夏季降雨對(duì)大氣污染物的清除影響*

劉 星 黃 虹# 左 嘉 鄒長偉 鄒友琴 黃業(yè)星 趙國登 陳 倩

(1.南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西 南昌 330031；2.南昌市環(huán)境監(jiān)測站，江西 南昌 330038)

近年來，大氣污染形勢嚴(yán)峻，特別是城市區(qū)域，霧霾天出現(xiàn)的頻率有增加的趨勢，嚴(yán)重威脅人群健康和生態(tài)環(huán)境，并對(duì)全球氣候帶來不利影響。顆粒態(tài)污染物從大氣中的去除過程主要為干沉降和濕沉降過程[1]，一些氣態(tài)污染物也通過干濕沉降從大氣中去除，而降雨是濕沉降的主要過程，因此研究降雨和大氣污染物的關(guān)系，對(duì)大氣污染的預(yù)防與控制具有重要意義。

國內(nèi)外也有許多學(xué)者研究降雨對(duì)大氣污染物的影響。陳小敏等[2]115-120和張文靜等[3]研究了不同等級(jí)降雨對(duì)大氣污染物的清除能力。謝鵬等[4]和王躍思等[5]研究了雨水中污染物離子濃度，進(jìn)而推斷降雨對(duì)大氣污染物的清除效果。康漢青等[6]研究了降雨、降雪及霧過程對(duì)氣溶膠的清除系數(shù)與氣溶膠粒徑分布的相互關(guān)系。周國兵[7]分別研究了日降水、連續(xù)降水和逐時(shí)降水對(duì)PM10、SO2、NO2和空氣污染指數(shù)(API)的影響。BAE等[8-9]研究了雨滴與氣溶膠之間的漂移和靜電作用，氣溶膠因兩種作用與雨滴發(fā)生碰撞而去除。LAAKSO等[10]通過長期觀測濕沉降對(duì)0.01～0.50 μm氣溶膠的清除，研究降水對(duì)氣溶膠的清除系數(shù)和清除效率。CHATE等[11]研究降水對(duì)不同粒徑顆粒物的清除機(jī)制和清除效果，研究兩者間的相互作用。YOO等[12]通過長期觀測認(rèn)為，夏季降雨對(duì)PM10、SO2、NO2和CO有清除作用，對(duì)O3濃度沒有影響。本研究著重就不同等級(jí)的降雨量、降雨場數(shù)和降雨累積時(shí)間通過沖刷作用對(duì)大氣污染物濃度的影響進(jìn)行分析，為大氣污染物的人工干預(yù)、人工清除提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 SO2日均質(zhì)量濃度與日降雨量的變化

1 資料與方法

降雨量由APS-3A型降雨降塵自動(dòng)采樣器實(shí)際監(jiān)測得到。采樣器位于江西省南昌市紅谷灘新區(qū)南昌大學(xué)前湖校區(qū)環(huán)境樓樓頂。

大氣污染物的濃度數(shù)據(jù)來源于南昌市環(huán)境監(jiān)測站的“南昌市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布”，每天定時(shí)記錄建工學(xué)校監(jiān)測站點(diǎn)(位于紅谷灘新區(qū)新府路某辦公樓樓頂)SO2、NO2、PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度，記錄時(shí)間為夏季(2014年6月16日至7月15日)，共30 d。

建工學(xué)校監(jiān)測點(diǎn)位于南昌市紅谷灘新區(qū)，距離南昌大學(xué)前湖校區(qū)環(huán)境樓的直線距離約為4 km，兩者均位于贛江西岸，屬南昌市新城區(qū)范圍，為商業(yè)交通居民混合區(qū)。兩采樣點(diǎn)均位于樓頂，兩點(diǎn)間無山脈和高大建筑物遮擋，大氣污染物濃度及氣象條件基本一致；在監(jiān)測期間，特別是降雨日，南昌市風(fēng)速都為微風(fēng)或靜風(fēng)，大氣湍流造成污染物干沉降的影響很小，所以本研究數(shù)據(jù)具有可分析性。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨對(duì)SO2濃度的影響

在南昌大學(xué)前湖校區(qū)環(huán)境樓樓頂監(jiān)測日降雨量，并記錄SO2日均質(zhì)量濃度，分析兩者在觀測期間的分布與變化趨勢，結(jié)果見圖1。

當(dāng)日降雨量≥10 mm(即中強(qiáng)雨降雨)時(shí)，當(dāng)天的SO2日均質(zhì)量濃度大都對(duì)應(yīng)出現(xiàn)一個(gè)谷值(6月17日、6月21日、6月24日、7月11日、7月13日、7月15日)，說明中強(qiáng)雨降雨對(duì)大氣中SO2有明顯的清除作用(清除效率為14.3%～50.0%，其中清除效率是指降雨前一日大氣污染物濃度與降雨日大氣污染物濃度的差值占降雨前一日大氣污染物濃度的分?jǐn)?shù)[2]115-116，[13])；在中強(qiáng)降雨后的第2天(如6月18日、7月14日)，沒有降雨或日降雨量很小時(shí)，SO2日均濃度反彈升高，反過來也說明中強(qiáng)降雨對(duì)大氣中SO2的清除作用。

但在6月27日，日降雨量為50.8 mm(遠(yuǎn)超過10 mm)，SO2日均濃度僅從前一日的24 μg/m3下降到22 μg/m3，降低了2 μg/m3，清除效率很低，與上述討論的中強(qiáng)降雨對(duì)SO2清除效率高的規(guī)律不完全相符，分析其原因主要是由于前一日大氣中SO2日均濃度較低，導(dǎo)致第2天降雨對(duì)其沖刷作用較小。可見，降雨對(duì)大氣中低濃度SO2清除無明顯作用。

從圖1中能比較明顯地看到中強(qiáng)降雨對(duì)SO2的清除影響，但小雨(日降雨量<10 mm)對(duì)SO2的清除效率從圖1中不易看出規(guī)律，故把≥10 mm降雨日的數(shù)據(jù)全部剔除后，再與SO2日均質(zhì)量濃度的分布對(duì)應(yīng)比較，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，當(dāng)前一天沒有降雨(如6月18日)或前一天SO2日均質(zhì)量濃度較高(高于25 μg/m3)時(shí)(如7月2日)，且第2天出現(xiàn)1 mm<日降雨量<10 mm時(shí)，SO2日均濃度會(huì)有較明顯的降低趨勢，說明>1～<10 mm的降雨也會(huì)對(duì)SO2有一定的清除作用。

但當(dāng)前一天因中強(qiáng)降雨導(dǎo)致SO2日均濃度特別低時(shí)，第2天即使出現(xiàn)1 mm<日降雨量<10 mm，也不一定會(huì)繼續(xù)對(duì)SO2有清除作用。比如，結(jié)合圖1和圖2可見，6月21日日降雨量達(dá)到116.5 mm，SO2日均質(zhì)量濃度受強(qiáng)降雨影響在觀測期間達(dá)到最低值(12 μg/m3)，第2天(6月22日)連續(xù)降雨(日降雨量為4.5 mm)，這時(shí)SO2日均質(zhì)量濃度沒有下降，而是升高為16 μg/m3，說明>1～<10 mm的降雨對(duì)SO2的清除作用受前一天的降雨量和SO2本底濃度的影響。7月11、12日出現(xiàn)同樣的規(guī)律，7月11日中強(qiáng)降雨(日降雨量為19.5 mm)，SO2日均質(zhì)量濃度下降到22 μg/m3，7月12日連續(xù)降雨(降雨為1.2 mm)，SO2日均質(zhì)量濃度升高為31 μg/m3。

圖2 日降雨量<10 mm時(shí)的SO2日均質(zhì)量濃度與日降雨量變化

圖3 NO2日均質(zhì)量濃度與日降雨量的變化

≤1 mm的降雨情況出現(xiàn)時(shí)，降雨當(dāng)天SO2日均濃度相比前一日，有些表現(xiàn)為降低趨勢，如6月25、26日以及7月4、5日；有些則表現(xiàn)為升高趨勢，如6月29、30日及7月1、2日。這說明，≤1 mm的降雨對(duì)SO2濃度的影響不明顯。

另外，從圖1和圖2還可以看出，日降雨量與SO2日均濃度沒有形成絕對(duì)的反比關(guān)系，即日降雨量越大，SO2日均濃度不一定越小。分析降雨對(duì)SO2的清除作用，除受降雨量的影響外，可能還與降雨累積時(shí)間和降雨場數(shù)有關(guān)。比如，6月19日日降雨量僅為1.6 mm，日降雨累積時(shí)間為126 min，降雨對(duì)SO2的清除效率為34.4%，7月3日日降雨量為3.2 mm，日降雨場數(shù)為5場，對(duì)SO2的清除效率為32.1%，這兩日的清除效率都高于7月11日(29.0%)，而7月11日日降雨量為19.5 mm，日降雨累積時(shí)間為100 min，日降雨場數(shù)為2場；同樣，6月22日日降雨量為4.5 mm，日降雨場數(shù)為12場，降雨持續(xù)時(shí)間近5 h，而當(dāng)天的SO2日均質(zhì)量濃度僅為16 μg/m3。這進(jìn)一步說明了，降雨場數(shù)和降雨累積時(shí)間對(duì)SO2濃度有較大的影響。

2.2 降雨對(duì)NO2濃度的影響

2014年6月16日至7月15日記錄的NO2日均質(zhì)量濃度和日降雨量的變化見圖3。

從圖3可以看出，日降雨量的變化與大氣中NO2日均濃度的變化不存在一致或相反的變化規(guī)律，有時(shí)出現(xiàn)中強(qiáng)降雨，NO2日均濃度表現(xiàn)為降低趨勢(6月21日、6月24日、7月11日和7月13日)，有時(shí)則表現(xiàn)為升高趨勢(6月17日、6月20日、6月27日和7月15日)。這說明，中強(qiáng)降雨對(duì)NO2濃度影響不大。

同樣從圖3還可以看出，6月19日、6月22日、6月23日、6月30日、7月2日、7月3日、7月14日出現(xiàn)小雨，NO2日均濃度比前一日升高；6月26日、6月28日、7月5日和7月12日出現(xiàn)小雨，NO2日均濃度比前一日降低。這說明，小雨對(duì)NO2濃度影響也不大。

圖4 PM10、PM2.5日均質(zhì)量濃度與日降雨量的變化

圖5 日降雨量<10 mm時(shí)的PM10、PM2.5日均質(zhì)量濃度與日降雨量變化

2.3 降雨對(duì)PM10和PM2.5濃度的影響

對(duì)收集期間日降雨量和PM10、PM2.5日均質(zhì)量濃度作變化趨勢曲線圖，分析兩者的相互變化關(guān)系，結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，除了6月21日，其他中強(qiáng)降雨日，PM10和PM2.5日均濃度均有明顯的降低趨勢，說明中強(qiáng)降雨對(duì)PM10和PM2.5均有明顯的清除效果，PM10和PM2.5的清除效率分別為20.2%～68.8%、20.0%～74.0%?？梢姡袕?qiáng)降雨對(duì)顆粒物的清除效率略高于對(duì)SO2的清除效率。

6月21日雖然出現(xiàn)中強(qiáng)降雨，但PM10、PM2.5日均質(zhì)量濃度分別為46、18 μg/m3，明顯比前一日升高，主要是因?yàn)榍耙蝗誔M10和PM2.5日均質(zhì)量濃度很低(分別為21、6 μg/m3)，6月21日出現(xiàn)一定的反彈回升現(xiàn)象。這說明，中強(qiáng)降雨對(duì)PM10和PM2.5的清除作用不僅受降雨量的影響，還受其降雨前PM10和PM2.5本底濃度影響。

同樣，為分析小雨對(duì)PM10和PM2.5的清除效率，剔除日降雨量≥10 mm的數(shù)據(jù)后，再與PM10和PM2.5日均質(zhì)量濃度的分布進(jìn)行比較，結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出，除了在6月28日(日降雨量為1.6 mm)，PM10和PM2.5日均濃度因受6月27日其本底濃度的影響，出現(xiàn)反彈現(xiàn)象外，在其他1 mm<日降雨量<10 mm的降雨日(6月19日、6月22日、7月3日、7月12日)，PM10和PM2.5日均濃度都比前一日降低，說明>1～<10 mm的降雨對(duì)PM10和PM2.5也有一定的清除效果，PM10和PM2.5的清除效率分別為17.4%～66.5%、27.8%～76.7%。

除了在7月14日(日降雨量為0.1 mm)，受前一日PM10和PM2.5本底濃度的影響，出現(xiàn)明顯的反彈現(xiàn)象外，其他日降雨量≤1 mm的降雨日(6月23日、6月26日、6月30日、7月2日、7月5日)對(duì)PM10和PM2.5的清除效率分別為2.3%～23.2%、-5.9%～21.7%，PM2.5的清除效率負(fù)值出現(xiàn)在6月30日(日降雨量為0.6 mm)，比前一日PM2.5增加了1 μg/m3，說明≤1 mm的小雨對(duì)PM10有一定的清除能力，對(duì)PM2.5的清除效果不明顯。

降雨對(duì)PM10和PM2.5的清除能力除了受降雨量的影響外，同樣也可能與降雨累積時(shí)間和降雨場數(shù)有關(guān)。在6月19日，日降雨量僅為1.6 mm，日降雨累積時(shí)間超過2 h，日降雨場數(shù)為1場，對(duì)PM10和PM2.5的清除效率分別為22.4%、36.4%；在7月3日，日降雨量為3.2 mm，日降雨累積時(shí)間109 min，日降雨場數(shù)為5場，對(duì)PM10和PM2.5的清除效率分別為40.0%和62.1%；在6月24日，日降雨量為10.4 mm，日降雨場數(shù)為11場，日降雨累積時(shí)間為512 min，對(duì)PM10和PM2.5的清除效率分別為32.4%、41.7%，高于7月11日降雨對(duì)PM10和PM2.5的清除效率(分別為20.2%、20.0%)，而7月11日，日降雨量為19.5 mm，日降雨累積時(shí)間為100 min，日降雨場數(shù)為2場，說明降雨累積時(shí)間和降雨場數(shù)對(duì)PM10和PM2.5的清除有一定的影響。

3 結(jié) 論

(1) 中強(qiáng)降雨對(duì)大氣中的SO2、PM10和PM2.5都有明顯的清除效果，對(duì)SO2、PM10和PM2.5的清除效率分別為14.3%～50.0%、20.2%～68.8%、20.0%～74.0%；>1～<10 mm的降雨對(duì)SO2、PM10和PM2.5也有一定的清除效果；≤1 mm的降雨，對(duì)PM10具有清除作用，但清除效率較低(2.3%～23.2%)，而對(duì)SO2和PM2.5清除效果不明顯，有時(shí)還會(huì)增加SO2和PM2.5的濃度。降雨量對(duì)NO2的濃度變化影響不大。

(2) 降雨對(duì)大氣污染物的清除效率受降雨前污染物本底濃度的影響，污染物本底濃度很低時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)反彈現(xiàn)象。

(3) 降雨對(duì)污染物的清除效率除了受降雨量的影響外，其降雨場數(shù)和降雨累積時(shí)間對(duì)其也有一定的影響。

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