成都地區大氣污染物的城郊對比分析

向 鋼， 周筠珺，2， 馮桂力， 黃 蕾， 谷 娟， 張曉露

(1.成都信息工程大學大氣科學學院，四川成都610225;2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，江蘇南京210044;3.山東省氣象局，山東濟南250031)

0 引言

隨著經濟的快速發展，城市化速度的加快，城市人口的急劇膨脹，大氣污染已經由局地性問題轉變為地區性問題［1］。能源結構的調整，機動車排放的增多，使中國污染物的性質逐漸向復合型大氣污染轉變［2］。SO2、NOx、O3、PM10是影響中國城市空氣的主要污染物［3］。顆粒物中的硫酸鹽和硝酸鹽對能見度的降低起到重要的消光貢獻，粒子污染導致的持續性霧霾天氣和重污染過程逐漸增多［4］。局地氣溶膠分布經大尺度氣流的動力效應，形成局地污染物的遠距離輸送或擴散［5］。

尋求解決大氣污染問題的成因與治理已成為當今研究的熱點。在對中國大氣環境污染問題研究中，很多針對北京地區霧霾的研究發現邊界層內存在逆溫［6］，風速和風向對污染物的擴散有至關重要的作用［7-8］。田偉等［9］發現混合層高度過低，限制了大氣的水平和垂直擴散，是造成北京近地面污染物堆積形成重度污染的重要因素。以前的研究主要集中于長三角、珠三角、京津冀等發達地區，而對成都等西南地區城市的研究較少。黃巍等［10］通過對成都的PM2.5研究發現，成都地區PM2.5與風速呈現顯著負相關，而與其他氣象要素相關性較弱，降水對 PM2.5質量濃度影響很大。張智勝等［11］發現成都地區碳氣溶膠受到燃燒源的重要影響。目前的研究主要集中于成都市中心城區，對郊區的研究很少，有關成都地區郊區和城區污染物濃度變化情況的對比不多，利用三道堰區域背景站及城區人民公園測站作為郊區和城區的代表性站點，討論不同季節SO2、NOx、PM10變化特征的差異，污染物的日變化，并分析造成差異的原因，希望為今后研究成都地區污染物分布的城郊差異及污染物的傳輸及轉化提供依據。

1 材料與方法

選取成都市環境監測站的三道堰和人民公園2個監測站點作為對比站點。三道堰站(成都市中心城區8個國控空氣子站之一，成都市城區的背景站)位于郫縣北部，成都市的西北部，距成都市22公里。由于其作為背景觀測站的特殊作用，在近距離內沒有排污的工礦企業，所處位置地形開闊，受局地環流影響小。人民公園位于成都市三環內中心繁華地帶。其中三道堰為郊區站，而人民公園為城區站。數據的時間長度為2010年1月1日～2014年7月14日，中間缺少2010年9、10月，2011年11、12月4個月的數據。監測數據包括 SO2、NOx、NO、NO2、PM10的逐時濃度資料。將觀測期間因儀器標定、故障、斷電等原因造成的空白及誤差數據剔除。

2 結果與討論

2．1 污染物濃度月平均變化

圖1 為城郊 2 站 SO2、NOX、NO、NO2、PM10月平均濃度的變化，從圖1可以看出，2站各污染物濃度月變化呈典型單谷型變化特征。2站SO2的月平均濃度變化一致，SO2在夏季(6～8月)濃度很低，城區和郊區都在23 μg.m-3(體積分數，下同)以下，城郊2站差異小，濃度相差不超過2 μg.m-3。SO2的最低濃度出現在6月，這主要是由于夏季SO2的排放源小、降水對其的清除作用明顯所致。秋、冬季城郊SO2的濃度迅速上升，城區濃度較郊區升高明顯，最高濃度均出現在冬季12月，平均濃度為42 μg.m-3，郊區站和城區站的8月出現SO2濃度小峰值，這是由于受到了成都地 區農業生產活的影響所致。

圖 1 SO2、NOx、NO、、PM10的逐月平均濃度對比

月平均NOx濃度的變化趨勢與SO2的相似。城區站和郊區站夏季的濃度都比較低，7月達到最低值，城區站和郊區站的最低值分別為 51μg.m-3、51 μg.m-3。冬季濃度最高，12月達到最高值，城區站和郊區站的最高值分別為 119 μg.m-3、50 μg.m-3。NOx主要來源于機動車和燃燒排放［12］，冬季大氣的氧化性弱，發生的光化學反應也最弱，光化學反應消耗的NOx也少。此外，冬季穩定的大氣層結和高靜風率，不利于污染物的擴散而使其在底層堆積。城區站的NOx濃度值全年都比郊區站的高，平均而言城區站的NOx濃度約為郊區站的2倍。郊區站NO濃度的年變化小，由此可見郊區站周邊沒有相關的排放源。城、郊NO2的時間變化特征與NOx相似。在城區站NOx、NO和NO2的月變化曲線上的3月和8月出現2個明顯的峰值。從SO2和NOx污染特征變化的差異可以推斷，SO2的主要來源為煤煙排放，而NOx的主要來源為機動車尾氣和煤煙混合排放。

城、郊2站PM10的變化趨勢一致，但由于背景站受建筑揚塵和汽車尾氣的氣粒轉化影響遠小于城區站，因此郊區站月較差幅度也遠小于城區站。城郊2站夏季PM10濃度都較低，最低濃度分別為7月的73 μg.m-3和6月的47 μg.m-3。成都地區的降水主要集中在6～9月，占全年降水的73%左右［13］，降水對污染物的清除作用明顯。城區站的PM10在秋冬季濃度迅速上升，并在冬季1月達到最大值178 μg.m-3。成都秋冬季空氣濕度大，有利于氣粒轉化。張智勝等［11］的研究也表明在成都地區，與土壤塵及揚塵、生物質燃燒、機動車尾氣相比，二次硝酸鹽/硫酸鹽對秋、冬季PM2.5的貢獻最大。郊區站附近車流量少，受到人為因素影響小，冬季濃度上升緩慢，最大值為11月的95 μg.m-3。城、郊2站的PM10在3月份都出現了一個峰值，且背景站的最大值即為3月PM10峰值。這是由于2013年3月成都遭受近10年來影響最大和持續時間最長的強沙塵天氣影響［14］，對3月PM10的平均濃度貢獻較大。2013年城區站和背景站3月份PM10的濃度是其他年份的同期的兩倍多。

2．2 污染物濃度不同季節日變化

圖2 不同季節SO2日變化的城郊對比

按照氣象學的劃分方法，將3～5月劃分為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季、12 ～翌年1、2月為冬季。圖2為城郊2站四季SO2的日變化，從圖中可以看出，總體上城郊2站峰值的大小隨著季節變化而出現波動:秋冬季的峰值大于春夏季。2站不同季節的SO2濃度日變化趨勢也一樣。冬季城郊2站均為單峰型日變化。早晨7:00之前2站SO2濃度變化緩慢，8:00以后隨著人類活動增強，SO2濃度迅速上升冬季成都大氣層結穩定，SO2不斷聚集，在12:00左右達到最大值。秋季SO2的日變化曲線與冬季相似，城郊2站的最高值均出現在上午10:00左右，比冬季最高值的出現提前2個小時。這是由于秋季接收的太陽輻射比冬季多，10:00以后大氣湍流運動旺盛，水平和垂直擴散能力強，有利于SO2濃度的稀釋。春季城郊2站SO2濃度日變化差異較大。郊區站在凌晨濃度較高，上午濃度上升緩慢，12:00達到最高值，濃度日較差小。城區站早晨7:00以后濃度迅速上升，10:00達到最高值，濃度日較差大，這是由于春季午后強對流活動造成的。夏季城區站的峰值滯后郊區站1小時。

圖3 不同季節NOx日變化的城郊對比

城郊2站秋、冬季NOx(圖3)日變化的差異明顯。城區站峰值出現在冬季 10:00左右，濃度為134 μg.m-3。而郊區站在10:00和21:00左右各出現一個峰值，最高濃度出現在冬季21:00，最高值為51 μg.m-3。城區站為明顯的單峰型變化，郊區站NOx呈雙峰型變化，秋冬季濃度相差無幾。城區站峰值前后出現谷值，是由于NOx在向亞硝酸(HONO)轉化的緣故［15］，最低值出現在 17:00左右，濃度為67 μg.m-3。城區站NOx從早晨7:00開始迅速上升，上班高峰期9:00后出現NOx峰值，說明早高峰是由上班高峰期機動車尾氣的排放造成。17:00～23:00為NOx濃度持續上升區，NOx在夜間一直保持較高濃度。這是由于下班高峰期車流量大、汽車排放的尾氣也比較多，在太陽下山后，地面迅速冷卻，形成較低的穩定逆溫層。逆溫層的存在不利于地面污染物的擴散。逆溫層一直持續到第二天日出才消失，這是造成夜間城區NOx高濃度的原因。郊區站地區秋冬季夜間取暖，穩定的大氣層結共同造成夜間濃度峰值。城郊2站NO(圖4)的變化規律與NOx相同。

圖4 不同季節N O日變化的城郊對比

圖5 不同季節NO2日變化的城郊對比

城郊2站的NO2(圖5)都呈雙峰雙谷型日變化。但四季城區站的最高濃度都出現在中午12:00左右，而郊區站為21:00，NO2峰值比NO滯后1小時左右。城區站的最高濃度是由汽車尾氣和礦石燃料燃燒所致。郊區站附近森林覆蓋率高，土壤-植物系統夜間排放的NO很快被氧化成NO2，造成峰值出現在夜間。冬季郊區夜間取暖使NO2峰值更明顯。早晨隨著太陽輻射的增強，NO與O3的光化學反應也增強。NO的濃度最低值出現在17:00，隨著太陽輻射的減弱，光化學反應也相應減弱。夜間NO2停止光解反應，同時NO和O3發生氧化反應，產生NO2，也是造成夜間NO2高濃度的原因之一。

圖6 不同季節PM10日變化的城郊對比

PM10作為大氣主要污染物之一，對人的身體健康有很大危害。圖6為城郊2站四季PM10的日變化，從圖6可以看出，城區站PM10與SO2的日變化相似，呈單峰型日變化。濃度從大到小依次為:冬季、春季、秋季、夏季。冬季PM10的濃度平均為夏季的兩倍。四季節日變化的最高值都出現上午9:00，最低值出現在17:00。而郊區站秋冬季為雙峰型日變化，春季和夏季為單峰型日變化，冬、春、秋三季濃度相差不大，不超過15 μg.m-3，最低濃度均出現在凌晨6:00，最高濃度出現在夜間21:00左右。上班高峰時期機動車尾氣的氣粒轉化、建筑揚塵共同造成了城區站上午的峰值。雖然午后太陽輻射減弱，但地面及地面附近的空氣繼續升溫，局地溫差增大，此時大氣層結不穩定，對流發展旺盛有利于污染物擴散。郊區站PM10的夜間高濃度可能由做飯、取暖造成。

圖7 SO2、NOx、PM10濃度逐日變化(虛線表示該污染物在國家新環境空氣質量二級標準中濃度限值)

圖7為城郊2站SO2、NOx、PM10濃度的逐日變化，從圖7可以看出，觀測期間郊區站SO2的24 h平均濃度有35次超過國家新二級標準，主要都出現在2012年以前，最高濃度為濃度為0.217 mg.m-3，略高于國家新二級標準24 h平均濃度限值的0.1 mg·m-3;而城區站只有一次濃度超標，出現在2012年11月12日，濃度為0.125 mg.m-3。2012年10月之前郊區站的SO2濃度大多高于城區站，2012年之后郊區站濃度普遍低于城區站。城郊2站日平均濃度的線性擬合曲線可以看出2站不同的變化趨勢，城區站下降趨勢不明顯，而郊區站則有明顯的下降趨勢。這是由于成都市十二五期間調整產業結構，淘汰嚴重污染環境的項目，關閉了華能電廠、嘉陵電廠和44家水泥廠，實施清潔能源的改造，削減SO2的排放量，降低空氣中SO2的濃度。郊區站自然環境狀況良好，SO2排放量小，受城區SO2減排影響大，環境凈化能力強，因此下降明顯。城區站NOx日平均濃度有665 d超過國家新二級標準，超標率為40%，最高濃度達到372 μg·m-3，超標時段主要出現在每年秋、冬季。郊區站在現有的數據中，超標時段出現在2011年5月以前，最高濃度為136 μg·m-3。城郊兩站的日平均NOx濃度均呈下降的趨勢，郊區站下降更明顯。城郊兩站PM10的超標率都比較高，2012年以后城區日平均PM10濃度幾乎都高于郊區。2013年3月1～5日城郊兩站PM10濃度出現一個峰值，城區站最大值達到866 μg·m-3，郊區站達到0．55 μg·m-3，這次重污染過程是北方沙城暴引起。郊區站的最大值出現在2011年7月15日，且整個7月PM10的濃度都嚴重查表，這期間正值農忙季節，可以斷定是由農業生產活動引起。從線性擬合曲線可以看出，郊區站無明顯變化，而城區站則成上升趨勢。許多研究表明細粒子PM2.5已經成為PM10的主要成分［16］，可以通過調控 PM2.5來降低粗粒子 PM10的濃度。因此，對于減輕成都市顆粒物污染的問題需要做到粗、細粒子雙管齊下，預防和治理相結合，制定有效的調控措施。

表1 四季氣體污染物日平均濃度與顆粒物的相關性對比

為清楚地了解冬、春、夏秋四季PM10粒子與SO2、NOx污染氣體的相關性，通過統計分析四季氣體污染物SO2、NOx與固態污染物PM10的相關關系(表1，總樣本數為1564)，發現城郊兩站隨季節不同氣、固態污染物的相關程度也不同?？傮w而言，城區站的SO2和NOx與 PM10的相關性都比郊區站的顯著。城區站2010年1月1日～2014年7月14日 SO2、NOx日平均濃度與 PM10的相關系數分別達到0.564881、0.519819，相關性顯著。而郊區站 SO2、NOx月 PM10的相關性系數卻只分別達到0.321182、0.261276。秋冬季SO2和NOx與PM10的相關性高于其他季節，進一步說明了城市污染過程中PM10濃度與NOx、SO2濃度相關顯著，氣粒轉化是城市PM10的重要來源。同一站點不同污染氣體與PM10的相關性也不同，城郊兩站SO2與PM10的相關性比NOx與PM10的顯著。

3 結束語

(1)成都市污染物濃度季節差異大，NO、NO2、NOx、SO2、PM10在夏季達到最小值。冬季 NO、NO2、NOx和SO2濃度達最高。城郊SO2月平均濃度差異不大，而城區NOx的月平均濃度要遠高于郊區。

(2)郊區站秋冬季NO、NOx的日變化呈雙峰雙谷型，且最高濃度出現在夜間21:00左右，最低濃度出現在凌晨17:00左右，是由于秋冬季夜間取暖所致。反應了郊區大氣的區域性特征。而城區站則為單峰雙谷型。城郊2站SO2均呈單峰型日變化，城區站各季節濃度略高于背景站。最高值出現在中午12:00。NOx、SO2的日變化反應了機動車等人類活動對大氣環境的影響。

(3)郊區站的NOx、SO2日平均濃度都呈下降趨勢，PM10無明顯變化趨勢;城區站SO2、NOx變化趨勢不明顯，PM10呈上升趨勢。

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