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        常州顆粒物及污染氣體的觀測(cè)分析

        2015-05-30 20:28:21程穆寧等
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年32期
        關(guān)鍵詞:相關(guān)關(guān)系顆粒物

        程穆寧等

        摘 要:利用常州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO及O3資料,分析了污染物的日變化以及顆粒物與污染氣體之間的關(guān)系。結(jié)果表明:PM2.5、PM10和NO2濃度日變化呈“雙峰雙谷型“分布,說明它們主要由人類活動(dòng)和大氣層結(jié)穩(wěn)定度共同決定。SO2濃度日變化呈現(xiàn)出白天大于夜間的現(xiàn)象,CO的日變化與機(jī)動(dòng)車燃油不完全燃燒有關(guān),O3的日變化與人類活動(dòng)和光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。顆粒物與污染氣體之間存在一定的關(guān)系,但由于污染物源匯的復(fù)雜性,相關(guān)系數(shù)不是太高。

        關(guān)鍵詞:顆粒物;污染氣體;日變化;相關(guān)關(guān)系

        顆粒物已成為城市群空氣質(zhì)量急劇下降的首要污染物,導(dǎo)致區(qū)域性的霧霾天氣頻發(fā)[1-5]。粒徑較小的顆粒物會(huì)進(jìn)入人體,引發(fā)呼吸道疾病,研究表明該疾病的發(fā)病與顆粒物的濃度有關(guān)[6]。顆粒物按照粒徑至少可分為PM2.5(顆粒物,空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5μm)和PM10(顆粒物,空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于10μm)。污染氣體(如SO2、NO2、CO及O3等)對(duì)人體健康和空氣質(zhì)量等有著重要的影響[7]。例如,SO2本身對(duì)人體有直接刺激作用,同時(shí)SO2容易在大氣中氧化形成硫酸或者硫酸鹽,腐蝕建筑物,酸化土壤和湖泊。鑒于顆粒物和污染氣體對(duì)環(huán)境和人體的重要影響,文章將利用常州市的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析顆粒物和污染氣體的日變化及顆粒物和污染氣體之間的關(guān)系。

        1 資料

        文章所用資料來自常州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,資料包括2010年全年的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO及O3資料。所用儀器為美國賽默飛世爾公司生產(chǎn)的PM2.5監(jiān)測(cè)儀、PM10監(jiān)測(cè)儀、SO2監(jiān)測(cè)儀和NO2監(jiān)測(cè)儀,以及美國自動(dòng)精密工程公司生產(chǎn)的CO監(jiān)測(cè)儀和O3監(jiān)測(cè)儀。

        2 顆粒物與污染氣體濃度的日變化特征

        2.1 PM2.5和PM10濃度的日變化特征

        根據(jù)2010年常州PM2.5小時(shí)監(jiān)測(cè)資料,圖1a給出了PM2.5質(zhì)量濃度的日變化特征,具有顯著的“雙峰雙谷型“分布,高峰值出現(xiàn)在8時(shí)和20時(shí),谷值則出現(xiàn)在4時(shí)以及12-15時(shí)左右。“雙峰雙谷型“分布原因分析:日出后,隨著人類生產(chǎn)活動(dòng)、交通運(yùn)輸?shù)脑黾?,PM2.5排放量逐漸增大,至8時(shí)達(dá)到了一天中的第一個(gè)高峰值,即0.0695mg/m3。之后,隨著太陽輻射的增強(qiáng)以及氣溫的不斷升高,大氣穩(wěn)定度減弱,湍流擴(kuò)散能力增強(qiáng),有利于污染物擴(kuò)散遷移,使得PM2.5濃度逐漸減小,故在午后取得谷值,最小值為0.0574mg/m3,此時(shí)也是接近一天中地面溫度最高,湍流運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)的階段,因此,污染物擴(kuò)散條件最好。日落之后地表長(zhǎng)波輻射降溫增強(qiáng),大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定,同時(shí)伴隨交通運(yùn)輸高峰,PM2.5的濃度再次上升,在20時(shí)取得峰值,即0.0705mg/m3。但是由于夜間人類活動(dòng)減少,盡管大氣層結(jié)逐漸趨于穩(wěn)定,但PM2.5濃度仍逐漸減少,并在凌晨4時(shí)取得谷值,即0.0612mg/m3。由此可見,PM2.5質(zhì)量濃度的日變化主要由人類活動(dòng)和大氣層結(jié)穩(wěn)定度共同決定。

        PM10的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出和PM2.5相似的“雙峰雙谷型”分布(圖1b),第一個(gè)峰值出現(xiàn)在早8時(shí),第二個(gè)峰值出現(xiàn)在20時(shí)。兩個(gè)谷值分別出現(xiàn)在4時(shí)及12時(shí)。

        常州市空氣中不同時(shí)段PM2.5在PM10中的占比見表1。常州市PM2.5/PM10占比均值為56.0%,且各時(shí)段占比基本持平??傮w而言,白天PM2.5/PM10占比(55.3%)小于夜間(56.7%)。

        2.2 污染氣體濃度的日變化特征

        如圖2a所示,SO2濃度日變化呈“單峰單谷型”分布,一天中SO2濃度最大值出現(xiàn)在上午9時(shí),谷值出現(xiàn)在17時(shí)至次日5時(shí)。白天濃度明顯大于夜間,這與人類活動(dòng)密切相關(guān)。

        如圖2b所示,NO2濃度日變化呈“雙峰雙谷型”分布,第一個(gè)峰值出現(xiàn)在上午8時(shí),第二個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)域在18-20時(shí);第一個(gè)谷值出現(xiàn)在凌晨4時(shí),第二個(gè)谷值出現(xiàn)在午后12-14時(shí)。NO2濃度日變化與PM2.5濃度日變化基本一致。而且NO2極大值出現(xiàn)的時(shí)間正為上下班高峰期,說明機(jī)動(dòng)車尾氣排放的二氧化氮對(duì)環(huán)境空氣的影響較大。

        如圖2c所示,CO濃度日變化呈“雙峰雙谷型”分布,第一個(gè)峰值出現(xiàn)在上午7-8時(shí),第二個(gè)峰值出現(xiàn)在20時(shí);谷值分別出現(xiàn)在1時(shí)和午后14時(shí)。CO濃度日變化情況與NO2較為相似,且極大值出現(xiàn)的時(shí)間也為上下班高峰期,可推斷這種CO的日變化與機(jī)動(dòng)車燃油不完全燃燒有關(guān)。

        如圖2d所示,O3在早晨7時(shí)之前濃度很低,之后迅速上升,至下午14時(shí)達(dá)到峰值。城市污染大氣中,人類活動(dòng)排放的NOx、NMHC(非甲烷碳?xì)浠衔铮┖虲O等污染物在白天太陽輻射作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成高濃度O3。O3濃度與太陽輻射強(qiáng)度關(guān)系密切,正午太陽輻射最強(qiáng)烈,光化學(xué)反應(yīng)以最大速率進(jìn)行,因此O3濃度逐漸增大,至14時(shí)達(dá)到峰值。

        3 顆粒物與污染氣體濃度之間的相關(guān)關(guān)系

        由PM2.5濃度與SO2、NO2、CO及O3濃度相關(guān)關(guān)系(圖3)可知,PM2.5濃度與SO2濃度呈微弱正相關(guān)關(guān)系;PM2.5濃度與NO2濃度呈低正相關(guān)關(guān)系;PM2.5濃度與CO濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系;PM2.5濃度與O3濃度呈微弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。

        PM2.5的來源,按其形成方式可以分為三種:直接以固態(tài)形式排出的一次粒子;由高溫下排放的過飽和氣態(tài)物質(zhì)冷凝而成的一次粒子;由氣態(tài)前體污染物經(jīng)過復(fù)雜的大氣多相化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化而成的二次粒子。污染氣體SO2在大氣中氧化形成的硫酸鹽粒子、NOx經(jīng)光化學(xué)氧化過程形成的硝酸鹽粒子都是PM2.5二次粒子的主要來源。氣溶膠中硫酸鹽的濃度主要取決于SO2的轉(zhuǎn)化速率。溫度高、濕度大、太陽輻射較強(qiáng)時(shí),SO2轉(zhuǎn)化速率高。但是,高溫、強(qiáng)太陽輻射的氣象條件通常有利于PM2.5粒子擴(kuò)散,濃度較低,因此PM2.5與SO2濃度相關(guān)性不是很好。

        城市污染大氣中,人類活動(dòng)排放的NOx、NMHC(非甲烷碳?xì)浠衔铮?、CO等污染物可通過光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二次污染物O3,并可進(jìn)一步引發(fā)城市光化學(xué)煙霧污染。在高溫、強(qiáng)輻射、低濕度的環(huán)境條件下,O3的濃度非常高。同時(shí),NOx這一低層大氣中O3的主要前體物,又通過紫外線驅(qū)動(dòng)的光化學(xué)氧化過程消耗O3,快速形成了有機(jī)硝酸鹽粒子,使得PM2.5濃度增大。因此,大氣中PM2.5濃度與NOx、CO、O3三類氣體污染物濃度密切相關(guān),但由于污染物源匯的復(fù)雜性,相關(guān)系數(shù)不是太高。

        PM10與污染氣體濃度之間的關(guān)系與PM2.5類似(圖略)。PM10濃度與SO2、NO2、CO濃度的正相關(guān)關(guān)系弱于PM2.5,PM10濃度與O3濃度相關(guān)性優(yōu)于PM2.5濃度。

        4 結(jié)束語

        (1)PM2.5濃度日變化呈“雙峰雙谷型”分布,說明PM2.5質(zhì)量濃度的日變化主要由人類活動(dòng)和大氣層結(jié)穩(wěn)定度共同決定。PM10濃度的日變化特征與PM2.5的情況類似。PM2.5/PM10的均值為56.0%,且各時(shí)段占比基本持平??傮w而言,白天PM2.5/PM10占比(55.3%)小于夜間(56.7%)。

        (2)SO2濃度日變化呈現(xiàn)出白天大于夜間的現(xiàn)象,NO2濃度日變化與PM2.5、PM10濃度日變化基本一致,說明NO2與PM2.5、PM10具有同源性。CO濃度日變化峰值出現(xiàn)的時(shí)間為上下班高峰期,可推斷這種CO的日變化與機(jī)動(dòng)車燃油不完全燃燒有關(guān)。O3濃度在7時(shí)出現(xiàn)最低值,14時(shí)左右出現(xiàn)最高值,與人類活動(dòng)和光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。

        (3)PM2.5濃度與SO2濃度呈微弱正相關(guān)關(guān)系;PM2.5濃度與NO2濃度呈低正相關(guān)關(guān)系;PM2.5濃度與CO濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系;PM2.5濃度與O3濃度呈微弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于污染物源匯的復(fù)雜性,相關(guān)系數(shù)不是太高。

        參考文獻(xiàn)

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        [4]郭婧,華蕾,荊紅衛(wèi).大氣顆粒物的源成分譜研究現(xiàn)狀綜述[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警,2011,6:28-32.

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        [7]周陽,王艷麗,陳璐,等.天津市O3生成與其前體物NOx、VOCs排放的相關(guān)性研究[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警,2014,6:37-40+44.

        *通訊作者:程穆寧(1983-),女,碩士,大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境專業(yè),主要從事大氣環(huán)境研究。

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