常州顆粒物及污染氣體的觀測分析

程穆寧等

摘 要：利用常州市環(huán)境監(jiān)測中心的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO及O3資料，分析了污染物的日變化以及顆粒物與污染氣體之間的關(guān)系。結(jié)果表明：PM2.5、PM10和NO2濃度日變化呈“雙峰雙谷型“分布，說明它們主要由人類活動(dòng)和大氣層結(jié)穩(wěn)定度共同決定。SO2濃度日變化呈現(xiàn)出白天大于夜間的現(xiàn)象，CO的日變化與機(jī)動(dòng)車燃油不完全燃燒有關(guān)，O3的日變化與人類活動(dòng)和光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。顆粒物與污染氣體之間存在一定的關(guān)系，但由于污染物源匯的復(fù)雜性，相關(guān)系數(shù)不是太高。

關(guān)鍵詞：顆粒物；污染氣體；日變化；相關(guān)關(guān)系

顆粒物已成為城市群空氣質(zhì)量急劇下降的首要污染物，導(dǎo)致區(qū)域性的霧霾天氣頻發(fā)[1-5]。粒徑較小的顆粒物會(huì)進(jìn)入人體，引發(fā)呼吸道疾病，研究表明該疾病的發(fā)病與顆粒物的濃度有關(guān)[6]。顆粒物按照粒徑至少可分為PM2.5（顆粒物，空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5μm）和PM10（顆粒物，空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于10μm）。污染氣體（如SO2、NO2、CO及O3等）對(duì)人體健康和空氣質(zhì)量等有著重要的影響[7]。例如，SO2本身對(duì)人體有直接刺激作用，同時(shí)SO2容易在大氣中氧化形成硫酸或者硫酸鹽，腐蝕建筑物，酸化土壤和湖泊。鑒于顆粒物和污染氣體對(duì)環(huán)境和人體的重要影響，文章將利用常州市的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析顆粒物和污染氣體的日變化及顆粒物和污染氣體之間的關(guān)系。

1 資料

文章所用資料來自常州市環(huán)境監(jiān)測中心，資料包括2010年全年的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO及O3資料。所用儀器為美國賽默飛世爾公司生產(chǎn)的PM2.5監(jiān)測儀、PM10監(jiān)測儀、SO2監(jiān)測儀和NO2監(jiān)測儀，以及美國自動(dòng)精密工程公司生產(chǎn)的CO監(jiān)測儀和O3監(jiān)測儀。

2 顆粒物與污染氣體濃度的日變化特征

2.1 PM2.5和PM10濃度的日變化特征

根據(jù)2010年常州PM2.5小時(shí)監(jiān)測資料，圖1a給出了PM2.5質(zhì)量濃度的日變化特征，具有顯著的“雙峰雙谷型“分布，高峰值出現(xiàn)在8時(shí)和20時(shí)，谷值則出現(xiàn)在4時(shí)以及12-15時(shí)左右?！半p峰雙谷型“分布原因分析：日出后，隨著人類生產(chǎn)活動(dòng)、交通運(yùn)輸?shù)脑黾樱琍M2.5排放量逐漸增大，至8時(shí)達(dá)到了一天中的第一個(gè)高峰值，即0.0695mg/m3。之后，隨著太陽輻射的增強(qiáng)以及氣溫的不斷升高，大氣穩(wěn)定度減弱，湍流擴(kuò)散能力增強(qiáng)，有利于污染物擴(kuò)散遷移，使得PM2.5濃度逐漸減小，故在午后取得谷值，最小值為0.0574mg/m3，此時(shí)也是接近一天中地面溫度最高，湍流運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)的階段，因此，污染物擴(kuò)散條件最好。日落之后地表長波輻射降溫增強(qiáng)，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，同時(shí)伴隨交通運(yùn)輸高峰，PM2.5的濃度再次上升，在20時(shí)取得峰值，即0.0705mg/m3。但是由于夜間人類活動(dòng)減少，盡管大氣層結(jié)逐漸趨于穩(wěn)定，但PM2.5濃度仍逐漸減少，并在凌晨4時(shí)取得谷值，即0.0612mg/m3。由此可見，PM2.5質(zhì)量濃度的日變化主要由人類活動(dòng)和大氣層結(jié)穩(wěn)定度共同決定。

PM10的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出和PM2.5相似的“雙峰雙谷型”分布（圖1b），第一個(gè)峰值出現(xiàn)在早8時(shí)，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在20時(shí)。兩個(gè)谷值分別出現(xiàn)在4時(shí)及12時(shí)。

常州市空氣中不同時(shí)段PM2.5在PM10中的占比見表1。常州市PM2.5/PM10占比均值為56.0%，且各時(shí)段占比基本持平?？傮w而言，白天PM2.5/PM10占比（55.3%）小于夜間（56.7%）。

2.2 污染氣體濃度的日變化特征

如圖2a所示，SO2濃度日變化呈“單峰單谷型”分布，一天中SO2濃度最大值出現(xiàn)在上午9時(shí)，谷值出現(xiàn)在17時(shí)至次日5時(shí)。白天濃度明顯大于夜間，這與人類活動(dòng)密切相關(guān)。

如圖2b所示，NO2濃度日變化呈“雙峰雙谷型”分布，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在上午8時(shí)，第二個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)域在18-20時(shí)；第一個(gè)谷值出現(xiàn)在凌晨4時(shí)，第二個(gè)谷值出現(xiàn)在午后12-14時(shí)。NO2濃度日變化與PM2.5濃度日變化基本一致。而且NO2極大值出現(xiàn)的時(shí)間正為上下班高峰期，說明機(jī)動(dòng)車尾氣排放的二氧化氮對(duì)環(huán)境空氣的影響較大。

如圖2c所示，CO濃度日變化呈“雙峰雙谷型”分布，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在上午7-8時(shí)，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在20時(shí)；谷值分別出現(xiàn)在1時(shí)和午后14時(shí)。CO濃度日變化情況與NO2較為相似，且極大值出現(xiàn)的時(shí)間也為上下班高峰期，可推斷這種CO的日變化與機(jī)動(dòng)車燃油不完全燃燒有關(guān)。

如圖2d所示，O3在早晨7時(shí)之前濃度很低，之后迅速上升，至下午14時(shí)達(dá)到峰值。城市污染大氣中，人類活動(dòng)排放的NOx、NMHC（非甲烷碳?xì)浠衔铮┖虲O等污染物在白天太陽輻射作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成高濃度O3。O3濃度與太陽輻射強(qiáng)度關(guān)系密切，正午太陽輻射最強(qiáng)烈，光化學(xué)反應(yīng)以最大速率進(jìn)行，因此O3濃度逐漸增大，至14時(shí)達(dá)到峰值。

3 顆粒物與污染氣體濃度之間的相關(guān)關(guān)系

由PM2.5濃度與SO2、NO2、CO及O3濃度相關(guān)關(guān)系（圖3）可知，PM2.5濃度與SO2濃度呈微弱正相關(guān)關(guān)系；PM2.5濃度與NO2濃度呈低正相關(guān)關(guān)系；PM2.5濃度與CO濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系；PM2.5濃度與O3濃度呈微弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。

PM2.5的來源，按其形成方式可以分為三種：直接以固態(tài)形式排出的一次粒子；由高溫下排放的過飽和氣態(tài)物質(zhì)冷凝而成的一次粒子；由氣態(tài)前體污染物經(jīng)過復(fù)雜的大氣多相化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化而成的二次粒子。污染氣體SO2在大氣中氧化形成的硫酸鹽粒子、NOx經(jīng)光化學(xué)氧化過程形成的硝酸鹽粒子都是PM2.5二次粒子的主要來源。氣溶膠中硫酸鹽的濃度主要取決于SO2的轉(zhuǎn)化速率。溫度高、濕度大、太陽輻射較強(qiáng)時(shí)，SO2轉(zhuǎn)化速率高。但是，高溫、強(qiáng)太陽輻射的氣象條件通常有利于PM2.5粒子擴(kuò)散，濃度較低，因此PM2.5與SO2濃度相關(guān)性不是很好。

城市污染大氣中，人類活動(dòng)排放的NOx、NMHC（非甲烷碳?xì)浠衔铮O等污染物可通過光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二次污染物O3，并可進(jìn)一步引發(fā)城市光化學(xué)煙霧污染。在高溫、強(qiáng)輻射、低濕度的環(huán)境條件下，O3的濃度非常高。同時(shí)，NOx這一低層大氣中O3的主要前體物，又通過紫外線驅(qū)動(dòng)的光化學(xué)氧化過程消耗O3，快速形成了有機(jī)硝酸鹽粒子，使得PM2.5濃度增大。因此，大氣中PM2.5濃度與NOx、CO、O3三類氣體污染物濃度密切相關(guān)，但由于污染物源匯的復(fù)雜性，相關(guān)系數(shù)不是太高。

PM10與污染氣體濃度之間的關(guān)系與PM2.5類似（圖略）。PM10濃度與SO2、NO2、CO濃度的正相關(guān)關(guān)系弱于PM2.5，PM10濃度與O3濃度相關(guān)性優(yōu)于PM2.5濃度。

4 結(jié)束語

（1）PM2.5濃度日變化呈“雙峰雙谷型”分布，說明PM2.5質(zhì)量濃度的日變化主要由人類活動(dòng)和大氣層結(jié)穩(wěn)定度共同決定。PM10濃度的日變化特征與PM2.5的情況類似。PM2.5/PM10的均值為56.0%，且各時(shí)段占比基本持平?？傮w而言，白天PM2.5/PM10占比（55.3%）小于夜間（56.7%）。

（2）SO2濃度日變化呈現(xiàn)出白天大于夜間的現(xiàn)象，NO2濃度日變化與PM2.5、PM10濃度日變化基本一致，說明NO2與PM2.5、PM10具有同源性。CO濃度日變化峰值出現(xiàn)的時(shí)間為上下班高峰期，可推斷這種CO的日變化與機(jī)動(dòng)車燃油不完全燃燒有關(guān)。O3濃度在7時(shí)出現(xiàn)最低值，14時(shí)左右出現(xiàn)最高值，與人類活動(dòng)和光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。

（3）PM2.5濃度與SO2濃度呈微弱正相關(guān)關(guān)系；PM2.5濃度與NO2濃度呈低正相關(guān)關(guān)系；PM2.5濃度與CO濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系；PM2.5濃度與O3濃度呈微弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于污染物源匯的復(fù)雜性，相關(guān)系數(shù)不是太高。

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*通訊作者：程穆寧（1983-），女，碩士，大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境專業(yè)，主要從事大氣環(huán)境研究。