2020年春季天津市大氣污染特征分析

張昕宇 ，楊 寧

(1.中新天津生態城生態環境局，天津 300467； 2.天津市生態環境監測中心, 天津 300191)

1 引言

春季是中國北方沙塵天氣頻發的季節，近年來華北地區沙塵暴災害事件頻繁發生,造成空氣質量惡化[1～4]。2020年3月份，中國多地出現大風寒潮，北方多個城市平均降溫10 ℃以上，供暖延長至3月底。因此2020年的春季較為特殊，前期仍受到供暖燃煤源的影響，同時還會受到沙塵天氣的污染。

天津市地處華北平原東北部，是京津冀區域核心城市之一[5，6],同時處于京津冀大氣污染傳輸通道上[7]，春季容易出現沙塵天氣[8，9]。燃煤采暖對京津冀地區空氣質量影響顯著[10～12]，燃煤鍋爐排放的污染物會造成天津市供暖季的空氣質量下降[13～16]。隨著供暖期的延長，初春天津空氣質量會同時受到沙塵及燃煤源的影響,呈現復合型污染特征。

本文基于高分辨率的超級站在線觀測數據，分析2020年春季(3～4月份)天津市大氣污染特征，以期為之后天津市春季大氣污染防治提供支撐。

2 材料和方法

2.1 監測地點

天津市生態環境監測中心超級觀測站，位于天津市南開區天津市生態環境監測中心樓頂，距地面高度約15 m，監測點周邊為居民區和學校，北面300 m左右為交通干線復康路。監測時間為2020年3月1日至2020年4月30日。

2.2 采樣儀器和分析方法

2.3 質控方法

顆粒物監測儀器每月更換采樣濾膜，清洗切割頭，校準采樣流量；每季度進行壓力傳感器和溫度傳感器校驗；每半年進行比例系數(K0)校驗，質量控制嚴格按照《環境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續自動監測系統運行和質控技術規范》(HJ 817-2018)[17]要求進行。氣態污染物監測儀器每天進行自動校零，每周進行跨度校準，質量控制嚴格按照《環境空氣氣態污染物(SO2、NO2、O3和CO)連續自動監測系統運行和質控技術規范》(HJ 818-2018)[18]要求進行。

3 結果與討論

3.1 污染物濃度變化特征

監測期間顆粒物、氣態污染物日均濃度變化如圖1所示，TSP、PM10、PM2.5、PM1平均濃度依次為115.9 μg/m3、62.4 μg/m3、42.8 μg/m3、30.8 μg/m3，TSP和PM10濃度在3月18日最高，分別為433.3 μg/m3和158.8 μg/m3，PM2.5濃度在3月6日達到峰值(81.3 μg/m3)，PM1濃度在3月8日最高(67.9 μg/m3)。SO2作為PM2.5的前體物之一[20,21]，人為源主要來自化石燃燒[22,23]，在監測期間日均濃度變化范圍是2.3～18.4 μg/m3，平均濃度為9.4 μg/m3。NO、NO2、CO主要來自機動車尾氣排放[24～27], CO也來自化石燃料的不完全燃燒，監測期間NO、NO2、CO平均濃度分別為2.7 μg/m3、31.1 μg/m3和0.9 mg/m3。O3濃度變化范圍是14.1～98.8 μg/m3，平均濃度46.3 μg/m3。從小時濃度的相關性來看(表1)，氣態污染物SO2、NO、NO2、CO顯著相關(P<0.01)，同源性較高，主要來自化石燃料燃燒。PM2.5與SO2、NO2、CO相關性較強，燃燒源對PM2.5的貢獻較大。

圖1 天津市春季污染物濃度的日變化

表1 污染物之間的皮爾森相關系數

3.2 PM2.5化學組分特征

3.2.1 水溶性離子和碳組分平均濃度及占比

圖2 天津市春季PM2.5中水溶性離子、OC和EC的平均濃度和百分比

3.2.2 組分相關性分析

圖3 PM2.5中和和和和EC的相關性

3.2.3 與國內其他城市比較

表2 天津市春季PM2.5中水溶性離子與其他城市的比較

3.3 采暖與非采暖時段污染變化特征

2020年3月整月處于采暖階段，定義3月份為采暖時段，4月份為非采暖時段，采暖與非采暖時段污染物濃度和特征比值如圖4所示。非采暖時段TSP和PM10濃度高于采暖時段，粗顆粒物污染更重。兩個時段PM2.5、PM1濃度相當，PM2.5/ PM10和PM1/ PM2.5比值均在采暖時段更高，采暖時段細粒子占比更高。采暖時段SO2濃度與非采暖時段接近，NO、NO2、CO濃度高于非采暖時段，受燃燒源的影響更大。

圖4 采暖時段和非采暖時段污染物濃度與特征比值

圖5 采暖時段和非采暖時段PM2.5中水溶性離子、OC和EC的平均濃度

3.4 沙塵污染過程分析

監測期間共經歷了兩次沙塵污染過程，TSP和PM10濃度大幅增加，污染過程I：3月18日11時～3月19日2時，污染過程Ⅱ：4月3日21時～4月4日22時，分別處于采暖時段和非采暖時段，持續時間分別為16 h和26 h。

污染過程I中TSP和PM10最高濃度分別為2336.1 μg/m3和901.1 μg/m3，污染過程Ⅱ TSP和PM10最高濃度分別為1139.6 μg/m3和512.4 μg/m3，污染過程Ⅰ的顆粒物污染更重。

從氣象條件來看, 污染過程IRH較低，最高RH僅為20.8%，溫度變化范圍是10.1～27.8 ℃，主導風向是E和ENE，最高風速達3.7 m/s。污染過程Ⅱ氣溫變化幅度較小，平均氣溫(13.1 ℃)低于污染過程Ⅰ的19.8 ℃；RH基本都高于20%，最高可達45.7%；主導風向是N和NNE，最高風速為2.7 m/s(圖6、圖7)。

圖6 兩次污染過程中TSP、PM10、PM2.5濃度小時變化

圖7 兩次污染過程中溫度、濕度和風玫瑰變化

從PM2.5中化學組分來看，污染過程I中化學組分濃度與PM2.5濃度變化趨勢較為一致，相關性好于污染過程Ⅱ。水溶性離子和碳組分平均總占比也是污染過程Ⅰ(56.9%)高于污染過程Ⅱ(52.6%)，SNA占比也是污染過程Ⅰ較高。污染過程 I Ca2+和Mg2+占比明顯高于污染過程Ⅱ，受揚塵源的影響更大。污染過程Ⅱ K+和Cl-占比較高，可能受到生物質燃燒源的影響(圖8)。

圖8 兩次污染過程下PM2.5中水溶性離子、OC和EC的平均濃度和百分比

4 結論

(1)2020年3～4月份，天津市TSP、PM10、PM2.5、 PM1平均濃度分別為115.9 μg/m3、62.4 μg/m3、42.8 μg/m3、30.8 μg/m3，PM2.5與SO2、NO2、CO相關性較強，燃燒源對PM2.5的貢獻較大。

(4)采暖和非采暖時段各經歷了一次沙塵污染過程。污染過程Ⅰ污染程度更重，相對濕度較低，溫度較高，風速較高，PM2.5中SNA較高，Ca2+和Mg2+占比明顯高于污染過程Ⅱ，受揚塵源的影響更大。污染過程Ⅱ K+和Cl-占比較高，可能受到生物質燃燒源的影響。

(5)隨著供暖期的延長，天津市春季同時受到燃燒源和揚塵源的影響，還存在二次粒子污染，呈復合型污染。可見，加強燃煤源的管控、加大揚塵防治力度應是天津市春季大氣污染防治的主要方向。