攀枝花市炳草崗大氣污染物濃度特征分析

摘 要：根據(jù)國控空氣監(jiān)測網(wǎng)在攀枝花市炳草崗站點的歷史數(shù)據(jù)，分析3月和4月（2021—2023年）期間的SO2、NO2、CO、O3、PM2.5和PM10，得到這些污染物濃度時間分布和變化規(guī)律，探討污染物濃度之間的相關(guān)性，結(jié)合顆粒物化學(xué)組分對污染物產(chǎn)生原因進(jìn)行剖析。Pearson相關(guān)性分析表明，主要污染物濃度變化幅度呈顯著相關(guān)，同時與溫度高低、日光輻射強(qiáng)度成正比關(guān)系。污染物每日最大小時濃度集中在10點至18點，控制機(jī)動車、餐飲等污染源排放尤為重要。

關(guān)鍵詞：攀枝花市炳草崗區(qū)域;環(huán)境空氣質(zhì)量;氣象條件;相關(guān)性分析;大氣污染物

中圖分類號：X513 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0077-04

Abstract： Based on the historical data of the State-controlled Air Monitoring Network at the Bingcaogang Station in Panzhihua City， the analysis of SO2， NO2， CO， O3， PM2.5 and PM10 during March and April （2021 to 2023） was carried out to obtain the temporal distribution and change laws of these pollutants， explore the correlation between pollutant concentrations， and analyze the causes of pollutants based on the chemical composition of particulate matter. Pearson correlation analysis showed that the change range of main pollutant concentrations was significantly related， and was also proportional to temperature and solar radiation intensity. The maximum daily hourly concentration of pollutants is concentrated between 10：00 and 18：00. It is particularly important to control emissions from pollution sources such as motor vehicles and restaurants.

Keywords： Bingcaogang Station in Panzhihua City; ambient air quality; meteorological condition; correlation analysis; air pollutant

本文研究的炳草崗區(qū)域為緊傍金沙江峽谷南岸的一狹窄平坦的河谷臺地，受干熱河谷氣候和海拔較高的影響，常年旱季日照時間長，氣候干燥，太陽輻射強(qiáng)度變化迅速，呈少雨多風(fēng)，晝夜溫差大氣候特點。每年的3月和4月間天氣狀況具備當(dāng)?shù)睾导練夂虻湫吞卣?，該期間大氣對流層與地面易形成逆溫層，不利于環(huán)境空氣中污染物的擴(kuò)散。由于攀枝花市初期產(chǎn)業(yè)以鋼鐵和煤炭為主，主要企業(yè)排污規(guī)模大，對環(huán)境空氣影響明顯。本文以2021—2023年的3月和4月攀枝花市炳草崗區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，按GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、HJ 663—2013《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范（試行）》，結(jié)合環(huán)境氣象情況，對當(dāng)?shù)刂饕髿馕廴疚镒兓?guī)律和影響因素進(jìn)行分析，為改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境空氣質(zhì)量提供參考數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及分析

1.1 空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)來源和方法

攀枝花市炳草崗區(qū)域2021—2023年的監(jiān)測數(shù)據(jù)下載于中國環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)攀枝花市炳草崗空氣監(jiān)測點，氣象資料來自于國家自動監(jiān)測網(wǎng)的地面觀測數(shù)據(jù)。環(huán)境空氣主要污染在線監(jiān)測儀器和方法見表1。

1.2 采集數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)統(tǒng)計的有效性嚴(yán)格按照HJ 663—2013《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范（試行）》與GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》：對于自然日內(nèi)O3的有效性規(guī)定為當(dāng)日8時到24時至少有14個有效8 h平均濃度值。在數(shù)據(jù)規(guī)范性方面，嚴(yán)格按照HJ 663—2013《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范（試行）》進(jìn)行要求：污染物日均值是由小時均值算術(shù)平均得到。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

本文對收集整理的環(huán)境大氣歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，應(yīng)用SPSS Statistics 20.0軟件，對各參數(shù)之間進(jìn)行Pearson積矩相關(guān)性分析，具體公式如下

式中：，分別表示x、y的均值;xi、yi分別表示x、y的第i個觀測值。

1.4 模型CMB

受體模型CMB基本原理：在源和環(huán)境間構(gòu)建質(zhì)量平衡關(guān)系，利用有效方差加權(quán)最小二乘法來求解顆粒物由源[1]，該數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

式中：Ci為儀器分析的大氣顆粒物中化學(xué)組分i的濃度測量值（μg·m-3）;Fij為第j類源的顆粒物中化學(xué)組分i的含量測量值（g·g-1）;Sj是第j類源貢獻(xiàn)的濃度計算值（μg·m-3）;J是源類的數(shù)目（j=1，2，…，J）;I是化學(xué)組分的數(shù)目（i=1，2，…，I）。

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣污染物濃度變化特征

2.1.1 污染物月均環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)分析

SO2和NO2當(dāng)溫度上升時，在近地氣圈中逐漸累積，經(jīng)常出現(xiàn)日小時濃度峰值，隨太陽輻射增強(qiáng)大氣中顆粒物成核和冷凝蒸發(fā)過程增多，大氣中顆粒物經(jīng)常出現(xiàn)每日小時濃度峰值，同時此過程中顆粒物二次轉(zhuǎn)化作用加強(qiáng)。O3在日照情況下與NO2發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，日照的紫外線強(qiáng)度是其關(guān)鍵因素，而在無雨天氣下，氣溫與日照強(qiáng)度成正比，本文采用環(huán)境溫度來表征日照強(qiáng)度[1]。當(dāng)日均溫度高，O3和顆粒物濃度高;當(dāng)日均溫度較低，O3和顆粒物濃度也較低。同時也需要說明的是，由于O3是典型的二次污染物，其與NO2之間反應(yīng)復(fù)雜，其濃度變化參照NO2濃度變化會有相應(yīng)的關(guān)聯(lián)性。在表2、表3中，可以看出O3濃度受NO2濃度影響比較直接[2];NO2濃度日均值也出現(xiàn)較多同步同向波動，尤其兩者濃度富集時段較為一致。根據(jù)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)，2021—2023年3月日均溫差在1.1 ℃以內(nèi)，說明炳草崗區(qū)域近年3月日照強(qiáng)度較穩(wěn)定。2023年4月臭氧濃度均值整體較高，尤其是4月中期連續(xù)出現(xiàn)臭氧濃度日均值的高峰。分析其原因，除了該區(qū)域處于旱季的氣候因素外，外來大氣污染是主要的影響因素。2023年4月中旬西南季風(fēng)較強(qiáng)[3]，外來顆粒物等污染物向該區(qū)域方向傳輸，污染物濃度持續(xù)累積，區(qū)域上空出現(xiàn)持續(xù)明顯的空氣污染層，大氣中參與光化學(xué)反應(yīng)前體數(shù)量明顯增大，產(chǎn)生臭氧污染強(qiáng)度隨之驟增。

2.1.2 污染物小時均值變化特征及氣象條件影響

對2021—2023年3月和4月主要大氣污染參數(shù)月均值變化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計（表2、表3）。SO2、NO2和CO小時濃度根據(jù)小時溫度變化表現(xiàn)為波形曲線。隨太陽輻射增強(qiáng)大氣中顆粒物成核和冷凝蒸發(fā)過程增多，大氣中顆粒物經(jīng)常出現(xiàn)日小時濃度峰值;夜間由于顆粒物二次轉(zhuǎn)化作用加強(qiáng)，NO2易出現(xiàn)最大小時濃度值。炳草崗區(qū)域2021—2023年3月、4月期間O3濃度每日小時均值變化規(guī)律明顯，呈現(xiàn)出相似的單峰單谷特征。O3濃度在8點開始迅速上升，在15至16點間達(dá)到最大值，之后逐漸下降。O3濃度迅速上升相關(guān)研究普遍認(rèn)為是因為人類活動高峰期的到來導(dǎo)致NO2、VOCs等污染物濃度迅速增加，同時太陽輻射迅速增強(qiáng)以及上一天周期大氣中積累的NO2、VOCs等污染物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。在17點至次日6至7點時段呈下降趨勢，6至7點時段濃度達(dá)到全天最低。相關(guān)研究認(rèn)為O3濃度下降的原因主要有：太陽輻射減弱和環(huán)境溫度降低，同時由于夜間NO2不斷積累并不斷消耗O3，因此O3濃度在夜間不斷降低。O3濃度與NO2濃度相關(guān)性高，當(dāng)?shù)趸餄舛炔▌虞^大時，O3濃度會反向變化，通常是以24 h周期規(guī)律變化[4]。2023年3月O3濃度小時均值由谷底升到120 μg·m-3以上的波峰區(qū)間為8點至12點時段，進(jìn)入2023年4月O3濃度小時均值由谷底升到120 μg·m-3以上的波峰區(qū)間為8點至10點時段，減少約2 h;2023年3月O3濃度小時均值在120 μg·m-3以上的波峰區(qū)間持續(xù)為12點至16點時段，進(jìn)入2023年4月O3濃度小時均值在120 μg·m-3以上的波峰區(qū)間持續(xù)為10點至18點時段，延長約4 h。分析其原因，除了上述長期日照輻射強(qiáng)、環(huán)境溫度高、干燥無雨等不利氣候因素外，外來大氣污染造成當(dāng)?shù)卮髿庵袇⑴c光化學(xué)反應(yīng)的前體數(shù)量增大，產(chǎn)生O3污染強(qiáng)度增大，該段時期O3濃度小時均值波動中心點上升為113 μg/m3。該時期O3小時濃度均值貢獻(xiàn)明顯，2023年4月臭氧小時濃度均值同比增加了約33 μg/m3。

2.1.3 月度變化規(guī)律

在2023年3月和4月期間O3濃度小時均值普遍較2022年和2021年同期高，NO2小時均值相反普遍較低。也可以說明在2023年3月和4月期間NO2參與光化學(xué)反應(yīng)的數(shù)量可能較多。2023年4月O3濃度小時均值除了比同年3月普遍更高外，波峰持續(xù)時間更長，O3濃度小時均值升高過程更加迅速。

2.2 污染物間及氣象參數(shù)的相關(guān)性

6個污染項目和溫度參數(shù)日均值變化曲線，并取O3、CO、NO2、顆粒物與環(huán)境溫度每日小時濃度均值，直接看到O3、顆粒物濃度伴隨溫度同時升降;O3濃度與NO2濃度呈現(xiàn)較高相關(guān)性，當(dāng)NO2濃度波動較大時，O3濃度會反向變化，通常滯后一天又會出現(xiàn)同向變化;NO2濃度與VOCs濃度日均值變化呈現(xiàn)明顯相關(guān)性，出現(xiàn)較多同步同向波動，兩者濃度富集時段較為一致[5]。2023年3月和4月O3濃度均值最高，2021年同期O3濃度均值次之，2023年3月和4月NO2濃度均值反之較低，說明很可能由于在2023年期間NO2參與光化學(xué)反應(yīng)的數(shù)量較2022年、2021年多。其中2023年4月O3濃度均值最高，同時環(huán)境溫度均值同比橫比也最高，NO2濃度均值同比橫比則是最低。

環(huán)境大氣污染濃度除去被大氣污染源排放影響外，氣象情況也屬于主要影響因素[6]，其中O3小時濃度與環(huán)境溫度呈顯著正相關(guān)，且與大氣壓強(qiáng)呈顯著負(fù)相關(guān)，當(dāng)溫度升高時，大氣壓強(qiáng)降低利于O3的二次轉(zhuǎn)化生成過程，環(huán)境大氣溫度對其他大氣污染物均呈顯著負(fù)相關(guān)。環(huán)境風(fēng)速與NO2、CO和大氣顆粒物均呈顯著負(fù)相關(guān)，說明大氣氣流變化利于污染物的遷徙、稀釋、擴(kuò)散。O3小時均值濃度與風(fēng)速呈正相關(guān)，在大氣氣流作用下進(jìn)行區(qū)域轉(zhuǎn)移。由于攀枝花市整體地形的影響，炳草崗區(qū)域旱季大氣中的水蒸氣易凝結(jié)成核，不易形成濕沉降，這種情況不利于大氣污染物的去除，大氣污染物的二次轉(zhuǎn)化強(qiáng)度變大，大氣顆粒物會高效成核并持續(xù)快速增長，同時在外界作用下大氣顆粒物變重沉降，因而O3小時濃度、PM10 PM2.5并未呈現(xiàn)很明顯的規(guī)律性。根據(jù)Pearson關(guān)性分析，炳草崗區(qū)域旱季風(fēng)速、溫度、風(fēng)速、大氣壓強(qiáng)對污染物濃度影響較大。

2.3 污染物間的季度相關(guān)性分析

對2021—2023年污染物每日最大日均濃度進(jìn)行 Pearson 相關(guān)性分析，結(jié)果見表4—6，其中O3、PM10與 NO2日均濃度均為高度相關(guān)，說明 PM10和PM2.5污染源相同，顯然工廠排放和交通污染源對污染物濃度影響較大，尤其是交通運輸源。大氣污染物SO2、NO2、O3日均濃度與PM10日均濃度均呈顯著相關(guān)，說明PM10排放源對SO2、NO2和O3的總量貢獻(xiàn)較大。當(dāng)處于太陽輻射較強(qiáng)、溫度較高時段，大氣中污染物二次轉(zhuǎn)化生成更明顯。對2021—2023年這6個參數(shù)日均值做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)SO2與NO2、PM2.5和 PM10均呈高度正相關(guān)，因此該類污染物污染源基本一致。

利用CMB模型對大氣顆粒物污染進(jìn)行來源解析，分析得到2021—2023年攀枝花市炳草崗區(qū)域大氣顆粒物主要來源為工礦企業(yè)、移動污染源和建筑揚塵源，尤其是旱季期間移動污染源占比較高。大氣污染物二次反應(yīng)中硝酸鹽和硫酸鹽等成分主要源于SO2、NO2等大氣污染物通過均相或非均相反應(yīng)過程，而二次有機(jī)氣溶膠主要是揮發(fā)性大氣中有機(jī)物經(jīng)氧化氣粒分配形成[7]。綜合分析，攀枝花市炳草崗區(qū)域受地形和氣候影響，旱季氣溫相對較高、太陽輻射形成逆溫層時，在靜穩(wěn)氣象條件下大氣污染物會在水平和垂直方向擴(kuò)散過程緩慢，在這種情況下，大氣顆粒物的吸濕潮解以及液態(tài)水會大量吸附大氣污染物，并且加速促進(jìn)二氧化硫和氮氧化物二次轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程，形成硫酸鹽和硝酸鹽成分。同時由于旱季日照強(qiáng)度高，光化學(xué)反應(yīng)速率明顯加快，利于近地O3的二次生成過程，使得O3日均濃度數(shù)據(jù)較高。

3 結(jié)論與建議

1）攀枝花市炳草崗區(qū)域主要大氣污染物濃度變化有季節(jié)規(guī)律，旱季一般高于雨季，在旱季溫度較大起伏時多為一年中大氣污染物濃度較高時期。該區(qū)域在天晴高溫、日照充足的時段，O3濃度受到太陽輻射影響，伴隨光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度變化，O3濃度起伏波動明顯。在2021—2023年3月和4月，O3日均濃度一般集中在75～135 μg/m3。2021—2023年3月和4月每日O3濃度呈周期性規(guī)律變化，表現(xiàn)為“單峰型”曲線，O3濃度小時均值在4點至8點時段處于谷底，在14點至18點時段達(dá)到峰值。

2）對大氣污染物小時濃度每日最大值出現(xiàn)頻率統(tǒng)計，并且進(jìn)行大氣污染物日均值相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)O3每日最大小時濃度多集中在14點至18點，其他污染物每日最大小時濃度多集中于8點至12點和20點到24點，夜間為其他污染物重點管控時段。局限于無法有效控制外來的大氣污染，本文通過分析攀枝花市炳草崗區(qū)域的污染內(nèi)源，該區(qū)域大氣Bp+4ltmriALGzIyvW7UC4klU1/BUcU/xLamh/YWXucw=污染源頭集中在工礦企業(yè)和移動污染源排放，所以應(yīng)集中控制工礦企業(yè)和移3cR9co9uu/mHTL3e1Y9ao0OLo5uQcV4qfYU0HTk+3S4=動污染源排放。在此治理基礎(chǔ)上，還應(yīng)積極改進(jìn)城市產(chǎn)業(yè)和能源的結(jié)構(gòu)，加快工礦企業(yè)生產(chǎn)工藝綠色升級，同時努力提倡綠色能源在道路交通等方面大力推廣。

3）通過對環(huán)境大氣污染物間相關(guān)性分析，并解析大氣顆粒物化學(xué)組成，炳草崗區(qū)域主要大氣污染物NO2與CO、PM2.5、PM10之間呈顯著正相關(guān)，同時硝酸鹽和銨鹽成分是大氣顆粒物主要組成，因此要重點加強(qiáng)管控移動污染源等氮氧化物排放源。在2021—2023年3月和4月攀枝花市炳草崗區(qū)域環(huán)境主要大氣污染物SO2、NO2、CO、PM10和PM2.5均值雖然滿足GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級濃度限值，而且O3未達(dá)到二級濃度限值，但是旱季期間仍需加強(qiáng)O3超標(biāo)管控，同時不能忽略顆粒物超標(biāo)風(fēng)險，因為O3與NO2呈顯著正相關(guān)，須做好協(xié)同管控。

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作者簡介：李文鋼（1984-），男，工程師。研究方向為環(huán)境監(jiān)測。