青島市冬季污染日與清潔日空氣質(zhì)量特征分析

劉岳峰 薛蓮 趙璐

（1、青島市環(huán)境保護科學(xué)研究院，山東青島 266000 2、山東省青島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東青島 266000）

隨著社會和經(jīng)濟的迅速發(fā)展、機動車保有量的大幅增加，城市大氣污染問題日益凸顯，特別是冬季持續(xù)性霧霾天氣頻發(fā)，逐漸成為社會公眾關(guān)注的重點，嚴(yán)重危害著人體健康、生態(tài)平衡以及氣候變化[1-2]。自2013 年新環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)實施以來，青島市空氣質(zhì)量總體呈現(xiàn)改善趨勢，但污染物濃度超標(biāo)現(xiàn)象仍然存在，冬季重污染過程也時有發(fā)生，大氣污染防治工作面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3,4]。研究利用2019 年12 月1 日-2020 年2 月29 日青島市冬季常規(guī)污染物的監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了污染日和清潔日氣態(tài)污染物（SO2、NO2、CO、O3）和顆粒物（PM2.5、PM10）的濃度水平、日變化特征及氣象條件規(guī)律，并簡要分析了三個典型污染過程的變化規(guī)律，為大氣污染防治和環(huán)境管理工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及方法

采用2019 年12 月1 日-2020 年2 月29 日青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。其中SO2、NO2、CO、O3、PM2.5和PM10數(shù)據(jù)均采用青島市區(qū)14 個國省控站點的監(jiān)測結(jié)果。氣溫、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降水量等氣象數(shù)據(jù)采用伏龍山氣象站的觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》評價方法，污染日和清潔日按照AQI 值界定，即AQI ≤100 認(rèn)定為清潔日，AQI ＞100 認(rèn)定為污染日。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染日和清潔日的污染物濃度水平

對2019 年12 月1 日-2020 年2 月29 日冬季期間的氣象數(shù)據(jù)、在線氣體和顆粒物濃度數(shù)據(jù)進行了污染日（共24 天）)和清潔日（共67 天）的平均值進行計算，如表1 所示。從氣象來看，污染日的平均氣溫較清潔日高14.7%，風(fēng)速減弱18.4%，降水量減少83.3%，相對濕度基本持平，說明氣溫較高、弱風(fēng)、降水少的情況下大氣擴散條件較差，易造成污染累積。氣態(tài)污染物中，污染日SO2、NO2、CO 的濃度分別較清潔日高72.0%、71.5%、89.5%，而O3濃度較清潔日偏低4.9%，推測原因可能為，前體物NO2濃度較高促進夜間滴定作用從而消耗O3。顆粒物PM10和PM2.5在污染日的濃度明顯高于清潔日，且增幅分別高達181.8%、219.8%，可見，顆粒物污染加劇是青島市冬季污染日區(qū)分于清潔日的重要特征之一。

2.2 污染日和清潔日各項污染物日變化特征

氣態(tài)污染物中（圖1），SO2在污染日和清潔日的日變化趨勢總體呈現(xiàn)單峰變化特征，上午10-11 時前后達到峰值。白天SO2小時濃度高于夜間，主要與白天生產(chǎn)生活用電負(fù)荷加大、電廠和工業(yè)企業(yè)排放增加有關(guān)[5]；污染日大氣污染物稀釋擴散條件轉(zhuǎn)差，導(dǎo)致各個時段的SO2濃度均比清潔日高，且白天濃度升高得更多。污染日和清潔日的NO2日變化均表現(xiàn)為兩峰一谷的變化特征，峰值分別對應(yīng)早、晚交通高峰，主要為機動車尾氣排放造成；NO2在污染日全天時段的濃度均高于清潔日，下午的峰值差尤為明顯，說明污染日的大氣稀釋擴散能力明顯減弱。O3在污染日和清潔日的日變化趨勢和濃度水平相差不大，均呈現(xiàn)單峰的變化特征，且12-18 時O3濃度偏高，主要原因為該時段氣溫較高、太陽輻射較強，有利于光化學(xué)反應(yīng)生成O3；污染日O3峰值的濃度升幅較清潔日顯著，說明污染日的光化學(xué)反應(yīng)速率更高。污染日和清潔日的CO 濃度日變化較為平緩，早、晚交通高峰濃度均有小幅升高，且污染日升幅較清潔日明顯，與污染物稀釋擴散條件較差有關(guān)。

表1 清潔日和污染日氣象條件及污染物平均濃度

顆粒物組分PM10和PM2.5在清潔日均呈現(xiàn)較明顯的兩峰一谷的日變化特征，且上午和下午的峰值濃度水平相差不大，分別與早、晚交通高峰相對應(yīng)，但濃度峰值出現(xiàn)的時間較交通高峰略有延遲，主要與二次轉(zhuǎn)化過程需要反應(yīng)時間有關(guān)。污染日PM10和PM2.5的日變化與清潔日有所不同，凌晨至中午前后濃度持續(xù)處于較高水平，主要原因為，污染日通常為靜穩(wěn)、逆溫天氣，存在兩重或多重逆溫層，且逆溫層較低較厚，中午前大氣邊界層較低，垂直擴散條件較差，導(dǎo)致顆粒物難以擴散和清除，同時交通早高峰排放的污染物加劇了二次轉(zhuǎn)化，致使PM10和PM2.5濃度持續(xù)偏高；午后隨著大氣邊界層的抬升，PM10和PM2.5濃度明顯降低；傍晚至夜間受邊界層下降和交通晚高峰的排放影響，濃度再次攀升至較高水平。

2.3 典型污染過程分析

對2019 年冬季出現(xiàn)過重度污染及以上的三個典型污染過程進行分析，分別為2019 年12 月7 日-11 日、2020 年1 月2日-5 日、2020 年1 月16 日-19 日。其中，2019 年12 月7 日-11日過程中，PM2.5、PM10的平均濃度分別為125μg/m3、190μg/m3，日均濃度范圍分別為94-170μg/m3、148-249μg/m3；2020 年1 月2 日-5 日過程中，PM2.5、PM10的平均濃度分別為132μg/m3、191μg/m3，日均濃度范圍分別為88-187μg/m3、138-263μg/m3；2020 年1 月16 日-19 日過程中，PM2.5、PM10的平均濃度分別為141μg/m3、189μg/m3，日均濃度范圍分別為89-202μg/m3、128-260μg/m3。

過程一：（2019 年12 月7 日-11日）：2019 年12 月6 日-7 日主導(dǎo)風(fēng)向弱西北風(fēng)，受靜穩(wěn)等不利氣象條件的影響，污染物不斷累積，其中6 日空氣質(zhì)量為良，7 日降至輕度污染；8 日風(fēng)向轉(zhuǎn)為弱西南風(fēng)，氣溫升高，相對濕度增大，擴散條件持續(xù)不利，空氣質(zhì)量維持輕度污染；9-10 日持續(xù)弱西南風(fēng)，擴散條件繼續(xù)轉(zhuǎn)差，空氣質(zhì)量降至重度污染；11 日受冷空氣影響，風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)力明顯增大，空氣質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)，全天為輕度污染；12 日空氣質(zhì)量持續(xù)改善，恢復(fù)良好水平。

過程二：（2020 年1 月2 日-5 日）：2020 年1 月1 日西南風(fēng)，擴散條件較有利，空氣質(zhì)量為良；2 日至4 日，風(fēng)向轉(zhuǎn)為弱西北風(fēng)，受不利氣象條件和上游污染物緩慢傳輸影響，污染物逐漸累積，空氣質(zhì)量分別降至輕度污染（2 日）、中度污染（3 日）、重度污染（4 日）；5 日轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，且伴有降水，擴散條件逐漸轉(zhuǎn)好，空氣質(zhì)量為輕度污染，6 日好轉(zhuǎn)至優(yōu)。

過程三：（2020 年1 月16 日-19 日）：2020 年1 月15 日東北風(fēng)，擴散條件較好，空氣質(zhì)量為良；16 日-18 日轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，相對濕度逐漸增大，受上游污染物緩慢傳輸及本地污染物二次轉(zhuǎn)化影響，空氣質(zhì)量逐漸下降，其中16 日輕度污染，17 日中度污染，18 日重度污染；19 日至20 日傳輸過程結(jié)束，空氣質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)，其中19 日為中度污染，20 日為良。

從氣象條件分析，在弱風(fēng)、相對濕度較高的氣象條件下，易形成靜穩(wěn)天氣形勢，大氣擴散條件較差，從而造成本地污染物的二次生成和累積，這與長三角地區(qū)冬季霾天氣發(fā)生的氣象特征較為一致[6]；此外，西北、西南方向上游地區(qū)污染物的傳輸影響，也是造成青島市空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)差的重要因素。

圖1 污染日和清潔日污染物日變化趨勢

3 結(jié)論

3.1 對2019 年12 月1 日-2020 年2 月29 日青島市冬季污染日（共24 天）)和清潔日（共67 天）的氣象條件和六項常規(guī)污染物濃度分析得出，氣溫較高、弱風(fēng)、降水少的情況下更容易出現(xiàn)污染。污染日SO2、NO2、CO 的濃度均較清潔日高，而O3濃度較清潔日偏低；污染日PM10和PM2.5濃度明顯高于清潔日，說明顆粒物污染加劇是冬季污染日區(qū)分于清潔日的重要特征之一。

3.2 氣態(tài)污染物中，SO2在污染日和清潔日的日變化趨勢總體呈現(xiàn)單峰變化特征，且污染日各個時段的SO2濃度均比清潔日高；NO2的日變化均表現(xiàn)為兩峰一谷的變化特征，且污染日全天時段的NO2濃度均高于清潔日；O3在污染日和清潔日的日變化趨勢和濃度水平相差不大，均呈現(xiàn)單峰的變化特征；CO 濃度日變化趨勢較為平緩，早、晚交通高峰有小幅升高，且污染日升幅更明顯。顆粒物組分PM10和PM2.5在清潔日均呈現(xiàn)較明顯的兩峰一谷的日變化特征，峰值分別與早、晚交通高峰相對應(yīng)；污染日PM10和PM2.5凌晨至中午前后濃度持續(xù)處于較高水平，與不利擴散條件和交通早高峰排放有關(guān)，午后隨著大氣邊界層的抬升，濃度明顯降低，傍晚至夜間受邊界層下降和交通晚高峰的排放影響，濃度再次攀升。

3.3 對2019 年冬季出現(xiàn)過重度污染及以上的三個典型污染過程進行分析，PM2.5、PM10的平均濃度均超標(biāo)。結(jié)合氣象條件分析，在弱風(fēng)、相對濕度較高的氣象條件下，易形成靜穩(wěn)天氣形勢，大氣擴散條件較差，從而造成本地污染物的二次生成和累積；此外，西北、西南方向上游地區(qū)污染物的傳輸影響，也是造成青島市空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)差的重要因素。