青岛市降水及其对大气环境的影响研究

亓 靓 魏 巍 曹正梅 唐 菁

(1、山东省青岛生态环境监测中心,山东 青岛266000 2、青岛大学实验中学,山东 青岛266000)

1 概述

随着我国社会经济的持续高速发展,空气污染成为目前最主要的环境问题之一,大量研究表明城市空气质量与气象条件的关系十分密切,而其中一个主要因素是降水。近年来,国内外开展了一系列降水与大气污染物关系的研究。杨茜等研究了重庆市各季节降水对各类大气污染物的湿清除能力[1],李明艳等分析了济南市夏季降水对大气污染物的清除效果[2],而青岛市这些方面的研究较少。

本文通过对2020 年青岛市降水前后污染物浓度变化情况,分析不同条件下降水对污染物的清除效率,以期为环境管理和大气污染治理提供科学参考。

2 数据来源及评价方法

本文采用的2020 年降水和空气质量自动监测站数据来源于山东省青岛生态环境监测中心,其中降水点位周边为学校、居民区和道路,距离海边2 公里左右,污染源多为人为影响；空气子站距降水点位3 公里左右。

采用降水清除效率η 计算降水对大气污染物的影响。

3 结果与讨论

3.1 降水量季节变化特征

2020 年共采集到30 次降水样品,夏季降水次数最多,秋季最少。采集样品总降水量为892mm,夏季占71.2%,春季占13.9%,冬季和秋季分别占7.7%和7.2%。从降水类型来看,多数为小雨和中雨,全年出现4 次暴雨或大暴雨,5 月、7 月各1 次,8月2 次。

3.2 大气污染物的降水清除效率

2020 年降水对PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO 的η 值分别在-18.6%～89.1%、-41.2%～94.1%、-25.0%～25.0%、-238%～68.8%、-37.9%～66.1%、-100%～50.0%之间,降水后PM10和PM2.5浓度降低(η＞0)比例较高,分别占降水总次数的93.3%和86.7%；O3次之,占73.3%；SO2、NO2、CO 浓度在雨后则多数升高或持平,η＞0占比在30.0%～33.3%之间。由此可知,降水对SO2、NO2、CO 的清除作用不明显,基本可以视为无清除效果；对O3有一定清除作用,但清除效果一般；对PM10和PM2.5的清除效果最好。

分析其原因,在经过多年的大气治理后,青岛市大气中主要污染物为颗粒物,夏季O3污染较突出,SO2、NO2、CO 浓度值已经达到较低水平,这时采用清除效率已无法准确反映降水对SO2、NO2、CO 的影响,反而在浓度发生变化时η 易出现极值,所以不适宜采用此方法。O3则和光辐射强度密切相关,小时浓度变化具有明显的单峰型特征,在中午14:00 左右太阳辐射最强,氮氧化物、挥发性有机物等O3前体物易发生化学反应,导致O3浓度迅速升高。而降水具有随机性,对于起止时间在中午的降水,并不能简单按照浓度的变化判断降水对O3的清除效果。因此,采用η 值判断O3的清除效果劣于PM10和PM2.5。

2020 年不同季节降水对大气污染物的平均清除效率见表1。由表1 可知,PM10和PM2.5在秋季和夏季η 值相对较高,且PM10各季节的η 值均高于PM2.5,O3在春季和秋季η 值相对较高。在一般情况下,降水对PM10的清除效果好于PM2.5,在7、8 月时发生的几场强降水则对PM2.5的清除效果更好,例如8 月2 日03:00 发生的降水,在降雨强度最大的2 个小时内,PM2.5浓度下降速度远超过PM10。

表1 不同季节降水对大气污染物的平均清除效率

3.3 降水量对大气污染物的影响

通常情况下,降水量越大,清除效果越明显,但是,持续降雨并不能使大气污染物浓度一直降低,因会受到风速、风向的变化和局地排放源等多因素的影响,个别时段污染物浓度值反而会升高。短时强降雨对颗粒物和O3的清除效果更明显,短时小雨因冲刷效果弱,对污染物浓度则无明显影响。

从降水类型来看,PM10和PM2.5的η 值随着雨量的增加而逐步升高,O3的η 值则没有变化规律。其中PM10的η 值在小雨至暴雨阶段小幅升高,大暴雨时明显升高；PM2.5的η 值变化幅度较显著,小雨时η 值较低,仅16.8%,基本无清除,中雨至暴雨阶段η 值明显升高,在大暴雨时清除效果最好,达到90.4%。(表2)

表2 不同类型降水对大气污染物的平均清除效率

3.4 降水时长对大气污染物的影响

降水时长对污染物的清除效果也有一定影响,但并不是时长越长,η 值越高。在连续降水期间,前期和后期降水的η 值有所不同,通常在降水前期,颗粒物η 值很高,PM10和PM2.5浓度迅速降低,在颗粒物浓度值降低到临界值后会出现一定反弹,如降水结束时颗粒物浓度处于临界值,降水对颗粒物的清除能力最强,η 值最高；如降水持续时间过长,颗粒物浓度升高,η 值反而会降低。以7 月发生的两次降水为例,其中7 月18日发生的暴雨持续时间共44 小时,在降水的冲刷下污染物浓度不断降低,7 月19 日04:00 浓度最低,这时降水对颗粒物的清洁作用已经达到最低值,在之后的降水中污染物浓度在缓慢升高,7 月20 日01:00 雨停后颗粒物浓度与降水初期基本持平,虽然降水前期η 值较高,但整场降水η 值较低。7 月22 日发生的大暴雨持续时间共24 小时,PM10、PM2.5浓度变化趋势基本一致,在降水初期迅速降低,降水中期在大雨的冲刷下一直保持在2μg /m3,降水后期PM10浓度略有升高,PM2.5浓度无明显变化。O3浓度变化趋势则有所不同,在11:00 至19:00 小雨期间变化不大,一直在75～83μg/m3之间波动；自20:00 起O3浓度值逐步升高,22:00 达到最高值99μg/m3；22:00 至01:00,雨量逐渐增大,小时雨量在29.6～45.5mm 之间,在大雨的冲刷下,O3浓度迅速降低,降至76μg/m3,此时O3的η 值也最高；之后随着雨量的减少,O3浓度缓慢降低。这场雨对PM10、PM2.5、O3的η 分别为82.1%、92.6%、5.8%,PM10、PM2.5的η 主要集中在前期小雨阶段,O3的η 主要在中期大雨阶段,因颗粒物浓度仍处于临界值附近,η 值较高。(表3,图1)

表3 长时降水中大气污染物小时浓度变化

图1 7 月18 日至20 日降水期间污染物浓度小时变化情况

4 结论

4.1 降水对SO2、NO2、CO 的清除作用不明显,基本可以视为无清除效果；对O3有一定清除作用,但清除效果一般；对PM10和PM2.5的清除效果最好。

4.2 PM10和PM2.5的η 值随着雨量的增加而逐步升高,大暴雨时清除效果显著升高。

4.3 连续降水前期,污染物η值较高,在污染物浓度值降到临界值时,η 值最高,之后,随着降水时长的增加,污染物浓度值会出现反弹,η 值会降低。