2014—2021年包头市...5)和O_3的浓度变化分析_苗子书.pdf

2022 年第 3 期内 蒙 古 气 象15文章编号 1005-8656（2022）03-0015-0520142021 年包头市区 PM2.5和 O3的浓度变化分析苗子书1,姜雨蒙2,贾辅亚3，东方4，杨志1（1.包头市气象局,内蒙古 包头 014030；2.内蒙古气象台，内蒙古 呼和浩特 010051；3.内蒙古环境监测总站包头分站,内蒙古 包头 014000；4.内蒙古雷电预警防护中心，内蒙古 呼和浩特 010051）摘要 利用 20142021 年包头市 6 个大气自动监测站点 PM2.5、O3监测数据和同期包头市国家基本气象站气象监测数据，运用统计学方法，分析了污染物的浓度变化及其与气象条件的相关关系，探寻 PM2.5和臭氧 O3变化规律。结果表明：PM2.5年平均浓度总体呈逐年下降的趋势，而 O3年平均浓度则呈现出上升的趋势。它们的浓度变化与气象条件高度关联。从这两种污染物月平均浓度变化特征看，PM2.5和 O3存在着反相关性。冬季，全市 PM2.5月平均浓度处于全年的峰值区，而 O3月平均浓度处于最低点；夏季，全市 PM2.5月平均浓度处于全年的最低位，而 O3月平均浓度达到全年的最高点。PM2.5浓度增加，会导致太阳辐射减少，使得 O3浓度降低，这表明高浓度 PM2.5可能会对 O3污染有抑制作用。关键词 PM2.5；O3；气象条件；包头市中图分类号 X513 文献标识码 Adoi:10.14174/ki.nmqx.2022.03.0030 引言 大气细颗粒物（PM2.5）指环境中空气动力学当量直径小于等于 2.5 m 的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，对空气质量和能见度等有重要的影响，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如重金属、微生物等）上，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。近年来，通过持续治理，令人呼吸困难的 PM2.5污染已经有了明显好转。但臭氧（O3）污染却在悄无声息地抬头，包头市空气质量变化也有类似的情况。作为内蒙古重要的工业城市，包头市近年来环境空气质量逐步改善，从 20142021 年变化看，包头市空气质量呈逐年改善趋势，6 项常规污染物除O3外，其余 5 项污染水平均呈逐年下降趋势。从各季节污染特征看，春季超标首要污染物以可吸入颗粒物为主，夏季超标首要污染物以 O3为主，秋冬季以 PM2.5为主。研究结果表明，O3污染对人体健康、植被、农作物和建筑物均会造成不同程度的不良影响。根据 O3对人体健康的影响，我国将 O3按照浓度水平（O3最大 8 h 平均浓度值）进行分级，分为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染 6 个等级1，分别对应 0 100、100 160、160 215、215 265、265 800 gm-3和800 gm-3。当监测值超过 160 gm-3，人体就能明显感觉到不适。研究表明，光化学反应是近地面 O3 的主要来源2-4。在盛夏晴空情况下，O3 常常取代 PM2.5成为首要污染物，其浓度主要与发生光化学反应的气象条件和前体物氮氧化物（NOx）、可挥发性有机物（VOC）的浓度等有关5-7。O3浓度与能见度密切相关，能见度高时，O3浓度随之升高，反之，O3浓度降低8，而细粒子的消光作用对能见度有显著影响9，因此对 PM2.5等的治理过程中，大气能见度改善是否会引起 O3浓度增加，成为目前重点关注的问题。此项分析利用 20142021 年包头市 6 个大气自动监测站点 PM2.5、O3监测数据与同期包头市国家基本气象站监测数据，从污染物浓度变化、气象条件对污染物浓度变化的影响等方面进行分析，以期揭示PM2.5与 O3在不同季节的变化规律，为初步认识本区域的光化学污染原因，制定相应的环境政策提供科学依据。1 数据与方法1.1 数据 20142021 年连续 8 年 PM2.5和 O3逐小时浓度资料来自包头市区的 6 个环境空气质量监测国控点，其分布如下：青山区2 个、东河区2 个、昆都仑区1 个、稀土高新区 1 个，6 个监测站点均属二类环境质量功能区。同时，采用同期包头市国家基本气象站的气温、气压、降水、风向和风速、日照时数等数据。1.2 方法 根据概率论与数理统计中的方法，对包头市20142021 年的逐日气温、降水、风向、风速、日照时数和相对湿度及空气质量自动监测数据等资料进行处理，以日、月、季节和年为时间尺度，研究各气象要素在日、月、季节、年这 4 个时间尺度的空间分布特征和时间变化规律，并分析包头市区 PM2.5、O3随时间的变化规律；用相关分析法研究不同气象要素与污染物浓度的相关关系。内 蒙 古 气 象162022 年第 3 期2 结果与分析2.1 PM2.5和 O3年平均浓度变化及分析 根 据 环 境 空 气 质 量 标 准（AQI）（GB30952012）（环境保护部，2012），将 PM2.5日平均浓度按浓度水平分为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染6个等级，分别对应035、35 75、75 115、115 150、150 250、250 350 gm-3。表 1 为 20142021 年包头市区 PM2.5和 O3作为首要污染物超标天数统计。从表中的污染物超标天数和污染物浓度变化可看出，包头市污染物超标天数从2015 年 开始，连续 3 年大幅减少；20172021 年，污染物超标天数基本稳定在60 d左右，与2014年相比，下降幅度超过 60%。首要污染物 PM2.5年超标天数呈波动式减少，2015、2020 年出现两个波峰。首要污染物 O3年超标天数先增后减，然后呈波动上升的趋势。从各年度 O3占污染总天数比例上看，O3为首要污染物的占比呈上升趋势。图 1 为包头市区近 8 年 PM2.5、O3年平均浓度变化，图中两种污染物浓度变化表明，PM2.5年平均浓度值呈下降趋势，由 2014 年的年平均最高值 49 gm-3降至 2021 年的 30 gm-3，达到有此项监测数据以来的年平均最低点；而 O3年平均浓度值呈波动式上升，由 2014 年的 136 gm-3升至 2021年的 142 gm-3，其中在 2017 年达到有此项监测数据以来的年平均最高值，为 146 gm-3。这两种污染物的浓度变化既与污染源的直接排放有关，也与大气光化学反应生成的二次污染物相关，同时也与气象条件密切关联。有研究表明：VOC 和NOx是O3与二次PM2.5的共同前体物，二者同源共生。VOC 主要通过氧化等化学反应过程形成二次有机气溶胶（SOA），气溶胶粒子通过辐射的吸收作用会影响地面的辐射强度，进而影响 O3的生成。当气溶胶浓度适度增加且不太高时，气溶胶表面 NOx 的光解速率会被增强，有利于 O3的生成；PM2.5与大气微量气体（特别是 O3及 NOx、VOC）发生反应，干扰辐射强度，又会抑制 O3生成10。基于两者间复杂的关系，已有研究者着手开展 PM2.5和 O3协同治理研究。表 1 20142021 年包头市区首要污染物 PM2.5和 O3 超标天数统计年份污染物超标天数/dPM2.5O3超标天数/d占比/%超标天数/d占比/%20141723319.2158.720151155648.72420.92016974041.22424.72017612845.91524.62018581424.11322.42019622743.51524.22020754661.31216.0202162812.91625.82.2 PM2.5月平均浓度变化及分析 20142021 年包头市区 PM2.5月平均浓度变化如图 2 所示。由图可看出，包头市区近 8 年 PM2.5月平均浓度变化曲线呈现较平缓的“U”形变化特征，即从 1 月起，包头市区 PM2.5月平均浓度由峰值逐月平缓下降，其中 5 月略有一个小幅反弹，直至降至 8 月份月平均浓度的全年最低值。9 月 PM2.5月平均浓度与 8 月份浓度值变化很小，从 10 月开始，PM2.5月平均浓度值大幅上升，直至升到全年月平均浓度第二高点。总体看，69 月，PM2.5月平均浓度保持在一个低值范围内，11 月次年 2 月，PM2.5月平均浓度处在高浓度值范围内。分析全年PM2.5数据可知，包头市区 PM2.5超标现象全部发生在春季、秋季和冬季，其中冬季是 PM2.5污染集中y=-1.7619x+3594.4R2=0.4874y=0.6071x-1085.5R2=0.101902040608010012014016020142015201620172018201920202021浓度/（gm-3）年份PM2.5O3线性(PM2.5)线性(O3)图 1 20142021 年包头市区 PM2.5和 O3年平均浓度变化高发季节，主要原因：一是冬季供暖需求，锅炉燃煤量增大，颗粒物一次排放量较其它季节明显增加；二是冬季近地面气温较低，易形成逆温层，导致污染物垂直扩散条件差；三是冬季包头市降雪稀少、静稳的气象条件频次增大，污染物扩散减弱，硫氧化物、氮氧化物和氨等气态污染物向 PM2.5二次转化的能力增强；四是与风力、风向密切相关，尤其是冬季近地面风力较弱时或有南风、东南风时，受市区正北方向大青山山脉的阻挡，污染物在市区聚集，易出现重污染天气。因此，每年冬季，污染物排放量大和不利气象条件共同作用导致细颗粒物污染加重。而夏季，由于降水天气多，相对湿度增加、温度较高促使粒子进行二次转化，故而 PM2.5的浓度值大幅减小。PM2.5O3(PM2.5)(O3)浓度/(gm-3)年份2022 年第 3 期内 蒙 古 气 象17010203040506070801月2月3月4月5月6月7月8月9月 10月 11月 12月浓度/（gm-3）月份图 2 PM2.5月平均浓度变化1234567891011122.3 O3月平均浓度变化及分析 20142021 年包头市区 O3月平均浓度（日均值第 90 百分位数浓度）变化如图 3 所示。可以看出，O3月平均浓度变化曲线呈现典型的单峰型特征。与PM2.5月平均浓度变化曲线正好相反，从 1 月起包头市区 O3月平均浓度由年度第二低值逐月稳步升高，直至达到 7 月的月平均浓度峰值。从 8 月开始，O3月平均浓度逐月下降，直至降至 12 月的全年最小值。总体来看，58 月，O3月平均浓度处在高值区，而11 月次年 2 月，O3月平均浓度处在低浓度值范围内。分析全年 O3浓度数据，O3超标现象全部发生在春季和夏季，其中夏季是 O3污染集中高发季节，而且 6 项常规污染物只有 O3在夏季超标。在春、夏季，O3浓度值会高于秋、冬季，主要是由于除了污染源排放外，光照、气温是影响 O3浓度变化的主要因素，夏季气温高、光照强，O3的光化学反应活跃，加速O3的生成；而随着秋、冬季节气温降低，太阳辐射减弱，O3生成能力降低。0204060801001201401601801月2月3月4月5月6月7月8月9月 10月 11月 12月浓度/（gm-3）月份123456789101112图 3 O3月平均浓度变化2.4 PM2.5全年小时平均浓度变化及分析 包头市区全年PM2.5小时平均浓度变化如图4所示。图中 PM2.5小时平均浓度资料来源于 20142021 年包头市区 6 个环境空气质量监测国控点的小时浓度均值。由图可看出，PM2.5全年小时浓度变化曲线呈现不规则的双峰型特征。PM2.5浓度全天有两个上升时段，分别是 0812 时和 1924 时；相对应，也存在两个下降时段，分别是 0007 时和 1318 时。全市小时浓度最大值为 59 gm-3（12 时）、最小值为37 gm-3（18 时）。0812 时，包头市区 PM2.5浓度的增加与弱垂直对流的活跃及污染物排放增加有关。1924 时，因地面辐射冷却而降温，底层空气冷却降温快，而上层空气冷却降温慢，使低层大气产