三大典型城市大氣污染物的變化特征研究

繆佳慧 萬升理 張夢琦 潘星任 秦鵬飛

摘要：選取北京、濟南和臨沂這三大典型城市各月份的大氣污染物監測數據，分析了大氣中的主要污染物（PM10、PM2.5、N02、S02和03）的月平均變化，發現不同地區的地形條件、氣象條件和能源結構等是影響大氣污染狀況的重要因素。其中，機動車尾氣是北京大氣污染的主要來源，重工業是濟南大氣污染的主要來源，臨沂則是復合型污染。以期為大氣顆粒物的風險評估和環境空氣質量監控提供參考。

關鍵詞：大氣污染;PM2.5;NOx

中圖分類號：X83

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（ 2019） 24-0094-04

1 引言

近年來，隨著我國城市化和工業化進程的加快以及機動車保有量的迅速增長，空氣污染問題日趨嚴重，直接威脅人類的健康，并對氣候和生態環境產生重大的影響。大氣污染已經成為政府和社會共同面臨的嚴峻問題。據世界衛生組織（WHO）估計，全球每年有近300萬人死于大氣污染相關疾病，約占全球年死亡總數的5%。城市大氣環境中的污染問題主要包括：二氧化硫（SO2）含量較高、總懸浮顆粒物（TSP）濃度較高、機動車數量的增多導致污染物排放量增多、氮氧化物（ NOx）濃度高，造成大氣污染日趨嚴重，特別是近些年來，細顆粒物（PM2.5）污染的加重等多種現象已引起了社會各界的高度重視。

大氣環境污染是一個區域性的污染問題，污染情況受到當地地理氣象條件、工業污染等因素的影響，存在著比較明顯的時空分布特征。不同地區地形和地面的影響、山脈的阻滯作用和城市的高層建筑等都會對當地大氣污染的流通傳播產生不同的影響。

2 三個典型城市大氣代表性污染物變化特征分析

2.1 調查方法

本文以北京、濟南和臨沂作為三個典型城市，以2018年8月至2019年4月的監測數據資料為基礎數據，結合各地區特有的地理、氣象條件，用對比分析的方法對大氣污染物變化特征分析了大氣中的主要污染物（PM10、PM2.5、N02、S02、03）的月平均變化，氣態污染物之間的相關性，以期得到不同地區秋冬季各污染物的變化趨勢以及不同地區之間的差異，以及同一地區各污染物的月際變化趨勢以及不同污染物之間的關聯。為了更準確的對比不同區域污染物之間的差異，各監測點數據均來自國家監測網站和山東省城市環境空氣質量信息網，從而為大氣顆粒物的風險評估和環境空氣質量監控提供參考。

2.2 污染物總體變化情況

由圖1可以發現，特征污染物濃度由高到低依次是PM10、PM2.5、N02、S02，其中濟南和臨沂地區的PM10、PM2.5和NO2濃度在1月份達到濃度高峰后略有下降，但03的變化趨勢與之相反，而北京污染物濃度相對變化不明顯。濟南和臨沂PM10、PM2.5、S02濃度都比北京高且在冬季有峰值，而北京大氣污染物濃度波動較小。濟南和臨沂污染物濃度整體呈季節性，冬季達到污染物峰值，夏季污染物濃度較低。

2.3 典型污染物對比分析

2.3.1 大氣顆粒物濃度變化分析

調查發現，顆粒物的濃度隨季節變化比較大。如圖2所示，濟南和臨沂PM10、PM2.5濃度整體變化趨勢相似呈倒V型，濃度高峰都在冬季，北京的PM10、PM2.5濃度相對較低的，濃度峰值在11月份。

據北京市環保局對外公布的數據表明北京市全年PM2.5來源中本地污染排放貢獻占2/3，區域傳輸貢獻約占1/3。區域傳輸是造成北京空氣污染嚴重的重要原因之一，在沒有區域傳輸下，污染物的濃度本應隨風速降低，但是北京周圍多工業區，主要指河北重工業地帶產生的大氣污染物經過區域傳輸到北京，給北京大氣帶來極大的影響。北京周邊城市地區大氣污染物排放量大，常年情況下，區域傳輸對北京PM2.5污染的影響為28%～36%;在極端不利氣象條件下，外來傳輸對北京大氣污染的影響高達50%左右。而近年來北京推行天然氣取暖，綠色能源結構，北京的冬季大氣污染物濃度降低，符合圖2中的冬季污染物濃度較低變化趨勢。另外，北京的春季短促，平均只有53 d，但其中有近20 d出現塵沙天氣。每當塵暴來臨，外來污染物經過區域傳輸進入北京形成沙塵污染。據統計，日降水量大于等于1 mm時，北京空氣質量的達標率是74%，但北京是北溫帶季風氣候，降水多集中在夏季，濕沉降在夏季除污效果明顯[1]。

據濟南市環保局對外公布的PM2.5來源分析結果，細顆粒物是此次重污染的主要污染物[2]。濟南PM2.5主要來自于本地的污染排放，本地污染排放貢獻占68%—80%，區域傳輸貢獻占20%～32%。其中燃煤、揚塵、工業生產和機動車是主要的來源。濟南特殊地形，四周地形都高于市區，城區呈現淺碟狀態，這樣的地理位置更容易形成逆溫，逆溫層大約在100 m左右，而排放的污染物分布在150 m以下，這樣就會使得污染物無法向外排放。濟南高濃度區域的大氣污染物排放均量高于全國平均水平[3]，除此之外機動車、揚塵和生活源的污染物排放強度也很大，而且過度集中在擴散條件差的城區區域。濟南處于供暖區，燃煤供暖加大了污染，惡劣的氣象條件使污染物濃度峰值出現在冬季1月份[4]。

臨沂大氣顆粒物中PM10來源廣泛，成分復雜。根據臨沂市氣象局所做的大氣顆粒物來源分析結果，主要來自于土壤，機動車尾氣和煤煙塵，其次是建筑灰塵和冶煉塵。冬季供暖期煤煙灰塵比重較非供暖期會上升1O%左右，而非供暖期土壤灰塵占總來源的比例高達55%以上，土壤灰塵的88%是來自于人類活動產生的二次揚塵[5]。因此，臨沂市大氣顆粒物污染是包括煤煙灰塵、揚塵、建筑灰塵和機動車尾氣在內的復合型污染，人類活動所形成的二次揚塵和機動車尾氣已經成為臨沂市大氣顆粒物污染的主要來源。

2.3.2

N02的變化情況分析

大氣中N02的來源分為自然源和人為源兩種。化石燃料的燃燒和機動車尾氣排放是N02的主要來源。各地的研究表明，機動車對氮氧化物排放量貢獻在40%～60%之間，而因為近地排放的原因，其對環境二氧化氮的濃度貢獻在70%以上，遠高于非機動車排放源的貢獻，機動車尾氣排放已成為城市氮氧化物污染的主要原因[6]。北京作為首都，交通量巨大，臨沂是山東物流之都，機動車數量居山東首位，濟南是名副其實的堵城，在道路擁堵二氧化氮濃度更易累積，且濟南和臨沂地形特殊污染物難擴散。從圖3中可以看出，濟南和臨沂兩城市N02的月際變化趨勢基本相同，兩城市都在1月份的時候出現污染物濃度高峰。冬天燃煤供暖會排放更多的污染物，而且氣溫低，風級減小更加不利于污染物的擴散稀釋。北京的NO2濃度較低，空氣質量較穩定，在冬季從西北來的季風使污染物向東南轉移，使北京的NO2濃度11月達到濃度高峰后呈現出下降的趨勢，在2月份受季風氣候的影響三市的NO2濃度達到了濃度的最低值。濃度明顯波動的在3月，這是因為3月是春季，北京多沙塵天氣加劇了空氣的污染，空氣中的污染物會聚集吸附在沙塵上危害更大。

2.3.3

S02的濃度分析

圖3表明，臨沂、濟南的S02濃度呈倒“V”型，北京濃度相對較低，低于《環境空氣質量標準》（ GB3095 -2012）。北京重工業區很少，山東相對來講重工業區比較多，工業源SO：排放量遠比生活源大。臨沂不僅板廠等高污染工業眾多，還是物流之都，機動車等數量居山東省首位，板材生產的污染物和機動車尾氣是臨沂大氣污染的一大問題。季節性變化明顯，SO2濃度冬春兩季高于夏秋兩季。三市為季風性氣候，冬季干燥少雨，北京受西北風影響較大但伴有沙塵天氣，濟南臨沂地形多形成逆溫現象，不利于污染物擴散稀釋，夏季雨水充沛，常伴有強對流天氣，有利于S02濕沉降。北方冬季供暖期需要燃燒大量的煤炭，煤炭含硫量約為0. 7%，冬季燃煤增多S02濃度升高。

2.3.4

S02、NOx與03間的相關性

研究表明，對流層03的產生主要來自光化學反應，03濃度變化速率與太陽紫外線輻射強度、揮發性有機物（ VOCs）及NOx等物質密切相關[7]。液態水含量是影響大氣中03濃度下降的最關鍵因子[8]，所以形成了三市的03的“U”型曲線。SO2濃度變化的倒“V”型曲線和03濃度變化的“U”型曲線相聯系，三市S02和03濃度的變化是負相關，但在圖4中北京S02和03濃度沒表現出明顯的相關性，主要與SO2濃度低波動小有關。三市N02和03濃度的對比由圖5可以看出，隨著N02濃度的升降03濃度降升，變化相反，呈現出明顯的負相關性。其原因一是N02會破壞臭氧層導致臭氧層的空洞，二是發生的光化學過程會導致NOx的減少和03的積累，因此兩者的變化趨勢是相反的。該研究結果與王海燕等對呼和浩特市大氣污染特征的研究結果相似。間接證明N02、S02之間具有同源性，因為這些污染物主要來自于化石燃料的燃燒和汽車尾氣的排放，直接得出大氣污染物03濃度與NO2、S02濃度之間呈極顯著負相關性[9]。

3 結論

大氣污染物濃度變化分析結果表明，三大城市的大氣污染季節性明顯，夏季污染物濃度較小，冬季污染物濃度較高。北京是政治經濟文化發展中心，大氣污染主要受污染物遷移、機動車尾氣、季風氣候、人類生產生活等影響，近年北京實行的綠色能源結構減少了污染物產生。濟南和臨沂是以重工業為主的城市，重工業城市定位以及工業布局不合理、能源消費結構不合理、供氣供熱等基礎設施建設滯后、機動車尾氣及揚塵重、地形特殊不利于大氣污染物擴散等，是引起濟南和臨沂地區大氣污染的主要因素。

在空氣治理方面，必須要優化工業布局，綠色能源結構，環保建材，施工期間做好揚塵污染防治，改進防治措施，加強環境污染防治宣傳力度，綠色出行，提升公民環保意識。大氣污染的治理應結合各城鄉發展需要和長遠規劃，制定完善和可行的大氣污染監測、管理和防治機制，切實踐行可持續發展理念，有效解決大氣污染治理問題。

參考文獻：

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[8]安俊琳，王躍思，李聽，等，北京地面紫外輻射與空氣污染的關系研究[J].環境科學，2008. 29（4）：1053—1058.

[9]李立忠，朱璐，金焰，等，黃石市大氣顆粒物的特征分析J].中南民族大學學報（自然科學版）.2017（4）：14—16.

收稿日期：2019-11-20

基金項目：山東省大學生創新創業計劃訓練項目（編號：S201910452017）;臨沂大學教學改革與研究項目“互聯網十時代背景下環境學科本科生自主學習能力培養途徑的探索與實踐”;臨沂大學校級教學質量工程項目“環境化學課程課堂教學模式的改革”

作者簡介：繆佳慧（1998-），女，臨沂大學資源環境學院學生。

通訊作者：秦鵬飛（1985-），女，副教授，研究方向為環境檢測與健康。