羅進奇,黃小娟,張軍科,張建強,宋宏藝,伍 潘

(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

目前，我國的大氣灰霾相關(guān)研究大量集中于京津冀、長三角和珠三角地區(qū)[1～4]，相對于這三大地區(qū)，四川盆地相關(guān)研究還較少。成都市為四川盆地的重要城市之一，截止2016年末，成都市常住人口達到1 592萬人，全市機動車保有量412萬輛。經(jīng)濟發(fā)展迅速，使得該地區(qū)大氣污染物濃度日益增加，加之特殊的盆地地形，使其污染更加嚴重，形成機制也更為復(fù)雜。如TIAN[5]等人發(fā)現(xiàn)，成都市PM2.5和PM10的年平均質(zhì)量濃度分別為103 μg/m3和172 μg/m3。CHENG[6]等人在對比了全球45個特大城市(人口在500 萬以上)2013年P(guān)M2.5濃度水平后發(fā)現(xiàn)，成都市是空氣質(zhì)量達標天數(shù)最少的城市，污染天數(shù)高達348天。因此，對于成都市大氣污染的研究已經(jīng)非常迫切。

本研究對成都市2016～2017年的主要大氣污染物及氣象要素變化進行了一年的連續(xù)觀測，對污染物來源以及不同類型天大氣污染的特征進行了對比分析，以期為成都市大氣污染防治提供參考。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本觀測站位于成都市金牛區(qū)西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院樓頂四川省環(huán)境空氣質(zhì)量綜合監(jiān)測站(東經(jīng)105.05°，北緯30.70°)，該站點位于成都市中心，能夠反映成都市區(qū)典型的大氣環(huán)境狀況。觀測時間為2016年3月～2017年2月，觀測的大氣污染物有O3、SO2、NOX、CO、PM2.5、PM10、苯和甲苯。 同時收集主要氣象因素(風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、相對濕度、氣壓、能見度和降雨量)，詳細設(shè)備介紹見文獻[7]。

2.2 評價標準

本文污染物評價標準均采用環(huán)境空氣質(zhì)量標準(GB3095-2012)中的二級標準。

3 結(jié)果與討論

3.1 污染物整體變化特征

3.1.1 主要氣態(tài)污染物

觀測期間，成都市O3的最高小時平均質(zhì)量濃度出現(xiàn)在2016年8月13日16∶00，達到了269.3 μg/m3，是國家二級標準(200 μg/m3)的1.3倍；有24個小時超過國家二級標準(圖1)。O3平均濃度在春季(87.6 μg/m3)和夏季(80.1 μg/m3)較高，秋季次之(50.1 μg/m3)，冬季最低(30.2 μg/m3)。這種最高值出現(xiàn)在春季的現(xiàn)象與以往研究有所差異，如徐鵬[8]等人發(fā)現(xiàn)重慶市O3濃度在夏季達到最高，為(48.8±32.6) μg/m3。本研究中O3高值出現(xiàn)在春季的原因是：進入春季后，氣溫回升，平流層和對流層之間的穩(wěn)定層結(jié)被打破，造成平流層臭氧向下輸送，從而造成對流層臭氧濃度大幅升高；而夏季頻繁的降雨卻在一定程度上降低了O3濃度[9]，根據(jù)統(tǒng)計，觀測期間，夏季的降雨量占到了全年平均降雨的60.4%。

圖1 各污染物濃度逐日變化Fig.1 Daily changes of atmospheric pollutants concentrations

整個觀測時段，SO2的濃度處于較低水平，日均濃度變化范圍為0.5～61.8 μg/m3，均未超過國家二級標準(150 μg/m3)。SO2呈冬季高(22.5 μg/m3)，夏季低(11.1 μg/m3)的季節(jié)變化特征，這與冬季氣溫較低，大氣穩(wěn)定度高等有關(guān)。此外，近年來成都市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及能源結(jié)構(gòu)改善也是SO2濃度水平較低的重要原因[10]。

NO、NO2、NOX的濃度均為冬季最高、夏季最低，這主要是因為夏季溫度高，光化學(xué)反應(yīng)活躍，同時該季節(jié)較高的O3濃度，會使得光化學(xué)反應(yīng)消耗的NO增加，導(dǎo)致了夏季的NOX較冬季低。NOX的日均濃度變化范圍為23.9～411.5 μg/m3，超過國家二級標準(100 μg/m3)的天數(shù)為119 d，超標率為37.7%；年平均值為(100.9±61.5) μg/m3，是國家二級標準(50 μg/m3)的2倍?？梢钥闯觯蛶缀跬耆_標的SO2相比，成都地區(qū)NOX超標非常嚴重。一方面，NOX是大氣中硝酸鹽的重要前體物，它可以通過多種均相及非均相過程形成硝酸鹽，成為PM2.5的重要組分；另一方面， NOX在形成其他氣溶膠物質(zhì)如硫酸鹽和有機物時起關(guān)鍵作用，如NOX可以促進礦物氧化物表面的SO2轉(zhuǎn)化為硫酸鹽[11]。而形成的硝酸鹽物質(zhì)可以增強礦物氧化物的吸濕性及對水分的吸收，從而加速SO2和NOX的非均相反應(yīng)，進一步增加了顆粒的吸濕性[12]。

圖2 觀測間降雨量時間序列Fig.2 Times-series of precipitation during observation period

CO的日均濃度變化范圍為0.3～9.9 mg/m3，超過國家二級標準(4 mg/m3)僅有2 d；小時均值有3 h超標(10 mg/m3)，且均出現(xiàn)在冬季。分季節(jié)來看，CO的濃度在冬季最高，為(1.5±1.1) mg/m3，夏季最低，為(0.9±0.2) mg/m3。6～8月份成都雨水充足(圖2)，大氣污染物清除效率高， 再加上夏季湍流混合較強，因此CO的濃度值達到最低水平，而冬季由于穩(wěn)定的大氣層結(jié)，大氣污染物擴散能力降低，使得CO濃度有明顯升高。

3.1.2 PM2.5與PM10

PM2.5的日均濃度變化范圍為10～306.6 μg/m3，全年超過二級標準(75 μg/m3)的天數(shù)比例達到了41%；年均值達到了(76±47.7) μg/m3(圖1)，表明成都市大氣PM2.5濃度處于較高水平[13]。同時，PM2.5具有明顯的季節(jié)變化，冬季 PM2.5的平均濃度達到了(101.2±49.3) μg/m3，而夏季最低僅為(48.1±21.1) μg/m3。PM10與PM2.5的濃度變化趨勢基本一致。分析PM2.5/PM10的比值發(fā)現(xiàn)(圖3)，成都大氣顆粒物污染以細粒子為主，全年僅有63 d比值小于0.5，且主要集中在冬季和春季，這可能是因為成都冬季和春季受到西北沙塵等粗顆粒物的污染。

圖3 PM2.5/PM10逐日變化Fig.3 Times-series of PM2.5/PM10

3.1.3 苯和甲苯

苯的日均濃度變化范圍為0.05～9.0 μg/L，年均為(1.0±1.1) μg/L；甲苯的日均濃度變化范圍為0.06～11.6 μg/L，年均濃度為(2.4±2.3) μg/L。兩者濃度均為冬季最高，分別為(1.9±1.4) μg/L、和(2.7±2.9) μg/L(圖1)。苯和甲苯(B/T)的比值可以用于識別苯系物的來源，當B/T約為0.6時表現(xiàn)為機動車尾氣排放的特征，當B/T高于1.0時可能來源于生物質(zhì)及煤的燃燒排放[14-15]。本研究中，成都市全年的B/T比值平均為0.7±0.6，可以得知，就全年來看，成都市大氣中苯系物的來源主要為機動車尾氣。分季節(jié)來看，春、秋兩季分別為0.3±0.4、0.5±0.3，張玉欣等[16]在南京北郊也發(fā)現(xiàn)相似的變化規(guī)律，推測除機動車尾氣排放以外，還存在異常源貢獻，尤其是春季；夏季為0.7±0.7，說明夏季大氣中苯系物的主要來自汽車尾氣排放，而冬季比值為1.2±0.7，說明冬季大氣中苯系物除機動車源以外，還有燃燒源(燃煤和生物質(zhì)燃燒)的貢獻。

3.2 污染物平均日變化特征

各類氣態(tài)污染在觀測期間的日變化見圖4，O3在各季節(jié)的日變化均呈現(xiàn)出典型的單峰型，峰值出現(xiàn)在午后14∶00～16∶00，各時刻的平均濃度為春季>夏季>秋季>冬季。O3濃度的日變化與近地面污染物的大氣光化學(xué)過程密切相關(guān)。日出后隨著太陽輻射強度的增加，O3前體物的光化學(xué)反應(yīng)增強，造成O3濃度持續(xù)升高，并在午后出現(xiàn)最高值。

圖4 各大氣污染物濃度的日變化Fig.4 Diurnal variations of each atmospheric pollutant concentration

NO峰值出現(xiàn)在早晨8∶00～10∶00，而谷值出現(xiàn)在16∶00～18∶00。峰值的出現(xiàn)主要是由于早高峰時期車流量增大，NO來源顯著增強，而之后隨著太陽輻射的增強，NO和O3的光化學(xué)反應(yīng)劇烈，NO濃度迅速下降；同時，下午時段，大氣邊界層升高，污染物擴散能力增強，也會使得近地面NO快速稀釋擴散，17∶00左右達到最低值。NO2兩個峰值分別出現(xiàn)在8∶00～10∶00和21∶00～23∶00，早晨的峰值對應(yīng)著交通高峰時段，晚上的峰值則是由于NO和O3的轉(zhuǎn)化。

CO與NO的日變化特征相似，呈雙峰型分布，峰值分別出現(xiàn)在8∶00～10∶00和0∶00～2∶00。SO2呈現(xiàn)出單峰型的日變化特征，峰值出現(xiàn)在10∶00～12∶00，整體而言，SO2夜晚濃度值要低于白天，這是由于白天人為活動加強導(dǎo)致SO2排放增加。苯和甲苯的平均日變化在春、夏、冬三季比較明顯，與早晚高峰對應(yīng)，特別是早高峰時段濃度最高，而秋季沒有明顯的日變化。

PM2.5與PM10的日變化在四個季節(jié)均為雙峰分布，對應(yīng)早晚出行高峰，峰值的前后移動具有季節(jié)差異，夏季最早(9∶00)，秋冬季最晚(11∶00)；晚高峰出現(xiàn)在21∶00～23∶00。這是由于早上人類活動逐漸增強，污染物逐漸積累，加之車流量大幅度增加，機動車向大氣中排放大量的一次顆粒物和氣態(tài)前體物，同時道路揚塵貢獻增加，使得顆粒物濃度在早上出現(xiàn)峰值；午后由于湍流發(fā)展旺盛，混合層高度抬升，污染物濃度逐漸下降，并于17∶00～19∶00到達谷值；傍晚以后，下班晚高峰到來和城市夜生活的能源消耗，加上混合層高度降低以及大氣穩(wěn)定度增加，污染物不易于擴散，因此，夜間濃度再次升高。此外，由于夜間相對濕度升高，一些非均相化學(xué)反應(yīng)也會增強。

3.3 不同類型天大氣污染物的差異分析

為分析不同類型天的各污染物的變化特征，本部分將所有觀測日分為工作日、周末、春節(jié)和國慶節(jié)分別進行日變化統(tǒng)計。從圖5可以看出，O3在不同類型天均呈單峰型的日變化特征，其中國慶節(jié)濃度最高，春節(jié)最低。這主要是由于節(jié)假日NO排放減少，光化學(xué)反應(yīng)消耗的O3減少，使得O3得以累積；同時也與各時段溫度的差異相關(guān)，國慶、工作日、周末、春節(jié)的平均溫度分別為24 ℃、18.7 ℃、19.5 ℃、9.4 ℃，這是光化學(xué)反應(yīng)是否活躍的重要標志。

圖5 不同類型天污染物的日變化情況Fig.5 Diurnal variations of pollutants in different types of days

工作日和周末NO濃度在早高峰時段出現(xiàn)明顯高值，而春節(jié)期間NO的該峰值出現(xiàn)延后，這主要是由于節(jié)假日人們出行時間推后；同時，春節(jié)期間NO的濃度最小，是由于春節(jié)期間大部分工廠放假，機動車出行大量減少；國慶期間NO濃度較春節(jié)高，但顯著低于工作日和周末。與NO相比，同樣作為一次污染物的CO，其峰值的出現(xiàn)有明顯滯后，這是由于CO是一個生命周期較長的產(chǎn)物，可能疊加了城區(qū)和郊區(qū)的輸送及附近污染源排放。

PM2.5和PM10濃度在春節(jié)期間最高，國慶次之，工作日和周末相對較低且沒有明顯的差異。研究表明，燃放煙花爆竹會導(dǎo)致空氣中PM2.5和PM10質(zhì)量濃度在短時間內(nèi)迅速上升[4]。因此，春節(jié)期間，PM2.5和PM10的濃度均高于其他類型天，且夜間高于白天。

綜合而言，雖然各污染物在不同類型天污染特征各異，但工作日與周末并沒有出現(xiàn)太大差異。因此，就本研究而言，并未發(fā)現(xiàn)成都地區(qū)出現(xiàn)明顯的污染物“周末效應(yīng)”，但“長假效應(yīng)”顯著。

4 結(jié) 論

4.1 成都市區(qū)NOX超標嚴重，超標率為37.7%，顯示出機動車尾氣對成都大氣污染的重要貢獻。各類大氣污染物季節(jié)差異明顯， NOX、PM2.5和PM10在秋冬季較高，而O3在春夏季最高。

4.2 成都市全年B/T值為0.7±0.6，苯系物的主要來源為機動車尾氣；而冬季燃燒過程的貢獻逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

4.3 O3日變化呈 “單峰型”，峰值出現(xiàn)在14∶00～16∶00；NO、苯和甲苯都在上午出現(xiàn)峰值；NO2與PM10、PM2.5均呈現(xiàn)出“雙峰雙谷”型；CO 也為雙峰型。

4.4 國慶期間O3濃度最高，春節(jié)最低；NO早高峰特點明顯，春節(jié)期間其濃度較低且早高峰延后；PM2.5和PM10在春節(jié)期間的濃度很高。所有污染物均不存在明顯的“周末效應(yīng)”，但“長假效應(yīng)”顯著。