沈阳市大气污染物浓度影响因素分析_孙楠楠.pdf

第 14 卷 第 4 期2023 年 2 月黑龙江科学HEILONGJIANG SCIENCEVol.14Feb 2023沈阳市大气污染物浓度影响因素分析孙楠楠，刘伟(沈阳化工大学环境与安全工程学院，沈阳 110000)摘要:为了解影响沈阳市大气污染物浓度因素，利用3 个监测站点(太原街、沈辽西路、森林路)2021 年3 月2022 年7 月典型大气污染物小时浓度观测资料，分析了季节、区域及人类活动对污染物浓度变化的影响。采用 HYSPLIT 模型计算了 2021 年 12 月2022 年 2 月抵达沈阳市的气团轨迹，通过聚类分析方法得到代表性气团传输路径。研究发现，PM2.5和 PM10浓度峰值均出现在2021 年 3 月位于经济开发区的沈辽西路，分别为 74.82 g/m3和 165.43 g/m3;SO2和 NO2浓度峰值均出现在位于市中心的太原街，分别是 33.68 g/m3和 51.9 g/m3。2022 年，城市污染物月平均浓度整体低于 2021 年同期浓度，HYSPLIT 分析结果表明，潜在污染源主要来自于西北方向，以期为改善城市空气质量提供参考。关键词:沈阳市;空气质量;监测数据;HYSPLIT;后向轨迹;聚类分析中图分类号:X5文献标志码:A文章编号:1674 8646(2023)04 0034 04Analysis of the Influencing Factors of Air PollutantConcentration in Shenyang CitySun Nannan，Liu Wei(School of Environmental and Safety Engineering，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110000，China)Abstract:In order to know the air pollutant concentration in Shenyang City，the study uses the observational data ofhourly concentration of typical air pollutants in 3 monitoring sites(Taiyuan Street，Shenliao West Road and Senlin Road)from March，2021 to July，2022;and analyzes the influence of season，region and human activities on the change ofpollutant concentration.Then the study adopts HYSPLIT model，and calculates air mass track in Shenyang City fromDecember，2021 to Feburary，2022;and gains representative air mass transfer path through clustering method.It isfound that the concentration peaks of PM2.5and PM10occur in Shenliao West Road in economic development zone inMarch，2021，which are 74.82 g/m3and 165.43 g/m3respectively.The concentration peaks of SO2and NO2occurin downtown Taiyuan Street，which are 33.68 g/m3and 51.9 g/m3respectively.Average monthly concentration ofurban pollutants is generally lower than that of the same period in 2021.The results of HYSPLIT analysis show thatpotential pollution source mainly comes from northwest direction.This provides reference for the improvement of urbanair quality.Key words:Shenyang City;Air quality;Monitoring data;HYSPLIT;Backward trajectory;Clustering analysis收稿日期:2022 12 01辽宁省教育厅面上项目“北方工业城市郊区森林生态系统氮循环特征”(LJKMZ20220789)作者简介:孙楠楠(1998 )，女，在读研究生。通讯作者:刘伟(1982 )，男，博士，讲师。E mail:。冬春季节，城市供暖的煤炭消耗及机动车保有量的不断增加，加重了能源负担和空气污染1。研究表明，大气污染物增加不仅来自于本地排放，还受大气环流造成的外地污染物区域性远距离传输的影响2 3。大气监测数据分析发现，颗粒物是辽宁省重要的污染物，其他大气污染物也呈现超标现象4 6。目前，对大气污染物传输特征的研究较少。收集了沈阳市20212022 年部分时段污染物浓度数据，对几个典型区域不同时段的空气污染分布及时间变化特征进行对比，分析了可能的排放来源，利用 HYSPLIT 模型和聚类方法，追溯了冬季污染气流来源及传输路径，以期为沈阳市大气质量管理和污染防控提供科学依据。1资料与方法1.1数据资料监测数据为沈阳市 3 个国控环境空气质量自动监测站点位2021 年3 月1 日2022 年7 月31 日的小时平均浓度。3 个站点分别是经济开发区的沈辽西路(41.44N，123.14E)、市区的太原街(41.47N，123.24E)及郊区的森林路(41.56N，123.41E)，统计了 PM2.5、PM10、SO2、NO2的小时平均浓度数据。以上大气污染物浓度可以很好地反映空气质量状况(将森林路设置为对照点，不参与空气质量状况评价7)。43气团后向轨迹分析所用气象资料为美国国家环境预报中心 NCEP(National Centers for Environmental Pre-diction)提供的 2021 年 12 月 1 日2022 年 2 月 28 日的气象再分析数据。1.2研究方法使用 EXCLE 和 ORIGIN 2018 对大气污染物浓度数据进行处理，采用平均计算法，将不同类型污染物的小时浓度进行日平均、月平均和季节平均，对比不同典型街道不同时期的污染物浓度变化状况，分析空气质量的变化原因。选取太原街自动监测站点作为气团后向轨迹分析的起始点，将其设置为 HYSPLIT 目标。为确定沈阳市大气污染物来源和不同源区的影响，选择 2021 年 12月 1 日2022 年 2 月 28 日的数据进行逐日 24 h 后向轨迹模拟。选取每日 UTC 时间(世界标准时间)的000、600、1200、1800 时为后推起始时刻，模拟高度设置为 300 m(HYSPLIT 模型无法完全模拟近地表湍流和摩擦效应，且离地面高度越大风速风向变化更大，所以计算后向轨迹时需有一定的起始高度8)。将计算出的气团后向轨迹通过聚类分析，将空间相似度高的轨迹聚类成代表性气流轨迹分布簇。2结果与讨论2.13 条街大气污染物浓度总体特征沈辽西路、太原街、森林路监测站点 2021 年 3 月2022 年 7 月的 PM2.5、PM10、SO2、NO2月平均污染物浓度变化趋势如图 1 所示。可以看出，PM2.5、PM10、SO2、NO2在 3 条街的整体变化趋势大致相似。图 13 条路 PM2.5浓度变化趋势Fig.1Variation trend of PM2.5concentration in three roadsPM2.5和 PM10在 3 条路均呈现冬春季节高于其他两季，浓度峰值均出现在 2021 年 3 月份的沈辽西路。PM2.5呈现出沈辽西路(74.82 g/m3)太原街(70.83 g/m3)森林路(65.53 g/m3);PM10呈现出沈辽西路(165.43 g/m3)太原街(124.95 g/m3)森林路(101.99 g/m3)。沈阳冬季寒冷，需通过大量燃煤供暖，加上汽车尾气排放，大大增加了 PM2.5和 PM10的排放量。另外，北方城市冬季夜间近地面气温低，天气状况稳定，容易在低空出现“逆温层”，抑制污染物向高空扩散9，加上地表植被稀少，颗粒污染物更容易聚集。3 月份后，3 条路颗粒物浓度迅速下降，表明春季多大风天气，扩散条件好，空气较为清洁;夏季处于非采暖期且多降水，降水过程可将大气中的颗粒物携带至地面，使空气中的颗粒物浓度值降低。沈阳市 SO2、NO2月平均浓度也大致出现了冬春季节高于夏秋季节的情况，且两者的浓度峰值均出现在太原街，分别为 33.68 g/m3和 51.9 g/m3。冬春季节燃煤采暖增加，容易出现逆温层，使得冬季排出的SO2、NO2浓度增多又不易被扩散出去。SO2和 NO2在中心城区太原街的浓度明显高于郊区浓度。SO2主要来源于热电厂含硫矿物的燃烧，NO2主要来自于机动车尾气排放，两者在人口密集地区排放量大大增加。图 23 条路 PM10浓度变化趋势Fig.2Variation trend of PM10concentration in three roads图 33 条路 SO2浓度变化趋势Fig.3Variation trend of SO2concentration in three roads53图 43 条路 NO2浓度变化趋势Fig.4Variation trend of NO2concentration in the three roads对比 3 条街的污染物浓度状况，可见沈辽西路和太原街人口密集地区的污染物浓度均高于人口相对较少的森林路，说明生产活动排放的污染物对城市空气质量状况影响较大。2.2大气污染物浓度特征由图5 和图6 可知，2021 年3 月，AQI 数值远远超过 2022 年同时期，数值达到 107.31，除 6 月外，2021年各月份 AQI 数值都高于 2022 年。此外，2021 年各项污染物月平均浓度指标整体上均高于 2022 年同时期各月份，说明 2021 年污染物浓度更加突出。2022年春季，沈阳市采取了相对严格的城市“封闭”管理，私家车出行量急剧下降，工业及城市建设等释放的污染源大量减少。2021 年 3 月，PM10和 PM2.5峰值分别达到 124.95 ug/m3和 70.83 ug/m3，2022 年 4 月，PM10和PM2.5峰值分别为75.6 ug/m3和41.57 ug/m3，由此可见，工业、交通及居民生产活动对城市环境空气质量有重要影响，可为今后限行交通工具提供数据支持10 11。图 5太原街 2021 年大气污染物浓度趋势Fig.5Air pollutant concentration trend in Taiyuan Street in 2021图 6太原街 2022 年大气污染物浓度趋势Fig.6Air pollutant concentration trend in Taiyuan Street in 20222.3轨迹聚类结果2021 年 2 月2022 年 2 月冬季节后向轨迹聚类结果如图 7 所示。后向轨迹分为 4 类，杨健儿12 等研究发现，气团移动速度与轨迹线长短成正比。图 7冬季气团轨迹聚类结果Fig.7Clustering results of winter air mass trajectories由图 7 可见，冬季有两条来自西北方向的轨迹频率高，分别占比 30%和 3