夏季降雨對大氣污染物的清除影響*

劉 星 黃 虹# 左 嘉 鄒長偉 鄒友琴 黃業星 趙國登 陳 倩

(1.南昌大學資源環境與化工學院，江西 南昌 330031；2.南昌市環境監測站，江西 南昌 330038)

近年來，大氣污染形勢嚴峻，特別是城市區域，霧霾天出現的頻率有增加的趨勢，嚴重威脅人群健康和生態環境，并對全球氣候帶來不利影響。顆粒態污染物從大氣中的去除過程主要為干沉降和濕沉降過程[1]，一些氣態污染物也通過干濕沉降從大氣中去除，而降雨是濕沉降的主要過程，因此研究降雨和大氣污染物的關系，對大氣污染的預防與控制具有重要意義。

國內外也有許多學者研究降雨對大氣污染物的影響。陳小敏等[2]115-120和張文靜等[3]研究了不同等級降雨對大氣污染物的清除能力。謝鵬等[4]和王躍思等[5]研究了雨水中污染物離子濃度，進而推斷降雨對大氣污染物的清除效果。康漢青等[6]研究了降雨、降雪及霧過程對氣溶膠的清除系數與氣溶膠粒徑分布的相互關系。周國兵[7]分別研究了日降水、連續降水和逐時降水對PM10、SO2、NO2和空氣污染指數(API)的影響。BAE等[8-9]研究了雨滴與氣溶膠之間的漂移和靜電作用，氣溶膠因兩種作用與雨滴發生碰撞而去除。LAAKSO等[10]通過長期觀測濕沉降對0.01～0.50 μm氣溶膠的清除，研究降水對氣溶膠的清除系數和清除效率。CHATE等[11]研究降水對不同粒徑顆粒物的清除機制和清除效果，研究兩者間的相互作用。YOO等[12]通過長期觀測認為，夏季降雨對PM10、SO2、NO2和CO有清除作用，對O3濃度沒有影響。本研究著重就不同等級的降雨量、降雨場數和降雨累積時間通過沖刷作用對大氣污染物濃度的影響進行分析，為大氣污染物的人工干預、人工清除提供科學依據。

圖1 SO2日均質量濃度與日降雨量的變化

1 資料與方法

降雨量由APS-3A型降雨降塵自動采樣器實際監測得到。采樣器位于江西省南昌市紅谷灘新區南昌大學前湖校區環境樓樓頂。

大氣污染物的濃度數據來源于南昌市環境監測站的“南昌市空氣質量實時發布”，每天定時記錄建工學校監測站點(位于紅谷灘新區新府路某辦公樓樓頂)SO2、NO2、PM10和PM2.5的質量濃度，記錄時間為夏季(2014年6月16日至7月15日)，共30 d。

建工學校監測點位于南昌市紅谷灘新區，距離南昌大學前湖校區環境樓的直線距離約為4 km，兩者均位于贛江西岸，屬南昌市新城區范圍，為商業交通居民混合區。兩采樣點均位于樓頂，兩點間無山脈和高大建筑物遮擋，大氣污染物濃度及氣象條件基本一致；在監測期間，特別是降雨日，南昌市風速都為微風或靜風，大氣湍流造成污染物干沉降的影響很小，所以本研究數據具有可分析性。

2 結果與分析

2.1 降雨對SO2濃度的影響

在南昌大學前湖校區環境樓樓頂監測日降雨量，并記錄SO2日均質量濃度，分析兩者在觀測期間的分布與變化趨勢，結果見圖1。

當日降雨量≥10 mm(即中強雨降雨)時，當天的SO2日均質量濃度大都對應出現一個谷值(6月17日、6月21日、6月24日、7月11日、7月13日、7月15日)，說明中強雨降雨對大氣中SO2有明顯的清除作用(清除效率為14.3%～50.0%，其中清除效率是指降雨前一日大氣污染物濃度與降雨日大氣污染物濃度的差值占降雨前一日大氣污染物濃度的分數[2]115-116，[13])；在中強降雨后的第2天(如6月18日、7月14日)，沒有降雨或日降雨量很小時，SO2日均濃度反彈升高，反過來也說明中強降雨對大氣中SO2的清除作用。

但在6月27日，日降雨量為50.8 mm(遠超過10 mm)，SO2日均濃度僅從前一日的24 μg/m3下降到22 μg/m3，降低了2 μg/m3，清除效率很低，與上述討論的中強降雨對SO2清除效率高的規律不完全相符，分析其原因主要是由于前一日大氣中SO2日均濃度較低，導致第2天降雨對其沖刷作用較小。可見，降雨對大氣中低濃度SO2清除無明顯作用。

從圖1中能比較明顯地看到中強降雨對SO2的清除影響，但小雨(日降雨量<10 mm)對SO2的清除效率從圖1中不易看出規律，故把≥10 mm降雨日的數據全部剔除后，再與SO2日均質量濃度的分布對應比較，結果見圖2。

從圖2可以看出，當前一天沒有降雨(如6月18日)或前一天SO2日均質量濃度較高(高于25 μg/m3)時(如7月2日)，且第2天出現1 mm<日降雨量<10 mm時，SO2日均濃度會有較明顯的降低趨勢，說明>1～<10 mm的降雨也會對SO2有一定的清除作用。

但當前一天因中強降雨導致SO2日均濃度特別低時，第2天即使出現1 mm<日降雨量<10 mm，也不一定會繼續對SO2有清除作用。比如，結合圖1和圖2可見，6月21日日降雨量達到116.5 mm，SO2日均質量濃度受強降雨影響在觀測期間達到最低值(12 μg/m3)，第2天(6月22日)連續降雨(日降雨量為4.5 mm)，這時SO2日均質量濃度沒有下降，而是升高為16 μg/m3，說明>1～<10 mm的降雨對SO2的清除作用受前一天的降雨量和SO2本底濃度的影響。7月11、12日出現同樣的規律，7月11日中強降雨(日降雨量為19.5 mm)，SO2日均質量濃度下降到22 μg/m3，7月12日連續降雨(降雨為1.2 mm)，SO2日均質量濃度升高為31 μg/m3。

圖2 日降雨量<10 mm時的SO2日均質量濃度與日降雨量變化

圖3 NO2日均質量濃度與日降雨量的變化

≤1 mm的降雨情況出現時，降雨當天SO2日均濃度相比前一日，有些表現為降低趨勢，如6月25、26日以及7月4、5日；有些則表現為升高趨勢，如6月29、30日及7月1、2日。這說明，≤1 mm的降雨對SO2濃度的影響不明顯。

另外，從圖1和圖2還可以看出，日降雨量與SO2日均濃度沒有形成絕對的反比關系，即日降雨量越大，SO2日均濃度不一定越小。分析降雨對SO2的清除作用，除受降雨量的影響外，可能還與降雨累積時間和降雨場數有關。比如，6月19日日降雨量僅為1.6 mm，日降雨累積時間為126 min，降雨對SO2的清除效率為34.4%，7月3日日降雨量為3.2 mm，日降雨場數為5場，對SO2的清除效率為32.1%，這兩日的清除效率都高于7月11日(29.0%)，而7月11日日降雨量為19.5 mm，日降雨累積時間為100 min，日降雨場數為2場；同樣，6月22日日降雨量為4.5 mm，日降雨場數為12場，降雨持續時間近5 h，而當天的SO2日均質量濃度僅為16 μg/m3。這進一步說明了，降雨場數和降雨累積時間對SO2濃度有較大的影響。

2.2 降雨對NO2濃度的影響

2014年6月16日至7月15日記錄的NO2日均質量濃度和日降雨量的變化見圖3。

從圖3可以看出，日降雨量的變化與大氣中NO2日均濃度的變化不存在一致或相反的變化規律，有時出現中強降雨，NO2日均濃度表現為降低趨勢(6月21日、6月24日、7月11日和7月13日)，有時則表現為升高趨勢(6月17日、6月20日、6月27日和7月15日)。這說明，中強降雨對NO2濃度影響不大。

同樣從圖3還可以看出，6月19日、6月22日、6月23日、6月30日、7月2日、7月3日、7月14日出現小雨，NO2日均濃度比前一日升高；6月26日、6月28日、7月5日和7月12日出現小雨，NO2日均濃度比前一日降低。這說明，小雨對NO2濃度影響也不大。

圖4 PM10、PM2.5日均質量濃度與日降雨量的變化

圖5 日降雨量<10 mm時的PM10、PM2.5日均質量濃度與日降雨量變化

2.3 降雨對PM10和PM2.5濃度的影響

對收集期間日降雨量和PM10、PM2.5日均質量濃度作變化趨勢曲線圖，分析兩者的相互變化關系，結果見圖4。

從圖4可以看出，除了6月21日，其他中強降雨日，PM10和PM2.5日均濃度均有明顯的降低趨勢，說明中強降雨對PM10和PM2.5均有明顯的清除效果，PM10和PM2.5的清除效率分別為20.2%～68.8%、20.0%～74.0%。可見，中強降雨對顆粒物的清除效率略高于對SO2的清除效率。

6月21日雖然出現中強降雨，但PM10、PM2.5日均質量濃度分別為46、18 μg/m3，明顯比前一日升高，主要是因為前一日PM10和PM2.5日均質量濃度很低(分別為21、6 μg/m3)，6月21日出現一定的反彈回升現象。這說明，中強降雨對PM10和PM2.5的清除作用不僅受降雨量的影響，還受其降雨前PM10和PM2.5本底濃度影響。

同樣，為分析小雨對PM10和PM2.5的清除效率，剔除日降雨量≥10 mm的數據后，再與PM10和PM2.5日均質量濃度的分布進行比較，結果見圖5。

從圖5可以看出，除了在6月28日(日降雨量為1.6 mm)，PM10和PM2.5日均濃度因受6月27日其本底濃度的影響，出現反彈現象外，在其他1 mm<日降雨量<10 mm的降雨日(6月19日、6月22日、7月3日、7月12日)，PM10和PM2.5日均濃度都比前一日降低，說明>1～<10 mm的降雨對PM10和PM2.5也有一定的清除效果，PM10和PM2.5的清除效率分別為17.4%～66.5%、27.8%～76.7%。

除了在7月14日(日降雨量為0.1 mm)，受前一日PM10和PM2.5本底濃度的影響，出現明顯的反彈現象外，其他日降雨量≤1 mm的降雨日(6月23日、6月26日、6月30日、7月2日、7月5日)對PM10和PM2.5的清除效率分別為2.3%～23.2%、-5.9%～21.7%，PM2.5的清除效率負值出現在6月30日(日降雨量為0.6 mm)，比前一日PM2.5增加了1 μg/m3，說明≤1 mm的小雨對PM10有一定的清除能力，對PM2.5的清除效果不明顯。

降雨對PM10和PM2.5的清除能力除了受降雨量的影響外，同樣也可能與降雨累積時間和降雨場數有關。在6月19日，日降雨量僅為1.6 mm，日降雨累積時間超過2 h，日降雨場數為1場，對PM10和PM2.5的清除效率分別為22.4%、36.4%；在7月3日，日降雨量為3.2 mm，日降雨累積時間109 min，日降雨場數為5場，對PM10和PM2.5的清除效率分別為40.0%和62.1%；在6月24日，日降雨量為10.4 mm，日降雨場數為11場，日降雨累積時間為512 min，對PM10和PM2.5的清除效率分別為32.4%、41.7%，高于7月11日降雨對PM10和PM2.5的清除效率(分別為20.2%、20.0%)，而7月11日，日降雨量為19.5 mm，日降雨累積時間為100 min，日降雨場數為2場，說明降雨累積時間和降雨場數對PM10和PM2.5的清除有一定的影響。

3 結 論

(1) 中強降雨對大氣中的SO2、PM10和PM2.5都有明顯的清除效果，對SO2、PM10和PM2.5的清除效率分別為14.3%～50.0%、20.2%～68.8%、20.0%～74.0%；>1～<10 mm的降雨對SO2、PM10和PM2.5也有一定的清除效果；≤1 mm的降雨，對PM10具有清除作用，但清除效率較低(2.3%～23.2%)，而對SO2和PM2.5清除效果不明顯，有時還會增加SO2和PM2.5的濃度。降雨量對NO2的濃度變化影響不大。

(2) 降雨對大氣污染物的清除效率受降雨前污染物本底濃度的影響，污染物本底濃度很低時甚至會出現反彈現象。

(3) 降雨對污染物的清除效率除了受降雨量的影響外，其降雨場數和降雨累積時間對其也有一定的影響。

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