2019～2021年唐山市PM2.5及O3污染特征分析

張 壹，魏 揚(yáng)

(唐山市環(huán)境規(guī)劃科學(xué)研究院 唐山市生態(tài)環(huán)境宣傳教育中心,河北 唐山 063000)

1 引言

近年來，隨著《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》以及《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》的深入實(shí)施，我國環(huán)境空氣質(zhì)量逐步改善，PM2.5濃度逐年降低[1,2]。但我國大氣污染形勢(shì)仍十分嚴(yán)峻，部分地區(qū)PM2.5年均濃度仍處于超標(biāo)狀態(tài)。與此同時(shí)，O3污染逐漸凸顯，并成為繼PM2.5之后影響城市空氣質(zhì)量的重要污染物[1,3,4]。目前我國PM2.5和O3的復(fù)合污染問題日漸顯現(xiàn)，成為改善中國空氣質(zhì)量的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)外大量學(xué)者針對(duì)PM2.5和O3的成因、關(guān)聯(lián)、影響因素、污染特征等方面開展大量的研究。PM2.5和O3關(guān)系復(fù)雜，既有共同的前體物，又相互影響生成[5～8]。張涵等[9]、花叢等[10]對(duì)形成PM2.5和O3污染的氣象影響因素進(jìn)行研究，表明溫度、風(fēng)速、邊界層高度等因素對(duì)PM2.5和O3的形成具有顯著影響，光照輻射強(qiáng)度對(duì)O3的生成具有促進(jìn)作用，進(jìn)而影響PM2.5二次組分的生成，而相對(duì)濕度則對(duì)PM2.5和O3濃度均有不利影響。宋小涵等[11]的研究表明，2015～2021年京津冀及周邊“2+26”城市PM2.5污染減輕，濃度高值集中于研究區(qū)域中南部，O3濃度整體波動(dòng)上升，呈現(xiàn)“西南低，東北高”的分布。另外，大量研究表明：PM2.5和O3均對(duì)人體健康及生產(chǎn)生活有不良影響，加強(qiáng)對(duì)PM2.5和O3協(xié)同治理十分必要[12～16]。

目前，大氣環(huán)境PM2.5和O3復(fù)合污染是唐山市面臨的重要污染問題。近年來，唐山市高度重視大氣環(huán)境污染問題，采取眾多污染防治措施，環(huán)境質(zhì)量得到改善。自2013年以來，唐山市PM2.5年均濃度下降62.61%，而O3-8h濃度則上升了49.07%，其復(fù)合污染問題不容忽視。本文基于2019～2021年唐山市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其PM2.5和O3污染的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，以期為唐山市PM2.5和O3復(fù)合污染的協(xié)同防治提供依據(jù)。

2 材料與方法

基于唐山市國、省、市控站數(shù)據(jù)，對(duì)2019～2021年唐山市及19個(gè)縣區(qū)的PM2.5和O3質(zhì)量濃度年均變化及日變化特征進(jìn)行分析。根據(jù)中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部城市空氣質(zhì)量狀況月報(bào)(https://www.mee.gov.cn/hjzl/dqhj/cskqzlzkyb/)，分析3年間PM2.5和O3的月濃度變化規(guī)律。該兩項(xiàng)污染物的濃度限值均依據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3095-2012)。

3 結(jié)果與討論

3.1 PM2.5和O3-8h年際變化特征

2019～2021年，唐山市PM2.5及O3-8h年均濃度均呈下降趨勢(shì)(圖1)。2021年唐山市PM2.5及O3-8h年均濃度分別為43 μg/m3和161 μg/m3，在168城市中分別排名第131名和第119名；與2019年相比，2021年P(guān)M2.5和O3-8h分別下降11 μg/m3和29 μg/m3，下降幅度分別為20.37%和15.26%，2021年P(guān)M2.5和O3-8h的改善效果較明顯，但其濃度仍超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(PM2.5：35 μg/m3；O3-8h：160 μg/m3)。

圖1 2019～2021年唐山市PM2.5及O3-8h變化規(guī)律

統(tǒng)計(jì)近3年來PM2.5和O3-8h超標(biāo)天數(shù)，PM2.5分別超標(biāo)68 d、57 d以及53 d；O3-8h分別超標(biāo)75 d、65 d、37 d。與2019年相比，2021年唐山市PM2.5和O3-8h超標(biāo)天數(shù)分別下降13 d以及38 d。2021年唐山市以PM2.5為首要污染物的天數(shù)為73 d，較2019年下降14 d，較2020年下降17 d；以O(shè)3為首要污染物的天數(shù)為116 d，較2019年下降3 d，較2020年上升8 d。綜上可知，2021年唐山市PM2.5污染有所改善，但O3-8h超標(biāo)情況有所反彈，其污染不容忽視，對(duì)PM2.5與O3復(fù)合污染的協(xié)同控制需得到高度關(guān)注。

3.2 PM2.5和O3-8h季節(jié)變化特征

根據(jù)圖2對(duì)比分析2019～2021年P(guān)M2.5和O3三年季節(jié)平均濃度變化特征，可以看出2019年及2021年P(guān)M2.5的季節(jié)變化特征均表現(xiàn)為冬季>春季>秋季>夏季；2020年則表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季的變化規(guī)律。PM2.5污染多發(fā)于冬季，冬季的取暖燃燒以及逆溫條件不利于PM2.5的擴(kuò)散，導(dǎo)致污染程度增加，而夏季唐山市較高的溫度以及較大的濕度不利于PM2.5的積累，大氣中的PM2.5通過雨水的沖刷沉降到地面，從而減少了大氣污染程度[17]。

注：春季：3～5月；夏季：6～8月；秋季：9～11月；冬季：12、1～2月圖2 2019～2021年唐山市PM2.5與O3-8h平均濃度季節(jié)變化

2019～2021年O3濃度季節(jié)變化特征較為一致，為夏季>春季>秋季>冬季，相比于秋冬季，春夏季，受溫度和太陽輻射的影響強(qiáng)烈，O3污染凸顯，O3濃度容易出現(xiàn)超標(biāo)狀況，溫度越高，太陽輻射越強(qiáng)，大氣中的臭氧生成速率越高[3]。同比2019年，2020年夏季和冬季O3平均濃度分別上升5.19%和12.70%，其余季節(jié)O3濃度表現(xiàn)下降趨勢(shì)。2021年冬季O3平均濃度分別較2019年及2020年同期上升14.29%和1.41%。

對(duì)3年間唐山市PM2.5與O3-8h月均濃度變化特征進(jìn)行了對(duì)比分析(圖3)。就PM2.5平均濃度而言，2019～2021年唐山市PM2.5濃度超標(biāo)情況集中出現(xiàn)于1～3月份以及10～12月份，其超標(biāo)天數(shù)分別占全年的82.35%、94.44%以及94.34%。對(duì)比月均濃度，2020年1月份、8月份以及10月份PM2.5濃度均較同期有所反彈，分別同比上漲8.05%、38.46%、1.92%。2021年2月份、3月份、4月份以及11月份，PM2.5濃度分別較同期上漲6.85%、39.19%、4.76%以及2.00%；另外，2月份和3月份PM2.5濃度較2019年上漲1.39%、23.33%。總體上，3年間PM2.5超標(biāo)情況有所緩解，2021年3月份PM2.5濃度及超標(biāo)天數(shù)反彈明顯。

圖3 2019～2021年唐山市PM2.5與O3-8h濃度月度變化

O3-8h濃度超標(biāo)情況則集中出現(xiàn)在4～9月份。同比2019年，2020年僅5月份、6月份、9月份濃度出現(xiàn)下降情況，下降幅度分別為9.7%、1.2%以及22.2%，9月份同比下降最多；剩余月份O3-8h濃度均較2019年高，同比增長率的范圍為0.95%～21.67%，其中1月份同比增長最高，濃度較2019年升高13 μg/m3。2021年O3污染有所緩解，僅2月份、9月份以及11月份出現(xiàn)反彈情況，濃度分別為95 μg/m3、182 μg/m3、67 μg/m3，分別同比增長14.74%、5.49%、8.96%。對(duì)比超標(biāo)天數(shù)，除8月份以外，2021年各月超標(biāo)天數(shù)均較2019年明顯下降，超標(biāo)天數(shù)共下降38 d。

2019～2021年唐山市PM2.5及O3日濃度變化序列如圖4所示。2019年P(guān)M2.5峰值濃度出現(xiàn)于1月12日，濃度為279 μg/m3；2020年，PM2.5最高日濃度同比下降29 μg/m3，出現(xiàn)在1月18日；2021年P(guān)M2.5最高日濃度為178 μg/m3，出現(xiàn)在2月11日。對(duì)比2019年，2021年最高日濃度下降明顯，其濃度較2019年下降36.20%。

圖4 PM2.5及O3濃度日變化序列

2019～2021年O3最高日濃度均出現(xiàn)于6月份。2019年最高日濃度為295 μg/m3，出現(xiàn)于6月24日；2020年O3在6月7日達(dá)到最高日濃度，其濃度同比下降5.17%，為280 μg/m3；2021年O3最高日濃度為271 μg/m3，較2019年下降8.14%，出現(xiàn)在6月12日。

3.3 PM2.5和O3日變化特征

根據(jù)圖5，PM2.5的日變化規(guī)律呈雙峰變化，2019年以及2020年P(guān)M2.5最高濃度出現(xiàn)在日間7時(shí)，其濃度分別為70 μg/m3、48 μg/m3；2021年P(guān)M2.5最高濃度出現(xiàn)在凌晨4：00～5：00，其濃度為43 μg/m3。最低濃度出現(xiàn)在午后14：00～16：00，2019～2021年P(guān)M2.5最低濃度分別為34 μg/m3、31 μg/m3以及28 μg/m3。對(duì)比2019年，2021年P(guān)M2.5最高濃度和最低濃度分別下降38.8%和17.0%。

圖5 2019～2021年唐山市PM2.5和O3濃度小時(shí)變化

PM2.5日變化趨勢(shì)的原因可能為，日出以后，隨著混合層高度的升高，大氣湍流垂直交換能力增強(qiáng)，PM2.5濃度得到一定稀釋，在午后14～16時(shí)濃度達(dá)到谷值；夜間PM2.5濃度再次上升，可能受逆溫層影響，PM2.5不易于擴(kuò)散，導(dǎo)致其在夜間持續(xù)積累，濃度較高[18,19]。

O3小時(shí)濃度日變化呈單峰變化特征。2019～2021年O3最低濃度均出現(xiàn)在5：00～7：00，其濃度均為28 μg/m3；在15：00～16：00 O3濃度達(dá)到最高，3年間最高濃度分別為114 μg/m3、97 μg/m3、94 μg/m3。O3小時(shí)濃度變化特征與氣象條件聯(lián)系，日出后，隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加，光化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，O3逐漸生成并積累，在午后達(dá)到濃度最高值；隨后隨著紫外線輻射強(qiáng)度的減弱，光化學(xué)反應(yīng)速率減小，并且NO對(duì)O3的滴定作用不斷消耗O3，此時(shí)O3的生成速率小于消耗速率，夜間O3小時(shí)濃度逐漸降低，直到清晨達(dá)到最低濃度[20～22]。

3.4 PM2.5和O3的空間分布特征

2019～2021年唐山市各縣區(qū)PM2.5及O3-8h年均濃度變化如圖6所示，可以看出，2019～2021年唐山市各縣區(qū)PM2.5及O3-8h濃度下降明顯。對(duì)于PM2.5濃度，2019年，唐山市各縣區(qū)PM2.5濃度均超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；2020年，僅唐山國際旅游島PM2.5濃度低于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為34 μg/m3；2021年，豐南區(qū)、遷安市、唐山國際旅游島以及海港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)PM2.5濃度降低明顯，同比下降率分別為22.22%、17.07%、17.65%以及37.21%。綜合3年來各縣區(qū)PM2.5污染狀況可知，古冶區(qū)、豐潤區(qū)以及灤州市污染情況相較其他縣區(qū)嚴(yán)重，其濃度水平在縣區(qū)中排名倒5。

圖6 2019～2021年唐山市各縣區(qū)PM2.5及O3-8h年均濃度

根據(jù)圖6可知，2019年唐山國際旅游島、玉田縣、遷西縣、遵化市以及路南區(qū)O3-8h濃度表現(xiàn)較高水平，濃度排名倒5，其中唐山國際旅游島、玉田縣、遷西縣以及遵化市4個(gè)縣區(qū)O3-8h濃度均超過200 μg/m3。與2019年相比，2020年唐山國際旅游島O3-8h濃度下降明顯，2020年濃度排名倒5的縣區(qū)分別為遷西縣、路南區(qū)、遵化市、玉田縣以及開平區(qū)，最高濃度較2019年下降23 μg/m3。2021年O3-8h年均濃度超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的縣區(qū)主要有玉田縣、豐潤區(qū)、路北區(qū)以及古冶區(qū)，其濃度水平分別較2019年下降17.73%、8.43%、11.96%以及14.81%。綜合2019～2021年空間分布，玉田縣、遷西縣、遵化市以及路南區(qū)O3-8h污染水平相對(duì)較高(表1)。

選取特征月份1月份、4月份、7月份以及10月份分別代表冬季、春季、夏季以及秋季，對(duì)2021年唐山市PM2.5以及O3-8h的空間分布進(jìn)行分析。根據(jù)表1，2021年1月份、4月份以及10月份唐山市各縣區(qū)PM2.5濃度普遍超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而7月份則未出現(xiàn)PM2.5濃度超標(biāo)現(xiàn)象。1月份，PM2.5濃度高值出現(xiàn)在豐潤區(qū)、蘆臺(tái)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)以及路北區(qū)，其濃度分別超出市均值(56 μg/m3)5 μg/m3、2 μg/m3、1 μg/m3；4月份，PM2.5高值濃度出現(xiàn)在路北區(qū)、古冶區(qū)以及蘆臺(tái)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，其濃度分別為43 μg/m3、43 μg/m3、42 μg/m3。10月份，PM2.5高值濃度主要出現(xiàn)在蘆臺(tái)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、路北區(qū)、路南區(qū)、豐潤區(qū)、高新區(qū)以及古冶區(qū)，PM2.5高值濃度主要集中在唐山市中心城區(qū)(表2)。

表1 2021年唐山市各縣區(qū)PM2.5濃度季節(jié)分布 μg/m3

表2 2021年唐山市各縣區(qū)O3-8h濃度季節(jié)分布 μg/m3

2021年1月份、4月份以及10月份，唐山市各縣區(qū)O3-8h濃度均低于國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，7月份O3污染超標(biāo)嚴(yán)重，其濃度均超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)表2，4月份唐山市各縣區(qū)O3-8h濃度處于120～160 μg/m3之間，其中遷西縣濃度相較其他縣區(qū)高；7月份，古冶區(qū)、開平區(qū)、遷安市以及路北區(qū)等縣區(qū)O3-8h濃度顯著，分別為205 μg/m3、199μg/m3、199μg/m3以及197 μg/m3。10月份，O3高值濃度則出現(xiàn)在唐山市東南部，唐山市國際旅游島、曹妃甸區(qū)、灤南縣、樂亭縣以及海港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)等地O3濃度分別為126 μg/m3、110 μg/m3、110 μg/m3、106 μg/m3以及105 μg/m3。

4 結(jié)論

(1)2019～2021年，唐山市PM2.5及O3年均濃度及超標(biāo)天數(shù)總體上呈下降趨勢(shì)，但其濃度仍超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，2021年唐山市PM2.5以及O3-8h濃度分別43 μg/m3以及161 μg/m3；且2021年以O(shè)3為首要污染物的天數(shù)較2020年有所反彈，PM2.5及O3的污染狀況仍需得到關(guān)注。

(2)唐山市PM2.5及O3濃度變化呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化規(guī)律：PM2.5的季節(jié)變化特征為冬季濃度高，夏季濃度低；O3的季節(jié)變化規(guī)律表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季。

(3)2019～2021年，唐山市PM2.5峰值濃度均出現(xiàn)在冬季1～2月份，O3峰值濃度均出現(xiàn)在6月；PM2.5小時(shí)濃度在4：00～7：00達(dá)到最高值；O3小時(shí)濃度日變化呈單峰型分布，峰值濃度出現(xiàn)在15：00～16：00。

(4)綜合2019～2021年污染物空間分布特征，PM2.5濃度高值主要出現(xiàn)在古冶區(qū)、豐潤區(qū)以及灤州市；O3-8h超標(biāo)濃度主要出現(xiàn)在玉田縣、遷西縣、遵化市以及路南區(qū)。