齊齊哈爾市PM2.5與氣象因素、氣體污染物濃度的相關性研究

鄭永杰 張 煒 田景芝

(齊齊哈爾大學 化學與化學工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

齊齊哈爾市PM2.5與氣象因素、氣體污染物濃度的相關性研究

鄭永杰 張 煒 田景芝

(齊齊哈爾大學 化學與化學工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

根據齊齊哈爾大學監測點2014年3月～2015年5月間的大氣實時監測數據及所采集的PM2.5樣品的分析數據，研究了監測期間各種氣體污染物濃度在不同時段的變化特征，以及氣象因素、各種氣體污染物濃度之間的相關性。PM2.5質量濃度與氣象要素的相關性分析顯示，PM2.5質量濃度與大氣壓、風向呈正相關，與溫度、濕度和風速呈負相關。PM2.5質量濃度與氣體污染物濃度的相關性分析表明，不同季節PM2.5質量濃度與氣體污染物濃度相關性不同，整個監測期間PM2.5質量濃度與SO2、CO、NO2濃度呈現正相關，與O3濃度呈較小的負相關。

環境學 PM2.5氣象因素 氣體污染物濃度

PM2.5的主要來源是化石燃料和生物質燃料的燃燒、工業生產、汽車尾氣排放等過程。由于其大多含有重金屬、有機污染物等有毒物質，被吸入人體后會直接進入支氣管,干擾肺部的氣體交換，引發包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病[1]。目前關于齊齊哈爾市PM2.5的研究較少[2～4]，主要包括對PM2.5單顆粒的形貌、組成及粒度分布特征進行研究，還分析了齊齊哈爾市大氣PM2.5的濃度特征、元素組成、水溶性離子及其來源。但未見對氣體污染物濃度的變化特征進行過研究，也未見針對氣象要素[5,6]、氣體污染物濃度[7,8]對PM2.5質量濃度的影響進行過研究。有研究表明[9]，氣象要素和氣體污染物及其形成的二次離子，對消光系數和大氣能見度都有較強的影響。

根據齊齊哈爾大學監測點在2014年6月～2015年5月期間采集的PM2.5樣品，獲得了PM2.5的質量濃度和氣象要素數據，通過中國環境監測總站獲得每天公布的氣體污染物濃度數據。研究了監測期間PM2.5質量濃度和各種氣體污染物濃度在不同時段的變化特征，以及PM2.5質量濃度、氣象因素、各種氣體污染物濃度之間的相關性。

1材料與方法

1.1 設備與材料

采樣儀器為1臺美國METONE粒子監測器(E-BAM)和1臺武漢天虹TH-16A型大氣顆粒物智能采樣儀。設置流量值為16.7L/min，采樣通道放置Teflon濾膜。

1.2 樣品采集

采樣地點位于齊齊哈爾大學中區校園院內(123.57°E，47.23°N)，東臨勞動湖，西鄰居民區，北側為交通干線，周邊無顯著的大氣污染排放源，能客觀的反映齊齊哈爾市空氣質量狀況。采樣點設在化學實驗樓三樓天臺，距地面高度約10米。

采用美國METONE粒子監測器(E-BAM)自動監測齊齊哈爾市氣象因素數據及PM2.5實時質量濃度。武漢天虹TH-16A型大氣顆粒物智能采樣儀連續采集24 h的PM2.5樣品，采樣時段為2014年3月～2015年5月每天早8:30至次日早8:30，使用直徑47 mm、孔徑0.3 μm的特氟龍濾膜(Teflon，Munktell，SE)，采樣流量為16.7 L/min，所采樣品用于計算PM2.5濃度及相關成分分析。

2結果與討論

本研究的采樣地點為文化區，根據《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)中對環境空氣質量功能區的劃分，本采樣點為二類區(居住區、商業交通居民混合區、文化區、工業區和農村地區。)應執行二級標準[12]。

2.1 PM2.5與氣體污染物濃度隨時間變化趨勢

2.1.1逐日變化規律

在監測期間，齊齊哈爾市PM2.5與四種氣體污染物濃度隨時間變化趨勢如圖1所示。監測期間PM2.5的平均質量濃度為41.58 μg/m3，略高于年平均值為35μg/m3的國家標準限值，在此期間有39日未達到日均值為75 μg/m3的國家標準限值。PM2.5質量濃度的峰值出現在2014年10月10日為131.68 μg/m3，是年平均濃度的3.76倍。SO2濃度的峰值主要出現在2014年11月至2015年2月，日均值范圍為3.5～99 μg/m3，最大日平均濃度出現在2015年2月3日，是年平均濃度的3.6倍。CO濃度的峰值主要出現在2014年10、11月和2015年3、4月，日均值范圍為200～2 229 μg/m3，最大日平均濃度出現在2014年11月10日，是年平均濃度的2.6倍。NO2濃度的峰值主要出現在2014年11月和2015年1、2月，日均值范圍為5.2～55.3 μg/m3，最大日平均濃度出現在2014年11月10日，是年平均濃度的2.6倍。O3濃度的峰值主要出現在2014年6、7、8月和2015年4、5月，日均值范圍為28～317 μg/m3，最大日平均濃度出現在2015年7月16日，是年平均濃度的4.1倍。

2.1.2季節性變化規律

本研究將季節分為春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)、冬季(12月～次年2月)。表1為SO2、CO、O3、NO2季度平均濃度。

圖1 四種氣體污染物濃度逐日變化曲線Fig 1 Daily variation curve of four kinds of gaseous pollutant concentration

SO2CONO2O3春21．83787．7319．2197．00夏7．76598．8714．5087．68秋28．39952．6622．0065．62冬52．961133．3130．0257．40

由表1可以看出， SO2濃度冬季明顯高于夏季，春秋季節相差不大，SO2冬季的平均濃度是夏季的6.8倍。CO和NO2的濃度趨勢同SO2一致，冬季的平均濃度分別是夏季的1.9倍和2.1倍。SO2的形成主要是燃煤導致的，CO和NO2也主要來源于燃煤，還有部分來源于生物質燃燒和機動車尾氣[11]。冬季是齊齊哈爾的采暖期，受燃煤影響，SO2、CO和NO2濃度在冬季最高，春秋季節也有部分時間處于采暖期，所以SO2、 CO和NO2濃度較高，而夏季最低。另外，氣象要素對氣體污染物的排放也有一定的影響，冬季氣壓較低時容易出現逆溫現象，不利于污染物的擴散，夏季降水對氣體污染物也起到了一定的清除作用。

O3濃度隨季節的變化趨勢與其他三種氣體污染物不同，O3濃度春夏季節高于秋冬季節，O3春夏季節的平均濃度是秋冬季節的1.7倍。O3主要是由于燃煤、生物質燃燒以及機動車尾氣排放到空氣中的二氧化硫、氮氧化物、揮發性有機物等一次污染物，在較高溫度和強光的作用下發生光化學反應形成的。一般來說，在晴朗夏季，風速小，污染物難以擴散，有利于光化學反應生成O3。所以O3濃度在春夏季節較高，秋冬季節較低。

2.2 PM2.5質量濃度與氣象要素、氣體污染物濃度相關性分析

2.2.1PM2.5質量濃度與氣象要素的相關性分析

將PM2.5質量濃度的全年日平均值和季度日平均值與氣象要素進行相關性分析。

圖2 PM2.5質量濃度與氣象要素之間的相關系數Fig 2 Correlation coefficient between PM2.5 mass concentration and meteorological factors

由圖2可知，從全年來看PM2.5質量濃度與大氣壓、風向呈正相關，與溫度、濕度和風速呈負相關。其中溫度對PM2.5質量濃度的影響最大。

由表2可知， PM2.5質量濃度在秋冬季節與溫度呈顯著負相關，說明在秋冬季節PM2.5質量濃度隨溫度的升高有明顯下降的趨勢。在春季，影響PM2.5質量濃度的因素主要是風速且為正相關，因為齊齊哈爾市主要污染源為燃煤飛灰，春季為非采暖期，本身污染較小，而且沒有降水對PM2.5的影響，所以當風速較大時，有利于污染區的PM2.5向齊齊哈爾輸送，因此在春季PM2.5的質量濃度與風速呈顯著正相關；在夏秋季節，影響PM2.5濃度的主要因素是風速和濕度，且濕度呈負相關，因為夏秋季節降雨量較大，降水對PM2.5有顯著的清除作用，所以在夏秋季節PM2.5的質量濃度隨濕度的增大而減小；在冬季，影響PM2.5濃度的主要因素是風向和風速，且風速呈負相關，因為齊齊哈爾市冬季為采暖期，污染較大，較大的風速有利于污染物的稀釋和擴散。

2.2.2PM2.5質量濃度與氣體污染物濃度的相關性分析

將PM2.5質量濃度的全年日平均值和季度日平均值與氣體污染物濃度的全年日平均值和季度日平均值進行相關性分析。

表2 PM2.5質量濃度與氣象要素之間的Pearson相關系數Table 2 Pearson coefficient between PM2.5 mass concentration and meteorological factors

圖3 PM2.5質量濃度與氣體污染物濃度之間的相關系數Fig 3 Correlation coefficient between PM2.5 mass concentration and gaseous pollutant concentration

由圖3可知，從全年來看PM2.5質量濃度與四種氣體污染物濃度之間都有較強的相關性，與SO2、CO、NO2濃度都呈現正相關，與O3濃度呈較小的負相關。其中CO和O3濃度對PM2.5質量濃度的影響最大。

表3 PM2.5質量濃度與氣體污染物之間的Pearson相關系數Table 3 Pearson coefficient between PM2.5 mass concentration and gaseous pollutant concentration

由表3可知，在春夏季節，由于風速小，污染物難以擴散，SO2等一次污染物，在陽光的作用下發生光化學反應形成O3，所以O3濃度與PM2.5質量濃度呈正相關，而與SO2、CO、NO2濃度多呈負相關；在秋冬季節，由于進入采暖期，受燃煤影響，SO2、 CO和NO2濃度較高，與PM2.5質量濃度呈顯著正相關，而且由于溫度的降低，不利于進行光化學反應，所以O3濃度隨溫度的降低而降低，與PM2.5質量濃度呈現顯著的負相關。SO2和CO的全年日平均濃度和各季節日平均濃度都具有較高的相關性，說明SO2和CO濃度存在一定的同源性，SO2和NO2濃度的相關性在秋冬季節較好，說明SO2和NO2濃度在秋冬季節存在一定的同源性。CO和NO2濃度的相關性在秋冬季節較好，說明SO2和NO2濃度在秋冬季節也存在一定的同源性。

3結 論

1. 齊齊哈爾市監測期間PM2.5的平均質量濃度為41.58 μg/m3,略高于年平均值為35 μg/m3的國家標準限值，在此期間有39日未達到日均值為75 μg/m3的國家標準限值。SO2、CO、NO2、O3的年平均濃度濃度分別為19.80 μg/m3、867.60 μg/m3、21.45 μg/m3、76.89 μg/m3，均低于二類區國家標準限值。

2. SO2的濃度變化日均值范圍為3.5～99 μg/m3，最大日平均濃度是年平均濃度的3.6倍；CO的濃度變化日均值范圍為200～2229 μg/m3，最大日平均濃度是年平均濃度的2.6倍；NO2的濃度變化日均值范圍為5.2～55.3 μg/m3，最大日平均濃度是年平均濃度的2.6倍；O3的濃度變化日均值范圍為28～317 μg/m3，最大日平均濃度是年平均濃度的4.1倍。

3. SO2、NO2、CO的濃度均具有明顯的季節性特征，冬季最高，夏季最低，春秋季節相差不大；O3的濃度與SO2、NO2、CO濃度的變化趨勢不同，春夏季節最高，秋冬季節較低。

4. PM2.5質量濃度與氣象要素的相關性分析顯示，整體看來PM2.5質量濃度與大氣壓、風向呈正相關，與溫度、濕度和風速呈負相關。

5. PM2.5質量濃度與氣體污染物濃度的相關性分析表明，監測期間PM2.5質量濃度與SO2、CO、NO2濃度都呈現正相關，與O3濃度呈較小的負相關。在春夏季節，由于在陽光的作用下發生光化學反應形成O3，所以O3濃度與PM2.5質量濃度呈正相關，在秋冬季節，不利于進行光化學反應，所以O3與PM2.5質量濃度呈現顯著的負相關。

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StudyofRelativitybetweenMeteorologicalFactors、GasPollutantConcentrationandPM2.5inQiqihar

Zheng Yongjie Zhang Wei Tian Jingzhi

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161000)

The variation characteristics of concentration of several gaseous pollutants during the monitoring in different periods, and the relativity between meteorological factors were studied. The concentration of gaseous pollutants and PM2.5in Qiqihar atmosphere were analyzed，according to the samples collection of monitoring site of Qiqihar University in March 2014 to May 2015. The correlation between PM2.5mass concentration and meteorological factors showed that PM2.5mass concentration was positively correlated with atmospheric pressure and wind direction, and negatively correlated with temperature, humidity and wind speed. The correlation analysis between PM2.5mass concentration and gas pollutant concentration showed that the correlation between PM2.5concentration and gas pollutant concentration was different in different seasons.During the monitoring period, the concentration of PM2.5was positively correlated with the concentrations of SO2, CO and NO2, and negatively correlated with the concentration of O3.

environmentalology PM2.5meteorological factors gas pollutant concentration

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.05.002

2017-04-05

齊齊哈爾市科學技術計劃項目(SFJH-2013176)

鄭永杰(1964～)，男，博士，教授，主要研究方向為環境污染物分析。