成都西部地區(qū)污染物濃度與氣象條件相關(guān)性分析

汪 玲，華 明

(1.四川省都江堰市氣象局，四川 都江堰 611830；2.成都市氣象局，四川 成都 610000)

1 研究背景

城市化和工業(yè)化的發(fā)展帶來了棘手的環(huán)境問題。污染防治工作也逐步在政界、學(xué)界及民眾間成為熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題[1～4]。大氣污染物治理方法的產(chǎn)生立足于詳實(shí)的科學(xué)研究成果，只有明確污染事件中污染物濃度變化特征、影響因子、產(chǎn)生機(jī)理，才能“對癥下藥”，針對關(guān)鍵問題有的放矢。經(jīng)過各界共同努力，我國重點(diǎn)區(qū)域大氣污染問題有了較明顯緩解。但大氣污染問題在我國不同區(qū)域依然面臨著不同問題，一些城市中的重點(diǎn)污染物，如顆粒物濃度、臭氧濃度等存在不同程度超標(biāo)現(xiàn)象[5～8]。顆粒物和臭氧的復(fù)合型污染問題仍是需攻克的難題。研究表明，影響大氣污染物濃度的主要因素有二：一是污染排放源強(qiáng)，其自身排放量的大小是影響污染物濃度的關(guān)鍵因子；二是氣象條件，氣象條件是否利于排放源濃度清除、傳輸或二次轉(zhuǎn)換是影響污染物濃度的又一關(guān)鍵因子[9～11]。一般而言，短期內(nèi)污染源濃度不會發(fā)生變化，污染物濃度變化就受制于大氣擴(kuò)散條件，研究表明：大氣層結(jié)穩(wěn)定、靜小風(fēng)、無雨水和對流時(shí)大氣污染物濃度擴(kuò)散困難，導(dǎo)致一定區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)大氣污染物聚集，使得濃度升高[12,13]；當(dāng)大氣擴(kuò)散條件較好，如大風(fēng)速、混合層高度高、無逆溫層、無高溫高濕時(shí)，大氣污染物能得到較好擴(kuò)散[14～16]。

成都西部地區(qū)作為成都市郊區(qū)新城，是重要工業(yè)化建設(shè)區(qū)和山地旅游和現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)區(qū)。成都西部發(fā)展對于成都的發(fā)展以及當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義。因此，本文對成都西部主要污染物濃度時(shí)空分布和變化特征以及氣象影響因子進(jìn)行了探索，為區(qū)域性大氣污染防治工作提供科學(xué)參考和依據(jù)，為打贏大氣污染藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)貢獻(xiàn)力量。

2 研究資料

本文使用的污染物濃度數(shù)據(jù)資料來源于成都市環(huán)境監(jiān)測站提供的成都西部地區(qū)(崇州、都江堰、彭州、郫都、蒲江、邛崍、溫江)2018年逐時(shí)NO、NO2、SO2、CO、O3、PM2.5、PM10濃度數(shù)據(jù)。氣象觀測資料來源于成都市氣象局提供的成都西部地區(qū)(崇州、都江堰、彭州、郫都、蒲江、邛崍、溫江)2018年逐時(shí)氣溫、相對濕度、降水量、2 min平均風(fēng)向和風(fēng)速等以及溫江探空站提供的探空資料。

3 成都西部地區(qū)污染物濃度時(shí)間變化特征

3.1 成都西部污染物濃度年、月變化特征分析

圖1為2018年成都西部NO2、O3、PM10、PM2.5逐日污染物濃度變化圖，可以看出，成都西部地區(qū)春季和夏季O3濃度高，顆粒物和NO2濃度低，秋冬季則正相反。其中O3年均濃度最高是87.8 μg/m3，為都江堰，最低是54.25 μg/m3，為郫都區(qū)；NO2年均濃度以溫江最高，為40.23 μg/m3，都江堰最低，為18.12 μg/m3；PM10年均濃度最高是溫江，為92.65 μg/m3；最低是都江堰，為49.72 μg/m3；PM2.5年均濃度最高是崇州，為61.89 μg/m3，最低是都江堰，為29.13 μg/m3。綜上可得，成都西部地區(qū)污染天氣形勢仍不容樂觀。

圖1 成都西部污染物質(zhì)量濃度(PM2.5、PM10、NO2、O3)逐日變化

結(jié)合表1可見，成都西部地區(qū)細(xì)顆粒物污染較重，各個區(qū)縣PM2.5/PM10比例都高于50%。最大比例67%出現(xiàn)在崇州。

表1 成都西部污染物年均濃度

圖2是成都西部地區(qū)主要污染物包括PM2.5、PM10和O3的月濃度變化，可看出O3濃度春、夏季高，秋、冬季低，尤其在4、5、8月最高，12月最低；而顆粒物濃度月變化相反，冬、春季高，夏秋季較低，如PM10主要是12月、1月、2月較高，7月最低，PM2.5是1月最高，7月最低。

污染天氣狀況的重要指標(biāo)就是污染物濃度超標(biāo)的情況。根據(jù)我國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012)中規(guī)定，以日均濃度限值作為判定標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)成都西部地區(qū)污染物濃度超標(biāo)日數(shù)，得到表2。2018年成都西部地區(qū)中溫江O3超標(biāo)日數(shù)最多，高達(dá)75 d；崇州PM10超標(biāo)日數(shù)最多，達(dá)54 d；溫江和崇州PM2.5超標(biāo)日數(shù)一樣，都是105 d，而NO2超標(biāo)日數(shù)各區(qū)縣均較少，只有溫江區(qū)有6 d的超標(biāo)。從結(jié)果看，都江堰空氣質(zhì)量最優(yōu)，O3、PM2.5、PM10超標(biāo)日數(shù)均為7個區(qū)市縣中最低，分別是38 d、9 d和13 d。

3.2 成都西部污染物濃度日變化特征

分析質(zhì)量濃度較高的污染物即PM2.5、PM10和O3日變化，由圖3可看出，成都市西部地區(qū)PM2.5濃

表2 污染物質(zhì)量濃度超標(biāo)率統(tǒng)計(jì) d

度日變化有較明顯的“W”型特征，PM2.5濃度0：00～8：00逐漸減少，8：00達(dá)到第一次最低值，之后隨著人們出行活動增多，濃度逐漸升高，10：00左右出現(xiàn)第一次最高值，隨后一天內(nèi)邊界層對流發(fā)展相對旺盛，擴(kuò)散條件變好，濃度逐漸減少，于17：00左右再次出現(xiàn)極低值，受夜間大氣層較白天穩(wěn)定及下班高峰期影響，PM2.5又開始增加，第二次極大值出現(xiàn)在21：00～22：00時(shí)左右。從各質(zhì)量濃度值看，日均濃度最大是崇州市的PM2.5，其濃度值是都江堰的2倍以上。而PM10與PM2.5有類似的“W”型變化特征。

圖3 成都西部主要大氣污染物2018年濃度日變化曲線

O3在一天內(nèi)的循環(huán)包含累積、抑制、光化學(xué)生成和消耗4個階段。圖3為2018年一年內(nèi)每天的每個時(shí)刻求得的平均濃度，可知成都西部O3日變化也存在有相似的4個階段。首先是0：00～5：00時(shí)，此時(shí)O3質(zhì)量濃度是一天中最低時(shí)段；5：00～8：00時(shí)隨著人們生產(chǎn)生活開始汽車排放尾氣，但由于氣溫較低、紫外線強(qiáng)度很弱，SO2濃度也低，O3則是和NO反應(yīng)較多，消耗較大，所以O(shè)3濃度值在該時(shí)段下降；隨后8：00～16：00時(shí)，隨著一天氣溫開始升高，太陽光線增強(qiáng)，O3前體物不斷排放及光解，O3濃度值開始明顯上升，大概在16：00到達(dá)峰值；16：00之后，由于傍晚人們出行帶來更多的NO排放使得O3含量消耗，加上太陽輻射逐漸減弱也不利于O3生成，所以O(shè)3含量在16：00之后明顯消耗減少。

總體上，成都西部地區(qū)大氣中一天內(nèi)各個時(shí)段O3含量是單峰型態(tài)勢。由于白天太陽光線不斷增強(qiáng)，氣溫升高，導(dǎo)致O3的前體物大量排放及光解，使得O3濃度逐漸上升，16：00左右出現(xiàn)峰值，隨后由于O3不斷消耗導(dǎo)致濃度又不斷變小。

3.3 成都西部污染物濃度與氣象條件相關(guān)性分析

排放的污染物多少和氣象擴(kuò)散條件是影響大氣環(huán)境優(yōu)劣的主要原因。對2018年成都西部地區(qū)環(huán)境-氣象數(shù)據(jù)對各污染物與相對濕度、風(fēng)和降雨量等氣象條件的關(guān)系進(jìn)行了分析，得出了表3。各區(qū)市縣污染物和氣象因子相關(guān)性不完全一致，如成都西部地區(qū)SO2質(zhì)量濃度整體與濕度(除蒲江和邛崍外)為負(fù)相關(guān)，但與溫度和風(fēng)速相關(guān)性很弱甚至無關(guān)，不太敏感；O3濃度變化與溫度及相對濕度都表現(xiàn)為明顯正相關(guān)、負(fù)相關(guān)，其前體物即是NO2和CO質(zhì)量濃度與溫度為較明顯負(fù)相關(guān)；顆粒物中PM2.5和PM10與溫度、風(fēng)速也呈明顯負(fù)相關(guān)。

表3 成都西部大氣污染物與氣象影響因子相關(guān)系數(shù)

水可以溶解大氣中氣態(tài)污染物，而降雨又能將固態(tài)污染物質(zhì)沉降到地面上從而降低污染物濃度。比較2018年全年降水日和非降水日各污染物質(zhì)量濃度值，得出了表4，成都西部地區(qū)各污染物濃度值在降水日和非降水日有明顯差異，非降水日各類污染物濃度值整體高于降水日。降水對顆粒物清除作用十分明顯，崇州、彭州、郫都、蒲江的降水清除顆粒物量級高于40 μg/m3。

表4 成都西部降水日與非降水日污染物濃度對比 μg/m3

續(xù)表4

綜合上述分析可知，多種因素影響著大氣中污染物質(zhì)量濃度，而氣象條件和污染物直接的轉(zhuǎn)化作用綜合影響著大氣中各污染物質(zhì)量濃度。

4 結(jié)論

(1)O3年均濃度最高是都江堰，NO2年均濃度最高是溫江；PM10年均濃度最高是溫江；PM2.5年均濃度最高是崇州；成都西部地區(qū)污染較重，各個區(qū)縣PM2.5/PM10比例都高于50%。

(2)O3濃度在4月、5月和8月高，11月、12月、1月低；而顆粒物濃度月變化特征相反，以12月、1月、2月較高。其中溫江O3超標(biāo)日數(shù)最多，崇州PM10超標(biāo)日數(shù)最多，溫江和崇州PM2.5超標(biāo)日數(shù)都是105 d。都江堰在成都西部地區(qū)中空氣質(zhì)量最優(yōu)，O3、PM2.5、PM10超標(biāo)日數(shù)在7個區(qū)市縣中最低。

(3)PM2.5日變化有較明顯的“W”型特征，8:00到達(dá)第一次最低值，10:00左右出現(xiàn)第一次最大值，17:00左右低值再次出現(xiàn)，第二次極大值在21：00～22：00左右。PM2.5日均濃度最大是崇州市，是都江堰的2倍以上。PM10也有類似日變化特征。

(4)大氣中一天內(nèi)各個階段O3濃度變化是單峰型。由于白天太陽光線不斷增強(qiáng)，氣溫升高，導(dǎo)致O3前體物大量排放及光解，使得O3濃度逐漸上升，16:00左右出現(xiàn)峰值，由于O3不斷消耗導(dǎo)致濃度又不斷變小。

(5)SO2質(zhì)量濃度整體上與濕度(除蒲江和邛崍外)為負(fù)相關(guān)，但與溫度和風(fēng)速相關(guān)性很弱甚至無關(guān)；O3濃度變化與溫度及相對濕度為較明顯正相關(guān)、負(fù)相關(guān)，其前體物也就是NO2和CO質(zhì)量濃度與溫度表現(xiàn)為較明顯負(fù)相關(guān)；PM2.5和PM10與溫度和風(fēng)速為明顯負(fù)相關(guān)。

(6)降水日和非降水日各污染物濃度值有著明顯差異，非降水日各類污染物濃度值整體都比降水日高。降水對顆粒物清除作用明顯，崇州、彭州、郫都、蒲江降水清除顆粒物量級高于40 μg/m3。