呼和浩特夏季污染氣體變化特征分析

阿木爾薩那

(呼和浩特市氣象局，內蒙古 呼和浩特 010020)

近年來，隨著工業化、城市化進程的加快以及機動車保有量的增加，人為排放的大氣污染物越來越多，所面臨的生態環境壓力也在增大，大氣污染形勢嚴峻。大氣污染物中的氣態污染物和顆粒物，對氣候、環境和人體健康都有著重要的影響[1]。SO2和NO2能夠造成酸沉降，對人體呼吸系統產生危害[2，3]。大量的O3會對人體的呼吸道、肺功能造成危害。大氣污染物的研究受到社會各界的廣泛關注。

目前，關于呼和浩特地區大氣污染特征研究相對較少。呼和浩特市為內蒙古自治區首府城市，地處內蒙古中西部核心區域，是內蒙古自治區政治、經濟、文化中心，也是我國北方地區重要城市。其環境空氣質量的好壞，直接影響人民群眾的工作、生活和身體健康。本研究以時間序列2019年6月1日-2019年8月31日為期3個月的夏季數據資料為基礎對污染氣體變化特征進行分析討論，以期為今后呼和浩特地區大氣污染防治提供依據。

1 材料與方法

1.1 觀測站點

選取觀測站點為小召(XZ)監測站(40°48′N，111°39′E)，本站點位于市中心，為商業與居民混合區。與大東街相鄰，以西400m為交通主干道大北街，該區域交通密度相對較高，機動車排放相對密集，周圍2km范圍內無明顯工業大氣污染源。因此，本觀測站點數據資料可代表城市大氣污染特點。

1.2 數據與方法

本研究采用呼和浩特市環境空氣自動監測站中小召監測站CO、NO2、O3、SO2等4種污染物2019年6月1日-2019年8月31日的小時質量濃度數據，污染物質量濃度數據來源于國家環境監測中心(http：//106.37.208.233：20035/)。常規氣象資料數據來源于呼和浩特市氣象局。根據國家標準(GB3095—2012)，對數據進行了有效性檢驗，污染物日均濃度計算至少包括20h平均濃度(O3的8h平均值至少包括6h平均濃度)，對不滿足國家標準的數據進行剔除。對于周末效應部分：由于星期一和星期五為工作日與周末過渡時期，不具代表性，因此，本研究將星期二、星期三、星期四定義為工作日，星期六、星期日定義為周末。本研究考慮到降水天氣對光化學反應的影響，因此將長時間連續降水日數據剔除，剩余有效樣本數為66d(時間分別率為1h)，其中工作日39d，周末27d。為了便于對比分析，本研究中統一采用質量濃度(μg·m-3，mg·m-3)。

2 結果與討論

2.1 CO、NO2、O3和SO2的變化特征分析

圖1給出了主要污染氣體CO、NO2、O3和SO2的日變化。圖中可知NO2日變化表現為單峰型，從夜間22：00出現最大值，為43.29μg·m-3，之后呈下降趨勢，午后14：00出現日最小值16.44μg·m-3，隨后開始呈現上升趨勢。O3日變化呈單峰型，白天呈現上升趨勢，午后15：00出現日最大值，為131.94μg·m-3，隨后持續下降，在04：00出現日最小值，為54.52μg·m-3。SO2日變化特征呈現雙峰型，06：00出現日最小值，為5.72μg·m-3，之后明顯上升，在12：00出現日最大值，為8.40μg·m-3，隨后開始下降，在20：00出現次峰，為6.80μg·m-3。CO日變化特征呈現不規則多峰型，最大值出現在夜間22：00，為0.75 mg·m-3，日最小值出現在18：00和05：00，為0.61 mg·m-3。

圖1 污染氣體的日變化

2.2 工作日與周末CO、NO2、O3和SO2的周末效應分析

對流層O3的產生主要是平流層的向下輸送和低層大氣的光化學反應過程。城市污染大氣中，人類活動排放的NOx(包括NO、NO2)、VOCs和CO等污染物可以通過光化學反應產生高濃度O3，則有如下反應：

NO2+hv→NO+O

(1)

O2+O+M→O3+M

(2)

O3+NO→NO2+O2

(3)

其中M是第三體，包括大氣氮和氧分子。反應(2)生成的O3通過反應(3)被消耗。但是污染大氣中CO、VOCS等可以促進O3的生成，以CO為例：

CO+HO+O2→CO2+HO2

(4)

HO2+NO→NO2+OH

(5)

反應(5)和(3)相爭，降低(3)的O3消耗，并同時氧化NO生成NO2，NO2再繼續通過反應(1)和(2)生成O3。

由圖2可知，CO表現出明顯的“周末效應”，特征為工作日各個時刻小時平均質量濃度均高于周末。CO工作日與周末質量濃度日變化趨勢類似，日最大值均出現在夜間。工作日CO的日變化規律表現為不規則的雙峰型分布，峰值分別出現在08：00和22：00，質量濃度分別為0.71mg·m-3和0.78 mg·m-3；谷值出現在05：00，質量濃度為0.60mg·m-3。工作日CO在06：00-08：00以及19：00-20：00質量濃度快速增加，均是由于上下班高峰期機動車排放影響。周末呈雙峰型分布，峰值出現在09：00和22：00，質量濃度分別為0.65mg·m-3和0.69mg·m-3。周末CO質量濃度在白天整體呈現下降的趨勢，在17：00達到日最低值，為0.52mg·m-3。通過表1可知在周末CO與O3、NO2相關性均較高，分別為-0.54和0.66，可知周末CO質量濃度下降明顯與O3的質量濃度變化關系密切。結合圖3可知，CO質量濃度日變化特征與風速變化特征相一致，08：00風度降到全天最小，CO質量濃度達到第一個峰值，隨著風速增加，CO質量濃度開始下降，白天周末的風速表現出大于工作日的變化特征，因此在周末污染物擴散條件更好，這也是CO在周末白天質量濃度下降較快的原因。近地層大氣中CO主要來源于燃料的不完全燃燒，汽車尾氣的排放是近地層CO的重要來源。此外CO除了來自汽車尾氣和工廠排放等礦物質燃料的不完全燃燒外，還來自生物質燃燒、海洋、植物排放、CH4的氧化和 NMHC的氧化等[4]。CO質量濃度的日變化特征整體表現為工作日質量濃度大于周末，主要是因為周末機動車出行減少以及工廠排放減少造成。

圖2 工作日和周末污染氣體的日變化

圖3 工作日和周末氣溫和風速的日變化

NO2的“周末效應”也較為明顯，在0：00-03：00和05：00-08：00以及17：00-21：00平均質量濃度值表現為工作日大于周末，08：00-16：00質量濃度均值基本接近。工作日質量濃度日變化特征表現為雙峰型分布，其中次峰出現在06：00，質量濃度為36.50μg·m-3，與交通早高峰出現時間比較一致；另一個峰值出現在00：00，質量濃度為47.00μg·m-3，此時濃度達到最大值，此峰值滯后于晚高峰，主要原因是在夜間大氣湍流減弱，大氣邊界層較低，大氣擴散條件差，NO2濃度造成累積；最小值出現在14：00，質量濃度為16.50μg·m-3。周末表現為不規則的雙峰型分布，峰值分別出現在02：00和22：00，對應的質量濃度分別為42.18μg·m-3和46.61μg·m-3，谷值出現在14：00，質量濃度為15.65μg·m-3，在06：00時出現第二個谷值，質量濃度為30.76μg·m-3。工作日午夜至凌晨NO2質量濃度高于周末的原因可能是CO濃度在工作日較高，促使反應(4)和(5)較周末更快，促使NO2堆積；06：00工作日與周末濃度相差較大，這是由于工作日早高峰機動車排放產生大量的氮氧化物與揮發性有機化合物發生化學反應后造成。

O3表現出明顯的“周末效應”，午夜至05：00工作日與周末小時平均質量濃度差別較小，05：00-08：00小時平均質量濃度工作日小于周末，08：00至午夜表現為工作日小時平均質量濃度整體大于周末。工作日O3質量濃度日變化呈單峰型分布，谷值出現在06：00，為45.63μg·m-3，峰值出現在14：00，為135.32μg·m-3。周末O3質量濃度日變化同樣也呈現單峰型分布，峰值和谷值分別出現在14：00和04：00，值分別為124.86μg·m-3和47.95μg·m-3。

有研究指出O3質量濃度的日循環主要分為4個階段[5]：O3及前體物的前夜累積階段、清晨NOx大量排放的O3抑制階段、O3光化學生成階段、O3消耗階段。呼和浩特市O3質量濃度日循環也存在類似的變化特征：00：00-05：00近地層城市O3小時平均質量濃度基本維持且為全天最低值，前體物CO、NO2小時平均質量濃度在周末基本維持，工作日下降明顯，為O3及前體物的累積階段；05：00-08：00隨著上班早高峰帶來的大量的尾氣排放，近地層大氣中NOx含量迅速增加，由于此時輻射條件較弱，主要是NO作為還原物質消耗O3的過程，使得O3質量濃度略有下降，是O3生成的抑制階段。對比工作日與周末可知，在此階段工作日小時平均質量濃度變化O3呈下降趨勢、NO2呈上升趨勢，周末與之相反，這是由于周末早高峰較工作日滯后造成的；08：00-14：00隨著太陽輻射加強，大量的NO2發生光解，促使O3生成，質量濃度快速增加，達到日最大值，該時段為光化學生成階段；14：00至午夜為O3的消耗階段，在14：00之后隨著垂直混合、水平輻散加強，太陽輻射減弱以及下班高峰帶來的新的NO排放量對O3消耗作用，使得O3在夜間下降到全日質量濃度低值區。綜合分析，在O3的抑制階段工作日CO增長速率更快以及大量的尾氣排放造成NOx的增多，促使反應(3)(4)(5)加快，造成更多的NO2的堆積；在O3的光化學反應階段，工作日整體氣溫高于周末利于光化學反應，且工作日風速小于周末不利于污染物的擴散，因此呼和浩特市區表現為工作日O3小時平均質量濃度大于周末的“周末效應”。

SO2也表現出明顯的“周末效應”，特征為小時平均質量濃度在01：00-06：00和17：00-22：00表現為工作日大于周末，06：00-16：00表現為周末大于工作日。工作日SO2質量濃度日變化呈雙峰型分布，06：00出現谷值，為5.66μg·m-3，峰值出現在12：00，為8.48μg·m-3，20：00出現次峰，值為7.30μg·m-3。周末SO2質量濃度同樣也呈現雙峰型分布，谷值出現在06：00，為5.67μg·m-3，12：00出現峰值，為8.91μg·m-3，次峰出現在20：00，值為7.00μg·m-3。有研究指出，城市大氣中SO2主要來自化石燃料的燃燒及工業生產過程等固定源[6]。

由表1可知無論工作日還是周末，SO2與NO2相關性均較高，分別為-0.74和-0.70，可見兩者均來自同一排放源，因此說明呼和浩特市地區SO2除了來自工業排放外，汽車尾氣也是其重要來源。SO2質量濃度變化與人類活動有關，在夜間大氣邊界層較低、風速較小以穩定天氣型為主，再則工業排放SO2量也小，因此夜間SO2質量濃度值整體偏低。06：00之后，由于氣溫的升高、人類活動的增加和污染源排放強度的增大，SO2質量濃度逐漸上升，12：00達到最大值，隨后隨著氣溫持續升高、風速也逐漸達到日最大值，此時大氣湍流旺盛，此時的擴散條件最利于SO2的擴散和稀釋。18：00之后，由于氣溫下降、風速減小氣象條件開始不利于污染物的擴散，而且此時又迎來下班晚高峰，SO2質量濃度再次得到累積，出現次峰。

3 結論

①觀測期間NO2日變化表現為單峰型，從夜間22：00出現最大值，為43.29μg·m-3，14：00出現日最小值16.44g·m-3。O3日變化呈單峰型，15：00出現日最大值，為131.94μg·m-3，04：00出現日最小值，為54.52μg·m-3。SO2日變化特征呈現雙峰型，06：00出現日最小值，為5.72μg·m-3，12：00出現日最大值，為8.40μg·m-3，20：00出現次峰，為6.80μg·m-3。CO日變化特征呈現不規則多峰型，最大值出現在夜間22：00，為0.75mg·m-3，日最小值出現在18：00和05：00，為0.61mg·m-3。②觀測期間CO、NO2、O3、SO2均存在明顯的“周末效應”。CO小時平均質量濃度日循環工作日與周末均呈現雙峰型分布，工作日各個時刻均大于周末，日最大值均出現在夜間。NO2小時平均質量濃度日循環在工作日與周末均呈現雙峰型分布，日最大值出現在夜間，主要原因是夜間大氣湍流減弱，大氣邊界層較低，大氣擴散條件差，NO2濃度造成累積；谷值出現在14：00；工作日在06：00出現次峰與交通早高峰出現時間一致。O3小時平均質量濃度日循環工作日與周末均呈單峰型分布，在O3的光化學生成階段和消耗階段工作日質量濃度均大于周末，均在午后14：00出現峰值，夜間質量濃度較低。SO2小時平均質量濃度工作日與周末均表現為雙峰型分布，01：00-06：00和17：00-22：00表現為工作日大于周末，06：00-16：00表現為周末大于工作日，峰值均出現在12：00和20：00，谷值出現在06：00。