成都市城区大气污染特征及其假日效应研究

罗进奇,黄小娟,张军科,张建强,宋宏艺,伍 潘

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756；2.成都信息工程大学大气科学学院，高原大气与环境四川省重点实验室，成都 610225)

1 前 言

目前，我国的大气灰霾相关研究大量集中于京津冀、长三角和珠三角地区[1～4]，相对于这三大地区，四川盆地相关研究还较少。成都市为四川盆地的重要城市之一，截止2016年末，成都市常住人口达到1 592万人，全市机动车保有量412万辆。经济发展迅速，使得该地区大气污染物浓度日益增加，加之特殊的盆地地形，使其污染更加严重，形成机制也更为复杂。如TIAN[5]等人发现，成都市PM2.5和PM10的年平均质量浓度分别为103 μg/m3和172 μg/m3。CHENG[6]等人在对比了全球45个特大城市(人口在500 万以上)2013年PM2.5浓度水平后发现，成都市是空气质量达标天数最少的城市，污染天数高达348天。因此，对于成都市大气污染的研究已经非常迫切。

本研究对成都市2016～2017年的主要大气污染物及气象要素变化进行了一年的连续观测，对污染物来源以及不同类型天大气污染的特征进行了对比分析，以期为成都市大气污染防治提供参考。

2 研究方法

2.1 数据来源

本观测站位于成都市金牛区西南交通大学土木工程学院楼顶四川省环境空气质量综合监测站(东经105.05°，北纬30.70°)，该站点位于成都市中心，能够反映成都市区典型的大气环境状况。观测时间为2016年3月～2017年2月，观测的大气污染物有O3、SO2、NOX、CO、PM2.5、PM10、苯和甲苯。 同时收集主要气象因素(风向、风速、温度、相对湿度、气压、能见度和降雨量)，详细设备介绍见文献[7]。

2.2 评价标准

本文污染物评价标准均采用环境空气质量标准(GB3095-2012)中的二级标准。

3 结果与讨论

3.1 污染物整体变化特征

3.1.1 主要气态污染物

观测期间，成都市O3的最高小时平均质量浓度出现在2016年8月13日16∶00，达到了269.3 μg/m3，是国家二级标准(200 μg/m3)的1.3倍；有24个小时超过国家二级标准(图1)。O3平均浓度在春季(87.6 μg/m3)和夏季(80.1 μg/m3)较高，秋季次之(50.1 μg/m3)，冬季最低(30.2 μg/m3)。这种最高值出现在春季的现象与以往研究有所差异，如徐鹏[8]等人发现重庆市O3浓度在夏季达到最高，为(48.8±32.6) μg/m3。本研究中O3高值出现在春季的原因是：进入春季后，气温回升，平流层和对流层之间的稳定层结被打破，造成平流层臭氧向下输送，从而造成对流层臭氧浓度大幅升高；而夏季频繁的降雨却在一定程度上降低了O3浓度[9]，根据统计，观测期间，夏季的降雨量占到了全年平均降雨的60.4%。

图1 各污染物浓度逐日变化Fig.1 Daily changes of atmospheric pollutants concentrations

整个观测时段，SO2的浓度处于较低水平，日均浓度变化范围为0.5～61.8 μg/m3，均未超过国家二级标准(150 μg/m3)。SO2呈冬季高(22.5 μg/m3)，夏季低(11.1 μg/m3)的季节变化特征，这与冬季气温较低，大气稳定度高等有关。此外，近年来成都市产业结构调整以及能源结构改善也是SO2浓度水平较低的重要原因[10]。

NO、NO2、NOX的浓度均为冬季最高、夏季最低，这主要是因为夏季温度高，光化学反应活跃，同时该季节较高的O3浓度，会使得光化学反应消耗的NO增加，导致了夏季的NOX较冬季低。NOX的日均浓度变化范围为23.9～411.5 μg/m3，超过国家二级标准(100 μg/m3)的天数为119 d，超标率为37.7%；年平均值为(100.9±61.5) μg/m3，是国家二级标准(50 μg/m3)的2倍。可以看出，和几乎完全达标的SO2相比，成都地区NOX超标非常严重。一方面，NOX是大气中硝酸盐的重要前体物，它可以通过多种均相及非均相过程形成硝酸盐，成为PM2.5的重要组分；另一方面， NOX在形成其他气溶胶物质如硫酸盐和有机物时起关键作用，如NOX可以促进矿物氧化物表面的SO2转化为硫酸盐[11]。而形成的硝酸盐物质可以增强矿物氧化物的吸湿性及对水分的吸收，从而加速SO2和NOX的非均相反应，进一步增加了颗粒的吸湿性[12]。

图2 观测间降雨量时间序列Fig.2 Times-series of precipitation during observation period

CO的日均浓度变化范围为0.3～9.9 mg/m3，超过国家二级标准(4 mg/m3)仅有2 d；小时均值有3 h超标(10 mg/m3)，且均出现在冬季。分季节来看，CO的浓度在冬季最高，为(1.5±1.1) mg/m3，夏季最低，为(0.9±0.2) mg/m3。6～8月份成都雨水充足(图2)，大气污染物清除效率高， 再加上夏季湍流混合较强，因此CO的浓度值达到最低水平，而冬季由于稳定的大气层结，大气污染物扩散能力降低，使得CO浓度有明显升高。

3.1.2 PM2.5与PM10

PM2.5的日均浓度变化范围为10～306.6 μg/m3，全年超过二级标准(75 μg/m3)的天数比例达到了41%；年均值达到了(76±47.7) μg/m3(图1)，表明成都市大气PM2.5浓度处于较高水平[13]。同时，PM2.5具有明显的季节变化，冬季 PM2.5的平均浓度达到了(101.2±49.3) μg/m3，而夏季最低仅为(48.1±21.1) μg/m3。PM10与PM2.5的浓度变化趋势基本一致。分析PM2.5/PM10的比值发现(图3)，成都大气颗粒物污染以细粒子为主，全年仅有63 d比值小于0.5，且主要集中在冬季和春季，这可能是因为成都冬季和春季受到西北沙尘等粗颗粒物的污染。

图3 PM2.5/PM10逐日变化Fig.3 Times-series of PM2.5/PM10

3.1.3 苯和甲苯

苯的日均浓度变化范围为0.05～9.0 μg/L，年均为(1.0±1.1) μg/L；甲苯的日均浓度变化范围为0.06～11.6 μg/L，年均浓度为(2.4±2.3) μg/L。两者浓度均为冬季最高，分别为(1.9±1.4) μg/L、和(2.7±2.9) μg/L(图1)。苯和甲苯(B/T)的比值可以用于识别苯系物的来源，当B/T约为0.6时表现为机动车尾气排放的特征，当B/T高于1.0时可能来源于生物质及煤的燃烧排放[14-15]。本研究中，成都市全年的B/T比值平均为0.7±0.6，可以得知，就全年来看，成都市大气中苯系物的来源主要为机动车尾气。分季节来看，春、秋两季分别为0.3±0.4、0.5±0.3，张玉欣等[16]在南京北郊也发现相似的变化规律，推测除机动车尾气排放以外，还存在异常源贡献，尤其是春季；夏季为0.7±0.7，说明夏季大气中苯系物的主要来自汽车尾气排放，而冬季比值为1.2±0.7，说明冬季大气中苯系物除机动车源以外，还有燃烧源(燃煤和生物质燃烧)的贡献。

3.2 污染物平均日变化特征

各类气态污染在观测期间的日变化见图4，O3在各季节的日变化均呈现出典型的单峰型，峰值出现在午后14∶00～16∶00，各时刻的平均浓度为春季>夏季>秋季>冬季。O3浓度的日变化与近地面污染物的大气光化学过程密切相关。日出后随着太阳辐射强度的增加，O3前体物的光化学反应增强，造成O3浓度持续升高，并在午后出现最高值。

图4 各大气污染物浓度的日变化Fig.4 Diurnal variations of each atmospheric pollutant concentration

NO峰值出现在早晨8∶00～10∶00，而谷值出现在16∶00～18∶00。峰值的出现主要是由于早高峰时期车流量增大，NO来源显著增强，而之后随着太阳辐射的增强，NO和O3的光化学反应剧烈，NO浓度迅速下降；同时，下午时段，大气边界层升高，污染物扩散能力增强，也会使得近地面NO快速稀释扩散，17∶00左右达到最低值。NO2两个峰值分别出现在8∶00～10∶00和21∶00～23∶00，早晨的峰值对应着交通高峰时段，晚上的峰值则是由于NO和O3的转化。

CO与NO的日变化特征相似，呈双峰型分布，峰值分别出现在8∶00～10∶00和0∶00～2∶00。SO2呈现出单峰型的日变化特征，峰值出现在10∶00～12∶00，整体而言，SO2夜晚浓度值要低于白天，这是由于白天人为活动加强导致SO2排放增加。苯和甲苯的平均日变化在春、夏、冬三季比较明显，与早晚高峰对应，特别是早高峰时段浓度最高，而秋季没有明显的日变化。

PM2.5与PM10的日变化在四个季节均为双峰分布，对应早晚出行高峰，峰值的前后移动具有季节差异，夏季最早(9∶00)，秋冬季最晚(11∶00)；晚高峰出现在21∶00～23∶00。这是由于早上人类活动逐渐增强，污染物逐渐积累，加之车流量大幅度增加，机动车向大气中排放大量的一次颗粒物和气态前体物，同时道路扬尘贡献增加，使得颗粒物浓度在早上出现峰值；午后由于湍流发展旺盛，混合层高度抬升，污染物浓度逐渐下降，并于17∶00～19∶00到达谷值；傍晚以后，下班晚高峰到来和城市夜生活的能源消耗，加上混合层高度降低以及大气稳定度增加，污染物不易于扩散，因此，夜间浓度再次升高。此外，由于夜间相对湿度升高，一些非均相化学反应也会增强。

3.3 不同类型天大气污染物的差异分析

为分析不同类型天的各污染物的变化特征，本部分将所有观测日分为工作日、周末、春节和国庆节分别进行日变化统计。从图5可以看出，O3在不同类型天均呈单峰型的日变化特征，其中国庆节浓度最高，春节最低。这主要是由于节假日NO排放减少，光化学反应消耗的O3减少，使得O3得以累积；同时也与各时段温度的差异相关，国庆、工作日、周末、春节的平均温度分别为24 ℃、18.7 ℃、19.5 ℃、9.4 ℃，这是光化学反应是否活跃的重要标志。

图5 不同类型天污染物的日变化情况Fig.5 Diurnal variations of pollutants in different types of days

工作日和周末NO浓度在早高峰时段出现明显高值，而春节期间NO的该峰值出现延后，这主要是由于节假日人们出行时间推后；同时，春节期间NO的浓度最小，是由于春节期间大部分工厂放假，机动车出行大量减少；国庆期间NO浓度较春节高，但显著低于工作日和周末。与NO相比，同样作为一次污染物的CO，其峰值的出现有明显滞后，这是由于CO是一个生命周期较长的产物，可能叠加了城区和郊区的输送及附近污染源排放。

PM2.5和PM10浓度在春节期间最高，国庆次之，工作日和周末相对较低且没有明显的差异。研究表明，燃放烟花爆竹会导致空气中PM2.5和PM10质量浓度在短时间内迅速上升[4]。因此，春节期间，PM2.5和PM10的浓度均高于其他类型天，且夜间高于白天。

综合而言，虽然各污染物在不同类型天污染特征各异，但工作日与周末并没有出现太大差异。因此，就本研究而言，并未发现成都地区出现明显的污染物“周末效应”，但“长假效应”显著。

4 结 论

4.1 成都市区NOX超标严重，超标率为37.7%，显示出机动车尾气对成都大气污染的重要贡献。各类大气污染物季节差异明显， NOX、PM2.5和PM10在秋冬季较高，而O3在春夏季最高。

4.2 成都市全年B/T值为0.7±0.6，苯系物的主要来源为机动车尾气；而冬季燃烧过程的贡献逐渐占据主导地位。

4.3 O3日变化呈 “单峰型”，峰值出现在14∶00～16∶00；NO、苯和甲苯都在上午出现峰值；NO2与PM10、PM2.5均呈现出“双峰双谷”型；CO 也为双峰型。

4.4 国庆期间O3浓度最高，春节最低；NO早高峰特点明显，春节期间其浓度较低且早高峰延后；PM2.5和PM10在春节期间的浓度很高。所有污染物均不存在明显的“周末效应”，但“长假效应”显著。