江津城區大氣污染特征及常規污染物分析

張 婭，胡云翔，徐 燕，劉朝麗，陳清莉

(1.重慶市江津區生態環境監測站,重慶 402260；2.烏魯木齊市生態環境監測中心站,新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

近年來，隨著我國工業化水平快速提升，城市化步伐不斷加快，大氣污染已成為十分嚴峻環境問題。通過一系類行動，我國大氣環境質量得到顯著的改善，但PM2.5污染尚未得到根本控制，臭氧污染需突破解決。“十四五”時期是美麗中國建設的關鍵時期，持續改善空氣質量，加強各種污染物協同治理是實現生態環境根本好轉的必由之路，繼續加強PM2.5污染防治，加快補齊臭氧污染治理短板十分必要。

大氣污染并不是單一的污染過程，各種污染物存在相互關聯、彼此影響的關系。陳楠等[1]研究顯示PM2.5和O3關聯日趨密切，協調效應顯著，有研究表明PM2.5和O3濃度為高度非線性關系，二者間相互耦合，受多種環境因素影響[2，3]，機動車尾氣中NOX也是O3形成過程的重要介質，對的O3產生有直接影響[4]，連靜敏、程麟鈞等[5，6]研究表明，二氧化氮和臭氧呈負相關，同時NOX是臭氧和二次PM2.5的共同前體，PM2.5通過干擾地球輻射強度從而影響 NO2光解生成 O3[7]。李洪遠等[8～11]等研究顯示近地O3為二次污染物，由NOX和VOCS光化學反應產生。目前我國多地也出現了多種污染物復合污染過程，所以研究多種污染物之間的相互關聯和影響機制很有必要。

2 數據來源和研究方法

本研究數據來源于江津區城區兩個市控空氣質量監測點位，其中江津一中代表西城區空氣質量，四牌坊小學代表東城區空氣質量。兩個點位均為自動監測站。各污染物濃度均為算數平均值。PM10、PM2.5、NO2日評價指標為日均值，臭氧評價為O3日最大8 h滑動平均值(O3-8h)，O3的月評價值為O3日最大8 h平均第90為百分數。各污染物的超標評價按照《環境空氣質量標準》(GB3095-2012),超出二級標準即日均值PM10為150 μg/m3、PM2.5為75 μg/m3、NO2為80 μg/m3、 O3為160 ug/m3為超標。在對污染物濃度進行討論時，以氣象學方法劃分四季。

3 結果與討論

3.1 江津區大氣污染狀況

2018～2021年，江津區城區全年的AQI污染天數整體呈下降趨勢。結果如圖1，2018～2020年污染天數呈持續下降趨勢，2021年出現反彈。西城區污染天數2019年和2020年降幅分別為23.1%，21.4%，但2021年比上年增長了27 d，增幅為49.1%；東城區2019年降幅為25.9%，2020年比2019年增加2 d，2021年比2020年增加16 d，增幅為24.6%。

近4年城區2個站點均主要以PM2.5和O3污染為主，如圖1所示，超標日中首要污染物PM2.5和O3占總超標天數超過了95%，極少數年份也出現PM10和NO2偶爾污染。具體情況是近4年，東城區站點PM2.5的超標率均超過了50%，而臭氧的超標率2019年急劇增加至40%左右，之后一直處于高位；而西城區站點從2018年開始PM2.5和O3超標率均在50%左右，污染狀況長期未得到改善。

圖1 2018～2021年城區AQI大氣污染天數年度變化及首要污染物占總超標天數比例

總體而言江津區污染天數，前三年呈逐年下降趨勢，2021年出現一定反彈。首要污染物冬季主要以PM2.5為主，夏季主要以O3為主，短期內首要污染物種類不會有明顯變化。主要原因一方面江津城區地處低洼地帶，三面為長江環水，一面靠山，氣候條件時為靜風和逆溫，煙塵、汽車尾氣等難以擴散，導致冬季顆粒物和夏季臭氧超標情況難以改善。另一方面隨江津區機動車數量逐年快速增加，截至2021年，江津區汽車保有量達到了40.4萬輛，汽車尾氣排放產生的氮氧化物和揮發性有機物影響臭氧的生成；同時江津城區周邊分布雙福、德感、珞璜和西彭四大工業園區，在不利氣象條件下，工業污染對城區的空氣質量影響較大。

3.2 臭氧污染的特征

2018～2021年年江津城區兩個站點O3-8h日均濃度變化如圖2所示，江津城區臭氧超標時間主要集中在夏季，以輕度污染為主。從超標天數來看，西城區臭氧超標天數近幾年呈下降趨勢，由2018年的48 d減少到38 d；東城區臭氧超標天數呈上升趨勢，由2018年的19 d增加到2021年的33 d，增幅為74.7%。從臭氧濃度來看，東城區在2018～2021年期間，全年中O3-8h日均濃度最大值在逐年增加，臭氧的日均濃度有繼續增加的趨勢。

圖2 2018～2021年城區O3-8h日均濃度變化情況

2018～2021年江津城區兩個站點月均O3-8h濃度變化如圖3所示，江津城區的臭氧高濃度時間主要集中在7～9月份。近4年2個站點均出現了雙峰情況，第一個峰值出現在4月份或5月份，月均值在120 ug/m3左右，第二個峰值出現8月份，月均值160 ug/m3左右。出現這種情況可能是由于在著2個時間點PM2.5濃度也出現了兩個相對應的負峰，PM2.5濃度下降導致了O3濃度的上升。Li等[12]研究表明，當PM2.5濃度較高時，O3的生成受到抑制，Shao等[13]研究表明，PM2.5的濃度下降導致O3的濃度升高了37%。

圖3 2018～2021年城區O3-8h第90位百分數月均濃度變化

3.3 PM2.5的污染特征

2018～2021年年江津城區2個站點PM2.5日均濃度變化如圖4所示，江津城區的PM2.5超標時間主要集中在冬季，以輕度和中度污染為主，超標時段的均值年均降低3 mg/L，有略微減低。

圖4 2018～2021年城區PM2.5日均濃度變化情況

總體趨勢為近幾年PM2.5超標現象改善情況不大，超標天數均超過30 d，西城區 PM2.5平均超標天數為36.3 d，東城區為 44 d，PM2.5空氣污染亟需進一步改善。

2018～2021年江津城區2個站點PM2.5月均值濃度變化如圖5所示，江津城區PM2.5高濃度時間主要集中在11月份到次年2月份，12月份和次年1月份濃度最高，7月份和8月份濃度最低。2個站點在一年中均出現了2個負峰，分別出現在4月份和7、8月份，相對應的時段O3-8h均出現相反峰型。西城區四年來月均濃度在秋冬季節變化較大，2020年有小幅下降，而東城區在2018～2021年期間秋冬季節PM2.5的變化十分明顯，2018年濃度最高，且各月份濃度值均高于當年其他年份，2019年秋冬季節為近幾年最低。總體上，兩個監測點位的變化趨勢大致相同，東城區PM2.5濃度每年均略低于江津一中。

圖5 2018～2021年城區PM2.5月均濃度變化情況

3.4 特征污染物 PM2.5、NO2和O3的相關性研究

討論兩個站點PM2.5和O3的相關關系，計算每個站點PM2.5和O3-8h的月均濃度的相關系數CORR。結果如圖6：江津城區PM2.5和O3的相關性冬季主要為負相關，這是由于冬季PM2.5濃度較高，一定程度抑制了臭氧的形成。相關研究表明，PM2.5濃度與O3濃度呈高度非線性關系[2]，PM2.5和O3在大氣污染中相互影響，協同作用。研究表明[12]，PM2.5主要通過影響地球輻射的強度等方式影響O3的形成，當 PM2.5濃度較高時，通過影響地球輻射從而影響O3生產站主導地位[15]，同時O3強氧化性顯著影響PM2.5的二次組分生成[16]，Li[12]等研究表明，當PM2.5濃度較高時，O3的生成受到抑制。

圖6 2018～2021年城區PM2.5和O3-8h的月均濃度的相關系數散點

從春季開始兩者之間的相關性逐步變為正相關，夏季相關系數最大。一年中O3的高濃度主要集中在7～9月份，而此時間段PM2.5的濃度只有20 μg/m3左右，此時間段兩者之間的相關系數值主要集中在0.7左右，相關性較為明顯。Shao等[17]研究表明，PM2.5的濃度下降導致O3的濃度升高了37%，但是當PM2.5濃度下降至40 μg/m3時，O3的濃度值上升急劇減緩。Chu[18]研究發現，當PM2.5濃度進一步下降時，PM2.5與O3濃度相關性由負轉為正，Jia等[18]研究也發現，在夏季高溫季節，強氧化性的空氣條件下高濃度的O3也促進了二次顆粒物的形成，導致夏季高溫季節PM2.5濃度與O3濃度呈正相關。

諸多研究顯示NOX和O3之間的有較高相關性。李順姬[19]等研究結果表明NOX和O3具有顯著的季節性變化規律，夏季O3的濃度升高NOX的濃度不斷下降，冬季NOX不斷積累和排放光化學循受到抑制，O3處于較低水平，NOX處于較低水平。陸倩、李順姬[19,20]等研究也提到NOX和O3具有相反的季節性變化特征。計算兩個站點NO2和O3月均濃度的相關系數CORR，結果如圖7，冬季兩者呈負相關，多數年份的冬季兩者相關系數都超過了-0.5。春夏季節要為正相關，一年中臭氧的高濃度主要集中在7～9月，二氮氧化物此時間段處于全年最低值，臭氧的濃度越高，相關性也越大，如東城區近五年每年的8月份兩者的相關系數值均在0.6以上，西城區近幾年8月份兩者相關系數也都在0.5以上，2020年的8月份相關系數為0.73。

圖7 2018～2021年城區NO2和O3-8h的月均濃度的相關系數散點

4 結論

(1)2018～2021年，江津區城區一年中的污染天數整體呈下降趨勢。兩個站點首要污染物主要為PM2.5和O3，超標日中首要污染物PM2.5和O3總占比超過了95%，首要污染物常年以PM2.5和O3為主，短期內首要污染物種類不會有明顯變化。

(2)臭氧超標時間主要集中在春季和夏季，以輕度污染為主，一年中臭氧污染天數約為30～40 d，濃度值有一定的增加。PM2.5超標時間主要集中在秋冬季節，以輕度和中度污染為主。近4年PM2.5超標現象改善情況不大，年超標均約40 d，PM2.5空氣污染亟需進一步改善[21]。

(3)PM2.5和O3的有較高的相關性，其中 PM2.5和O3的相關性冬季主要為負相關，從春季開始兩者之間的相關性逐步變為正相關，且到夏季的時候相關系數最大，7～9月兩者之間的相關系數值主要集中在0.7左右，相關較為明顯。NO2和O3之間的相關性呈季節性，冬季呈負相關，且負相關性較大，多數年份的冬季兩者相關系數都超過了-0.5；春夏季節兩者之間主要為正相關，臭氧的濃度越高，相關性也越大，夏季7月兩者相關系數大多在0.6以上，最高可到到0.8。說明NO2的濃度值對O3有較大的影響。