常州顆粒物及污染氣體的觀測分析

程穆寧等

摘 要：利用常州市環境監測中心的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO及O3資料，分析了污染物的日變化以及顆粒物與污染氣體之間的關系。結果表明：PM2.5、PM10和NO2濃度日變化呈“雙峰雙谷型“分布，說明它們主要由人類活動和大氣層結穩定度共同決定。SO2濃度日變化呈現出白天大于夜間的現象，CO的日變化與機動車燃油不完全燃燒有關，O3的日變化與人類活動和光化學反應有關。顆粒物與污染氣體之間存在一定的關系，但由于污染物源匯的復雜性，相關系數不是太高。

關鍵詞：顆粒物；污染氣體；日變化；相關關系

顆粒物已成為城市群空氣質量急劇下降的首要污染物，導致區域性的霧霾天氣頻發[1-5]。粒徑較小的顆粒物會進入人體，引發呼吸道疾病，研究表明該疾病的發病與顆粒物的濃度有關[6]。顆粒物按照粒徑至少可分為PM2.5（顆粒物，空氣動力學直徑小于2.5μm）和PM10（顆粒物，空氣動力學直徑小于10μm）。污染氣體（如SO2、NO2、CO及O3等）對人體健康和空氣質量等有著重要的影響[7]。例如，SO2本身對人體有直接刺激作用，同時SO2容易在大氣中氧化形成硫酸或者硫酸鹽，腐蝕建筑物，酸化土壤和湖泊。鑒于顆粒物和污染氣體對環境和人體的重要影響，文章將利用常州市的環境監測數據，分析顆粒物和污染氣體的日變化及顆粒物和污染氣體之間的關系。

1 資料

文章所用資料來自常州市環境監測中心，資料包括2010年全年的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO及O3資料。所用儀器為美國賽默飛世爾公司生產的PM2.5監測儀、PM10監測儀、SO2監測儀和NO2監測儀，以及美國自動精密工程公司生產的CO監測儀和O3監測儀。

2 顆粒物與污染氣體濃度的日變化特征

2.1 PM2.5和PM10濃度的日變化特征

根據2010年常州PM2.5小時監測資料，圖1a給出了PM2.5質量濃度的日變化特征，具有顯著的“雙峰雙谷型“分布，高峰值出現在8時和20時，谷值則出現在4時以及12-15時左右?！半p峰雙谷型“分布原因分析：日出后，隨著人類生產活動、交通運輸的增加，PM2.5排放量逐漸增大，至8時達到了一天中的第一個高峰值，即0.0695mg/m3。之后，隨著太陽輻射的增強以及氣溫的不斷升高，大氣穩定度減弱，湍流擴散能力增強，有利于污染物擴散遷移，使得PM2.5濃度逐漸減小，故在午后取得谷值，最小值為0.0574mg/m3，此時也是接近一天中地面溫度最高，湍流運動最強的階段，因此，污染物擴散條件最好。日落之后地表長波輻射降溫增強，大氣層結趨于穩定，同時伴隨交通運輸高峰，PM2.5的濃度再次上升，在20時取得峰值，即0.0705mg/m3。但是由于夜間人類活動減少，盡管大氣層結逐漸趨于穩定，但PM2.5濃度仍逐漸減少，并在凌晨4時取得谷值，即0.0612mg/m3。由此可見，PM2.5質量濃度的日變化主要由人類活動和大氣層結穩定度共同決定。

PM10的質量濃度呈現出和PM2.5相似的“雙峰雙谷型”分布（圖1b），第一個峰值出現在早8時，第二個峰值出現在20時。兩個谷值分別出現在4時及12時。

常州市空氣中不同時段PM2.5在PM10中的占比見表1。常州市PM2.5/PM10占比均值為56.0%，且各時段占比基本持平?？傮w而言，白天PM2.5/PM10占比（55.3%）小于夜間（56.7%）。

2.2 污染氣體濃度的日變化特征

如圖2a所示，SO2濃度日變化呈“單峰單谷型”分布，一天中SO2濃度最大值出現在上午9時，谷值出現在17時至次日5時。白天濃度明顯大于夜間，這與人類活動密切相關。

如圖2b所示，NO2濃度日變化呈“雙峰雙谷型”分布，第一個峰值出現在上午8時，第二個峰值出現時域在18-20時；第一個谷值出現在凌晨4時，第二個谷值出現在午后12-14時。NO2濃度日變化與PM2.5濃度日變化基本一致。而且NO2極大值出現的時間正為上下班高峰期，說明機動車尾氣排放的二氧化氮對環境空氣的影響較大。

如圖2c所示，CO濃度日變化呈“雙峰雙谷型”分布，第一個峰值出現在上午7-8時，第二個峰值出現在20時；谷值分別出現在1時和午后14時。CO濃度日變化情況與NO2較為相似，且極大值出現的時間也為上下班高峰期，可推斷這種CO的日變化與機動車燃油不完全燃燒有關。

如圖2d所示，O3在早晨7時之前濃度很低，之后迅速上升，至下午14時達到峰值。城市污染大氣中，人類活動排放的NOx、NMHC（非甲烷碳氫化合物）和CO等污染物在白天太陽輻射作用下發生光化學反應生成高濃度O3。O3濃度與太陽輻射強度關系密切，正午太陽輻射最強烈，光化學反應以最大速率進行，因此O3濃度逐漸增大，至14時達到峰值。

3 顆粒物與污染氣體濃度之間的相關關系

由PM2.5濃度與SO2、NO2、CO及O3濃度相關關系（圖3）可知，PM2.5濃度與SO2濃度呈微弱正相關關系；PM2.5濃度與NO2濃度呈低正相關關系；PM2.5濃度與CO濃度呈顯著正相關關系；PM2.5濃度與O3濃度呈微弱負相關關系。

PM2.5的來源，按其形成方式可以分為三種：直接以固態形式排出的一次粒子；由高溫下排放的過飽和氣態物質冷凝而成的一次粒子；由氣態前體污染物經過復雜的大氣多相化學反應轉化而成的二次粒子。污染氣體SO2在大氣中氧化形成的硫酸鹽粒子、NOx經光化學氧化過程形成的硝酸鹽粒子都是PM2.5二次粒子的主要來源。氣溶膠中硫酸鹽的濃度主要取決于SO2的轉化速率。溫度高、濕度大、太陽輻射較強時，SO2轉化速率高。但是，高溫、強太陽輻射的氣象條件通常有利于PM2.5粒子擴散，濃度較低，因此PM2.5與SO2濃度相關性不是很好。

城市污染大氣中，人類活動排放的NOx、NMHC（非甲烷碳氫化合物）、CO等污染物可通過光化學反應產生二次污染物O3，并可進一步引發城市光化學煙霧污染。在高溫、強輻射、低濕度的環境條件下，O3的濃度非常高。同時，NOx這一低層大氣中O3的主要前體物，又通過紫外線驅動的光化學氧化過程消耗O3，快速形成了有機硝酸鹽粒子，使得PM2.5濃度增大。因此，大氣中PM2.5濃度與NOx、CO、O3三類氣體污染物濃度密切相關，但由于污染物源匯的復雜性，相關系數不是太高。

PM10與污染氣體濃度之間的關系與PM2.5類似（圖略）。PM10濃度與SO2、NO2、CO濃度的正相關關系弱于PM2.5，PM10濃度與O3濃度相關性優于PM2.5濃度。

4 結束語

（1）PM2.5濃度日變化呈“雙峰雙谷型”分布，說明PM2.5質量濃度的日變化主要由人類活動和大氣層結穩定度共同決定。PM10濃度的日變化特征與PM2.5的情況類似。PM2.5/PM10的均值為56.0%，且各時段占比基本持平?？傮w而言，白天PM2.5/PM10占比（55.3%）小于夜間（56.7%）。

（2）SO2濃度日變化呈現出白天大于夜間的現象，NO2濃度日變化與PM2.5、PM10濃度日變化基本一致，說明NO2與PM2.5、PM10具有同源性。CO濃度日變化峰值出現的時間為上下班高峰期，可推斷這種CO的日變化與機動車燃油不完全燃燒有關。O3濃度在7時出現最低值，14時左右出現最高值，與人類活動和光化學反應有關。

（3）PM2.5濃度與SO2濃度呈微弱正相關關系；PM2.5濃度與NO2濃度呈低正相關關系；PM2.5濃度與CO濃度呈顯著正相關關系；PM2.5濃度與O3濃度呈微弱負相關關系。由于污染物源匯的復雜性，相關系數不是太高。

參考文獻

[1]Jung C H， Kim Y P. Numerical estimation of the effects of condensation and coagulation on visibility using the moment method [J]. Journal of Aerosol Science， 2006，37（2）：143-161.

[2]程穆寧，崔云霞，陸春松，等.能見度與顆粒物質量濃度之間的關系[J].環境科學與技術，2014，37：146-151.

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*通訊作者：程穆寧（1983-），女，碩士，大氣物理學與大氣環境專業，主要從事大氣環境研究。