灰霾期間武漢城市區(qū)域大氣污染物的理化特征

陳 楠，全繼宏，田一平，操文祥，劉 虹，鄭明明，劉 立，胡 輝

1.湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖北 武漢 430072

2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

灰霾期間武漢城市區(qū)域大氣污染物的理化特征

陳 楠1，全繼宏1，田一平1，操文祥1，劉 虹1，鄭明明1，劉 立2，胡 輝2

1.湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖北 武漢 430072

2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

灰霾；武漢；大氣污染物；PM2.5；二次無機(jī)離子

灰霾期間，大氣顆粒物、氮氧化物、二氧化硫等大氣污染物濃度出現(xiàn)大幅度升高[1-3]，高濃度的大氣污染物會(huì)給人體健康帶來重大危害[4-5]。各地引起灰霾發(fā)生的主要因子并不相同，研究表明，碳質(zhì)氣溶膠是上海、北京、杭州和珠三角地區(qū)灰霾形成的關(guān)鍵因子之一[6]。硫酸鹽是大西洋中部夏季灰霾形成的關(guān)鍵因子，也是美國(guó)東部區(qū)域霾的主要貢獻(xiàn)者，而硫酸鹽和有機(jī)碳對(duì)美國(guó)西部地區(qū)霾的形成至關(guān)重要，硝酸鹽則是加利福尼亞州南部區(qū)域霾的最大影響因子[7]。新西蘭Auckland區(qū)域霾在春季和夏季由海鹽氣溶膠細(xì)粒子引起，冬季則由靜風(fēng)、汽車排放和燃燒等綜合因素引起[8]。同時(shí)，氣象條件也是灰霾形成的重要影響因素之一[9-12]，濕度、風(fēng)速和近地層流場(chǎng)與霾的形成密切相關(guān)[13]。此外，灰霾天氣的形成也與區(qū)域地理地貌特征有關(guān)。這些研究表明，不同區(qū)域灰霾形成的關(guān)鍵因子存在很大差異。武漢城市區(qū)域特殊的地理地貌特征，與該區(qū)域灰霾現(xiàn)象的形成，以及灰霾期間細(xì)顆粒物的理化特性及其關(guān)鍵影響因子存在必然的內(nèi)在聯(lián)系，但目前缺乏此方面的系統(tǒng)深入研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

數(shù)據(jù)來源于湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站大氣復(fù)合污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)站2013年全年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站地理位置如圖1所示。

圖1 湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站地理位置

武漢市不僅是華中地區(qū)重要的重工業(yè)城市，還是華中地區(qū)主要的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易中心。同時(shí)作為世界擁有水域面積最多的城市，中心城區(qū)湖泊多達(dá)30余個(gè)，造成了武漢城區(qū)常年高濕度的氣候特征。所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)位遠(yuǎn)離主要的工業(yè)園區(qū)和商業(yè)區(qū)，同時(shí)靠近東湖，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠典型地反映武漢城區(qū)的大氣污染特征。

1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及儀器

大氣復(fù)合污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)站配套有完善、先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，不僅能完成日常的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，還可以獲取大氣細(xì)顆粒物的理化特性數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等其他輔助數(shù)據(jù)。

具體的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及相關(guān)儀器設(shè)備如表1所示。

表1 大氣復(fù)合污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及儀器設(shè)備

2 結(jié)果與討論

2.1 武漢城市區(qū)域霾日大氣污染物濃度特征分析

霾是近年來中國(guó)重污染事件的主要表現(xiàn)形式[14]。為科學(xué)識(shí)別灰霾現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出了各種灰霾發(fā)生及程度的判據(jù)，劉偉等[15]初步探討了灰霾天氣下空氣污染程度評(píng)估方法及建立污染程度與能見度量化相關(guān)關(guān)系。本研究依據(jù)《霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)》(QX/T 113—2010)[16]和2013年湖北省大氣復(fù)合污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到，武漢市2013年夏季(6、7、8月)無灰霾現(xiàn)象發(fā)生，其他季節(jié)都有一定次數(shù)的灰霾現(xiàn)象發(fā)生。霾日與非霾日期間相對(duì)應(yīng)的各種大氣污染物(PM1、PM2.5、PM10、CO和NOX)的日均質(zhì)量濃度及相關(guān)氣象條件的日均值如表2所示。

由表2可見，在2013年的春季(3、4、5月)，秋季(9、10、11月)，冬季(12月、次年1、2月)3個(gè)季節(jié)中，PM1、PM2.5、PM10、CO和NOX質(zhì)量濃度的霾日均值均大于非霾日，尤其是冬季，霾日期間的PM1、PM2.5、PM10、CO和NOX質(zhì)量濃度是非霾日的1.5、1.6、1.7、1.3、2.1倍。霾日期間除上述污染物質(zhì)量濃度均大于非霾日外，其他污染物的霾日濃度不一定大于非霾日，例如春季、秋季、冬季霾日O3質(zhì)量濃度均小于非霾日，冬季霾日質(zhì)量濃度為非霾日的0.61倍；而SO2僅在冬季的霾日質(zhì)量濃度(44 μg/m3)才略大于非霾日(38 μg/m3)。

對(duì)于氣象條件，3個(gè)季節(jié)中大氣相對(duì)濕度在霾日均大于非霾日，尤其體現(xiàn)在春季和秋季，故高濕度是武漢城市區(qū)域灰霾的重要特征之一；而風(fēng)速在霾日并不像預(yù)想中的會(huì)明顯小于非霾日，反而均略大于非霾日，表明在武漢城市區(qū)域當(dāng)風(fēng)速小于一定值(小于3 m/s)時(shí)，風(fēng)速大小并非為霾是否形成的決定因素。

表2 大氣污染物及相關(guān)氣象條件的霾日與非霾日均值

2.2 武漢城市區(qū)域霾日PM2.5中理化特征分析

表3和表4分別為湖北省大氣復(fù)合污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)站2013年春季、秋季、冬季霾日與非霾日PM2.5中水溶性離子和元素組分的均值。

表3 PM2.5中水溶性離子及其相關(guān)酸堿性氣體的霾日與非霾日質(zhì)量濃度均值

表4 PM2.5中各元素組分質(zhì)量濃度的霾日與非霾日均值

2.3 武漢城市區(qū)域霾日PM2.5形成機(jī)制

圖2 2013年1月灰霾現(xiàn)象中和NO3-的正負(fù)電荷平衡圖

圖3 (NH4)2SO4和NH4NO3質(zhì)量濃度之和與散射系數(shù)的線性回歸分析

圖4 (NH4)2SO4和NH4NO3質(zhì)量濃度之和與能見度的線性回歸分析

由圖3、圖4可知，2種物質(zhì)的質(zhì)量濃度之和與散射系數(shù)成極好的正相關(guān)(r=0.951)，與能見度成極好的負(fù)相關(guān)(r=-0.892)。此外，霾日高

SOR、NOR、(NH4)2SO4、NH4NO3與污染物和氣象因子的Pearson相關(guān)系數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表5 SOR、NOR、(NH4)2SO4、NH4NO3與污染物和氣象因子的Pearson相關(guān)系數(shù)

注：“**”表示在P=0.01條件下顯著相關(guān)；“*”表示在P=0.05條件下顯著相關(guān)。

3 結(jié)論

根據(jù)湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站樓頂?shù)拇髿鈴?fù)合污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的污染物數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，分析了霾日與非霾日武漢城市區(qū)域大氣污染物及PM2.5理化特性的分布特征，同時(shí)還結(jié)合氣象參數(shù)探究了二次無機(jī)離子在霾日的形成機(jī)制，得到如下結(jié)論：

1)對(duì)于大氣污染物來說，霾日除PM1、PM2.5、PM10、CO和NOX質(zhì)量濃度均大于非霾日外，其他污染物的霾日質(zhì)量濃度不一定大于非霾日；對(duì)于氣象參數(shù)，高濕度是武漢城市區(qū)域灰霾的重要特征。

3)選取2013年1月的連續(xù)灰霾天進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明污染組分主要來自當(dāng)?shù)嘏欧牛ㄖ苯优欧藕投涡纬桑⑹墚?dāng)?shù)貧庀髼l件控制。此次灰霾現(xiàn)象PM2.5中硫酸鹽和硝酸鹽主要來自于氣相反應(yīng)，氣態(tài)NO2主要生成了氣態(tài)HNO3，而不是HNO2。

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The Physical and Chemical Properties of Atmospheric Pollutant in Wuhan Urban Area during the Haze

CHEN Nan1，QUAN Jihong1，TIAN Yiping1，CAO Wenxiang1，LIU Hong1，ZHENG Mingming1，LIU Li2，HU Hui2

1.Hubei Provincial Environmental Monitoring Centre Station,Wuhan 430072,China

2.School of Environmental Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China

haze;Wuhan;atmospheric pollutants;PM2.5;secondary inorganic ions

2015-02-17;

2015-03-30

湖北省環(huán)保廳科研課題“武漢市城市灰霾現(xiàn)象的成因分析及研究”(2012HB05)

陳 楠(1981-)，女，湖北武漢人，博士，高級(jí)工程師。

全繼宏

X823

A

1002-6002(2016)02- 0020- 06