山東省2015年PM2.5和O3污染時空分布特征

隋玟萱，王顥樾,3，唐 曉，盧苗苗，吳煌堅，朱莉莉

1.云南大學，大氣科學系，云南 昆明 650500 2.中國科學院大氣物理研究所，大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室(LAPC)，北京 100089 3.復旦大學環境科學與工程系，上海市大氣顆粒物污染防治重點實驗室(LAP3)，上海 200000 4.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

當前，大氣污染已經成為世界各國面臨的最大挑戰之一，大氣污染嚴重危害人體健康，給生態環境、氣候變化等帶來諸多不利影響[1]。中國大氣污染的區域復合型特征顯著，光化學煙霧和霾污染問題最為突出，尤其是在中國的北方地區及長三角、珠三角地區[2-5]。2015年原環境保護部頒布的《中國環境狀況公報》顯示，城市環境空氣質量超標天數中，以細顆粒物(PM2.5)、臭氧(O3)和可吸入顆粒物(PM10)為首要污染物居多，分別占超標天數的66.8%、16.9%和15.0%[6]。PM2.5是導致霾污染的主要污染物，會對人體的呼吸系統造成危害，能直接散射和吸收紫外輻射，改變入射紫外輻射強度，從而對大氣氧化性及氣候變化產生影響[7-9]。O3是光化學污染最主要的產物，是一種強氧化劑，對流層大氣O3濃度增高，會產生一系列不利于人體健康的影響[10]。

目前國內外對PM2.5和O3濃度的分布與變化特征以及兩者之間相互影響的研究已取得一系列進展。孫彧等基于近40年(1971—2010年)中國567個地面觀測點位的霾日數和霧日數資料，指出中國霾主要發生在華北、河南、珠三角以及長三角地區[11]。劉曉環等利用CMAQ模式對中國O3污染特征進行模擬研究，發現O3最大值出現在夏季，并且主要出現在華北地區[12]。MENG等指出O3和PM2.5之間具有重要的化學耦合關系，這種耦合關系對理解控制兩者濃度的化學過程具有非常重要的意義[13]。PM2.5通過影響太陽輻射以及改變大氣非均相反應過程影響近地面O3濃度，近地面O3濃度則通過改變大氣氧化性對二次顆粒物的生成產生影響[14-15]。XIAO等發現杭州地區PM2.5和O3之間存在正相關關系，相關系數為0.24[16]。邵平等在長三角工業區大氣污染研究中發現，在未對O3前體物進行有效控制的情況下，單方面進行PM2.5減排將加重區域O3污染[17]。

山東省地處華東沿海、黃河下游，北鄰京津冀、南接長三角，是中國的經濟大省、人口第二大省。隨著經濟和工業的發展，山東省逐漸成為大氣污染問題研究的重要區域。近53年間(1961—2013年)山東省的年均霾日數整體呈上升趨勢，霾多發時段也由冬季蔓延至秋季、夏季和春季[18]。山東省一次PM2.5的排放量達到全國總排放量的8.5%，位居全國第一[19]。然而，對于大氣污染狀況日益嚴重的山東地區而言，目前研究主要側重于個別城市或地區PM2.5或O3污染的特征和成因分析，對整個山東地區PM2.5和O3污染的時空分布特征研究還較少。因此，筆者在分析2015年山東省PM2.5和O3分布及變化特征的基礎上，進一步探究PM2.5污染和O3污染之間的協同性和差異性，并初步探討了兩者與氣象要素的相互關系。

1 實驗部分

污染物觀測數據采用中國環境監測總站全國城市環境空氣自動監測系統的小時數據，包括PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO和O36種大氣污染物。根據2012年原環境保護部發布的《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)[20]，PM2.5濃度超標和O3濃度超標分別定義為PM2.5的24 h質量濃度平均值大于國家空氣質量二級濃度限值(75 μg/m3)，O3-8 h質量濃度平均值大于O3國家空氣質量二級濃度限值(160 μg/m3)。

為了更好地總結山東省PM2.5和O3的變化特征，筆者根據氣象預報上的區域劃分規定，將山東省劃分為山東西北部(聊城、德州、濱州、東營)，山東中部(濟南、淄博、濰坊、泰安、萊蕪)，山東南部(菏澤、濟寧、棗莊、臨沂、日照)以及山東半島(青島、煙臺、威海)4個區域。

2 結果分析與討論

表1中分別給出了2015年山東省各城市PM2.5年均濃度、PM2.5年超標天數、O3-8h年均值以及O3年超標天數。

表1 2015年山東省各城市PM2.5年均濃度、PM2.5年超標天數、O3-8 h年均值和O3年超標天數Table 1 The annual average PM2.5 concentration, the PM2.5 polluted days, the annual average O3-8h concentration and the O3 polluted days in Shandong province in 2015

2.1 山東省PM2.5和O3空間分布特征

從整體上看，山東省東西部地區的PM2.5年均質量濃度差異較為明顯，由東向西呈現遞增的趨勢。半島地區濃度較低，年均質量濃度為35～60 μg/m3，而西北部、中部和南部地區的年均質量濃度均超過60 μg/m3，其中高值主要出現在西北部的德州和聊城。山東省中部和南部地區多為典型的重工業城市，PM2.5質量濃度高，但其中泰安市PM2.5年均質量濃度相對較低，為69 μg/m3。以上分布特征可能與山東省的氣象條件、地形特征和污染源的分布等都有關。

山東省東部為半島，西北部屬于華北平原，地勢較低，而中部、南部地區則為山地丘陵區。研究表明，由此復雜地形所引起的山谷風、海陸風以及城市熱島效應等，對山東省大氣污染物的形成和擴散起著重要影響[21]。此外，年均質量濃度最高的3個城市(德州、聊城及菏澤)，緊鄰PM2.5污染嚴重的京津冀地區以及河南省[22-23]，可能區域輸送對其濃度影響較大。

近地面O3濃度受氣象條件和前體物的濃度影響較大，夏季與溫度相關性較高，濃度主要受局地光化學反應的控制，冬季與風速相關性較高[24]。比較可以看出，O3濃度的空間變化與PM2.5濃度的空間變化不同，半島地區和南部地區的區域內城市之間的濃度水平比較一致，其中南部地區的年均值略高于半島地區；西北部地區和中部地區的區域內城市之間濃度水平差異較大，最高值(115 μg/m3)和最低值(78 μg/m3)均出現在中部地區，分別為濰坊和萊蕪。這表明山東省O3污染局地性特征明顯，可能與不同城市的排放結構和局地氣象條件的差異大有關。

從污染物的年超標天數可以看出，PM2.5年超標天數的空間分布和PM2.5年均質量濃度的空間分布特征一致，由東向西呈遞增的趨勢。東部半島地區年超標天數較少，其他3個地區的年超標天數均在100 d以上，并且大部分城市為150～200 d，德州、聊城和菏澤3個城市最為嚴重，年超標天數超過200 d，這表明山東省PM2.5污染狀況已非常嚴重。從O3年超標天數的空間分布來看，半島地區超標天數較少，其次為南部地區，而中部地區和西北部地區超標天數較多且具有顯著的局地特征，相鄰城市間污染水平差異較大，這說明針對不同城市的O3污染治理，需重點考慮自身排放特點和局地氣象條件。

2.2 山東省各城市PM2.5和O3變化特征

山東省各城市PM2.5月均質量濃度的時間序列如圖1所示。

圖1 山東省各城市PM2.5月均質量濃度時間序列Fig.1 Time series of monthly average PM2.5 concentration for all cities in Shandong province

從圖1可以看出，各區域內PM2.5月均質量濃度變化趨勢基本一致，冬季最高，其次是秋季、春季，夏季最低。在12月，除半島地區外，其他地區的PM2.5質量濃度均較高，其中7個城市(德州、東營、菏澤、濟寧、萊蕪、聊城、淄博)的PM2.5月均質量濃度超過150 μg/m3，德州最高，達到210 μg/m3。春季和秋季的濃度水平相當，秋季略高于春季。此外，大部分城市PM2.5濃度在10月都會出現一個較大增幅，11月濃度與10月基本持平。所有區域內PM2.5濃度在夏季最低，高值主要出現在西北部地區，其中聊城6月的PM2.5月均質量濃度達77 μg/m3，德州7月的PM2.5月均質量濃度達76 μg/m3。

氣象條件(如溫度場、風場和相對濕度等)對污染物的形成及時空演變起到非常重要的作用。冬季為采暖期，本身一次排放的污染物增多，再加上穩定的天氣形勢，容易導致污染。2015年12月山東省平均氣溫偏高，多受均壓場和弱冷空氣的控制[25]，有利于PM2.5的形成和累積。此外，10月為農作物收獲季節，PM2.5濃度的較大增幅也可能與秸稈燃燒有關。秸稈燃燒是PM2.5的重要來源之一，中國華東地區的農田秸稈燃燒密集區域主要分布在山東南部、安徽北部和江蘇等地區，單位網格秸稈燃燒釋放PM2.5的最大排放量多集中于山東，高值主要出現在6、10月[26]。

山東省各城市O3月均質量濃度的時間序列如圖2所示。

從圖2可見，各城市O3月均質量濃度的變化趨勢是一致的，高值主要出現在春末和夏季，6月質量濃度最高，冬季質量濃度最低。半島地區和南部地區的區域內各城市O3質量濃度水平接近，而西北部地區和中部地區在冬季外的其他季節，各城市間的濃度水平差異較大。

圖2 山東省各城市O3月均質量濃度時間序列Fig.2 Time series of monthly O3 average concentration for all cities in Shandong province

圖3和圖4給出了山東省各城市PM2.5和O3的月超標天數。從圖3和圖4可以看出，PM2.5的超標天數在夏季最少，其他季節較多，12月和1月的超標天數最多，1月菏澤的超標天數高達29 d，幾乎持續一整月。山東西北部的德州和聊城全年各月份的超標天數均較多，尤其是德州，8月的超標天數也達18 d。山東半島地區在夏季幾乎不存在超標現象，其他季節中，青島的超標天數最多。

從O3月超標天數來看，冬季所有區域內都沒有出現O3濃度超標，超標天主要出現在5—8月，最高值出現在6月的淄博和濰坊，有21 d超標。山東西北部的德州是年超標天數最多的城市，在5—8月的月超標天數都在10 d以上。

圖3 山東省各城市PM2.5月超標天數Fig.3 The monthly number of days that PM2.5 exceeding the standard for all cities in Shandong province

圖4 山東省各城市O3月超標天數Fig.4 The monthly number of days that O3 exceeding the standard for all cities in Shandong province

2.3 各城市PM2.5和O3污染的協同性和差異性

在復合型大氣污染中，光化學煙霧和霾污染有時會同時發生[4]。表2中給出了山東省各城市2015年PM2.5和O3同時超標天數。

表2 2015年山東省各城市PM2.5和O3同時超標天數、O3超標天數/PM2.5超標天數Table 2 The number of days that PM2.5 and O3 both exceeding the standard, the ratio of the number of days that PM2.5 exceeding the standard and the number of days that O3 exceeding the standard in Shandong province in June 2015

從表2可以看出，山東省大氣復合污染特征明顯，所有區域內都存在PM2.5和O3同時超標的現象，全年共有10個城市的同時超標天數在20 d以上，其中德州最多，高達65 d。整體看來，半島地區同時超標現象最少，其次是中部地區和南部地區，而西北部地區的同時超標現象最為嚴重，并且城市之間的差異較大。從圖3和圖4 的PM2.5和O3月超標天數可以看出，同時超標主要發生在夏季，冬季不存在此現象，這主要是由于夏季太陽輻射較強，光化學反應強烈，導致O3生成較多，而高濃度O3使大氣氧化性增強，從而促進二次顆粒物的生成，導致PM2.5濃度升高[27]。

從表2中給出的山東省各城市2015年O3超標天數/PM2.5超標天數可以看出，在全省PM2.5和O3污染當中，PM2.5污染占主導地位，但對于部分城市(濰坊、威海、臨沂、東營和泰安)來說，O3污染所占比例也較高，說明O3污染同樣是山東省不容忽視的大氣污染問題。其中，南部地區各城市之間PM2.5污染和O3污染的差異較小，而在半島、西北部以及中部地區，不同城市之間的污染情況存在較大差異，特別是部分相鄰城市(如東營和濱州、泰安和萊蕪)，地理位置非常接近，但PM2.5和O3的污染特性差異很大。從表1可以看出，對于東營和濱州，PM2.5年均質量濃度相同，但東營O3-8 h年均質量濃度遠高于濱州；對于泰安和萊蕪，萊蕪PM2.5年均質量濃度遠高于泰安，但O3-8 h年均值卻遠低于泰安，這種差異可能與城市之間不同的地形特征和產業結構等因素有關。

2.4 典型城市PM2.5和O3污染與氣象要素的相互關系

氣象要素對大氣污染的形成和消除產生非常重要的影響。大氣的溫度、相對濕度等能直接影響大氣的化學反應速率，而三維風場結構、降水等對污染物的水平和垂直輸送以及干濕沉降等過程起著重要作用。

研究以濟南為例，探討了夏季(6—8月)溫度和相對濕度對O3和PM2.5濃度變化的影響。圖5給出了不同溫度和相對濕度下PM2.5日均質量濃度與O3-8 h日均值之間的相關關系。

圖5 濟南夏季不同溫度和相對濕度下PM2.5日均質量濃度與O3-8 h散點及擬合關系Fig.5 Scatterplots and relationships of PM2.5 daily average concentration and O3-8 h under different temperature and relative humidity conditions over Jinan in summer

從圖5可見，當溫度≥26 ℃時，兩者相關系數為0.63，23～26 ℃溫度區間的相關系數為0.21，而20～23 ℃溫度區間兩者呈負相關關系，相關系數為-0.27?？梢钥闯?，在溫度較低時，PM2.5日均濃度與O3-8 h之間呈負相關關系，隨著溫度的升高，兩者開始呈現正相關關系，并且溫度越高，相關系數越大，兩者更容易同時達到高值，說明高溫有利于O3和PM2.5疊加形成復合型污染。

對于相對濕度而言，當相對濕度≤60%時，PM2.5日均濃度與O3-8 h之間的相關系數為0.69，相對濕度為60%～75%時，兩者相關系數為0.42，相對濕度大于75%時，兩者相關系數為0.12?？梢钥闯觯诓煌鄬穸认?，PM2.5日均濃度與O3-8 h之間均呈現正相關關系，并且隨著相對濕度的減小，兩者之間的正相關關系越來越明顯，說明當相對濕度較低時，O3和PM2.5更容易同時達到較高的濃度。這種特征可能與風的變化和氣團來向有關，當PM2.5和O3濃度均較低時，濟南多受偏東風或東南風的影響，氣團來自于海洋，相對清潔并且濕度較大，因此不易出現復合污染的現象。而當PM2.5和O3濃度同時達到較高值時，濟南多受到高溫低濕的大陸氣團影響，風速較小，為復合污染的形成提供了有利的天氣條件(圖6)。

圖6 濟南夏季PM2.5和O3濃度以及風向和風速的小時變化Fig.6 Hourly variation of PM2.5 concentration,O3 concentration,wind direction and wind speed over Jinan in summer

為了進一步研究溫度和相對濕度對O3和PM2.5復合污染的影響，選取O3污染嚴重的6月進行重點分析，分析不同大氣污染情形下溫度和相對濕度的變化。表3給出了6月濟南O3污染

日和清潔日的選取以及PM2.5濃度超標的日期。從表3可以看出，6月濟南有15 d O3污染日，15 d O3清潔日，并且幾乎所有PM2.5超標日都伴隨O3污染。

表3 2015年6月濟南O3污染日與O3清潔日的選取Table 3 The selection of O3 polluted day and O3 clean day over Jinan in June 2015 μg/m3

注：加粗的數據為PM2.5濃度超標時的數據。

圖7給出了濟南6月O3清潔日和O3污染日溫度和相對濕度的日變化情況。O3污染日溫度要顯著高于O3清潔日，并且在12:00—17:00時間段內的溫度差要大于其他時刻。O3污染日的相對濕度要小于O3清潔日，兩者之差也是在12:00—17:00時間段內最為明顯。

圖8給出了O3污染日中僅有O3污染以及O3和PM2.5復合污染時溫度和相對濕度的變化情況?？梢钥闯?，僅發生O3污染、O3和PM2.5同時污染2種情形下溫度變化不大，而相對濕度則有顯著差異。發生O3和PM2.5復合污染時，相對濕度要明顯大于僅有O3污染的情形。

通過以上污染物與氣象要素的相互關系分析可以發現，受大陸氣團影響時，溫度較高、相對濕度較低，PM2.5和O3更容易同時達到較高的濃度，受相對清潔并且濕度較大的海洋氣團影響時，則不容易出現污染。此外，當發生O3污染時，往往受大陸氣團控制，相對濕度增加有利于PM2.5形成及濃度升高，從而形成復合型污染。

圖7 濟南6月O3清潔日和O3污染日溫度和相對濕度的日變化Fig.7 The daily variation of temperature and relative humidity in O3 polluted days and clean days over Jinan in June

圖8 O3污染日當中，僅有O3污染以及O3和PM2.5同時污染時溫度和相對濕度的日變化Fig.8 The days only O3 pollution occurred and the days O3 and PM2.5 pollution both occurred over Jinan in June

3 結論

通過觀測數據分析了2015年山東省PM2.5和O3的時空分布特征，以及PM2.5污染和O3污染之間的協同性和差異性，并探討了典型城市內PM2.5和O3污染與氣象要素的相互關系，得到以下結論：

1)PM2.5污染呈現由東向西遞增的趨勢，其中半島地區質量濃度最低，其他地區污染比較嚴重，西部城市尤為明顯；O3污染不同于PM2.5，半島地區污染天數最少，其次為南部地區，中部地區和西北部地區污染最為嚴重，并且各區域內城市間O3污染情況存在較大差異，具有顯著的局地性特征。

2)PM2.5超標現象主要發生在冬季，但部分城市(德州、聊城、淄博、萊蕪)其他季節超標天數也較多；O3超標現象主要集中在5—8月，德州和濰坊的年超標天數最多。

3)山東省大氣復合污染特征明顯，全年有10個城市的PM2.5和O3同時超標天數在20 d以上。半島地區同時超標現象最少，其次是中部地區和南部地區，西北部地區同時超標現象最為嚴重，并且城市間的差異較大；同時超標現象主要發生在夏季，冬季不存在此現象。此外，部分相鄰城市(濱州和東營、泰安和萊蕪)PM2.5污染和O3污染特性差異很大。

4)在夏季，當受到高溫低濕的大陸氣團控制時，O3和PM2.5更容易疊加形成復合型污染，受相對清潔并且濕度較大的海洋氣團影響時，則不易發生污染。此外，在O3濃度較高時，往往受大陸氣團控制，相對濕度增加有利于PM2.5形成和濃度升高，從而形成復合型污染。

研究主要分析了山東省PM2.5和O3的時空分布特征，并初步探討了其與氣象要素的相互關系，下一步將采用數值模擬的手段，深入探索兩者污染的形成機理。