伍 潘,黃小娟,張軍科,張建強,宋宏藝,羅進(jìn)奇

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756； 2.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院 高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，成都 610225)

1 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市化進(jìn)程加快以及大量的能源消耗，我國諸多城市或區(qū)域空氣質(zhì)量日益惡化，大氣環(huán)境污染問題嚴(yán)重[1-2]。NO2、NOX、SO2、O3以及顆粒物作為典型的大氣污染物，不僅對生態(tài)系統(tǒng)、區(qū)域大氣能見度、交通安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和氣候變化產(chǎn)生重大影響[3]，而且對人體身體健康造成極大傷害，增加了心臟病、呼吸道系統(tǒng)疾病發(fā)病率以及死亡率[4-5]。

香港是我國甚至世界上經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的城市之一，其人口密度高、機動車數(shù)量龐大，同時又是我國重要的港口城市。以往研究發(fā)現(xiàn)，香港[6]2012～2015年P(guān)M2.5年均濃度分別為27.49μg/m3、30.83μg/m3、28.52μg/m3、25.2μg/m3，該值雖然明顯低于我國的北京[7-8]、上海[9]、廣州[10]等城市，其PM2.5年平均質(zhì)量濃度分別為73μg/m3、48.8μg/m3、36.0μg/m3，但明顯高于WHO的人體健康標(biāo)準(zhǔn)(WHO準(zhǔn)則值：PM2.5年平均質(zhì)量濃度為10.0μg/m3)，因此，對香港地區(qū)空氣質(zhì)量深入了解，對于其污染治理和空氣質(zhì)量改善意義重大。

本研究利用2016年(1.1～12.31)香港環(huán)境保護(hù)署觀測結(jié)果，選擇5個站點(分別代表路邊、一般及背景站)，對獲取的NO2、NOX、SO2、O3、顆粒物變化特征進(jìn)行了對比研究，以期讓公眾對香港地區(qū)空氣質(zhì)量有更為全面的了解并為該地區(qū)大氣污染控制和治理提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域特征

香港氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，全年氣溫較高，年均溫度為23℃，年均降雨量為2 214.3mm。香港地區(qū)亞洲大陸高壓在秋季形成，在冬季成熟，并在春季減弱，最終在夏季轉(zhuǎn)為低壓。氣壓的季節(jié)性變化導(dǎo)致了盛行風(fēng)向的轉(zhuǎn)變[11]?？傮w上講，春季短暫，多霧，盛行東風(fēng)；夏季炎熱而濕潤，盛行南風(fēng)和西南風(fēng)；秋季干燥少雨，多晴天，盛行東風(fēng)；而冬季寒冷干燥，盛行北風(fēng)和東北風(fēng)[11]。盛行風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，總是伴隨著不同污染程度的空氣氣團(tuán)傳輸?shù)较愀凵峡?，即來自北面亞洲大陸的污染氣團(tuán)以及來自南面海洋的潔凈氣團(tuán)。

2.2 觀測站點、數(shù)據(jù)來源及儀器監(jiān)測方法

本文所用數(shù)據(jù)均來源于香港環(huán)境保護(hù)署的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)(https://epic.epd.gov.hk/EPICDI/air/station/)，共選取三類具有代表性的5個站點，其中，路邊站選取旺角和中環(huán)，一般站選取深水埗和中西區(qū)。最后，選取塔門作為本研究的背景站[12](見圖1)。路邊站代表了公共交通局地大氣污染情況，能夠反映交通源對城市大氣的影響程度；一般站代表中心城區(qū)大氣污染情況，是城市多種污染的綜合體現(xiàn)；而背景站由于受人類活動影響較小，本地源貢獻(xiàn)有限，其污染物主要源于遠(yuǎn)距離傳輸，能夠代表香港地區(qū)背景污染水平。PM10、PM2.5、NO2、NOX、SO2和O3在線監(jiān)測主要使用儀器及其監(jiān)測方法詳見參考文獻(xiàn)[13]。

圖1 觀測站點位置Fig.1 Location of monitoring stations

3 結(jié)果與分析

3.1 污染物變化特征

3.1.1 各類站點污染整體分析

由下表可以看出，3種類型站點的PM2.5與PM10濃度年均值在觀測期間并沒有顯著的差異，僅有背景站略低于其他兩種類型站點，體現(xiàn)出顆粒物污染的區(qū)域性特征，這與賀克斌等[14]，和李建東等[15]研究結(jié)果一致。同時，觀測期間，路邊站、一般站和背景站PM2.5/PM10依次為0.68、0.67和0.63，表明PM2.5在PM10質(zhì)量濃度中占據(jù)主導(dǎo)地位，香港地區(qū)顆粒物污染主要以細(xì)顆粒物為主。路邊和一般站略高于背景站的主要原因在于，這兩類站點周圍機動車活動頻繁，且西部分布有貨運碼頭、遠(yuǎn)洋船只航線以及密集的餐飲區(qū)，它們對大氣環(huán)境中的細(xì)粒徑段顆粒物(即PM2.5)貢獻(xiàn)顯著。

與顆粒物相比，NO2與NOX的濃度在不同類型的站點之間差異顯著。由于機動車排放是城市大氣中NOX的主要來源，因此，兩個路邊站的NOX的濃度最高，一般站次之，而機動車數(shù)量稀少的背景站處于最低水平。3種類型的站點NO2/NOX值依次為0.44、0.64和0.78，說明NO對NOX的影響在路邊站最大，而在背景站點影響最小。主要是因為，路邊站車流量較大，機動車會排放大量新鮮的NO，從而在NOX中占據(jù)主導(dǎo)地位，而在車流量較小的背景站，其大氣中的NOX經(jīng)歷了長時間的老化，其中的NO大量轉(zhuǎn)換為NO2。

表 污染物年均濃度(平均濃度±標(biāo)準(zhǔn)偏差)Tab. Annual concentrations of atmospheric pollutants during the study period(average concentration±Standard deviation) (μg/m3)

O3濃度年均值表現(xiàn)為背景站>一般站>路邊站，這一趨勢與NOX的濃度水平幾乎完全相反，主要是因為，盡管高強度的機動車活動會為各自大氣環(huán)境提供充足的前體物，而更高水平的NO則會在很短的時間內(nèi)與形成的O3發(fā)生滴定反應(yīng)，從而使其濃度保持在很低水平；而背景站由于森林覆蓋率高，碳?xì)浠衔餄舛容^高，而源于機動車的NOX濃度很低，從而有利于臭氧的生成與積累，這與王占山[16]等對北京地區(qū)的研究結(jié)果相似。

類似于顆粒物，SO2屬于典型的區(qū)域性污染物，因此，在不同類型的站點之間幾乎不存在差異，其年均值均低于10μg/m3，該值要遠(yuǎn)低于我國其他城市的觀測結(jié)果，如北京[17]、上海[18]、廣州[19]等，其SO2年均濃度分別為28.5μg/m3、21.5μg/m3、16.83μg/m3。

3.1.2 季節(jié)變化特征分析

本文選取2016年1～12月數(shù)據(jù)，按照氣象學(xué)方法，將香港地區(qū)的四季劃分為春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)與冬季(12～2月)四季，從而分析不同類型站點各類污染物的季節(jié)變化特征。

圖2 不同季節(jié)污染物濃度變化情況Fig.2 Variation of pollutant concentration at different seasons

從圖2可以看出，各站點PM2.5與PM10的最低值出現(xiàn)在夏季，最高值出現(xiàn)在冬季。這主要是因為：①冬季局地氣象條件不利于大氣污染物擴(kuò)散，加之逆溫層的出現(xiàn)，使得污染物在近地層大量富集；②冬季大氣層邊界較低，大氣污染物在整個空間內(nèi)壓縮，使得污染物濃度升高；③內(nèi)陸地區(qū)污染物的傳送，香港地區(qū)冬季盛行北風(fēng)以及東北風(fēng)，從而會將珠江三角洲區(qū)域的污染物輸送至香港。夏季出現(xiàn)最低值，主要是因為香港地區(qū)，夏季具有良好的污染物凈化條件；同時，頻繁的降雨以及夏季從南面海洋傳送清潔空氣，都可以使得污染物得到有效的稀釋擴(kuò)散以及清除。

NO2和NOX季節(jié)變化不明顯，這主要是因為在城市中，NOX主要源于交通源，而交通源季節(jié)變化并不顯著。由觀測結(jié)果可知，相對于其它季節(jié)，僅夏季有輕微的減少，其主要原因可能是夏季強降雨對NO2和NOX洗刷以及清除作用，同時，NO2和NOX轉(zhuǎn)化為HNO3，以及清潔空氣對污染物的稀釋擴(kuò)散，使得夏季較其它季節(jié)濃度減少。香港地區(qū)的SO2主要來自電廠的排放[20]以及遠(yuǎn)距離的傳輸。各季節(jié)SO2濃度均低于10μg/m3，季節(jié)濃度變化幅度較小，其主要原因是香港地區(qū)對污染物排放要求的控制，本地污染源排放較少，局部外力作用對其影響較小，因而季節(jié)濃度變化幅度較小。

O3濃度夏季明顯低于其他季節(jié)(圖2)，這與He Y J[21]以及CHAN L Y[11]的對香港地區(qū)的研究結(jié)果一致，但和以往對我國其他地區(qū)的研究結(jié)果有很大差別，如北京[16，22]、邯鄲[23]以及重慶[24]等地區(qū)，O3峰值均出現(xiàn)在夏季。為更好的對臭氧季節(jié)變化規(guī)律進(jìn)行分析，該部分進(jìn)一步對各站點O3月變化特征進(jìn)行了分析，如圖3所示。

圖3 O3濃度月變化趨勢Fig.3 Monthly change trend of O3 concentration

對于不同類型的站點而言，O3的季節(jié)濃度均值總體表現(xiàn)為：背景站>一般站>路邊站；夏季濃度明顯低于其他季節(jié)，特別是夏季六月，臭氧濃度最低。周晨虹[25]認(rèn)為，香港大氣邊界層內(nèi)臭氧，其季節(jié)濃度呈雙峰分布，峰值出現(xiàn)在春季和秋季；鐘芳[12]發(fā)現(xiàn)，香港地區(qū)全年臭氧濃度呈單峰分布，秋季十月份最高，夏季七月份濃度最低。這主要是因為，香港地區(qū)夏季高溫低壓，氣流從中國南海傳送至香港，而海洋氣團(tuán)屬于清潔氣團(tuán)，臭氧濃度極低，且缺乏臭氧生成的前體物(NOX、CO、非甲烷碳?xì)浠衔锏?；同時，夏季氣象條件不穩(wěn)定，以及夏季的強降雨，導(dǎo)致光化學(xué)反應(yīng)生成以及臭氧積累被受限，因而出現(xiàn)夏季O3濃度最低的現(xiàn)象。而秋季時，亞洲大陸溫度降低，南部和西南季風(fēng)減弱，東北季風(fēng)逐漸盛行，反氣旋高壓形成，氣流流經(jīng)中國東南部繁華、工業(yè)化城市(如廣州、深圳)到達(dá)香港，氣流中攜帶大量污染物，包括臭氧前體物，而此時香港地區(qū)的光化學(xué)反應(yīng)依然活躍，有利于臭氧生成。因此，在遠(yuǎn)距離傳輸和本地二次生成的共同作用下，O3濃度在秋季達(dá)到較高水平。在冬季12月，外部條件與秋季11月相似，因而出現(xiàn)臭氧濃度升高的現(xiàn)象。而冬季1～2月，雖然臭氧前體物充足，但由于不利臭氧生成的氣象條件(如云層較厚、太陽輻射減弱等)，因而臭氧濃度出現(xiàn)較12月降低的現(xiàn)象。

3.2 日變化特征分析

從圖4可以看出，路邊和一般站NO2濃度日變化趨勢類似，其濃度均隨交通早高峰的出現(xiàn)快速升高，早高峰結(jié)束后保持在穩(wěn)定水平或者有稍微降低，而隨著夜間交通高峰時期的到來，其濃度達(dá)到一天的峰值；相比而言，背景站的NO2幾乎全天處于較低水平，且變化幅度很小。類似于NO2，背景站的NOX在全天都保持較低水平，且非常穩(wěn)定，而其他四個站點的NOX均呈現(xiàn)出雙峰分布的日變化特征。這主要是因為，路邊站白天車流量較大，機動車貢獻(xiàn)穩(wěn)定；而一般站代表整個城市情況，自然會受到早晚交通高峰的強烈影響。

路邊站以及一般站顆粒物濃度呈單峰型日變化，其濃度較低值出現(xiàn)在清晨，而后呈升高趨勢，這主要與白天加強的顆粒物源及更活躍的生成過程(如光化學(xué)反應(yīng))有關(guān)。其峰值出現(xiàn)在22∶00左右，這主要是因為，白天產(chǎn)生的顆粒物大量積累以及夜間混合層高度大幅降低，從而造成污染物濃度顯著升高；然而，背景站顆粒物濃度日變化幅度很小。這是因為，背景站顆粒物濃度主要源于區(qū)域傳輸，局地源排放量少，因而始終保持在較低且穩(wěn)定的水平。

圖4 不同站點各類污染物日變化情況Fig.4 Daily variation of various kinds of pollutants at different sites

路邊和一般站O3濃度均表現(xiàn)為明顯的雙峰型日變化規(guī)律，峰值分別出現(xiàn)在凌晨5∶00以及下午15∶00左右，谷值出現(xiàn)在上午9∶00和晚間20∶00左右，O3峰值和谷值總是與NOX的谷值和峰值一致對應(yīng)；背景站O3濃度呈現(xiàn)單峰型日變化規(guī)律，其峰值出現(xiàn)在15∶00左右，谷值出現(xiàn)在早上7∶00左右。從清晨6∶00開始，城市中車流量增大，機動車排放的NOX濃度快速升高，會大量消耗路邊及城市環(huán)境中的O3，因而，出現(xiàn)了O3的最低值；隨著溫度的升高，太陽輻射增強、光化學(xué)反應(yīng)加強，產(chǎn)生了大量的O3，從而克服了NO的滴定得以大量積累。下午15∶00以后，太陽輻射減弱，臭氧消耗速率高于生成速率，并在交通“晚高峰”出現(xiàn)谷值。

相比于其他污染物，SO2濃度水平較低，且日變化特征并不明顯，主要趨勢為：隨著白天人為活動的加強濃度逐漸升高。值得注意的是，背景站點的SO2與路邊和一般站并不存在差異，這說明，香港地區(qū)SO2主要受區(qū)域傳輸影響，而與局地源排放關(guān)系很小。

3.3 工作日及假日污染物變化特征對比分析

為更好地對比分析香港地區(qū)工作日(周一至周五，節(jié)假日除外)和假日(周末及節(jié)假日)污染變化情況，本文選取路邊站旺角、一般站深水埗和背景站塔門中PM2.5、NOX以及O3小時數(shù)據(jù)，對2016年全年進(jìn)行了工作日及假日日變化特征分析。

從圖5可以看出，香港地區(qū)三種污染物存在較明顯的“假日效應(yīng)”，這一現(xiàn)象與北京[26]、上海[27]的研究結(jié)果相似。其中，香港三類站點均出現(xiàn)假日全天PM2.5濃度高于工作日的現(xiàn)象，這與王占山等[26]對北京研究結(jié)果一致；路邊和一般站NOX濃度在假日0∶00～8∶00時段高于工作日，其余時間工作日均高于假日，且路邊站假日在早晨之后濃度出現(xiàn)持續(xù)升高的現(xiàn)象，這表明在市民休息時段，出行更為隨意，沒有明顯的規(guī)律性，不會像工作日那樣呈現(xiàn)典型的“雙峰”分布。從O3濃度日變化曲線來看，三類站點假日濃度全天均高于工作日，這主要是由于路邊及一般站假日車流量減少，NO排放量較假日少，對O3的滴定、清除作用明顯減弱，因而出現(xiàn)假日O3濃度較工作日高，相比而言，背景站在兩時段O3差異相對較小，這主要是其受機動車排放源的影響較弱所致。

圖5 工作日及假日PM2.5、NOX以及O3濃度日變化曲線Fig.5 Diurnal variation curves of PM2.5,NOX and O3 concentration on working days and holiday

4 結(jié) 論

4.1 三類站點顆粒物及SO2濃度年均值差異較小，區(qū)域性污染特性明顯；NO2與NOX年均值表現(xiàn)為路邊站>一般站>背景站，而O3表現(xiàn)為路邊站<一般站<背景站；所有站點PM2.5與PM10最低和最高值分別出現(xiàn)在夏季和冬季，O3最低值出現(xiàn)在夏季。

4.2 大氣污染物日變化特征差異顯著，路邊站、一般站NO2與NOX日變化表現(xiàn)為“早晚雙峰”型，而顆粒物日變化表現(xiàn)為單峰型，峰值出現(xiàn)在晚間22∶00，背景站幾種污染物變化幅度較?。籓3在路邊站、一般站呈現(xiàn)雙峰型變化，其峰值分別出現(xiàn)在凌晨5∶00以及下午15∶00左右，而背景站O3為單峰型，峰值出現(xiàn)在下午15∶00左右。

4.3 PM2.5、NOX及O3三種污染物存在較明顯的“假日效應(yīng)”：PM2.5、O3濃度在假日全天濃度高于工作日；路邊站、一般站NOX濃度在假日0∶00～8∶00時段高于工作日，其余時間均低于工作日。