龍巖市中心城區(qū)大氣污染特征與相關(guān)性研究

謝麗萍

(福建省龍巖環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,福建 龍巖 364000)

近年來(lái)，隨著工業(yè)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，能源消耗不斷增加，導(dǎo)致大氣污染物不斷增加，大氣污染問題日益顯著?，F(xiàn)有大氣污染類型也發(fā)生了變化，從煤煙型污染、“光化學(xué)污染”轉(zhuǎn)變成混合型污染，多種大氣污染物共存于大氣對(duì)流層中[1]。大氣污染不僅對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成不可忽視的危害，而且會(huì)損害人體健康[2]。

目前我國(guó)已有的大氣污染特征研究主要集中在大城市和發(fā)達(dá)城市，而對(duì)小城市大氣污染特征研究相對(duì)較少。對(duì)龍巖市大氣污染的研究由21世紀(jì)初的以降塵和可吸入顆粒物為主，經(jīng)十幾年的治理、工業(yè)結(jié)構(gòu)和交通生活方式演變，逐漸演變成以臭氧污染溯源、自動(dòng)監(jiān)測(cè)和治理為主。本文以龍巖市中心城區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)大氣污染綜合特征進(jìn)行分析，以期為大氣污染治理與控制提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

龍巖市地處福建省西南部，東與泉州、漳州兩市相鄰，西與江西省贛州市交界，南與廣東省梅州市相鄰，北與三明市接壤，位于福建東南沿海地區(qū)與內(nèi)陸腹地的結(jié)合部。地勢(shì)整體東高西低、北高南低。龍巖市中心城區(qū)位于行政區(qū)的東南部，中心城市規(guī)劃面積60km2，是一個(gè)較完整的盆谷地[3]。龍巖市屬海洋氣候與大陸性氣候的過渡帶，春夏季濕潤(rùn)多雨，秋冬季干燥少雨。年平均氣溫在15.8℃～20℃，歷年平均降水量為1559.4mm。常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸北睎|風(fēng)，風(fēng)頻為13.5%，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟夏衔黠L(fēng)，風(fēng)頻為8.3%。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用2016—2019龍巖市城區(qū)范圍市監(jiān)測(cè)站、龍巖二中、閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院和龍巖學(xué)院4個(gè)國(guó)控環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)因子包括SO2、NO2、CO、PM2.5和PM10的日均值和小時(shí)值，O3日最大8h平均值和O3小時(shí)值。

1.3 AQI

AQI為無(wú)量綱，其主要用于定量描述空氣質(zhì)量狀況。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(HJ633-2012)[4]，污染物項(xiàng)目P的空氣質(zhì)量分指數(shù)按式(1)計(jì)算：

(1)

式中,IAQIP—污染物項(xiàng)目P的空氣質(zhì)量分指數(shù)；CP—污染物項(xiàng)目P的質(zhì)量濃度值；BPHi—表1中與CP相近的污染物濃度限值的高位值；BPLo—表1中與CP相近的污染物濃度限值的低位值；IAQIHi—表1中與BPHi對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)；IAQILo—表1中與BPLo對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)。

空氣質(zhì)量指數(shù)按式(2)計(jì)算：

AQI=max{IAQI1,IAQI2,IAQI3,...,IAQIn}

(2)

式中：IAQI—空氣質(zhì)量分指數(shù)；n—污染物項(xiàng)目。

1.4 氣象資料和向后軌跡模式

氣象資料使用的是中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn)。后向軌跡使用的美國(guó)國(guó)家海洋大氣局(NOAA)發(fā)布的HYSPLIT模式(http://www.ready.noaa.Gov/ready/hysplit4.html)。

2 結(jié)果與討論

2.1 年際變化特征

從圖1可見，2016—2019年，龍巖市中心城區(qū)SO2、NO2、PM2.5、PM10、CO和O3六種污染物的IAQI年均值均小于50，表明龍巖市中心城區(qū)相應(yīng)大氣污染物的濃度較低，龍巖市中心城區(qū)空氣質(zhì)量整體優(yōu)良。SO2、NO2和CO三種污染物2016—2019年間IAQI值沒有明顯變化，表明這三種污染物濃度質(zhì)量在2016—2019年間變化比較平穩(wěn)。PM2.5和PM10兩種污染物的IAQI值2016—2018年有明顯的上升趨勢(shì)，2019年IAQI值下降。2016-2018年為 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度上升年，可能與以下因素有關(guān)：①近年來(lái)龍巖城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)進(jìn)行城市擴(kuò)容，大量基礎(chǔ)設(shè)施和房地產(chǎn)開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致濃度上升。②龍巖市中心城區(qū)內(nèi)汽車保有量不斷增加。2019年P(guān)M2.5和PM10質(zhì)量濃度下降，可能是由于2019年降雨日的天數(shù)比往年多，龍巖市中心城區(qū)所在地新羅區(qū)平均年降水量為2256mm，比常年相對(duì)偏多30%，屬偏多型年份。O3的年際IAQI值呈上升趨勢(shì)，且趨勢(shì)明顯。

2016—2019年，龍巖市中心城區(qū)的首要污染物是PM2.5、PM10和O3。同時(shí)從圖2可見，2019年P(guān)M2.5和PM10作為首要污染物的比例與2016年相比有所下降。2019年O3作為首要污染物的占比表現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，而且趨勢(shì)明顯，由2016年的59%增至76%，增幅達(dá)17%。由此可見，龍巖市中心城區(qū)臭氧污染問題逐漸凸顯。臭氧污染問題突出的主要原因可能由于外來(lái)高濃度O3和前體物的輸入、不利的擴(kuò)散天氣形勢(shì)和本地臭氧污染物的集聚。

圖1 2016—2019年空氣污染物IAQI年際變化趨勢(shì)

圖2 2016—2019年首要污染物占比

2.2 季變化特征

根據(jù)龍巖市季節(jié)氣候特點(diǎn)，對(duì)龍巖市六種空氣污染物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行季節(jié)的統(tǒng)計(jì)分析。四季劃分如下：3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12月至翌年的2月為冬季。將2016—2019年各類污染物IAQI日均值按季節(jié)劃分，得到各個(gè)污染物四季的IAQI的季節(jié)均值，見圖3。

圖3 2016—2019年空氣污染物IAQI季變化特征

從圖3可以看出，六種污染物的IAQI均值都低于50，說明龍巖市中心城區(qū)四季的整體空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良。其中SO2、NO2、PM2.5、PM10和CO的變化規(guī)律基本相同，冬季IAQI最高，春季與秋季次之，但春季與秋季差別不大，夏季最低。O3的IAQI則是春秋季高，夏季次之，冬季最低。這與國(guó)內(nèi)北京、廣州和無(wú)錫等城市一般夏季臭氧濃度較高的特征明顯不同[5-7]，而與福州和泉州等城市相同[8-9]。

2.3 日變化特征

如圖4所示，NO2和CO呈現(xiàn)雙峰特征，其中NO2的雙峰特征較明顯。日出后，由于早高峰機(jī)動(dòng)車輛較多，導(dǎo)致NO2和CO的IAQI值達(dá)到第一個(gè)高峰，但隨著溫度升高，太陽(yáng)紫外線輻射增強(qiáng)，與臭氧反應(yīng)程度增加，消耗NO2和CO在大氣中的含量，在13∶00-14∶00左右到達(dá)最低谷。NO2和CO第二峰值在21∶00左右，這是由于晚高峰排放量增加積累，太陽(yáng)輻射較小和傳輸擴(kuò)散條件變差造成。

圖4 空氣污染物IAQI日變化特征

SO2的IAQI值在全天中較為平穩(wěn)且較低。PM2.5和PM10的IAQI值具有較明顯的雙峰特征，在8∶00-10∶00達(dá)到第一高峰，20∶00-22∶00到達(dá)第二個(gè)高峰。PM2.5和PM10的日變化特征可能與早晚高峰汽車尾氣和餐飲業(yè)油煙排放，早晚大氣邊界層低不利于污染物擴(kuò)散有關(guān)。

O3的峰值出現(xiàn)在13∶00-14∶00，谷值出現(xiàn)在7∶00，O3變化呈現(xiàn)明顯的單峰值分布特征。O3谷值的分布與NO2第一個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)間基本重合，這主要是由于O3與早高峰機(jī)動(dòng)車排放的NOX反應(yīng)消耗，同時(shí)生成NO2。隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，早高峰機(jī)動(dòng)車排放的前體物在太陽(yáng)輻射下不斷反應(yīng)生成O3，O3濃度不斷累積，并在13∶00-14∶00到達(dá)峰值。隨著光解反應(yīng)的不斷進(jìn)行，紫外線減弱，O3濃度下降。龍巖市O3濃度日出現(xiàn)最大值的時(shí)間與福州市、泉州市具有一致性，但比北京市和?？谑械鹊豋3出現(xiàn)峰值的時(shí)間提前[10-11]。

2.4 一次臭氧超標(biāo)事件分析

2019年6月16日，龍巖市中心城區(qū)發(fā)生一次臭氧超標(biāo)事件。臭氧超標(biāo)日天氣為多云，以東南風(fēng)為主，風(fēng)速為0.5～1.6m/s。臭氧超標(biāo)日全天整體氣溫較高，最高氣溫32℃，最低氣溫22℃，整個(gè)氣象條件方面，受高空脊過境影響，溫度升高，紫外輻射增強(qiáng)(圖略)。以福建省龍巖環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站為起點(diǎn)，采用HYSPLIT模式對(duì)龍巖市中心城區(qū)臭氧超標(biāo)起(2019年6月16日14∶00)向后推移24h和48h不同高度處(100m、500m、1000m)的氣團(tuán)移動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬，見圖5。從圖5可見，HYSPLIT(500m)模擬結(jié)果顯示，污染氣團(tuán)從浙江南部和福建沿海的市區(qū)一帶，自北向南，依次經(jīng)過福州市、莆田市、泉州市和廈門市，經(jīng)廈門后轉(zhuǎn)西向，經(jīng)漳州市進(jìn)入龍巖市。HYSPLIT(100m和1000m)在向后推移24h和48h的氣團(tuán)移動(dòng)軌跡與500m相似。沿海區(qū)域高濃度O3和前體物的輸入、不利的擴(kuò)散天氣形勢(shì)和劇烈的光解反應(yīng)是2019年6月16日龍巖市中心城區(qū)O3濃度超標(biāo)的主要因素。這與王宏對(duì)福建省沿海地區(qū)春季一次近地層的臭氧超標(biāo)分析一致[12]。

圖5 龍巖市臭氧污染期間HYSPLIT模擬結(jié)果

2.5 大氣污染物相關(guān)性分析

為分析各種污染物之間的相關(guān)性，計(jì)算了各種污染物間的相關(guān)性系數(shù)。本研究采用SPSS軟件的“p-p圖”進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，結(jié)果表明各類污染物濃度時(shí)間序列不服從正態(tài)分布特征，故采用了Spearman相關(guān)進(jìn)行分析。從表1中可知，O3濃度與SO2、CO 和NO2濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，其中與NO2負(fù)相關(guān)性最顯著，這與其他城市的研究結(jié)果相似。這是由于人類生產(chǎn)生活活動(dòng)產(chǎn)生的NOX和CO是臭氧產(chǎn)生的前體物，白天NOX和CO在太陽(yáng)輻射的作用下生成臭氧，夜晚NOX和CO不斷累積消耗O3。O3與PM2.5、PM10呈正相關(guān)，這與國(guó)內(nèi)其他城市有所不同，區(qū)域復(fù)雜的物理化學(xué)機(jī)制以及邊界層結(jié)構(gòu)等氣象因素是導(dǎo)致這種差異的原因[13]。其余五種污染物都有顯著的正相關(guān)性，其中與PM10的正相關(guān)性值最大，表明PM10中含有大量的PM2.5。SO2和NO2經(jīng)過一系列的光化學(xué)反應(yīng)，生成硫酸鹽和硝酸鹽。生成的硫酸鹽和硝酸鹽是PM2.5的重要來(lái)源之一。SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO兩兩呈顯著正相關(guān)，這是由于這五種污染物來(lái)源于燃料燃燒排放和汽車尾氣排放，具有同源性。

表1 六種大氣污染物之間的相關(guān)性分析

注: “**”表示在置信度(雙測(cè))為0.01時(shí)，相關(guān)性顯著； “*”表示在置信度(雙測(cè))為0.05時(shí)，相關(guān)性顯著。

3 結(jié)論

①2016—2019年，龍巖市中心城區(qū)空氣質(zhì)量總體優(yōu)良。SO2、CO和NO2兩種污染物質(zhì)量濃度年際變化平穩(wěn)。PM2.5和PM10兩種污染物質(zhì)量濃度年際間有所起伏。O3的質(zhì)量濃度呈上升趨勢(shì)，且趨勢(shì)明顯。

②龍巖市中心城區(qū)四季SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO的變化規(guī)律基本相同，冬季最高，春季與秋季次之，夏季最低。O3則是秋春季高，夏季次之，冬季最低。

③PM10、PM2.5、NO2和CO日間濃度變化呈現(xiàn)雙峰特征。臭氧日間濃度變化呈明顯的單峰值分布特征。SO2呈單峰特征，總體平穩(wěn)。

④龍巖市中心城區(qū)超標(biāo)原因:變性冷高壓類，風(fēng)速低，溫度高，導(dǎo)致光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈和擴(kuò)散傳輸條件差；沿海區(qū)域高濃度O3和前體物的輸入。

⑤SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO濃度之間呈兩兩正相關(guān)，且相關(guān)性極顯著。O3濃度與CO、SO2、NO2濃度呈顯著負(fù)相關(guān)。O3與PM2.5、PM10呈一定正相關(guān)，這與區(qū)域復(fù)雜的物理化學(xué)機(jī)制以及邊界層結(jié)構(gòu)等氣象因素有關(guān)。