青藏高原典型城市大氣污染特征分析
——以康定市為例*

李傳人，王 婷，楊曹陽，袁 欣，黃 唯，齊國偉

(1 四川省甘孜生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 甘孜 626700；2 四川省樂山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 樂山 614000)

隨著中國西部開發(fā)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加速，青藏高原區(qū)域城市規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，人類生產(chǎn)生活排放的污染物總量與日俱增，移動源、面源、礦山開發(fā)、施工場地等排放的氣態(tài)污染物嚴(yán)重影響高原城市環(huán)境空氣質(zhì)量的改善[1-3]，大氣污染問題亟需得到控制和解決[4-7]。通過研究青藏高原典型城市康定市的環(huán)境空氣污染特征[8-10]，有助于更好了解高原城市環(huán)境空氣質(zhì)量現(xiàn)狀和助力大氣污染防治。為促進(jìn)青藏高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和環(huán)境空氣質(zhì)量改善提供技術(shù)支撐和科技保障[11-13]。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

選取甘孜州康定市的環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，數(shù)據(jù)來源于四川省空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)選取時(shí)段為2020年1月1日-2023年6月30日。環(huán)境空氣自動監(jiān)測設(shè)備為24 h連續(xù)在線監(jiān)測，運(yùn)維和質(zhì)控均嚴(yán)格按照《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行和質(zhì)控技術(shù)規(guī)范》(HJ 817-2018)；《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行和質(zhì)控技術(shù)規(guī)范》(HJ 818-2018)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范開展。

1.2 分析方法

1.2.1 主要污染物濃度變化特征分析

基于康定市的首要污染物為O3和NO2，選取2020年1月1日-2023年6月30日小時(shí)濃度值，通過數(shù)據(jù)透視表處理，給出分季度24 h濃度變化均值進(jìn)行對比分析。

1.2.2 主要污染物濃度相關(guān)性分析

計(jì)算研究時(shí)段內(nèi)SO2、NO2、O3、CO、PM10、PM2.5六項(xiàng)污染物濃度之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，主要分析首要污染物NO2、O3與其他污染物之間的關(guān)聯(lián)程度，判斷污染來源?；谙嚓P(guān)研究表明，NO2與O3負(fù)相關(guān)，則判斷出光化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度；與CO、PM2.5同時(shí)相關(guān)，則主要受移動源影響，以此研究大氣污染特征[14-16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物濃度變化特征

通過分析2020-2023年康定市各季度二氧化硫小時(shí)濃度均值的日變化趨勢，以此研究二氧化硫濃度變化特征，見圖1。得出：二氧化硫小時(shí)濃度均值除2020年1季度明顯偏高外，其余時(shí)段總體較平穩(wěn)，濃度基本維持在10 μg/m3以下。從逐年1、2季度數(shù)據(jù)得出，2023年二氧化硫濃度有明顯下降趨勢，特別是2季度，下降了約3 μg/m3。從3、4季度小時(shí)濃度均值走勢得出，二氧化硫濃度呈現(xiàn)出白天高，夜間低的變化特征。

圖1 逐季二氧化硫小時(shí)濃度均值日變化趨勢Fig.1 Daily trend of mean hourly sulfur dioxide concentration by season

二氧化氮小時(shí)濃度均值日變化趨勢呈現(xiàn)明顯的雙峰走勢，峰值主要出現(xiàn)在上午的9-10點(diǎn)和夜間的21-24點(diǎn)，峰谷主要出現(xiàn)在上午的6-7點(diǎn)和下午的15-16點(diǎn)。峰值的出現(xiàn)主要受城市早、晚高峰污染排放影響，夜間峰值還會受到臭氧對氮氧化物的氧化作用影響，峰谷的出現(xiàn)主要為光化學(xué)反應(yīng)消耗二氧化氮以及大氣擴(kuò)散的疊加影響。見圖2。

圖2 逐季二氧化氮小時(shí)濃度均值日變化趨勢Fig.2 Daily trend of mean hourly nitrogen dioxide concentration from season to season

從1、2季度二氧化氮小時(shí)濃度均值走勢得出，2023年二氧化氮濃度走勢相對較低。同一時(shí)間點(diǎn)不同年份的小時(shí)濃度均值差距較大，達(dá)到10～25 μg/m3。3、4季度二氧化氮走勢吻合度較好，同一時(shí)間點(diǎn)不同年份的小時(shí)濃度均值差距較小，最大小時(shí)濃度差距在5 μg/m3左右，表明近3年3、4季度二氧化氮小時(shí)濃度均值變化趨勢總體平穩(wěn)。

一氧化碳小時(shí)濃度均值日變化趨勢也呈現(xiàn)明顯雙峰走勢，峰值主要出現(xiàn)在上午的9-10點(diǎn)和夜間的20-22點(diǎn)，峰谷主要出現(xiàn)在上午的6-7點(diǎn)和下午的15-16點(diǎn)。峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)和變化趨勢與二氧化氮相似，表明也是受城市早、晚高峰污染排放影響。二氧化氮和一氧化碳峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)吻合度高也表明受機(jī)動車尾氣影響較明顯，小時(shí)濃度均值峰谷的出現(xiàn)主要為大氣擴(kuò)散稀釋的作用。見圖3。

圖3 逐季一氧化碳小時(shí)濃度均值日變化趨勢Fig.3 Daily trend of mean hourly carbon monoxide concentration by season

從4個(gè)季度一氧化碳濃度走勢可以看出線型吻合度較好，一氧化碳同一時(shí)間點(diǎn)不同年份的小時(shí)濃度差距值較小，表明污染源排放和氣象條件整體影響差異較小。實(shí)際情況也是康定市一氧化碳濃度變化相對較穩(wěn)定。

臭氧小時(shí)濃度均值日變化趨勢呈明顯單峰走勢，峰值主要出現(xiàn)在下午的14-18點(diǎn)，峰谷主要出現(xiàn)在上午的9-10點(diǎn)。其中峰值出現(xiàn)最早的是2季度，其次為3季度、4季度和1季度。主要原因?yàn)椴煌竟?jié)氣溫、太陽照射時(shí)間以及輻射強(qiáng)度不同所致，受其影響，臭氧小時(shí)濃度峰值在2季度最高，4季度最低。從2020-2023年逐季臭氧小時(shí)濃度均值變化趨勢來看，臭氧濃度有上漲趨勢，這與氣候變暖、高溫天氣頻繁，光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，以及康定市移動源、面源等排放臭氧前體物總量增加有關(guān)，見圖4。

圖4 逐季臭氧小時(shí)濃度均值日變化趨勢Fig.4 Seasonal daily trend of mean hourly ozone concentration

細(xì)顆粒物小時(shí)濃度均值日變化趨勢也呈雙峰走勢，峰值主要出現(xiàn)在上午的9-10點(diǎn)和夜間的20-23點(diǎn)，峰谷主要出現(xiàn)在上午的6-7點(diǎn)和下午的15-16點(diǎn)。雙峰走勢及峰值時(shí)間點(diǎn)與二氧化氮、一氧化碳線型吻合度高，表明污染物排放具有同源性，也再次得出污染來源與城市早、晚高峰污染排放，特別是機(jī)動車尾氣排放量增大有關(guān)。見圖5。從2020-2023年逐季細(xì)顆粒物小時(shí)濃度均值變化趨勢來看，細(xì)顆粒物濃度變化呈現(xiàn)波動趨勢。

圖5 逐季細(xì)顆粒物小時(shí)濃度均值日變化趨勢Fig.5 Seasonal diurnal trend of mean hourly concentration of fine particulate matter

和細(xì)顆粒物相似，可吸入顆粒物小時(shí)濃度均值日變化趨勢也呈雙峰走勢，峰值主要出現(xiàn)在上午的9-11點(diǎn)和夜間的21-23點(diǎn)，峰谷主要出現(xiàn)在上午的6-7點(diǎn)和下午的15-16點(diǎn)。雙峰走勢及峰值時(shí)間點(diǎn)與二氧化氮、一氧化碳線型吻合度高，表明污染物排放的同源性，也再次得出污染來源與城市早、晚高峰污染排放相關(guān)，特別是機(jī)動車尾氣影響有關(guān)，見圖6。

圖6 逐季可吸入顆粒物小時(shí)濃度均值日變化趨勢Fig.6 Daily trend of mean hourly concentration of inhalable particulate matter by season

2.2 污染物濃度變化相關(guān)性分析

統(tǒng)計(jì)康定市2020-2023年各季度6項(xiàng)污染物濃度變化的相關(guān)系數(shù)得出：2020年康定市二氧化氮和臭氧濃度變化呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為：-0.425～-0.714，特別是2～4季度相關(guān)系數(shù)較大，而該時(shí)段康定市環(huán)境空氣首要污染物主要為臭氧，表明光化學(xué)反應(yīng)較強(qiáng)烈，導(dǎo)致二氧化氮生成臭氧較顯著。同時(shí)，二氧化氮與一氧化碳呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)范圍為：0.156～0.439。同時(shí)二氧化氮、一氧化碳分別與細(xì)顆粒物、可吸入顆粒物濃度變化呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)范圍分別為：0.139～0.579，0.248～0.651，0.116～0.514，0.156～0.457，且1、4季度相關(guān)系數(shù)相對較大。此外，細(xì)顆粒物與可吸入顆粒物濃度變化也呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為：0.409～0.779。二氧化氮、一氧化碳、細(xì)顆粒物與可吸入顆粒物濃度變化趨勢一致，表明受移動源排放影響較顯著，見表1。

表1 2020年1-4季度環(huán)境空氣6項(xiàng)污染物相關(guān)系數(shù)Table 1 The correlation coefficient of 6 environmental air pollutants in the first four quarters of 2020

和2020年相似，2021年康定市二氧化氮和臭氧濃度變化呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為：-0.699～-0.830，同比2020年相關(guān)系數(shù)更大，表明光化學(xué)反應(yīng)較2020年更強(qiáng)烈，臭氧生成也更顯著。同時(shí)，二氧化氮與一氧化碳也呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)范圍為：0.272～0.471。二氧化氮、一氧化碳分別與細(xì)顆粒物、可吸入顆粒物濃度變化呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系范圍分別為：0.178～0.543，0.395～0.609，0.073～0.465，0.070～0.486，同樣是1，4季度相關(guān)系數(shù)相對較大，該時(shí)段主要為高原冬季，移動源影響更為顯著。此外，細(xì)顆粒物與可吸入顆粒物濃度變化同樣也呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為：0.426～0.766，見表2。從相關(guān)系數(shù)大小比較得出，2021年康定市城區(qū)受移動源影響較2020年更顯著。

表2 2021年1-4季度環(huán)境空氣6項(xiàng)污染物相關(guān)系數(shù)Table 2 The correlation coefficient of 6 environmental air pollutants in the first four quarters of 2021

2022年康定市二氧化氮和臭氧濃度變化也呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為：-0.718～-0.811，4個(gè)季節(jié)相關(guān)系數(shù)相對較均勻，與2021年比較相對持平，表明光化學(xué)反應(yīng)較2021年相當(dāng)，同時(shí)，二氧化氮與一氧化碳也呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)范圍為：0.273～0.358。二氧化氮、一氧化碳也分別與細(xì)顆粒物、可吸入顆粒物濃度變化呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系范圍分別為0.174～0.562，0.311～0.646，0.128～0.334，0.121～0.312，同樣是1，4季度相關(guān)系數(shù)相對較大，再次表明冬季康定環(huán)境空氣受移動源影響顯著。此外，細(xì)顆粒物與可吸入顆粒物濃度變化也同樣呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為：0.600～0.721，見表3。從相關(guān)系數(shù)大小比較得出，2022年康定受移動源影響較2021年相當(dāng)。

表3 2022年1-4季度環(huán)境空氣6項(xiàng)污染物相關(guān)系數(shù)Table 3 The correlation coefficient of 6 environmental air pollutants in the first four quarters of 2022

2023年上半年，康定市二氧化氮和臭氧濃度變化也呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為：-0.724和-0.774，較與前兩年同期相比光化學(xué)反應(yīng)相當(dāng)。同時(shí)，二氧化氮與一氧化碳也呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系范圍為：0.112和0.279。二氧化氮、一氧化碳也分別與細(xì)顆粒物、可吸入顆粒物濃度變化呈顯著正相關(guān)，其中1季度相關(guān)系數(shù)較前兩年有減小趨勢，2季度相關(guān)系數(shù)較前兩年相當(dāng)。2023年1季度康定環(huán)境空氣受移動源影響相對略小。此外，細(xì)顆粒物與可吸入顆粒物濃度變化也同樣呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為：0.683和0.657，見表4。

表4 2023年1-2季度環(huán)境空氣6項(xiàng)污染物相關(guān)系數(shù)Table 4 The correlation coefficient of 6 environmental air pollutants in the first and second quarters of 2023

綜上，康定市環(huán)境空氣污染特征為：二氧化氮、一氧化碳、顆粒物(PM10和PM2.5)小時(shí)濃度均值日變化均呈典型雙峰走勢，4項(xiàng)污染物小時(shí)濃度峰值時(shí)間點(diǎn)與線型高度吻合，表明污染物排放的同源性。由于濃度峰值時(shí)間出現(xiàn)在城市早、晚高峰期間，表明受機(jī)動車尾氣影響最大。二氧化氮、一氧化碳、顆粒物(PM10和PM2.5)濃度變化之間的顯著相關(guān)也證明了這點(diǎn)，建議康定市的大氣污染防治的重點(diǎn)應(yīng)放在控制移動源排放上。

3 結(jié) 論

(1)康定市空氣質(zhì)量污染特征表現(xiàn)為典型的光化學(xué)反應(yīng)污染特征，臭氧為首要污染物情況明顯，在春夏秋3個(gè)季節(jié)2-9月均有出現(xiàn)，其中4-5月和7-8月濃度偏高情況較頻繁。4、5月份與氣溫升高、紫外線較強(qiáng)以及植物季節(jié)性釋放VOC濃度升高有關(guān)，7-8月受高溫強(qiáng)輻射天氣影響，以及旅游旺季氮氧化物、VOC排放量增加有關(guān)。

(2)康定市二氧化氮、一氧化碳、顆粒物(PM10和PM2.5)小時(shí)濃度均值日變化走勢高度吻合，經(jīng)相關(guān)性分析，4項(xiàng)污染物濃度變化顯著相關(guān)，充分說明空氣質(zhì)量受城市早、晚高峰移動源排放影響顯著。

(3)經(jīng)污染物小時(shí)濃度走勢年度變化對比和相關(guān)性分析得出康定市臭氧和二氧化氮污染有進(jìn)一步加強(qiáng)趨勢，同時(shí)移動源排放和二次轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的顆粒物濃度時(shí)段性增高現(xiàn)象也會日益突出。