沈陽市大氣PM2.5和PM10污染特征

林靜雯, 劉思夢, 牛曉巍, 李艷卉, 崔曉涵, 范 朵

(沈陽大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

近年來,國內(nèi)學(xué)者對大氣中PM2.5和PM10做了大量研究,郭元喜等[3]研究了近11年來中國中東部地區(qū)秋季PM10時(shí)空變化及其與日氣溫的關(guān)系,結(jié)果顯示中東部重點(diǎn)城市的秋季PM10質(zhì)量濃度普遍呈下降趨勢;李杏茹等[4]得出了北京冬季重污染地區(qū)大氣中PM2.5的主要組成是水溶性離子和有機(jī)物,并對其組成特征進(jìn)行了分析;程淵等[5]發(fā)現(xiàn)了天津市區(qū)大氣中PM2.5中碳組分主要有4類來源,分別為燃煤及生物質(zhì)排放、柴油車和汽油車排放、道路塵土.但大多研究只分析了PM2.5和PM10中其中一種顆粒物的組分及其質(zhì)量濃度變化特征,缺乏PM2.5和PM10兩種污染物結(jié)合的全年質(zhì)量濃度變化數(shù)據(jù).而且相對于京津冀[6-7]等地區(qū)的廣泛研究,東北地區(qū)尤其是沈陽等重工業(yè)城市的PM2.5和PM10研究相對較少.

本文以沈陽為例,通過分析沈陽市近3年空氣污染物大氣監(jiān)測數(shù)據(jù),研究沈陽市大氣環(huán)境污染總體狀況及PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度變化特征,為東北地區(qū)大氣環(huán)境治理與保護(hù)提供一定的參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

沈陽市位于中國東北地區(qū),遼寧中部,屬溫帶半濕潤大陸性氣候,受季風(fēng)影響,四季分明,溫差較大.全年降水量約600～800 mm,降水量的2/3集中在7、8月份,并多以暴雨形式降落.春季盛行西南風(fēng)和偏北風(fēng),夏季盛行西南風(fēng),秋季盛行西南風(fēng)和偏北風(fēng),冬季盛行偏北風(fēng).

沈陽是建國初期國家重點(diǎn)建設(shè)的以裝備制造業(yè)為主的重工業(yè)城市,其以工業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了煤炭的大量消耗.以2016年為例,煤炭消耗總量約3 300萬t,占一次能源消耗比重較大,遠(yuǎn)高于國家煤炭占比平均水平,而清潔能源占比不到13%[8].以煤炭為主的能源消耗結(jié)構(gòu)加上冬季燃煤的取暖方式使沈陽市大氣中PM2.5和PM10超標(biāo),導(dǎo)致霧霾污染嚴(yán)重.

1.2 數(shù)據(jù)采集

通過中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺(https:∥www.aqistudy.cn/)獲得沈陽市2017年1月1日—2019年12月31日大氣監(jiān)測數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)采集共計(jì)1 095天.

1.3 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文按《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)[9]對每日AQI進(jìn)行分級.

崇禮東溝為清水河源頭，起于崇禮區(qū)北部與張北縣交界的樺皮嶺山腳下［2］，自東北向西南，流經(jīng)清三營、獅子溝、白旗、西灣子等村鎮(zhèn)［3］，在中山溝附近與正溝匯合，匯流口以上流域面積766km2，河道長84km，河道縱坡1.21%。西灣子鎮(zhèn)建有崇禮水文站，控制流域面積430km2，具有1958～1961年、1982～2011年共34年不連續(xù)實(shí)測洪水資料。

本文研究區(qū)域主要為居住區(qū)、商業(yè)交通居民混合區(qū)、文化區(qū)、工業(yè)區(qū)和農(nóng)村地區(qū),按《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)[10]劃分屬于二類環(huán)境空氣功能區(qū),執(zhí)行二級標(biāo)準(zhǔn).環(huán)境空氣污染物基本項(xiàng)目質(zhì)量濃度限值見表1.

表1 環(huán)境空氣污染物基本項(xiàng)目質(zhì)量濃度限值Table 1 The mass concentration limits for basic items of environmental air pollutants

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 空氣質(zhì)量分布情況

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)[9],統(tǒng)計(jì)2019年沈陽市各空氣質(zhì)量等級所占天數(shù),并按季進(jìn)行分類.

表2 大氣污染相關(guān)系數(shù)與相關(guān)程度Table 2 The correlation coefficient and degree of air pollution

1.4.2 污染天氣與常規(guī)污染物相關(guān)性分析

根據(jù)2019年空氣質(zhì)量等級篩選出輕度及以上污染天氣,將此范圍中各常規(guī)污染物的日均質(zhì)量濃度與AQI數(shù)值按季節(jié)進(jìn)行分類匯總,利用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析.大氣污染相關(guān)性系數(shù)與相關(guān)程度見表2.

1.4.3 PM2.5和PM10超標(biāo)天數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[10]對2019年沈陽市所有PM2.5和PM10日均值超標(biāo)的樣本按季節(jié)進(jìn)行匯總.

1.4.4 PM2.5和PM10的月、季、年質(zhì)量濃度變化

利用2019年P(guān)M2.5和PM10日均值進(jìn)行月、季、年平均值處理,利用Origin軟件對處理后的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖,從而得到其在月、季、年的變化特征;將2019年P(guān)M2.5和PM10年均值數(shù)據(jù)及質(zhì)量濃度變化曲線與2017、2018年同期作對比,分析其變化的可能影響因素.

2 結(jié)果與分析

2.1 2019年沈陽市空氣質(zhì)量分布情況

統(tǒng)計(jì)2019年沈陽市各季節(jié)空氣質(zhì)量等級,空氣質(zhì)量四季分布天數(shù)如表3所示.從表3中可以看出,2019年沈陽市全年空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)、良的天數(shù)共284 d,其中優(yōu)為70 d,良為214 d.全年輕度及以上污染天氣共81 d,其中輕度污染61 d,在四季均有發(fā)生;中度污染13 d,在夏季沒有體現(xiàn);重度污染6 d,只在春、冬季節(jié)發(fā)生;嚴(yán)重污染1 d,只發(fā)生在春季.

表3 2019年四季空氣質(zhì)量等級分布天數(shù)Table 3 The distribution days of air quality levels in the four seasons of 2019 d

2019年空氣質(zhì)量四季分布天數(shù)百分比如圖1所示,從圖中可以看到,全年空氣質(zhì)量以良為主導(dǎo),占全年天數(shù)的58.6%.春季和冬季以良為主導(dǎo)天氣分別占本季節(jié)天數(shù)的69.5%和61.1%,夏季和秋季以良為主導(dǎo)天氣分別占本季節(jié)天數(shù)的51.1%和52.7%,同時(shí),夏秋季節(jié)優(yōu)也占較大比例,分別為28.3%和30.8%.2019年各季節(jié)空氣質(zhì)量優(yōu)級占比從大到小排列分別為:秋季(30.8%)、夏季(28.3%)、春季(10.9%)、冬季(6.7%).

圖1 2019年空氣質(zhì)量四季分布天數(shù)百分比Fig.1 The percentage distribution of air quality levels in the four seasons of 2019

2.2 2019年沈陽市污染天氣中常規(guī)污染物相關(guān)性分析

為了解6種常規(guī)污染物(分別為SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5)對污染天氣的貢獻(xiàn)情況,分析了2019年全年污染天氣中AQI與各污染物質(zhì)量濃度的相關(guān)性,結(jié)果如表4所示.

表4 2019年污染天氣AQI與各污染物日均質(zhì)量濃度相關(guān)性Table 4 The correlation between the polluted weather AQI and the average daily mass concentration of pollutants in 2019

從表4中可以看出,在各季節(jié)的污染天氣中,春季AQI與PM10呈極強(qiáng)正相關(guān)(0.885),與PM2.5呈強(qiáng)正相關(guān)(0.603);夏季AQI與O3呈極強(qiáng)正相關(guān)(1.000),說明夏季的首要污染物為O3,原因是夏季有利于臭氧形成光化學(xué)反應(yīng),此外與PM10也呈強(qiáng)正相關(guān)性(0.701);冬季AQI與PM2.5(0.996)及PM10(0.941)均呈極顯著正相關(guān),與CO(0.651)和NO2(0.619)呈強(qiáng)正相關(guān),有研究表明秸稈焚燒對大氣中的 CO、PM2.5以及NO2質(zhì)量濃度的變化均有顯著影響[11].從全年的污染天氣來看,AQI與PM10呈極強(qiáng)正相關(guān)(0.827),與PM2.5呈強(qiáng)正相關(guān)(0.689),可見PM10和PM2.5分別是2019年沈陽市污染天氣的首要污染物.原因?yàn)镻M2.5主要來自燃燒過程,對冬季和春季(3月)采暖期的影響較大,對夏秋季節(jié)無太大影響;而PM10包括PM2.5,除了上述來源以外,揚(yáng)塵、材料破碎碾磨等也是PM10的重要來源,對全年均有影響,因此PM10的相關(guān)性系數(shù)更大些.

2.3 2019年沈陽市PM2.5和PM10超標(biāo)天數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

為分析2019年P(guān)M2.5和PM10的污染情況,統(tǒng)計(jì)了全年P(guān)M2.5和PM10日均值樣本超標(biāo)數(shù)和超標(biāo)率,結(jié)果如表5所示.從表中可以看出,2019年沈陽市PM2.5和PM10日均質(zhì)量濃度超標(biāo)最嚴(yán)重的季節(jié)均為冬季,超標(biāo)率分別為30.0%和15.6%,尤其是PM2.5在冬季的超標(biāo)率甚至超過其他3個(gè)季節(jié)超標(biāo)率的總和,而夏季沒有出現(xiàn)PM2.5和PM10日均質(zhì)量濃度超標(biāo)現(xiàn)象,可見冬季采暖是造成顆粒物污染嚴(yán)重的重要原因之一[12];同時(shí) PM2.5全年超標(biāo)率接近PM10的2倍,從全年來看,2019年沈陽市大氣中PM2.5污染情況更為嚴(yán)重.

表5 2019年P(guān)M2.5和PM10日均值超標(biāo)樣本Table 5 The samples of over-standard daily average values of PM2.5 and PM10 in 2019

2.4 2019年沈陽市PM2.5和PM10月變化特征

2019年沈陽市PM2.5和PM10質(zhì)量濃度在各月份的變化趨勢特征曲線如圖2所示.從圖中可以看到,PM2.5和PM10月平均質(zhì)量濃度變化趨勢相似,但PM2.5質(zhì)量濃度比PM10質(zhì)量濃度變化小.PM2.5質(zhì)量濃度變化特征如下:1—2月PM2.5質(zhì)量濃度有所上升,2—6月PM2.5質(zhì)量濃度持續(xù)呈下降趨勢,7月出現(xiàn)增大現(xiàn)象,8月降到最低點(diǎn)后開始上升,直至11月有所下降,在12月又呈現(xiàn)大幅度上升.沈陽市PM2.5月平均質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在2月,最小值出現(xiàn)在8月.分析原因主要為沈陽市11月初到3月末正值采暖期,對燃煤的需求量增加,污染物排放較多,同時(shí)冬季氣溫較低,道路結(jié)冰,車輛行駛緩慢,路面滯留時(shí)間延長[13],也是此期間PM2.5質(zhì)量濃度偏高的原因.有研究表明[14],春節(jié)期間煙花爆竹的燃放也是導(dǎo)致城市PM2.5質(zhì)量濃度升高的原因之一.而11月出現(xiàn)的PM2.5質(zhì)量濃度異常情況,可能與氣象因素有關(guān).

圖2 2019年P(guān)M2.5和PM10月均質(zhì)量濃度變化Fig.2 Changes in monthly average mass concentration of PM2.5 and PM10 in 2019

PM10質(zhì)量濃度變化特征如下:1—2月PM10質(zhì)量濃度呈下降趨勢,2—3月PM10質(zhì)量濃度有所回升,3—6月PM10質(zhì)量濃度急劇降低,6月之后呈鋸齒狀增加,在10月和12月達(dá)到2個(gè)小高峰.PM10月平均質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在1月,最小值出現(xiàn)在8月,二者差值超80 μg·m-3.分析原因主要為沈陽市3、4月常出現(xiàn)風(fēng)沙天氣,攜帶大量顆粒物,地面揚(yáng)塵導(dǎo)致PM10質(zhì)量濃度偏高.6—8月PM10質(zhì)量濃度相對較低,其原因主要為沈陽市天氣在此時(shí)期內(nèi)一般晴朗溫和,顆粒物擴(kuò)散條件好,首要污染物為O3.此結(jié)果與白璐[15]研究結(jié)果一致.

PM2.5和PM10質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在不同月份的原因可能與春節(jié)(2月)有關(guān).春節(jié)期間煙花爆竹大量燃放,交通工具使用激增導(dǎo)致了尾氣排放量增加,再加上正值供暖期,使得2月份PM2.5質(zhì)量濃度變化出現(xiàn)了與PM10不同步的情況.

2.5 2019年沈陽市PM2.5和PM10季變化特征

PM2.5和PM10在不同季節(jié)平均質(zhì)量濃度分布特征如表6所示.PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度比與污染程度有關(guān),比值越大,表明污染程度越大,各季節(jié)PM2.5/PM10的質(zhì)量濃度比從大到小依次為:冬季、夏季、秋季、春季.冬季比值較大主要因?yàn)槎具M(jìn)入供暖期后,燃煤排放的煙氣中含大量PM2.5,此時(shí)大氣層相對穩(wěn)定,易于污染物累積和粒子老化,使得PM2.5質(zhì)量濃度偏高.但此結(jié)果(0.66)低于徐有寧等[16]2015年采暖期的研究結(jié)果(0.682 8),可能與沈陽市近幾年采暖期內(nèi)采取的大氣污染控制措施有關(guān).夏季比值偏高的原因是降水對PM2.5和PM10的沖刷作用,導(dǎo)致PM2.5在PM10中的比重較大,同時(shí)強(qiáng)烈光化學(xué)反應(yīng)生成的二次粒子可能也是導(dǎo)致夏季比值偏高的原因之一.春季比值較低,PM2.5在PM10中的比重較小,地表揚(yáng)塵和跨境輸送的沙塵等塵粒是顆粒物污染的主要來源.

表6 2019年P(guān)M2.5和PM10四季平均質(zhì)量濃度Table 6 The seasonal average mass concentration change of PM2.5 and PM10 in 2019

PM2.5和PM10四季質(zhì)量濃度變化如圖3所示.從圖中可以看出,2019年沈陽市PM2.5和PM10污染呈季節(jié)性變化.PM2.5冬季平均質(zhì)量濃度和波動范圍均最大,表明降雪對顆粒物有明顯的清除作用[17],夏季變化情況與冬季相反.春季和秋季平均質(zhì)量濃度和波動范圍相差不大,田莎莎等[18]研究發(fā)現(xiàn),秋季機(jī)動車尾氣排放等移動源對沈陽市大氣污染貢獻(xiàn)較大.PM10春冬季平均質(zhì)量濃度及波動范圍較大,夏季平均質(zhì)量濃度與波動范圍最小,主要因?yàn)橄募疚廴驹摧^少,且大氣湍流旺盛,污染物更容易擴(kuò)散,而且夏季豐富的降雨對污染物的沖刷作用也能降低顆粒物帶來的污染[19].

2.6 2017—2019年沈陽市PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化特征對比

為分析沈陽市PM2.5和PM10污染控制情況,將2019年P(guān)M2.5和PM10年均質(zhì)量濃度與2017、2018年同時(shí)期作對比,結(jié)果見表7.可以看出,PM2.5年均質(zhì)量濃度呈持續(xù)降低趨勢,2019年沈陽市的PM2.5污染情況在一定程度上較之前有所改善,但年均質(zhì)量濃度仍超出了國家標(biāo)準(zhǔn)的20%.2019年P(guān)M10年均質(zhì)量濃度低于2017年,高于2018年,超出了國家標(biāo)準(zhǔn)的11.43%.從2017—2019年P(guān)M2.5與PM10的年均質(zhì)量濃度比整體呈下降趨勢,2019年沈陽市PM2.5與PM10的比值(0.54)低于吉林市PM2.5與PM10的比值 (0.61)[20].

(a) PM2.5四季質(zhì)量濃度變化(b) PM10四季質(zhì)量濃度變化

表7 2017—2019年P(guān)M2.5和PM10年均質(zhì)量濃度Table 7 The comparison of annual average mass concentrations of PM2.5 and PM10 from 2017 to 2019 μg·m-3

2017—2019年P(guān)M2.5和PM10月均質(zhì)量濃度變化曲線如圖4所示.從圖中可以看到,3年間PM2.5月均質(zhì)量濃度最小值均出現(xiàn)在8月,最大值出現(xiàn)在1—4月期間某個(gè)月.2019年月均質(zhì)量濃度在3、4、6、11月達(dá)到這3年內(nèi)同時(shí)期的最低值,2月達(dá)到了同期最大值,曲線整體變化較其他2年平緩,最高峰明顯降低,大氣顆粒物污染有一定改善.3年間PM10月均質(zhì)量濃度最小值均出現(xiàn)在8月,最大值出現(xiàn)在1—3月期間某個(gè)月,2019年2、4、5月PM10月均質(zhì)量濃度達(dá)到這3年內(nèi)同期最大,6、8、11月均質(zhì)量濃度達(dá)到同期最小.曲線整體變化幅度較2017年平緩,較2018年大,污染有反復(fù)趨勢,仍需加強(qiáng)污染控制.

(a) PM2.5月均質(zhì)量濃度變化(b) PM10月均質(zhì)量濃度變化

3 結(jié) 論

通過收集處理沈陽市2017—2019年環(huán)境空氣監(jiān)測數(shù)據(jù),得出以下結(jié)論.

1) 2019年全年天氣質(zhì)量以良為主,占全年天數(shù)的58.6%.各季節(jié)空氣質(zhì)量按優(yōu)級占比從大到小依次為秋季、夏季、春季、冬季,污染天氣共81 d.全年P(guān)M2.5和PM10日均值超標(biāo)率分別為12.1%和7.7%.

2) 從各季節(jié)污染天氣的AQI與常規(guī)污染物質(zhì)量濃度的相關(guān)性來看,2019年全年污染天氣與常規(guī)污染物中PM10和PM2.5呈現(xiàn)的相關(guān)性最強(qiáng),PM10和PM2.5是沈陽市污染天氣中的首要污染物.

3) 2019年P(guān)M2.5月均質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在2月,最小值出現(xiàn)在8月;PM10月均質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在1月,最小值出現(xiàn)在8月.

4) 2019年沈陽市PM2.5和PM10污染呈季節(jié)性變化,冬季受PM2.5和PM10影響最大,夏季則相反.各季節(jié)PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度比從大到小依次為冬季、夏季、秋季、春季.

5) 在2017—2019年,PM2.5年均質(zhì)量濃度持續(xù)降低,PM10年均質(zhì)量濃度變化不規(guī)律,污染呈反復(fù)趨勢,PM2.5與PM10的年均質(zhì)量濃度比有所降低.