青島市降水及其對大氣環境的影響研究

亓 靚 魏 巍 曹正梅 唐 菁

(1、山東省青島生態環境監測中心,山東 青島266000 2、青島大學實驗中學,山東 青島266000)

1 概述

隨著我國社會經濟的持續高速發展,空氣污染成為目前最主要的環境問題之一,大量研究表明城市空氣質量與氣象條件的關系十分密切,而其中一個主要因素是降水。近年來,國內外開展了一系列降水與大氣污染物關系的研究。楊茜等研究了重慶市各季節降水對各類大氣污染物的濕清除能力[1],李明艷等分析了濟南市夏季降水對大氣污染物的清除效果[2],而青島市這些方面的研究較少。

本文通過對2020 年青島市降水前后污染物濃度變化情況,分析不同條件下降水對污染物的清除效率,以期為環境管理和大氣污染治理提供科學參考。

2 數據來源及評價方法

本文采用的2020 年降水和空氣質量自動監測站數據來源于山東省青島生態環境監測中心,其中降水點位周邊為學校、居民區和道路,距離海邊2 公里左右,污染源多為人為影響；空氣子站距降水點位3 公里左右。

采用降水清除效率η 計算降水對大氣污染物的影響。

3 結果與討論

3.1 降水量季節變化特征

2020 年共采集到30 次降水樣品,夏季降水次數最多,秋季最少。采集樣品總降水量為892mm,夏季占71.2%,春季占13.9%,冬季和秋季分別占7.7%和7.2%。從降水類型來看,多數為小雨和中雨,全年出現4 次暴雨或大暴雨,5 月、7 月各1 次,8月2 次。

3.2 大氣污染物的降水清除效率

2020 年降水對PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO 的η 值分別在-18.6%～89.1%、-41.2%～94.1%、-25.0%～25.0%、-238%～68.8%、-37.9%～66.1%、-100%～50.0%之間,降水后PM10和PM2.5濃度降低(η＞0)比例較高,分別占降水總次數的93.3%和86.7%；O3次之,占73.3%；SO2、NO2、CO 濃度在雨后則多數升高或持平,η＞0占比在30.0%～33.3%之間。由此可知,降水對SO2、NO2、CO 的清除作用不明顯,基本可以視為無清除效果；對O3有一定清除作用,但清除效果一般；對PM10和PM2.5的清除效果最好。

分析其原因,在經過多年的大氣治理后,青島市大氣中主要污染物為顆粒物,夏季O3污染較突出,SO2、NO2、CO 濃度值已經達到較低水平,這時采用清除效率已無法準確反映降水對SO2、NO2、CO 的影響,反而在濃度發生變化時η 易出現極值,所以不適宜采用此方法。O3則和光輻射強度密切相關,小時濃度變化具有明顯的單峰型特征,在中午14:00 左右太陽輻射最強,氮氧化物、揮發性有機物等O3前體物易發生化學反應,導致O3濃度迅速升高。而降水具有隨機性,對于起止時間在中午的降水,并不能簡單按照濃度的變化判斷降水對O3的清除效果。因此,采用η 值判斷O3的清除效果劣于PM10和PM2.5。

2020 年不同季節降水對大氣污染物的平均清除效率見表1。由表1 可知,PM10和PM2.5在秋季和夏季η 值相對較高,且PM10各季節的η 值均高于PM2.5,O3在春季和秋季η 值相對較高。在一般情況下,降水對PM10的清除效果好于PM2.5,在7、8 月時發生的幾場強降水則對PM2.5的清除效果更好,例如8 月2 日03:00 發生的降水,在降雨強度最大的2 個小時內,PM2.5濃度下降速度遠超過PM10。

表1 不同季節降水對大氣污染物的平均清除效率

3.3 降水量對大氣污染物的影響

通常情況下,降水量越大,清除效果越明顯,但是,持續降雨并不能使大氣污染物濃度一直降低,因會受到風速、風向的變化和局地排放源等多因素的影響,個別時段污染物濃度值反而會升高。短時強降雨對顆粒物和O3的清除效果更明顯,短時小雨因沖刷效果弱,對污染物濃度則無明顯影響。

從降水類型來看,PM10和PM2.5的η 值隨著雨量的增加而逐步升高,O3的η 值則沒有變化規律。其中PM10的η 值在小雨至暴雨階段小幅升高,大暴雨時明顯升高；PM2.5的η 值變化幅度較顯著,小雨時η 值較低,僅16.8%,基本無清除,中雨至暴雨階段η 值明顯升高,在大暴雨時清除效果最好,達到90.4%。(表2)

表2 不同類型降水對大氣污染物的平均清除效率

3.4 降水時長對大氣污染物的影響

降水時長對污染物的清除效果也有一定影響,但并不是時長越長,η 值越高。在連續降水期間,前期和后期降水的η 值有所不同,通常在降水前期,顆粒物η 值很高,PM10和PM2.5濃度迅速降低,在顆粒物濃度值降低到臨界值后會出現一定反彈,如降水結束時顆粒物濃度處于臨界值,降水對顆粒物的清除能力最強,η 值最高；如降水持續時間過長,顆粒物濃度升高,η 值反而會降低。以7 月發生的兩次降水為例,其中7 月18日發生的暴雨持續時間共44 小時,在降水的沖刷下污染物濃度不斷降低,7 月19 日04:00 濃度最低,這時降水對顆粒物的清潔作用已經達到最低值,在之后的降水中污染物濃度在緩慢升高,7 月20 日01:00 雨停后顆粒物濃度與降水初期基本持平,雖然降水前期η 值較高,但整場降水η 值較低。7 月22 日發生的大暴雨持續時間共24 小時,PM10、PM2.5濃度變化趨勢基本一致,在降水初期迅速降低,降水中期在大雨的沖刷下一直保持在2μg /m3,降水后期PM10濃度略有升高,PM2.5濃度無明顯變化。O3濃度變化趨勢則有所不同,在11:00 至19:00 小雨期間變化不大,一直在75～83μg/m3之間波動；自20:00 起O3濃度值逐步升高,22:00 達到最高值99μg/m3；22:00 至01:00,雨量逐漸增大,小時雨量在29.6～45.5mm 之間,在大雨的沖刷下,O3濃度迅速降低,降至76μg/m3,此時O3的η 值也最高；之后隨著雨量的減少,O3濃度緩慢降低。這場雨對PM10、PM2.5、O3的η 分別為82.1%、92.6%、5.8%,PM10、PM2.5的η 主要集中在前期小雨階段,O3的η 主要在中期大雨階段,因顆粒物濃度仍處于臨界值附近,η 值較高。(表3,圖1)

表3 長時降水中大氣污染物小時濃度變化

圖1 7 月18 日至20 日降水期間污染物濃度小時變化情況

4 結論

4.1 降水對SO2、NO2、CO 的清除作用不明顯,基本可以視為無清除效果；對O3有一定清除作用,但清除效果一般；對PM10和PM2.5的清除效果最好。

4.2 PM10和PM2.5的η 值隨著雨量的增加而逐步升高,大暴雨時清除效果顯著升高。

4.3 連續降水前期,污染物η值較高,在污染物濃度值降到臨界值時,η 值最高,之后,隨著降水時長的增加,污染物濃度值會出現反彈,η 值會降低。