睢寧地區(qū)大氣PM2.5及氣態(tài)污染物季節(jié)性變化特征

王瑋，蘇宏智

(睢寧縣環(huán)境保護監(jiān)測站，江蘇 徐州 221225)

睢寧地區(qū)大氣PM2.5及氣態(tài)污染物季節(jié)性變化特征

王瑋，蘇宏智

(睢寧縣環(huán)境保護監(jiān)測站，江蘇 徐州 221225)

根據(jù)2014年全年實時在線觀測數(shù)據(jù)，分析了徐州睢寧地區(qū)大氣細顆粒物(PM2.5)和氣態(tài)污染物(包括SO2、CO、NOx、O3)質(zhì)量濃度的季節(jié)性變化特征。結(jié)合后向軌跡模型，分析不同氣團對該地區(qū)大氣污染濃度的影響。PM2.5與O3值在夏季最低，呈顯著相關(guān)，表明夏季PM2.5主要受控于本地大氣光化學(xué)活性。在冬季，除O3外，PM2.5、SO2、CO、NOx值最高，且大氣顆粒物主要以細粒子為主。O3在春季最高，并與遠程傳輸?shù)臍鈭F且經(jīng)過我國東部污染源密集地區(qū)相對應(yīng)。高濃度的PM2.5主要與冬季緩慢移動的氣團相對應(yīng)，這可能將PM2.5及其氣態(tài)前體物傳輸至該地區(qū)進而加重大氣污染程度。

大氣細顆粒物；氣態(tài)前體物；季節(jié)變化；睢寧

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，城市化格局不斷變化，大氣污染源分布特征已發(fā)生了明顯變化，其污染逐漸向中、小城市轉(zhuǎn)移[1-4]。2012年環(huán)保部關(guān)于《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》的頒布實施，我國中東部城市群地區(qū)逐步進入到以臭氧(O3)和細顆粒物(PM2.5)復(fù)合污染防治為核心的區(qū)域性大氣污染聯(lián)防聯(lián)控新階段[5-10]。

徐州市位于江蘇省的西北角，地處蘇、魯、豫、皖四省交界處，屬于典型的多省際交界地區(qū)?，F(xiàn)根據(jù)徐州的特殊地理位置，采用外場觀測實驗的方法，分析大氣PM2.5及氣態(tài)污染物的季節(jié)性濃度變化特征，對進一步了解我國中小城市大氣氣溶膠的污染特征，及有針對性地采取防控措施改善城市空氣質(zhì)量具有現(xiàn)實意義。

1 研究方法

1.1 外場觀測地點

觀測地點設(shè)置在江蘇省徐州市郊區(qū)城市——睢寧縣(117°95′N，33°93′E)農(nóng)村商業(yè)銀行支行房頂，采樣高度距離地面約15 m，周邊地理環(huán)境主要為居民區(qū)和交通干道。

1.2 觀測儀器

觀測儀器均采用連續(xù)在線分析技術(shù)，全年每天24 h實時在線觀測(儀器故障和日常維護除外)。利用BETA 射線顆粒物監(jiān)測儀(BAM-1020，美國Met One公司)觀測大氣顆粒物(包括PM2.5和PM10)濃度。

應(yīng)用NO-NO2-NOx分析儀(Model 42i，美國 Thermo 公司)通過化學(xué)發(fā)光法監(jiān)測NO2；應(yīng)用O3分析儀(Model 49i，美國 Thermo公司)監(jiān)測O3，CO分析儀(Model 48i，美國 Thermo公司)監(jiān)測CO。NO-NO2-NOx分析儀和O3分析儀采樣流量均為0.65 L/min，時間分辨率10 min；CO分析儀采樣流量為0.75 L/min，時間分辨率15 min。

1.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

所有觀測儀器均按維護標(biāo)準(zhǔn)維護、標(biāo)定和校零，以保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、精密性(又分為平行性、重復(fù)性、再現(xiàn)性)、代表性、完整性、可比性。用于標(biāo)定的化學(xué)藥品選用商業(yè)化和純度高的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。樣品采集過程嚴格按照相應(yīng)的美國國家環(huán)境保護局(EPA)標(biāo)準(zhǔn)和國家氣象觀測標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 時間序列變化特征

圖1(a)(b)(c)給出了2014年在觀測點大氣中的氣態(tài)污染物(包括O3，SO2，CO，NOx)、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的時間序列。

圖1 2014年觀測點氣態(tài)污染物、ρ(PM2.5)、ρ(PM10)以及ρ(PM2.5)/ρ(PM10)的時間序列變化

觀測期間PM2.5年均值為 68.56 μg/m3，接近長三角西部城市觀測結(jié)果75.6 μg/m3[11]，高于珠江三角洲的深圳市42.2 μg/m3[12]，遠低于在北京觀測結(jié)果135 μg/m3[13]。說明江蘇西北部地區(qū)大氣細顆粒物污染水平基本和長三角西部城市地區(qū)一致，高于珠江三角洲地區(qū)，但低于我國京津冀地區(qū)大氣污染水平。

在冬季，PM2.5、CO和NOx呈現(xiàn)出波動較大的變化特征。6月份呈現(xiàn)出劇烈的變化趨勢且濃度偏高的特征，7月和8月份污染物呈現(xiàn)濃度低且平穩(wěn)的變化趨勢。這與文獻[14]在北京觀測ρ(PM10)變化趨勢較類似。6月份瞬時ρ(PM2.5)偏高可能主要歸結(jié)于受到周邊地區(qū)秸稈焚燒的影響[15]。文獻[15-16]均也發(fā)現(xiàn)6月份秸稈焚燒時期，特別是安徽省與江蘇省邊界處發(fā)生的秸稈焚燒會對長三角西部城市大氣顆粒物有貢獻。

2.2 PM2.5與氣態(tài)污染物的關(guān)系

PM2.5與氣態(tài)污染物CO、 Ox、NOx和SO2質(zhì)量濃度之間在不同季節(jié)的相關(guān)性見圖2(a)(b)(c)(d)。其中ρ(CO)單位103μg/m3。

由圖2可見，夏季和秋季PM2.5與CO和NOx的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別高于冬季和春季。城市大氣中的NOx一般主要源于本地源[17]，可見本地源對觀測點位大氣中PM2.5貢獻較大。在城市大氣中Ox(=O3+NO2) 可代表光化學(xué)反應(yīng)的示蹤物[18]。

如圖2(b)所示，相比于冬季和春季，在夏季和秋季PM2.5與Ox質(zhì)量濃度呈相對較好的相關(guān)性，表明在夏季和秋季溫度相對較高和光化學(xué)反應(yīng)活性較強的條件下，ρ(PM2.5)會受本地大氣光化學(xué)反應(yīng)過程的影響，同時也表明夏季和秋季大氣光化學(xué)反應(yīng)生成的二次組分對ρ總(PM2.5)具有相對較大的貢獻。

圖2 ρ(PM2.5)與氣態(tài)污染物ρ(CO)、ρ(Ox)、ρ(NOx)和ρ(SO2)之間在不同季節(jié)的相關(guān)性

綜上可見，夏季和秋季大氣PM2.5中的化學(xué)組分主要由本地源貢獻，尤其是通過大氣光化學(xué)反應(yīng)生成的二次有機組分(如：低揮發(fā)性二次有機氣溶膠)和二次無機組分(如：硫酸鹽)[19-21]。

近年，觀測研究發(fā)現(xiàn)我國東部城市大氣中PM2.5中存在大量的硫酸鹽的貢獻，而硫酸鹽氣溶膠在冬季低溫和高濕的環(huán)境條件下容易通過液相氧化反應(yīng)而生成[22]。

如圖2(d)所示，一年四季中夏季ρ(PM2.5)與SO2呈較好的相關(guān)性，可見在夏季二次硫酸鹽氣溶膠是PM2.5的重要貢獻。此外，PM2.5在冬季占PM10的73%，表明冬季大氣顆粒物主要為細顆粒物。這些特征與前人在大城市大氣中觀測的結(jié)果相似[11，22]。因此，我國東部中小型城市大氣中PM2.5的來源和形成機制同大城市類似。

2.3 季節(jié)性濃度變化特征

PM2.5和PM10均呈現(xiàn)出冬季高和夏季低的特征。冬季PM2.5平均值為97.27 μg/m3，其值低于長三角城市大氣(113 μg/m3)和北京冬季(139 μg/m3)水平，也低于2013年1月冬季霧霾期間北京(158.5 μg/m3)，西安(345.1 μg/m3)水平，但高于廣州(69.1 μg/m3)[6]。

ρ(PM2.5)/ρ(PM10)在冬季(1月，2月，12月)呈現(xiàn)高值，但在5月份呈現(xiàn)最低值，這表明冬季污染時期大氣顆粒物主要以細粒子污染為主；在春季5月份，大氣顆粒物的濃度可能受到沙塵遠程輸送的影響。5月和6月份PM2.5平均值出現(xiàn)“沒有規(guī)律性”的高值(圖1)，主要原因是受到徐州周邊地區(qū)秸稈焚燒的影響。

圖3(a)(b)(c)(d)(e)(f)給出了觀測期間，PM2.5、PM10和氣態(tài)污染物質(zhì)量濃度季節(jié)性變化頻率分布情況。除了O3外，其他所有污染物高濃度均呈現(xiàn)在冬季。在冬季，ρ日平均(PM2.5)超標(biāo)率達50 %以上，可見控制PM2.5依然是大氣污染治理中的重點。同時，PM2.5的氣態(tài)前體物，如NOx和SO2，其高頻濃度主要分布在相對高濃度。其中ρ(CO)單位102μg/m3。

2.4 不同類型氣團對PM2.5和氣態(tài)污染物的影響

氣團的來源和性質(zhì)對大氣顆粒物濃度會產(chǎn)生十分明顯的影響[10]。利用后向軌跡模型(NOAA HYSPLIT 4.8 model)計算氣團來源，聚類分析得出4類不同類型的氣團來源，見圖4(a)(b)(c)(d)。

對應(yīng)不同氣團來源類型計算PM2.5、PM10、氣態(tài)污染物(CO、NOx、O3、SO2)不同的濃度特征，見圖5(a)(b)(c)(d)(e)(f)。其中ρ(PM10)、ρ(CO)單位為102μg/m3。

圖3 PM2.5、PM10和氣態(tài)污染日平均質(zhì)量濃度頻數(shù)分布

圖4 聚類之后4類不同的反向軌跡氣團來源

由圖5可見，除了O3外，其他污染物均在類型1氣團中展示出4種類型中的最高濃度。類型1氣團主要分布在冬季，這與冬季霧霾污染期間的天氣變化特征類似，即重污染時期大氣層穩(wěn)定，氣團流動緩慢，空氣污染物擴散條件差，導(dǎo)致污染物不易擴散從而在大氣中累積[21，23]。O3在類型1氣團中濃度最高。

類型3氣團多發(fā)生在春季，該氣團類型屬于遠程傳輸且經(jīng)過我國中東部較發(fā)達地區(qū)，包括京津冀和長三角。

圖5 不同類型的反向軌跡所對應(yīng)的PM2.5、PM10和氣態(tài)污染物平均值

由此可見，觀測點地區(qū)大氣中O3的濃度在春季容易受到類型1氣團遠程傳輸?shù)挠绊?。在類?氣團中，所有污染組分均呈現(xiàn)最低值?？傮w而言，在不同季節(jié)中CO在不同氣團中的濃度變化相對不明顯，可見CO除了本地排放源排放外，也呈現(xiàn)出一種季節(jié)性區(qū)域污染特征。在類型4氣團中，緩慢移動的氣塊有可能將其他污染區(qū)域的污染物傳輸至徐州附近地區(qū)，進而加重觀測點位大氣的污染程度。

3 結(jié)論

利用實時在線觀測儀，在江蘇省徐州市睢寧縣城進行全年外場觀測，分析了大氣中PM2.5和氣態(tài)污染物(包括SO2、CO、NOx、O3)質(zhì)量濃度的季節(jié)變化特征。結(jié)合后向軌跡模型，分析不同來源氣團對該地區(qū)觀測項目的潛在影響。PM2.5的季節(jié)平均值分別為：春[(64.92±23.16)μg/m3]、夏[(55.75±29.20)μg/m3]、秋[(56.77±33.25 μg/m3)] 、冬[(97.27±57.08)μg/m3]。夏季PM2.5與O3呈顯著相關(guān)，表明該地區(qū)夏季PM2.5主要受控于大氣光化學(xué)活性的影響。在冬季，除了O3外，PM2.5、SO2、CO、NOx值最高，且高濃度的大氣顆粒物以細粒子為主，表明細粒子對大氣顆粒物污染的貢獻較大。這也體現(xiàn)出在冬季霧霾污染頻發(fā)時期我國中小城市大氣污染特征與大城市污染特征類似。O3在春季最高并與遠程傳輸?shù)臍鈭F且經(jīng)過我國東部發(fā)達地區(qū)(如京-津-冀和長三角地區(qū))相對應(yīng)。結(jié)合后向軌跡分析發(fā)現(xiàn)，高濃度的PM2.5與冬季的偏北和偏東南類型氣團相對應(yīng)。

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欄目編輯 李文峻

Seasonal Variations of Atmospheric PM2.5and Gaseous Pollutants in Suining

WANG Wei， SU Hong-zhi

(SuiningEnvironmentalProtectionMonitoringCenter，Xuzhou，Jiangsu221225，China)

The seasonal variations of atmospheric fine particle matter (PM2.5) and gaseous pollutants (including SO2， CO， NOxand O3) on mass concentration were analyzed in Suining， Xuzhou， based on the data set of the real-time online measurements in full year 2014. Combined with the back trajectories model， the impact of different air masses on the concentration of atmospheric pollutants loading in this region was evaluated. The values of PM2.5and O3in summer showed the strong correlation， and presented the lowest concentration， indicating that the PM2.5in summer was mainly controlled by local atmospheric photochemical activities. During the winter， PM2.5， SO2， CO， NOxshowed the highest concentration， except for O3， and the atmospheric aerosol was dominated by the fine particle. O3in spring showed the highest concentration， and corresponded to the long-transport air masses from the developed region of the East China. The high concentration of PM2.5was mainly corresponding to the slow air masses in winter. This implied that PM2.5and its gaseous precursors might be transported to this region， which promoted the heavy pollution of air.

Atmospheric fine particulate matter； Gaseous precursors； Seasonal variations； Suining

2015-12-07；

2016-08-04

江蘇省環(huán)境監(jiān)測科研基金資助項目(1016；1201)

王瑋(1984—)，女，工程師，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測與管理工作。

X823

B

1674-6732(2016)06-0057-06