濟南市2015—2021年PM_2.5、O₃和NO₂污染變化特征及相關性分析

摘要：濟南市地形特殊，大氣污染物易于積聚，擴散能力差，細顆粒物（PM2.5）、NO2、O3是影響濟南市環境空氣質量的重要污染因子。基于2015—2021年濟南市環境空氣PM2.5、NO2、O3監測歷史數據，本文分析濟南市PM2.5、O3和NO2的年度、月度、小時質量濃度變化趨勢，討論O3與NO2、PM2.5與O3、PM2.5與NO2的相關性，以更好地推進區域大氣污染防治。

關鍵詞：PM2.5；O3；NO2；變化趨勢；相關性

中圖分類號：X51 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.07.032

Pollution Change Characteristics and Correlation Analysis of PM2.5， O3， and NO2 in Jinan City from 2015 to 2021

WANG Nuanxia， YIN Suzhen， LI Chao

（Shandong Provincial Coal Geological Planning， Exploration and Research Institute， Jinan 250104， China）

Abstract： Jinan City has a unique terrain， with easy accumulation and poor diffusion ability of atmospheric pollutants， and fine particulate matter （PM2.5）， NO2， and O3 are important pollution factors that affect the environmental air quality in Jinan City. Based on the historical data of PM2.5， NO2， and O3 monitoring in the ambient air of Jinan City from 2015 to 2021， this paper analyzes the annual， monthly， and hourly mass concentration changing trends of PM2.5， O3， and NO2 in Jinan City， discusses the correlation between O3 and NO2， PM2.5 and O3， and PM2.5 and NO2， in order to better promote regional air pollution prevention and control.

Keywords： PM2.5; O3; NO2; changing trends; correlation

濟南市地處魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶，北部為臨黃帶，中部為山前平原帶，南部為丘陵山區帶，三面環山，呈南高北低的淺碟狀地貌，大氣污染物易于匯聚積累，擴散能力差，它是京津冀大氣污染傳輸通道“2+26”城市之一。為進一步推動濟南市環境空氣質量改善，本文對濟南市2015—2021年PM2.5、NO2、O3的質量濃度變化趨勢、影響因素和相關性進行分析，為大氣污染防治策略的制定提供科學依據。

1 數據來源與方法

研究時段為2015年1月1日至2021年12月31日，PM2.5、NO2、O3年均濃度來源于濟南市歷年環境質量簡報，PM2.5、NO2、O3小時濃度監測數據來源于中國環境監測總站的全國城市空氣質量實時發布平臺，按照《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）的要求，對原始數據進行控制，剔除原始數據中濃度缺測值；月均濃度取當月濃度的算術平均值，小時濃度均值取同一時刻濃度的算術平均值。采用SPSS軟件對O3、NO2、PM2.5的小時濃度數據進行雙變量相關分析，探討O3與NO2、PM2.5與NO2、NO2與PM2.5的相關性[1]。

2 結果與討論

2.1 年均濃度及超標天數情況

2015—2021年，濟南市PM2.5、NO2、O3年均濃度和超標天數變化如圖1、圖2所示。2015—2021年，濟南市PM2.5年均質量濃度均超過《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）的二級標準（35 μg/m3），PM2.5濃度和超標天數均逐年降低，污染逐漸減輕。2015—2021年，O3年均濃度（日最大8 h滑動平均第90百分位數）均超過《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）的二級標準（160 μg/m3）。2015—2018年，O3濃度和超標天數均逐年增加，污染趨勢加重，2019年O3濃度略有升高，超標天數繼續下降，2020年、2021年O3濃度和超標天數同比下降，臭氧污染狀況有所改善。2015—2019年，NO2年均濃度超過《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）的二級標準（40 μg/m3），2020年、2021年低于二級標準限值，除2017年濃度略有升高，2019年超標天數同比增長外，NO2指標整體向好。

2.2 月均濃度及月超標天數情況

2015—2021年，濟南市PM2.5、O3、NO2月均濃度和月超標天數變化如圖3至圖8所示。3種污染物均呈現出明顯的季節變化特征，PM2.5和NO2污染主要出現在秋冬季，O3污染出現在夏季。濟南市各年度PM2.5月均質量濃度變化曲線整體呈V形，PM2.5污染冬季加重，夏季減輕。PM2.5超標月份主要集中在每年的10月至次年4月，每年5—9月超標天數相對較少；臭氧月均濃度變化曲線整體呈倒V形，O3夏季濃度高、冬季濃度低，各年度臭氧濃度1—6月總體呈上升趨勢，6—12月呈下降趨勢，峰值均出現在6月，最低點出現在1月或12月。O3污染主要集中在4—9月，各年度11月至次年2月均未出現O3超標情況；NO2月均濃度變化曲線整體呈V形，NO2污染主要出現在秋冬季節。

由于本地秋冬季秸稈燃燒和取暖燃煤大幅增加[1]，直接排放的PM2.5大量增加，加上京津冀區域傳輸的不利影響、濟南市不利于污染物擴散的地理條件等因素都會加重秋冬季節PM2.5污染，而夏季燃煤排放源減少，直接排放的PM2.5減少，另外，與秋冬季節相比，夏季降水量大大增加，雨水對空氣的淋洗作用也會造成PM2.5濃度降低。

近地面O3主要由前體物氮氧化物（NOx）和揮發性有機物（VOCs）在復雜的鏈式光化學反應下生成[2]，是典型的二次污染物，光化學反應速率與光照、溫度、濕度等有直接的關系，夏季溫度高，光照強度大，光化學反應能力顯著增強，NO2光解加快，導致夏季O3濃度明顯升高，NO2濃度降低，因此O3濃度季節變化趨勢為夏季高、冬季低，NO2濃度季節變化趨勢為夏季低、冬季高。

2.3 小時濃度變化趨勢

2015—2021年，濟南市PM2.5、O3、NO2小時濃度均值變化如圖9、圖10、圖11所示。PM2.5小時濃度均值變化較為平緩，呈雙峰變化趨勢。PM2.5小時濃度自06：00前后緩慢升高，在10：00前后出現一個小峰值，隨后逐漸下降，在16：00前后達到低谷，然后再次升高，至次日00：00前后達到峰值，隨后以平緩趨勢緩慢下降，至06：00前后再次回升。10：00的峰值受早高峰交通污染源排放量增加的影響，隨著溫度升高，大氣邊界層高度抬升，大氣擴散能力逐漸增大，PM2.5濃度逐漸降低，到16：00前后達到最低值，16：00以后，邊界層高度逐漸下降，夜間逆溫增強，污染物擴散難度增加，造成近地面PM2.5濃度再次增加。

各年度O3小時濃度均值呈單峰單谷變化，白天濃度高，夜間濃度低，濃度低谷出現在07：00前后，08：00后濃度快速升高，至15：00達到最高峰，16：00后濃度逐漸下降，至次日07：00再次降至低谷。

各年度NO2小時濃度均值呈現雙峰單谷變化，白天午時至傍晚濃度低，夜間濃度高，濃度低谷出現在15：00前后，16：00以后濃度逐漸升高，22：00前后達到高峰，隨后緩慢下降，至次日06：00前后濃度再次升高，至08：00前后出現一個小高峰，然后以較快的速度下降，至15：00前后達到低谷[3]。

3 相關性分析

3.1 相關性分析結果

采用SPSS軟件對O3、NO2、PM2.5的各年度小時濃度數據進行雙變量相關分析，探討O3與NO2、O3與PM2.5、NO2與PM2.5的相關性，分析結果如表1所示。

3.2 相互作用機理分析

相關性分析結果顯示，O3與NO2濃度之間存在極強的負相關性。近地面O3的主要來源為NOx和VOCs經過光化學反應生成的二次污染物，NO2是光化學反應的重要前體物之一。自清晨早高峰開始，NOx、VOCs等排放增加，為光化學反應提供充足的前體物，日出后，隨著太陽輻射不斷增強，氣溫逐漸升高，為光化學反應提供充分活躍的條件，光化學反應增強，NO2的光解速率加快，從而導致O3濃度不斷升高，NO2濃度降低。太陽輻射強度和氣溫一般在13：00—15：00達到最高，大氣光化學反應能力達到最高值，NO2的光解速率達到最大，14：00—15：00濃度降低到最低谷，由于臭氧具有累積效應，O3濃度高峰一般在15：00—16：00達到高峰，與NO2達到濃度低谷的時間相比略有延遲。16：00以后，太陽輻射逐漸減弱，溫度逐漸降低，光化學反應速度減緩，O3濃度逐漸下降，NO2光解速度減緩，濃度逐漸升高。

PM2.5與NO2濃度存在中等程度相關性，PM2.5與O3存在弱的負相關性，這與大氣中PM2.5的來源、二次PM2.5的污染成因以及PM2.5與O3之間復雜的相互作用機理有關[4]。環境空氣中的PM2.5來自工業生產、燃料燃燒等直接排放的一次污染物和氣態前體物經大氣光化學反應生成的二次污染物。研究表明，春夏季環境空氣中PM2.5濃度受二次污染物影響大，其主要由前體物NOx、SO2等轉化而來，秋冬季燃煤、機動車直接排放的污染物占比較大[5]。

PM2.5可與來源復雜的大氣微量氣體（特別是臭氧及其前體物）相互作用，干擾地球的輻射強度或為多相反應提供反應表面，從而影響臭氧濃度。二次PM2.5與O3有共同的前體物NOx和VOCs，二次PM2.5中SO42-、NO3-的生成過程中主要氧化劑為羥基自由基（·OH），而·OH主要來源于臭氧、H2O2等光解及臭氧與VOCs的反應，因此PM2.5中二次氣溶膠濃度與參與二次光化學反應的前體物NO2、VOCs及O3濃度都有一定關系。如圖9所示，16：00前后，各年度PM2.5小時濃度均值出現谷值，這與O3增加后，O3與大氣氧化劑的光化學反應加快，消耗的氣態前體物增加，導致PM2.5中的二次氣溶膠組分減少有關。

4 結論

本文基于濟南市2015—2021年環境空氣質量監測數據，分析PM2.5、NO2及O3的年度、月度和小時質量濃度變化趨勢，討論污染物濃度變化的影響因素及PM2.5、NO2、O3的相關性。研究表明，2015—2021年，

濟南市PM2.5、NO2濃度和超標天數整體呈下降趨勢，PM2.5、NO2污染逐漸減輕；2015—2018年，O3濃度和超標天數逐年上升，臭氧污染逐漸加重，2019年臭氧污染治理初見成效，2020年、2021年臭氧年均濃度和超標天數逐漸下降，臭氧污染減輕。

濟南市PM2.5、NO2、O3濃度呈現明顯的季節變化特征。夏季溫度高，光照強度大，光化學反應能力顯著增強，NO2光解加快，導致夏季O3濃度明顯升高，NO2濃度降低，臭氧污染月份主要集中在每年4—9月。O3小時濃度均值呈明顯單峰單谷變化，白天濃度高，夜間濃度低，濃度低谷出現在07：00前后，濃度高峰出現在15：00前后；NO2小時濃度均值呈雙峰單谷變化，濃度低谷出現在15：00前后，濃度高峰分別出現在08：00和22：00前后，白天午時至傍晚濃度低，夜間濃度高；PM2.5小時濃度均值呈弱雙峰變化，濃度高峰出現在10：00和00：00前后，濃度低谷出現在16：00前后。O3與NO2的小時濃度呈強負相關性，存在此消彼長的關系，PM2.5與NO2的小時濃度呈中等程度的正相關性，O3與PM2.5的小時濃度呈弱負相關性。

參考文獻

1 李明珠，徐 俊，劉厚鳳，等.濟南市都市圈PM2.5來源貢獻分析[J].環境工程技術學報，2021（2）：209-216.

2 姜 華，常宏咪.我國臭氧污染形勢分析及成因初探[J].環境科學研究，2021（7）：1577-1582.

3 尹承美，焦 洋，何建軍，等.濟南地區逆溫層特征及其對顆粒物質量濃度的影響[J].干旱氣象，2019（4）：622-630.

4 隋玟萱，王顥樾，唐 曉，等.山東省2015年PM2.5和O3污染時空分布特征[J].中國環境監測，2019（2）：59-69.

5 劉曉迪，孟靜靜，侯戰方，等.濟南市夏、冬季PM2.5中化學組分的季節變化特征及來源解析[J].環境科學，2018（9）：4014-4025.