北京市城區2018年PM2.5和氣態前體物濃度季節與日變化特征

馬靜楠 馬朋坤

摘要：結合2018年北京市城區全年PM2.5、氣態前體物（SO2、O3、NO2、CO）質量濃度數據和氣象因素數據，分析了2018年北京市城區PM2.5和氣態前體物濃度季節與日變化特征。結果表明：2018年北京城區PM2.5平均質量濃度為50.0ug/m²，灰霾污染事件頻繁出現在春、秋、冬3個季節。SO2、NOz和CO與PM2.5質量濃度變化趨勢一致，PM2.5質量濃度與風速呈負相關，相紂濕度大于50%時，PM2.5迅速形成和累積。從季節與日變化特征來看，sO2、NO2、O3、PM2.s濃度在不同季節均呈現不同的日變化特征。春季偏南風和偏東風相對應的PM2.5濃度比較高，出現的霧霾污染事件較多夏季霧霾污染事件多發生在南風和西風風向。

關鍵詞：PM2.5;氣態前體物;季節變化;日變化;氣象要素

中圖分類號：X51 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）14-0065-05

1引言

大氣污染是近些年北京地區面臨的嚴重環境污染問題，對區域環境質量及氣候和人體健康造成巨大危害。北京地區大氣污染形式主要表現為顆粒物、臭氧（O3）、二氧化硫（S02）和氮氧化物（NOx）等污染物的復合污染。自《大氣污染防治行動計劃》實施以來，北京大氣污染物減排效果明顯，灰霾污染事件逐年減少。然而2018年北京市城區仍出現多次灰霾重污染過程，灰霾污染形勢仍非常嚴峻。因此，開展2018年北京城區大氣污染物的時間分布特征研究對于了解目前的大氣污染形勢非常重要。

復雜的大氣污染環境是造成北京地區灰霾天氣頻發的主要原因。PM2.5是城市灰霾污染過程中的主要污染源，其主要組成部分包括大氣中排放的一次顆粒物和大氣中氣態前體物經過大氣反應生成的二次顆粒物。相關研究表明，氣態前體物經過物理化學反應形成的二次顆粒物是大氣中PM2.5的主要來源。氣象因素是造成大氣污染形成的重要誘因，其主要表現為在高污染條件下，高濕環境和靜穩天氣能夠快速的促進二次顆粒物的形成，造成灰霾爆發性增長。目前國內已有很多學者對大氣污染的特征以及氣象因素的影響進行了大量的研究，但對于北京市大氣污染狀況以及氣象因素的研究大多針對短時間內的霾污染事件，而針對長周期的研究較少。同時，由于不同季節氣象條件的差異性較大，對于由于大氣污染物濃度季節性的污染特征和日變化特征方面的研究較少，這不足以全面、深人地了解北京市的大氣污染特征。

本文采用2018年北京市城區完整的大氣污染物和氣象因素觀測資料，對PM2.5和氣態前體物的時間分布特征進行研究，并研究氣象因素對大氣污染特征的影響以及大氣污染物季節性分布特征和日變化特征，為北京地區灰霾防控、預警和相關政策的制定提供科學依據。

2材料與方法

本文使用的PM2.5和氣態前體物（SO2、O3、NO2、CO）質量濃度數據源于北京市環境監測中心萬柳站。氣象數據來源于北京市氣象局海淀站點的常規地面1h觀測資料，包括溫度、相對濕度、降水量、風向和風速等。

利用Excel 2016建立數據庫并進行數據處理，使用Origin 9.1進行柱形圖、點線圖、風玫瑰圖的繪制和數據的相關性的運算。

3結果與討論

3.1數據總體介紹

由表1可見，北京市2018年全年氣溫平均值為13.3℃，最高氣溫為39℃，最低溫為-13.3℃。相對濕度范圍為6%～99%，平均值為51.9%，由于夏季高溫多雨，導致夏季相對濕度較大。春、冬兩季的平均風速較大，主要為偏北風向，而夏秋季節平均風速較小，為1.1m/s。2018年北京地區PM2.5的平均質量濃度為50.6ug/m3，最大值為332ug/m3。由圖1可見，全年灰霾污染事件和清潔天氣交替出現，其中大部分灰霾污染事件頻纂出現在春、秋、冬3個季節。灰霾污染事件的出現與劂速、風向和相對濕度具有較強的關系，當風向由北風轉向為南風，且風速小于1.5m/s時污染物會在短時間內迅速累積到最大值，且相對濕度大于50%時，形成灰霾污染事件。灰霾污染的清除往往伴隨著風速的變強，當風速大于3m/s時，灰霾更易消散。在2018年全年觀測期間，類似這種由氣象條件驅動的具有周期性的灰霾事件多次出現。對于污染氣體，由于春夏兩季的太陽輻射較強，使得O3濃度明顯高于秋冬兩季，而對于SO2、NO2和CO氣體質量濃度春冬季明顯高于夏秋兩季，尤其是由于冬季和初春的供暖導致SO2的平均質量濃度高于全年平均值近1.5倍。

3.2PM2.5濃度季節性變化特征

圖2為PM2.5濃度月均值的變化情況，總體上北京地區PM2.5月平均濃度比往年有明顯的下降趨勢。其中月平均濃度的最高值出現在3月份，11月份出現一個次高值，最低值出現在1、8、9月份。3月份PM2.5月平均濃度較高的原因是可能由于春季北京地區的沙塵天氣導致春季PM2.5的濃度增加。而11月份出現的次高值主要是由于北方地區開始冬季供暖，導致大氣中污染物濃度增加。由于近幾年京津冀地區居民供暖改造減少了散煤燃燒以及冬季較強的偏北風使得冬季PM2.5平均濃度明顯低于往年。8、9月份由于降水沖刷和氣體前體物濃度的降低，導致8、9月份的PM2.5濃度月平均值比較低。7月份PM2.5濃度較高可能的原因是在降水過程后空氣相對濕度增大，同時夏季盛行南風，將南部城市所排放的污染物輸送至北京地區，在靜穩天氣條件下造成了PM2.5濃度的增加。

3.3氣態前體物質量濃度和氣象因素對PM2.5質量濃度的影響

由圖3可見，SO2、NO2和CO與PM2.5質量濃度變化趨勢一致，其中在PM2.5質量濃度小于200ug/m2時，隨著PM2.5質量濃度的增加，SO2、NO2和CO質量濃度都呈現出快速增長。而當PM2.5;質量濃度大于200ug/m3時，SO2、NOz和CO質量濃度趨于平穩的變化趨勢。O3濃度隨著PM2.5質量濃度的增加呈現的變化趨勢為在PM2.5質量濃度小于200ug/m3時，O3濃度顯著下降，當PMz.。質量濃度大于200ug/m3后，O3濃度緩慢升高。這表明，氣態前體物濃度的增加是導致PM2.5濃度升高的主要原因。同時影響PM2.5累積和消散的主要氣象因素是風速和相對濕度，PM2.5質量濃度與風速呈負相關，隨著風速降低到1.5m/s后，相對濕度大于50%時，PM2.5迅速形成和累積，這些現象與之前的研究結果相一致。其主要原因是，低風速的靜穩天氣為PM2.5的形成和累積提供了良好的反應條件。隨著氣態前體物的不斷累積，高濃度的SO2、NO2通過光化學反應和O3氧化反應和非均相反應生成大量的無機鹽，形成二次顆粒物。而在高的相對濕度條件下SO2和NO3易發生液相非均相反應形成硫酸鹽和硝酸鹽，且形成的二次顆粒物在高的相對濕度環境中出現吸濕性增長，造成二次顆粒物迅速形成、增長和累積，形成霧霾污染事件。

3.4PM²5和氣態前體物質量濃度及相對濕度日變化的季節性特征

圖4呈現的是2018年北京城區PM2.5和氣態前體物質量濃度以及相對濕度不同季節的日變化特征情況，PM2.5和氣態前體物質量濃度以及相對濕度在各季節都呈現出明顯的日變化，但日變化特征有所不同。對于SO2濃度由于供暖排放導致春冬季要明顯高于夏秋季節，其濃度從6點開始不斷升高，在12點到達峰值后緩慢下降。由于早、晚高峰附近機動車尾氣的排放導致NO2質量濃度出現兩次增加情況，但質量濃度日變化受季節影響不大。由于太陽輻射導致大氣中O2濃度從6點開始迅速增長，到14點時為最高值，其中夏季O2濃度較高，其主要是由于夏季太陽輻射較強。對于PM2.5濃度，春、夏季夜間濃度較低，在早晨6點PMz.s濃度開始持續增長，在中午12點達到最大值，隨后開始下降，到18點左右濃度再次開始緩慢增長。這表明導致春夏兩季白天PM2.5濃度較高的原因可能是污染氣體通過光化學反應形成的二次顆粒物。對于秋冬兩季，PM2.5濃度在夜間較高，而在白天降低到最低值，在18點時開始出現明顯的增長趨勢，其主要原因是在18點時出現晚高峰，污染物排放增加，由于夜間大氣邊界層高度降低，相對濕度不斷增加導致顆粒物出現液相非均相反應和吸濕性增長。同時由于秋冬季較低的溫度使得大氣邊界層高度較低，邊界層高度的降低導致顆粒物和相對濕度增加;相對濕度增加一方面可促進液相非均相反應進而加速氣態前體物向顆粒物轉化，另一方面促進顆粒物吸濕增長，增加其輻射效應使得顆粒物在夜間更易發生物理化學反應，促進PM²5濃度的增加。

3.5PM2.5濃度與風速和風向關系季節行特征

影響PM2.5濃度周期性變化的主要氣象因素是風速和風向，由圖2可知，PM2.5濃度與風速成負相關，其對PM2.5濃度的影響主要表現為風速越大越有利于PM2.5消散，而風速低于1.5m/s時卻不利于污染物的擴散，使得污染物混合比較均勻，為大氣化學反應生成二次顆粒物提供了條件，加劇顆粒物濃度在短時間內迅速增長。同時風向也決定了污染物擴散和輸送方向，由于北京處于京津冀核心位置，周邊工業排放污染源較多，研究風向對北京地區PM2.5的影響有助于更好地了解區域性污染的季節性特征。圖5是根據2018年期間風速、風向數據繪制的各季節風玫瑰圖。由圖5可知，北京地區主要以西南風和東北風為主，風速主要在0～5m/s之間。春、夏季主要以南風和西南風向為主，而秋冬季主要以東北風向為主，其中冬季大于2m/s的風速較多，這對大氣污染物的消散非常有利。圖6為PM2.5濃度與風向對應的時間分布圖，從圖中可以看出，春季發生的霧霾污染事件比較多，這與前面的分析結果一致。從風向來看，在春季偏南風和偏東風向對應的PM2.5濃度比較高，出現的霧霾污染事件較多。這可能是由于東部地區和南部地區工業區排放的大氣污染物隨著東風和南風輸送到北京地區，同時與北京地區大氣污染物混合發生大氣物理化學反應形成二次顆粒物，造成北京地區PM2.5濃度迅速升高。而春季北風向對應的高濃度PM2.5可能是有北部地區的沙塵導致。對于夏季霧霾污染事件多發生在南風和西風風向，這可能是山西和河北方向的污染物隨風向輸送到北京，導致了北京地區夏季霧霾污染事件發生。在10月份至11月份發生的霧霾污染事件分別受到東風向、南風向和西風向的影響，這可能是由于10月份河北、山西和山東地區秸稈燃燒產生的污染物隨風向輸入北京，對北京地區PM2.5濃度的升高具有一定的貢獻。而冬季主要是以偏北風向為主，但是當有偏南風向出現時PM2.5污染事件仍然出現，這表明在冬季，南部地區的污染物在偏南風的輸送下仍然提高了北京地區PM2.5的濃度。綜上所述，由于不同季節的風向存在季節性差異，由風向導致的各季節灰霾事件也有差異，但各季節出現霧霾污染事件的風向多為南風和西南風。

4結論

（1）2018年北京城區PM2.5平均質量濃度為50.6ug/m3，最大值為332ug/m3，全年灰霾污染事件和清潔天氣交替出現，其中大部分灰霾污染事件頻繁出現在春、秋、冬3個季節。其中月平均濃度的最高值出現在3月份，11月份出現一個次高值，最低值出現在1、8、9月份。對于污染氣體，O3濃度春夏季明顯高于秋冬兩季，SO2、NO2和CO氣體質量濃度春冬季明顯高于夏秋兩季。

（2）SO2、NOz和CO與PM2.5質量濃度變化趨勢一致，對于O.濃度隨著PM2.5質量濃度的增加呈現的變化趨勢為在PM2.5質量濃度小于200ug/m2時，0。濃度顯著下降;當PM2.5質量濃度大于200ug/m3后，O3濃度緩慢升高。PM2.5質量濃度與風速呈負相關，隨著風速的降低到1.5m/s后，相對濕度大于50%時，PM2.5迅速形成和累積。

（3）SO2濃度從6點開始不斷升高，在12點到達峰值后緩慢下降。NO2濃度的增加主要出現在早晚高峰時期，且受季節性影響不大。由于太陽輻射的增強導致大氣中O2濃度從6點開始迅速增長，到14點時為最高值，其中夏季Os濃度最高。對于PM2.5濃度，在春、夏季在夜間濃度較低，在早晨6點PM2.5濃度開始持續增長，在中午12點達到最大值，隨后開始下降，到18點左右濃度再次開始緩慢增長。對于秋冬兩季，PM2.5濃度在夜間較高，而在白天降低到最低值，在18點時開始出現明顯的增長趨勢。

（4）北京地區主要以西南風和東北風為主，風速主要在0～5m/s之間。春、夏季主要以南風和西南風向為主，而秋冬季主要以東北風向為主，其中冬季大于2m/s的風速較多。春季偏南風和偏東風向對應的PM2.5濃度比較高，出現的霧霾污染事件較多。對于夏季霧霾污染事件多發生在南風和西風風向。