許慧珍,郇輝輝,付金沐,2
1.安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽淮南,232001;2.宿州學院環(huán)境與測繪工程學院,安徽宿州,234000
近些年,我國大氣污染從較為單一組分逐步發(fā)展成以大氣細顆粒物(空氣動力學直徑小于等于2.5 μm,也稱PM2.5)和臭氧(O3)為主要污染組分的復合污染,嚴重影響人體健康和生態(tài)環(huán)境建設[1-2]。隨著國務院于2013年發(fā)布和實施的《大氣污染防治行動計劃》,以及2018年推進的《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年計劃》,我國大氣環(huán)境污染質量明顯好轉,全國各地區(qū)的PM2.5降低效果也較為明顯,而O3卻出現異?,F象,在大氣中濃度不但未得到改善,還出現了蔓延現象,使得我國對大氣環(huán)境中O3等多種污染物防治迫在眉睫[3-6]。由此,黨中央提出在“十四五”加強區(qū)域的多污染物協(xié)同控制,對PM2.5和O3的綜合管控,基本解決大氣污染較為嚴重區(qū)域[7]。
目前,較多學者對我國空氣污染特征的研究中發(fā)現,空氣中PM2.5和O3分布受到較多因素影響,如地形地貌、氣候變化、溫濕度、太陽輻射、大氣環(huán)流和外源輸入等[8-11]。王勝杰等[12]發(fā)現,汾渭平原2016—2019年PM2.5濃度明顯降低并表現為夏低冬高趨勢,而O3濃度卻表現為夏高冬低的升高趨勢;李歡歡等[5]對保定市的空氣質量分析時發(fā)現,近幾年PM2.5污染程度削減,而O3污染卻在逐年上升;江家坤等[13]通過HYSPLIT后向軌跡模型對云浮市顆粒物和O3污染特征分析時發(fā)現,顆粒物和O3復合污染受到當地污染物變化、排放源和污染氣團的影響,其中O3與太陽輻射呈負相關;Li等[4]通過GEOS-Chem模擬發(fā)現2013—2017年華北平原O3污染愈加嚴峻,主要歸因于細顆粒物削減了近40%,降低了氣溶膠中過氧化氫(HO2)自由基的匯過程,促使O3的產生;花叢等[14]發(fā)現我國中東部地區(qū)O3污染過程會伴隨著高溫、低風速和混合層高度低等氣象條件,但在大氣流動的東北區(qū)域也會出現O3污染。
總之,PM2.5和O3濃度變化受到許多因素影響,而不同地區(qū)PM2.5和O3的污染成因也會有所不同。目前雖然對安徽省PM2.5和O3有所研究[15-18],而對宿州市空氣污染特征缺少研究,對PM2.5和O3連續(xù)年份的污染變化規(guī)律及復合污染研究更為匱乏。為此,本研究以宿州市2016—2021年的PM2.5和O3-8 h(每日O3濃度最大的8 h平均值)濃度數據為研究對象,通過小波分析法探究宿州市AQI指數與PM2.5、O3-8 h以及NO2污染序列變化的主周期和O3-8 h與PM2.5、NO2的協(xié)同關系,力求為宿州市PM2.5和O3污染防控提供重要理論依據。
宿州市空氣中PM2.5、O3、NO2等污染物濃度和空氣質量指數(AQI)數據來自中國空氣質量在線監(jiān)測分析平臺(http://www.aqistudy.cn/historydata/),數據分析時段為2016—2021年。PM2.5和O3污染超標參照GB 3095-2012《環(huán)境空氣質量標準》中二級標準(環(huán)境保護部國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局,2016),即PM2.5>75 μg·m-3和O3-8 h>160 μg·m-3為超標,AQI污染等級參照HJ 663-2012《環(huán)境空氣質量指數(AQI)技術規(guī)定(試行)》中三級標準(環(huán)境保護部,2016),即AQI>100為污染。
小波分析是通過不同程度的改變伸縮尺度,以獲取不同頻率的信號,再仔細分析信號的外部輪廓和內部細節(jié),達到在不同時間尺度和空間局部特征上對信號的完整分析。小波分析的準確性受到小波基函數的較大影響,如選擇不同的小波基函數處理同一信號或時間序列時,獲取的結果可能會產生差異。本文使用Matlab中Morlet小波函數計算小波系數,并通過選擇小波函數類型為cmor(1-1.5),取樣周期取1,最大尺度取90,計算出2016—2021年PM2.5、O3、NO2和AQI的小波系數實部,并繪制出小波實部圖,研究各大氣污染指標濃度在時間變化數據中潛藏的周期規(guī)律。具體函數公式如下:
(1)
(2)
為了解析出不同污染物序列的主要周期,將小波變換系數的值進行平方,并在平移量范圍內進行積分,計算出小波系數方差,計算公式如下:
(3)
根據計算結果繪制出小波方差圖,可展示出信號波動能量隨尺度參數的分布情況,圖中最高峰對應的尺度稱為主要時間尺度,也代表著主周期,其中第1、2個曲線最高點分別代表時間尺度的第1、2主周期,依此類推[19]。
在2016—2021年研究期內,PM2.5日均濃度呈現不同程度的變化,如圖1,PM2.5在2017年高于75 μg·m-3的天數最多,甚至在5月6日出現了嚴重污染天氣,AQI指數達到500。隨著2018年推進《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年計劃》,宿州市PM2.5污染狀況改善明顯,由2017年的69 μg·m-3降低到2021年的42 μg·m-3,削減率達39%,效果顯著。宿州市PM2.5污染分布還具有季節(jié)性差異,主要集中在1—4月和11—12月,即秋季末、冬季和春季初。造成這種差異的主要原因有:(1)冬季較為寒冷,天氣狀況為靜穩(wěn)態(tài),大氣環(huán)流也較為穩(wěn)定,在增加PM2.5排放源時,也會導致PM2.5無法及時擴散并累積,造成大氣污染[15,20-21];(2)夏季在受到副熱帶高壓的西伸北抬和西南季風的加強,使得冷暖氣流交匯頻繁,為水汽輸送和大風天氣創(chuàng)造了更好的條件,因而產生較為頻繁的降雨天氣,便于大氣中PM2.5產生濕沉降,利于污染物的匯[3]。
圖1 2016—2021年宿州市PM2.5日均濃度變化趨勢
宿州市O3污染總體呈先升高后降低趨勢(圖2),O3濃度出現在2017年5月19日,達258 μg·m-3,超過GB 3095-2012中二級標準0.6倍。在研究期內,2017全年污染較為嚴重,O3日均濃度范圍為18~258 μg·m-3,均值113 μg·m-3,較2016年的均值89 μg·m-3提升了27%,而后再逐年降低;到2021年O3日均濃度為23~240 μg·m-3,均值101 μg·m-3,降低幅度為11%。
圖2 2016—2021年宿州市O3-8 h日均濃度變化趨勢
宿州市O3污染也表現出較強季節(jié)性差異,污染較嚴重的時段主要集中在5—10月。2016年污染較為嚴重區(qū)間分布在8、9月,并隨著時間的推移,自2017年后,O3污染逐漸提前至5、6月。究其原因,宿州市位于安徽省東北部,隸屬于皖北地區(qū),在夏季受到盛行東南風的作用后,周邊地區(qū)排放的污染源匯集于宿州城市上方,對大氣中污染物濃度有很大影響,而安徽5、6月份雨季主要集中于皖南地區(qū),處于皖北的宿州市天氣狀況好,具有很強的太陽輻射,會加速氮氧化物、硫氧化物和揮發(fā)性有機物等一次污染源通過光化學反應生成O3等二次污染物;7、8月份的宿州市雖然溫度高,但隨著雨季的來臨,持續(xù)的陰雨天能降低太陽輻射強度,還能沖刷高濃度O3和一次污染物,從而降低O3污染[9,17-18]。
為進一步了解宿州市2016—2021年PM2.5和O3污染狀況,以GB 3095-2012二級標準為參考依據,統(tǒng)計大氣中PM2.5和O3的超標天數。研究發(fā)現(圖3),PM2.5和O3的污染超標天數均表現為下降趨勢。PM2.5超標天數從2016年的107天增加到2017年的128天后,又開始下降到2021年的46天,降低率達57%;表明PM2.5污染天氣得到了明顯改善。O3污染超標天數也由2016年的28天增加到2017年的63天后,又降低到2021年的28天;表明高濃度O3污染持續(xù)兩年后也得到有效治理。由此可知,PM2.5和O3污染濃度具有一定關聯(lián)性,這是因為PM2.5可以為許多化學反應提供場所。如Kumar等[22]發(fā)現N2O5會在PM2.5表面水解并生成NO2等能促進O3合成的物質;PM2.5還具有散射太陽光輻射的作用,使散射的能量被周邊NOx所利用,釋放出利于O3生成的各種自由基。Shao等[23]在研究北京市大氣污染變化時也觀察到類似現象,即PM2.5濃度下降到一定程度時,O3濃度也會發(fā)生相似變化。
圖3 2016—2021年宿州市PM2.5和O3超標天數占比
圖4—7是基于小波函數解析2016—2021年宿州市AQI指數與PM2.5、O3-8 h以及NO2等污染物時間序列的小波系數實部圖和小波方差圖小波系數大小可由圖中振蕩信號的強弱來表示,區(qū)域顏色越深,小波系數越大,所處大氣污染水平也越高,污染程度也越強;而區(qū)域顏色越淺,小波系數越小,大氣污染水平也越低,污染程度也越弱;0值為指標的突變點。
圖4所示,宿州市2018、2020和2021的AQI空氣污染序列具有相近的第1主周期,時間尺度分別為70、67、75天;而2016、2017和2019的第1主周期時間尺度分別為33、42和55天。2016—2021年空氣污染序列的第2主周期時間尺度為54、67、17、27、21和27天。
圖4 2016—2021年宿州市AQI的小波系數實部和小波方差
圖5是宿州市2016—2021年PM2.5污染序列,其中2017、2018、2020和2021具有極其相近的第1主周期,時間尺度分別是74、73、76和73天,2016、2019的第1主周期是33和26天。不同于第1主周期,PM2.5污染序列在2017、2019—2021年的第2主周期時間尺度均為14天,2016和2018的時間尺度也趨于相近的19和17天。
圖5 2016—2021年宿州市PM2.5的小波系數實部和小波方差
宿州市近6年O3-8 h污染序列如圖6所示,2018年和2021年的第1主周期均以62天為時間尺度,而2016、2017、2019和2020年的第1主周期時間尺度分別為55、46、54和87天。O3-8 h污染序列的第2主周期時間尺度分別為19、23、33、31、31和28,其中2018—2021年時間尺度具有較高一致性。
圖6 2016—2021年宿州市O3-8 h的小波系數實部和小波方差
由圖7可知,NO2污染序列的第1主周期在研究的6年期內時間尺度分別為65、39、38、59、30和62天,在2016、2021年和2017、2018年具有高度一致性。而NO2污染序列的次周期分別以23、16、21、27、73和16為時間尺度。
圖7 2016—2021年宿州市NO2的小波系數實部和小波方差
4種指標污染序列的主周期觀察到:2016年宿州市AQI和PM2.5的污染序列具有相同第1主周期,到2017年和2019年AQI與O3-8 h、NO2污染序列的第1主周期幾乎保持一致,而到2018、2020、2021年AQI、PM2.5、O3-8 h和NO2污染序列的第1主周期均非常接近。由此可知,2016年宿州市大氣污染水平受到PM2.5的重要影響;到了2017和2019年,宿州市大氣污染影響因子由PM2.5轉變成O3,使得O3-8 h濃度與空氣質量相關性增強;而在近幾年,宿州市的大氣污染影響因子逐漸轉變成PM2.5和O3協(xié)同作用,形成了2種污染物的復合污染。
由不同時間尺度下振蕩信號周期性變化可知,污染物濃度區(qū)域顏色較深,對應小波系數較大。在小波系數實部圖中,選定相應時間和時間尺度,即可了解污染指標在“時間—時間尺度”等值線平面圖中的分布;而且不同時間尺度下的污染指標變化規(guī)律也不同,往往表現出大時間尺度嵌套小時間尺度現象。在2016—2021年的同一時間尺度下,PM2.5和O3-8 h表現的振蕩頻率大致相同,兩者之間具有鮮明正相關。而在所研究的90天時間尺度內,PM2.5和O3-8 h振蕩頻率不完全相同的原因,與O3受到光照、溫度、相對濕度和逆溫輻射等諸多因素影響有關,這與李歡歡等[5]所研究的保定市PM2.5和O3關系相一致。NO2作為直接參與并形成O3反應的循環(huán)物質和前提物,對O3濃度的影響尤為重要,在2016—2021年(2020年除外)宿州市NO2和O3-8 h污染序列的振蕩頻率基本保持一致,這也佐證了宿州市O3-8 h同樣受到了NO2的重要影響;在2020年出現異常,這是在受到新冠疫情影響后,嚴格的管控措施,使得機動車的排放量大幅度減少,各種工、商、農業(yè)活動受到局限,污染物大幅度降低,減少了NO2等前體物的生成[24-25];當新冠疫情抑制取得階段性勝利后,各行業(yè)逐漸恢復生產,交通運輸也恢復正常,促使生成O3的前體物濃度逐步增加,以至于2021年O3-8 h濃度依舊受到NO2的影響。綜上,宿州市單因子污染和復合污染已逐步改善,空氣質量也有所提升,但應該多注重O3污染問題,致力于降低O3前體物排放,如NO2和揮發(fā)性有機化合物等,實現多種污染物協(xié)同控制。
文章對宿州市2016—2021年AQI指數與PM2.5、O3污染狀況和污染形成進行了綜合分析,研究發(fā)現:2016—2021年宿州市PM2.5濃度總體呈下降趨勢,污染天數減少,且污染時間主要集中在秋季末、冬季和春季初;O3-8 h濃度先升高后降低,到2021年污染天數下降到與2016年一致,O3污染得到有效控制,其污染主要聚集在春季末和夏季。運用小波方差分析法得到,2016年AQI和PM2.5具有相同的第1主周期,2017和2019年AQI和O3-8 h出現了相近的第1主周期,2018、2020和2021年AQI、PM2.5、O3-8 h出現了相仿的第1主周期,說明宿州市的空氣污染由PM2.5轉變成了O3污染,形成兩種因子的復合污染?;趯π〔ǚ治鰧嵅繄D的觀察,在同一或相近的時間尺度附近,PM2.5和O3-8 h濃度變化正相關,O3-8 h與NO2也存在正相關。因此,建議宿州市需要密切關注O3濃度變化,致力于削減NO2等一次污染物的源排放,進一步優(yōu)化宿州市空氣質量。