康桂紅，孫興池，韓永清，宋嘉佳

（山東省氣象臺，濟(jì)南 250031）

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山東省大氣污染時空分布特征分析

康桂紅，孫興池，韓永清，宋嘉佳

（山東省氣象臺，濟(jì)南 250031）

摘要：通過分析山東省近6a來大氣中污染物的濃度變化，發(fā)現(xiàn)影響山東省空氣質(zhì)量的主要污染物是顆粒物（PM2.5和PM10），山東省PM2.5年平均濃度均超過國家規(guī)定的輕污染標(biāo)準(zhǔn)10％以上，PM10年平均濃度基本接近輕污染標(biāo)準(zhǔn)值，其余四種污染物（SO2、CO、O3和NO2）濃度均低于輕污染規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，因此山東省大氣污染治理的重點(diǎn)是減少顆粒物。分析污染物濃度時間變化發(fā)現(xiàn)：11—1月山東大氣污染最嚴(yán)重，6—9月污染較輕；濟(jì)南周四污染相對最輕，周六到周一污染較重；每日15—17時是空氣質(zhì)量最好的時段。分析污染物濃度空間分布發(fā)現(xiàn)：O3濃度半島地區(qū)較其他地區(qū)高；SO2濃度魯中地區(qū)較高；CO濃度魯西北和魯中較高；NO2、PM10和PM2.5濃度分布基本一致，除半島地區(qū)外，其他地區(qū)均維持較高污染物濃度。

關(guān)鍵詞：大氣污染；時間變化；空間變化

資助項(xiàng)目：山東省氣象局重點(diǎn)課題（2014sdqxz01）資助

引言

隨著現(xiàn)代城市規(guī)模的迅速擴(kuò)大以及工業(yè)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口與車輛的迅速增多，伴隨而來的城市大氣環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重。近年來，對空氣污染狀況的研究有了很大進(jìn)展，如向敏等分析了2007年中國城市大氣污染時空分布特征指出，污染總體上北方重于南方，城市大氣污染由人類活動及當(dāng)?shù)靥厥獾牡乩砦恢镁C合影響形成，沙塵天氣加重了北方大氣污染[1]。周兆媛等認(rèn)為空氣質(zhì)量除了直接受局地大氣污染物排放影響，空氣質(zhì)量也受局地氣象要素的影響[2]；胡琳等提出西安市污染較為嚴(yán)重的污染物為PM10[3]；趙普生等分析了京津冀區(qū)域霾天氣特征表明，京津冀區(qū)域霾日數(shù)30a呈增加趨勢[4]。山東作為空氣污染嚴(yán)重的京津冀周邊省份，近年來積極開展空氣污染狀況和氣象條件等級研究，詳細(xì)分析了山東省的空氣質(zhì)量現(xiàn)狀、年際和季節(jié)變化特征，研究了大氣污染物的變化規(guī)律和影響大氣污染的主要因子，為大氣污染控制及防治提供決策依據(jù)。

1 資料來源及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

選取山東省環(huán)保局2009—2014年大氣污染物SO2、CO、O3、NO2和PM10環(huán)境觀測站點(diǎn)監(jiān)測小時數(shù)據(jù)和日數(shù)據(jù)及2013—2014年P(guān)M2.5環(huán)境觀測站點(diǎn)監(jiān)測小時數(shù)據(jù)和日數(shù)據(jù)（2013年以前沒有PM2.5觀測數(shù)據(jù)）；根據(jù)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定》[5]標(biāo)準(zhǔn)：空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）大于100為輕度及以上污染，對應(yīng)各污染物濃度限值分別是：SO2≥150μg·m-3、NO2≥80μg·m-3、CO≥4 mg·m-3、O3≥160μg·m-3、PM10≥150μg·m- 3和PM2.5≥75μg·m- 3。

2 污染物時間變化特征

2.1 污染物年際變化

統(tǒng)計(jì)分析2009—2014年山東省各種污染物年平均濃度，對比各種污染物項(xiàng)目濃度的限值可以看出:山東省SO2、CO、O3和NO2四種污染物濃度近6a均低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)（圖1a-d），最大值在標(biāo)準(zhǔn)值的60％左右。從年際變化上來看，SO2濃度基本呈逐年減少的趨勢，尤其是2014年比2013年減少的幅度較大（圖1a）；CO濃度從2009—2014年逐年降低，尤其是2013年比2012年降幅明顯（圖1c），2014年仍有降低，但降幅縮??；可以看出，近年來政府治理污染，減少排污量很有成效。NO被認(rèn)為是汽車尾氣造成的污染，NO2濃度6a來基本沒有變化，2013年略有增大（圖1b）。O3不是直接被排放的，而是轉(zhuǎn)化而成的，比如汽車排放的氮氧化物，只要在陽光輻射及適合的氣象條件下就可以生成臭氧。它也源于人類活動，汽車尾氣、燃料燃燒、石化冶煉等是臭氧的重要污染源，2009—2014年略有降低（圖1d），但幅度很小。PM10濃度2009年、2010年和2013年比標(biāo)準(zhǔn)值略偏高（圖1e），其余3年接近標(biāo)準(zhǔn)值略偏低，總體基本接近輕污染標(biāo)準(zhǔn)值，年變化2011和2012年有明顯減小，但2013年又有增大，2014年略有減小（圖1e）。PM2.5濃度2014年比2013年有所減小，但2年中均比輕污染標(biāo)準(zhǔn)值偏高10％（圖1f）。所以山東省首要污染物是顆粒物，尤其是PM2.5。

圖1　2009—2014年山東省SO2（a）、NO2（b）、CO（c）、O3（d）、PM10（e）、PM2.5（f）濃度年際變化及與輕污染標(biāo)準(zhǔn)對比情況

2.2 污染物月變化

統(tǒng)計(jì)分析各污染物2014年逐月平均濃度變化情況（圖2）可以看出：污染物濃度有明顯的月際變化，PM2.5、SO2、NO2和CO的變化趨勢基本一致，均為11—1月大，6—9月小，最大值均出現(xiàn)在1月，PM2.5、SO2、NO2最小值出現(xiàn)在7月，CO最小值出現(xiàn)在5月；PM10濃度的變化趨勢與上述幾種污染物基本相同，只是3 月PM10濃度有一次上升，這與3月沙塵天氣增多有關(guān)，之后逐漸下降，最大值出現(xiàn)在1月，最小值出現(xiàn)在9月；所以11—1月山東大氣污染最嚴(yán)重，而6—9月污染較輕。O3濃度的月際變化與其他污染物呈反位相，11—1月小，5—8月大。最大值出現(xiàn)在7月，最小值出現(xiàn)在12月。

圖2　2014年山東省SO2（紫色）、NO2（綠色）、O3（藍(lán)色）、CO（黑色）、PM10（褐色）、PM2.5（紅色）濃度月際分布圖

2.3 污染物周變化

PM2.5濃度的周變化基本摒棄了周期性氣候變化的影響，主要反映周期性人類活動變化的影響。以濟(jì)南為例，分析污染物濃度周變化情況發(fā)現(xiàn)，除O3外，其他污染物濃度周一均出現(xiàn)峰值，周二減小，周三略有升高，周四再次較小，均出現(xiàn)谷值，周五逐漸增大，直至周日峰值出現(xiàn)（圖3a-c，e，f）。O3濃度周前期均較低，周五開始升高，周六出現(xiàn)峰值，周日逐漸減?。▓D3d）。綜合周變化情況可以看出，濟(jì)南周四污染相對最輕，周六到周一污染較重。

圖3　2014年濟(jì)南SO2（a）、NO2（b）、CO（c）、O3（d）、PM10（e）、PM2.5（f）濃度周變化

2.4 PM2.5日變化

由于山東主要污染物是顆粒物，其中PM2.5濃度明顯偏高，利用2013年12月—2014年11月濟(jì)南PM2.5濃度逐日資料，按冬季（12—2月）、春季（3—5月）、夏季（6-8月）和秋季（9—11月）的劃分，分析四季污染物濃度日變化情況（圖4），可以看出：不論哪個季節(jié)，15—17時PM2.5都存在谷值，每日15—17時是空氣質(zhì)量最好的時段。

冬季是污染最嚴(yán)重的季節(jié)，PM2.5濃度日均值在123～145μg﹒m-3之間。存在05時和16時2個谷值，10時和19—24時2個峰值，相比2個谷值，下午更低些，但維持時間均較短；而兩個峰值的濃度接近，但第二個峰值持續(xù)時間較長。PM2.5濃度變化規(guī)律是：00時開始逐漸下降，05時到達(dá)第一個谷底，之后緩慢上升，08時開始迅速增大，10時達(dá)到最大，隨后逐漸減小，16時達(dá)到全天最小，隨后迅速增大，19時達(dá)到峰值，19—24時PM2.5濃度持續(xù)維持在較高水平。

春季污染相對較輕，PM2.5濃度日均值在72～86μg﹒m-3之間，其變化比較緩慢。只有1個谷值1個峰值，谷值在14～19時，維持時間較長。峰值較弱，19時開始濃度迅速增大，21時到達(dá)全天最高，之后一直維持在較高水平，直到09時PM2.5濃度才開始逐漸下降，14時達(dá)到較低水平。19時至次日9時PM2.5濃度變化平緩，始終維持在較高水平。

圖4　PM2.5濃度冬季（紫色）、春季（綠色）、夏季（紅色）、秋季（褐色）日變化分布圖

夏季是全年污染最輕的季節(jié)，PM2.5濃度日均值在65～75μg﹒m-3之間，相差僅10μg﹒m-3，有1個谷值2個峰值。08時是全天最高值。17時為一個谷值。08—17時PM2.5濃度逐漸下降，17時到達(dá)全天最低，之后逐漸增大，23時到達(dá)第二個峰值，之后維持在較高水平，06時開始略有升高，08時達(dá)到全天最高。

秋季污染僅次于冬季，PM2.5濃度日均值在73～96μg﹒m-3之間。日變化類似夏季，有1個谷值2個峰值。16時為谷值，比夏季提前1小時。15—20時PM2.5濃度逐漸上升，20時達(dá)全天最高。2個峰值出現(xiàn)在9時和20—24時，第一個峰值濃度較低，且持續(xù)時間較短；第二個峰值濃度大，持續(xù)時間長，是全天濃度最高的時段。夏季最大值出現(xiàn)在早晨08時，秋季最大值出現(xiàn)在夜間21時。

污染物的日變化和氣象條件的日變化存在一定關(guān)系，一年四季PM2.5濃度的日變化在下午15—17時均存在一個谷值；溫度的最大值則出現(xiàn)在下午14—16時，相對濕度的日變化和溫度在位相上完全相反，下午14—16時相對濕度最??；風(fēng)速日變化特征是，各季日平均風(fēng)速均在午后達(dá)到一天中的最大值，夏季達(dá)到最大值的時間要明顯滯后其他季節(jié)，各季節(jié)日平均風(fēng)速均在日出前后達(dá)到一天中的最小值[6]。顯然，每天午后是擴(kuò)散條件最好的時段。此時，逆溫已經(jīng)消散，混合層高度達(dá)到最高，風(fēng)速大，相對濕度小，形成污染物濃度日變化的最低谷。

3 污染物空間分布特征

統(tǒng)計(jì)分析2014年山東省17地市各污染物濃度年平均分布可以看出，各污染物的空間分布有明顯的不同。

SO2濃度淄博和萊蕪明顯偏高，淄博最高，為108.9μg﹒m-3，其次為萊蕪和棗莊，分別為90.3μg﹒m-3和73.3μg﹒m-3；威海最低，為22.8μg ﹒m-3，煙臺、青島和日照均在35μg﹒m-3左右，其他地市在50～60μg﹒m-3（圖5a）。由于SO2主要來源為工業(yè)生產(chǎn)、生活爐灶與采暖鍋爐、廢物焚化和交通運(yùn)輸工具等，污染物來源較一致。濃度高的地市均為重工業(yè)區(qū)。

NO2濃度17地市相差不大，最高的是淄博，為62.8μg﹒m-3，其次是臨沂，為58.1μg﹒m-3，最小的是威海，為25.8μg﹒m-3，其他地市均在40～50μg﹒m-3（圖5b）。

CO主要來源于含碳物質(zhì)的不完全燃燒過程，是人類活動排放量最大的大氣污染物之一。CO濃度最大值出現(xiàn)在聊城，其后依次為萊蕪、淄博和臨沂，半島地區(qū)相對較低，其他地區(qū)在1.1～1.6mg﹒m-3（圖5c）。

O3作為一種典型的光化學(xué)反應(yīng)物，其濃度與太陽輻射強(qiáng)度密切相關(guān)。分布與其他污染物截然不同，最大值出現(xiàn)在威海，為90.2μg·m-3，其次是濰坊，為82.4μg·m-3，最小的是泰安，為39.4μg·m-3，其他地市在40～70μg·m-3之間（圖5d）。

全省按半島、魯西北、魯西南、魯中、魯東南劃分區(qū)域，PM10濃度除半島地區(qū)（青島、煙臺和威海）外，其他區(qū)域均有高于輕污染標(biāo)準(zhǔn)（150μg·m-3）的地市。魯西北地區(qū)（聊城、德州、濱州和東營）除濱州外，其他3市PM10濃度均大于150μg·m-3，其中聊城PM10濃度為177.0μg·m-3，是全省PM10濃度最高的城市；魯西南地區(qū)（菏澤和濟(jì)寧）PM10濃度均大于150μg·m-3；魯中地區(qū)（濟(jì)南、泰安、萊蕪、淄博和濰坊）5市中濟(jì)南和淄博PM10濃度均大于150μg·m-3，其他市低于輕污染標(biāo)準(zhǔn)；魯東南地區(qū)（棗莊、臨沂和日照）除日照外，其他2市PM10濃度均大于150μg·m-3（圖5e）。PM2.5濃度除半島（青島、煙臺、威海）3地市和日照低于輕污染標(biāo)準(zhǔn)75μg·m-3外，其他地市均大于75μg·m-3；德州和菏澤大于100μg·m-3（圖5f），德州是山東省PM2.5濃度最大的城市。

圖5　山東省17地市SO2（a）、NO2（b）、CO（c）、O3（d）、PM10（e）、PM2.5（f）年平均濃度分布

4 小結(jié)

（1）影響山東的主要污染物是顆粒物，PM2.5年平均濃度超過輕污染標(biāo)準(zhǔn)10％以上，PM10濃度基本接近輕污染標(biāo)準(zhǔn)值，其余四種污染物年均濃度均低于輕污染規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。因此山東省大氣污染治理的重點(diǎn)是減少顆粒物。

（2）污染物濃度有明顯的時間變化，11—1月山東大氣污染最嚴(yán)重，6—9月污染較輕；濟(jì)南周四污染相對最輕，周六到周一污染較重；每日15—17時是空氣質(zhì)量最好的時段。

（3）從污染物濃度的空間分布來看：O3濃度半島地區(qū)較其他地區(qū)高；SO2濃度魯中地區(qū)較高；CO濃度魯西北和魯中較高；NO2、PM10 和PM2.5濃度分布基本一致，除半島地區(qū)外，其他地區(qū)均維持較高污染物濃度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 向敏，韓永翔，鄧祖琴. 2007年我國城市大氣污染時空分布特征[J]. 環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2009，21（03）：33-36.

[2] 周兆媛，張時煌，高慶先，等. 京津冀地區(qū)氣象要素對空氣質(zhì)量的影響及未來變化趨勢分析[J]. 資源科學(xué)，2014，36（01）：191-199.

[3] 胡琳，曹紅利，張文靜，等. 西安市環(huán)境空氣質(zhì)量變化特征及其與氣象條件的關(guān)系[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，29（6）：150-153.

[4] 趙普生，徐曉輝，孟偉，等. 京津冀區(qū)域霾天氣特征[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2012，32（1）：31-36.

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[6] 張志剛.北京大氣環(huán)境特征與大氣污染研究[D]. 南京：南京氣象學(xué)院，2003：34.

作者簡介：康桂紅（1967—），女，河北張北人，本科，高級工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)技術(shù)和方法研究工作。

收稿日期：2015-06-04

中圖分類號：P402

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1005–0582（2016）01–0013–05