2017～2019年武漢市空氣重污染期及污染物二次轉化分析

楊家鵬，黃碧捷，張茂榮，王一靖

(江漢大學 化學與環境工程學院，湖北 武漢 430056)

1 引言

空氣污染已成為限制我國城市實現健康發展的關鍵因素之一，尤其是當前我國部分中心城市較為頻繁地出現季節性空氣重污染狀況。PM2.5和O3成為首要的空氣污染物，并能促進SOx、NOx等其他空氣污染物發生二次轉化，產生硫酸根、硝酸根、銨根等二次無機離子，進而造成更大的空氣污染危害。國內外眾多學者從污染物濃度、氣象條件、化學機理等方面對污染物的二次轉化的特征及其成因進行了探索性研究。普遍認為因二次轉化促成的空氣重污染時期對人群健康和生態安全均帶來了嚴重的危害，并且會顯著影響人們在不同季節的舒適度[1]。二次轉化后形成的無機離子在PM2.5中占比較大，例如：北京地區2013年重污染期間，硫酸根、硝酸根、銨根等無機離子占到了PM2.5中的40.29 %[2]。同時，二次轉化存在一定的季節差異，冬季和春季更易發生[3]。轉化后的離子還能與PM2.5中來源于機動車尾氣、工業源、揚塵和燃料燃燒[4]的重金屬離子發生反應，進一步加劇重污染天氣。近5年來，我國研究者們對北京、西寧、南京、昆明、廣州、鄭州、石家莊、上海、天津等主要中心城市重污染時期及其污染物二次轉化進行了大量的數據分析研究，力圖揭示二次轉化與重污染天氣間的規律。然而，由于地域、天氣狀況、氣候背景、污染物來源等皆有不同，還需要提供更多的樣本數據。武漢市做為國家中心城市之一，隨著大氣攻堅計劃和藍天行動的實施，在空氣質量不斷好轉的同時，還存在季節性的重污染天氣狀況。本文基于武漢市生態環境局實時發布的PM2.5、PM10等監測數據，以2017～2019年為例，判斷武漢市城區典型的重污染時期，對重污染時期污染物的濃度以及二次指標的變化分析，可以更好地掌握重污染時期污染物二次轉化的趨勢，以期為該領域相關研究提供數據參考。

2 重污染時期判定及主要污染物危害

依據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633-2012)中的規定：對SO2、NO2、PM10、PM2.5等規定了重度污染濃度限值，本研究以PM2.5監測值持續24 h超過150 μg/m3時為重度污染，并且以重污染時段結束后2～4 d和發生前2～4 d的時間段內PM2.5的日平均濃度低于75 μg/m3時為清潔時段。按照此標準，2018年武漢市出現了4個典型重污染時期(含清潔時段)，分別是：1月1日～1月27日(時期1)；2月2日～2月20日(時期2)；11月15日～12月6日(時期3)；12月7日～12月30日(時期4)。將以上4個重污染時期的SO2、NO2、PM10、O3和PM2.5濃度變化繪于圖1。武漢市重污染期絕大多數以PM2.5為首要污染物，4個時期PM2.5的平均濃度分別為：179 μg/m3、169 μg/m3、195 μg/m3和177 μg/m3；其相對應的清潔時段PM2.5平均濃度為：64 μg/m3、50 μg/m3、57 μg/m3和51 μg/m3。

圖1 武漢市2018年重污染期主要污染物濃度(μg/m3)

PM2.5帶來的渾濁狀態是最直觀的大氣污染表現，顏色多為橙灰色或者偏黃色[5]，關于PM2.5污染帶來的經濟損失評估也是當前的熱點研究內容之一，PM2.5對健康有明顯影響，還會造成一定程度的經濟損失[6]。SO2主要來源于含硫元素燃料的燃燒，長期暴露于高濃度SO2的空氣中會導致呼吸系統疾病，并加重心腦血管疾病或彌漫性肺疾病[7]。此外，較高濃度SO2將限制植物的生長，甚至枯萎死亡[8]。NO2是形成光化學煙霧的主要因素，城區汽車尾氣的排放是其重要的特征源。NO2有腐蝕和生理刺激性，對人體特別是兒童的肺部呼吸系統有危害[9]。O3污染比PM2.5污染更隱蔽，它不會造成空氣污濁，在視覺和嗅覺上不容易被感知。其毒性主要體現在強氧化性上，對人的眼睛和呼吸道有刺激作用，對肺功能也有影響，可誘發哮喘。

3 二次轉化趨勢分析

將武漢市2018年二次轉化特征指標PM10/PM2.5、NO2/SO2和O3/PM2.5的值列于表1。由表1可知：重污染時段的PM10/PM2.5均值比清潔時段低36.47%，這從側面表明二次轉化形成的PM2.5的激增是重污染時段形成的重要原因之一。黃凡[10]等的研究也發現武漢市冬季的氣象條件較穩定，濕度高有利于二次離子的轉化呈現PM2.5的污染特征。交通移動源和燃煤源對污染的貢獻率通常可用NO2/SO2來表示[11,12]。NO2/SO2均值在重污染時段和清潔時段差距不明顯，整體而言，重污染時段時，SO2二次轉化的趨勢和量較NO2更強，武漢市2018年燃煤源相比交通移動源對重污染的貢獻度更大。重污染時段O3/PM2.5均值是清潔時段的0.37倍，相較于1/PM2.5均值倍數0.31增加了近20%，這也從另外角度說明在重污染時段O3生成潛勢增加，污染物二次轉化趨勢增強。

表1 武漢市2018年二次污染轉化特征指標

4 前后年份相關分析

以同樣的研究方法對2017年和2019年武漢市城區的二次轉化特征指標進行了分析，將PM10/PM2.5、NO2/SO2、O3/PM2.5值分別列于表2和表3。武漢市2017年和2019年重污染時期分別為6個和3個，無論是從重污染時期數還是實際污染天數都呈現依次降低的趨勢。值得關注的是：2017年和2019年的NO2/SO2倍數均值分別為0.77和0.86，交通移動源對二次轉化的作用大于2018年，呈現波動的趨勢。

表2 武漢市2017年二次污染轉化特征指標

表3 武漢市2019年二次污染轉化特征指標

2017年和2019年O3/PM2.5的倍數，相較于1/PM2.5均值倍數都增加了近20%，這點與2018年幾乎一致。這既表明在重污染時段O3生成潛勢增加，污染物二次轉化趨勢增強，也似乎暗示著O3轉化趨勢在同一地域保持相對穩定的數值，值得進一步跟蹤調查及深入研究。

5 結論與展望

2017年以來開展的大氣重污染成因與治理攻關項目，PM2.5源解析在我國35個城市中有效開展，已證實燃煤、揚塵、機動車、秸稈焚燒都是PM2.5的重要來源。在空氣重污染時期，二次轉化相較于一次排放貢獻更大。PM2.5的二次轉化的微觀機理十分復雜，硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽和二次有機物等組分快速生成助推了PM2.5爆發式增長，不同時段、不同城市和不同氣象條件下，各二次組分增長的貢獻不同。武漢市2017～2019年空氣質量不斷好轉，重污染時期及其持續時間逐漸減少，重污染時段較清潔時段，PM2.5濃度分別上升2.45倍、2.23倍和1.86倍，值得關注的是雖然同期O3/PM2.5的比值逐年上升，但是O3二次轉化的趨勢相對穩定，這從另一個角度也說明了PM2.5和O3協同處置的重要性。NO2、SO2二次轉化變化趨勢較為波動，武漢市在燃煤源和交通源的大氣污染物控制上都應引起重視。