亓 靚 魏 巍 曹正梅 唐 菁

(1、山東省青島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,山東 青島266000 2、青島大學實驗中學,山東 青島266000)

1 概述

隨著我國社會經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展,空氣污染成為目前最主要的環(huán)境問題之一,大量研究表明城市空氣質(zhì)量與氣象條件的關(guān)系十分密切,而其中一個主要因素是降水。近年來,國內(nèi)外開展了一系列降水與大氣污染物關(guān)系的研究。楊茜等研究了重慶市各季節(jié)降水對各類大氣污染物的濕清除能力[1],李明艷等分析了濟南市夏季降水對大氣污染物的清除效果[2],而青島市這些方面的研究較少。

本文通過對2020 年青島市降水前后污染物濃度變化情況,分析不同條件下降水對污染物的清除效率,以期為環(huán)境管理和大氣污染治理提供科學參考。

2 數(shù)據(jù)來源及評價方法

本文采用的2020 年降水和空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)來源于山東省青島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,其中降水點位周邊為學校、居民區(qū)和道路,距離海邊2 公里左右,污染源多為人為影響；空氣子站距降水點位3 公里左右。

采用降水清除效率η 計算降水對大氣污染物的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 降水量季節(jié)變化特征

2020 年共采集到30 次降水樣品,夏季降水次數(shù)最多,秋季最少。采集樣品總降水量為892mm,夏季占71.2%,春季占13.9%,冬季和秋季分別占7.7%和7.2%。從降水類型來看,多數(shù)為小雨和中雨,全年出現(xiàn)4 次暴雨或大暴雨,5 月、7 月各1 次,8月2 次。

3.2 大氣污染物的降水清除效率

2020 年降水對PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO 的η 值分別在-18.6%～89.1%、-41.2%～94.1%、-25.0%～25.0%、-238%～68.8%、-37.9%～66.1%、-100%～50.0%之間,降水后PM10和PM2.5濃度降低(η＞0)比例較高,分別占降水總次數(shù)的93.3%和86.7%；O3次之,占73.3%；SO2、NO2、CO 濃度在雨后則多數(shù)升高或持平,η＞0占比在30.0%～33.3%之間。由此可知,降水對SO2、NO2、CO 的清除作用不明顯,基本可以視為無清除效果；對O3有一定清除作用,但清除效果一般；對PM10和PM2.5的清除效果最好。

分析其原因,在經(jīng)過多年的大氣治理后,青島市大氣中主要污染物為顆粒物,夏季O3污染較突出,SO2、NO2、CO 濃度值已經(jīng)達到較低水平,這時采用清除效率已無法準確反映降水對SO2、NO2、CO 的影響,反而在濃度發(fā)生變化時η 易出現(xiàn)極值,所以不適宜采用此方法。O3則和光輻射強度密切相關(guān),小時濃度變化具有明顯的單峰型特征,在中午14:00 左右太陽輻射最強,氮氧化物、揮發(fā)性有機物等O3前體物易發(fā)生化學反應,導致O3濃度迅速升高。而降水具有隨機性,對于起止時間在中午的降水,并不能簡單按照濃度的變化判斷降水對O3的清除效果。因此,采用η 值判斷O3的清除效果劣于PM10和PM2.5。

2020 年不同季節(jié)降水對大氣污染物的平均清除效率見表1。由表1 可知,PM10和PM2.5在秋季和夏季η 值相對較高,且PM10各季節(jié)的η 值均高于PM2.5,O3在春季和秋季η 值相對較高。在一般情況下,降水對PM10的清除效果好于PM2.5,在7、8 月時發(fā)生的幾場強降水則對PM2.5的清除效果更好,例如8 月2 日03:00 發(fā)生的降水,在降雨強度最大的2 個小時內(nèi),PM2.5濃度下降速度遠超過PM10。

表1 不同季節(jié)降水對大氣污染物的平均清除效率

3.3 降水量對大氣污染物的影響

通常情況下,降水量越大,清除效果越明顯,但是,持續(xù)降雨并不能使大氣污染物濃度一直降低,因會受到風速、風向的變化和局地排放源等多因素的影響,個別時段污染物濃度值反而會升高。短時強降雨對顆粒物和O3的清除效果更明顯,短時小雨因沖刷效果弱,對污染物濃度則無明顯影響。

從降水類型來看,PM10和PM2.5的η 值隨著雨量的增加而逐步升高,O3的η 值則沒有變化規(guī)律。其中PM10的η 值在小雨至暴雨階段小幅升高,大暴雨時明顯升高；PM2.5的η 值變化幅度較顯著,小雨時η 值較低,僅16.8%,基本無清除,中雨至暴雨階段η 值明顯升高,在大暴雨時清除效果最好,達到90.4%。(表2)

表2 不同類型降水對大氣污染物的平均清除效率

3.4 降水時長對大氣污染物的影響

降水時長對污染物的清除效果也有一定影響,但并不是時長越長,η 值越高。在連續(xù)降水期間,前期和后期降水的η 值有所不同,通常在降水前期,顆粒物η 值很高,PM10和PM2.5濃度迅速降低,在顆粒物濃度值降低到臨界值后會出現(xiàn)一定反彈,如降水結(jié)束時顆粒物濃度處于臨界值,降水對顆粒物的清除能力最強,η 值最高；如降水持續(xù)時間過長,顆粒物濃度升高,η 值反而會降低。以7 月發(fā)生的兩次降水為例,其中7 月18日發(fā)生的暴雨持續(xù)時間共44 小時,在降水的沖刷下污染物濃度不斷降低,7 月19 日04:00 濃度最低,這時降水對顆粒物的清潔作用已經(jīng)達到最低值,在之后的降水中污染物濃度在緩慢升高,7 月20 日01:00 雨停后顆粒物濃度與降水初期基本持平,雖然降水前期η 值較高,但整場降水η 值較低。7 月22 日發(fā)生的大暴雨持續(xù)時間共24 小時,PM10、PM2.5濃度變化趨勢基本一致,在降水初期迅速降低,降水中期在大雨的沖刷下一直保持在2μg /m3,降水后期PM10濃度略有升高,PM2.5濃度無明顯變化。O3濃度變化趨勢則有所不同,在11:00 至19:00 小雨期間變化不大,一直在75～83μg/m3之間波動；自20:00 起O3濃度值逐步升高,22:00 達到最高值99μg/m3；22:00 至01:00,雨量逐漸增大,小時雨量在29.6～45.5mm 之間,在大雨的沖刷下,O3濃度迅速降低,降至76μg/m3,此時O3的η 值也最高；之后隨著雨量的減少,O3濃度緩慢降低。這場雨對PM10、PM2.5、O3的η 分別為82.1%、92.6%、5.8%,PM10、PM2.5的η 主要集中在前期小雨階段,O3的η 主要在中期大雨階段,因顆粒物濃度仍處于臨界值附近,η 值較高。(表3,圖1)

表3 長時降水中大氣污染物小時濃度變化

圖1 7 月18 日至20 日降水期間污染物濃度小時變化情況

4 結(jié)論

4.1 降水對SO2、NO2、CO 的清除作用不明顯,基本可以視為無清除效果；對O3有一定清除作用,但清除效果一般；對PM10和PM2.5的清除效果最好。

4.2 PM10和PM2.5的η 值隨著雨量的增加而逐步升高,大暴雨時清除效果顯著升高。

4.3 連續(xù)降水前期,污染物η值較高,在污染物濃度值降到臨界值時,η 值最高,之后,隨著降水時長的增加,污染物濃度值會出現(xiàn)反彈,η 值會降低。