值為36～75 μg/m3時，O3質(zhì)量濃度為14～240 μg/m3，其中O3輕度污染天數(shù)為5 d，中度污染天數(shù)為1 d，占O3總污染天數(shù)的6.2%；PM2.5日均值為76～115 μg/m3時，O3質(zhì)量濃度為21～183 μg/m3，其中O3輕度污染天數(shù)為1 d，占O3總污染天數(shù)的1.0%；PM2.5日均值＞116 μg/m3時，O3質(zhì)量濃度為21～139 μg/m3，等級為良。其中僅在2018 年7 月16 日出現(xiàn)PM2.5與O3同為輕度污染的復(fù)合型污染天氣，其成因：一是2018 年7 月15 日05:00 至16 日17:00 銀川市出現(xiàn)持續(xù)沙塵天氣，PM10，PM2.5均大幅上升，自7 月15 日05:00 至16 日10:00 PM2.5監(jiān)測值為97～392 μg/m3，沙塵氣團輸送直接導(dǎo)致PM2.5呈現(xiàn)輕度污染；二是7 月15 日21:00 至16 日09:00 銀川市二氧化氮（NO2）呈現(xiàn)持續(xù)高值現(xiàn)象，其質(zhì)量濃度是前一日同時段的2.6～5.3 倍，夜間NO2的排放為O3的生成提供了充足的前體物，這是導(dǎo)致O3超標的重要原因。這種情況與上海地區(qū)7—8 月最易出現(xiàn)PM2.5-O3復(fù)合污染狀況有所不同[15]。由銀川市5 個空氣質(zhì)量監(jiān)測站點的小時變化距平圖（圖2）可知，賀蘭山東路站點01:00—07:00 和16:00—20:00 呈現(xiàn)PM2.5-O3高值特征，說明銀川市夏季O3污染和冬季PM2.5污染的季節(jié)性特征明顯，部分區(qū)域已初步呈現(xiàn)出PM2.5與O3復(fù)合污染的現(xiàn)象。

圖2 銀川市環(huán)境空氣自動監(jiān)測站點PM2.5，O3 小時距平圖

2.4 氣象因素對PM2.5 和O3 的影響

楊婧等[16]研究發(fā)現(xiàn)：銀川市O3質(zhì)量濃度與溫度呈正相關(guān)；風(fēng)速較小時，垂直混合起主導(dǎo)作用，O3質(zhì)量濃度與風(fēng)力呈正相關(guān)；風(fēng)速較大時，水平擴散占主導(dǎo)作用，O3質(zhì)量濃度與風(fēng)力呈負相關(guān)。孫榮國等[17]研究發(fā)現(xiàn)，銀川市PM2.5質(zhì)量濃度與氣溫呈顯著負相關(guān)，與風(fēng)速、日照和相對濕度呈極顯著正相關(guān)。

本文選取2020 年銀川市5 個空氣自動站觀測的氣象小時數(shù)據(jù)，在不同溫度下對PM2.5與O3進行相關(guān)性分析。研究發(fā)現(xiàn)：在30 ℃以下時，PM2.5與O3呈負相關(guān)，且相關(guān)性較低，相關(guān)系數(shù)最大值為0.49（-20～-10 ℃）；在30 ℃以上時，PM2.5與O3呈明顯的正相關(guān)，溫度上升至35 ℃以上時，正相關(guān)系數(shù)達0.90（表2）。該研究表明，盡管夏季大氣PM2.5質(zhì)量濃度較低，但在O3污染顯著的同時，也伴隨著PM2.5的增長，高溫有利于當(dāng)?shù)豋3和細顆粒物疊加，形成復(fù)合污染，此結(jié)論與京津冀研究結(jié)果具有相似性，即當(dāng)氣溫超過20 °C 時，PM2.5與O3為較明顯正相關(guān)關(guān)系,城市群呈現(xiàn)出明顯的復(fù)合污染特征[18]。本文通過對不同濕度下PM2.5與O3的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)隨著濕度的增長，PM2.5與O3的相關(guān)性增強。濕度為71%～90%時，相關(guān)系數(shù)為0.54，說明高濕條件有利于顆粒物的吸濕增長，從而引起光學(xué)性質(zhì)的改變，進而影響O3的生成（表3）。風(fēng)速是影響大氣污染物質(zhì)量濃度變化的關(guān)鍵性指標，PM2.5與風(fēng)速呈負相關(guān)，風(fēng)速的增加對顆粒物起到稀釋作用；O3與風(fēng)速呈正相關(guān)，風(fēng)速增大時，大氣污染物的混合增強，會加速污染物的生成反應(yīng)。風(fēng)速在6 m/s 以上時，其對O3的稀釋作用放緩。PM2.5污染主要在風(fēng)速為3 m/s 以下時出現(xiàn)，O3污染主要在風(fēng)速為4 m/s以下時出現(xiàn)（圖3）。

圖3 PM2.5，O3 質(zhì)量濃度和風(fēng)速變化散點圖

表2 不同溫度下銀川市PM2.5 與O3 的相關(guān)性

表3 不同濕度下銀川市PM2.5 與O3 的相關(guān)性

3 結(jié)論

（1）2016—2020 年銀川市出現(xiàn)PM2.5和O3超標天數(shù)共236 d，占近5 年各類污染物總超標天數(shù)的69.2%。2016—2019 年銀川市PM2.5和O3雙指標均呈下降趨勢，而在2020 年雙指標均出現(xiàn)上升現(xiàn)象，說明PM2.5和O3仍是制約銀川市大氣環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵指標。

（2）2016—2020 年P(guān)M2.5和O3小時質(zhì)量濃度呈明顯的負相關(guān)，O3隨著PM2.5的升高而降低。PM2.5日均值≤35 μg/m3時，O3輕度污染天數(shù)為78 d，中度污染天數(shù)為12 d，占O3總污染天數(shù)的92.8%，并且主要集中在6—8月；僅在2018 年7 月16 日出現(xiàn)PM2.5與O3同為輕度污染的復(fù)合型污染天氣。2020 年銀川市賀蘭山東路空氣質(zhì)量監(jiān)測站在01:00—07:00和16:00—20:00呈現(xiàn)PM2.5-O3高值特征，表明銀川市夏季O3污染和冬季PM2.5污染的季節(jié)性特征明顯，部分區(qū)域已初步呈現(xiàn)出PM2.5與O3復(fù)合污染的現(xiàn)象。

（3）氣象因素是影響銀川市大氣環(huán)境質(zhì)量的主要因素。本文分析發(fā)現(xiàn)，在30 ℃以上時，PM2.5與O3呈明顯的正相關(guān)；溫度上升至35 ℃以上時，正相關(guān)系數(shù)達0.90。同時，隨著濕度的增長，PM2.5與O3的相關(guān)性增強，濕度為71%～90%時，相關(guān)系數(shù)上升至0.54。PM2.5與風(fēng)速呈負相關(guān)，風(fēng)速的增加對顆粒物起到稀釋作用；O3與風(fēng)速呈正相關(guān)，風(fēng)速的增大使大氣污染物的混合增強，加速了污染物的生成反應(yīng)。風(fēng)速為6 m/s 以上時，其對O3的稀釋作用放緩。