張家口市SO2、NO2大氣污染變化特征及氣象影響因素

段雯瑜 戴美魁 黃山江

摘要 為了解張家口地區(qū)SO2和NO2污染物濃度變化特征及氣象影響因素，利用2013—2018年張家口14個(gè)縣區(qū)的大氣污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：（1）SO2和NO2氣污染物濃度日變化從00∶00至23∶00均呈“雙谷雙峰”式分布;（2）SO2夏季質(zhì)量濃度最低，冬季最高;NO2濃度最高的季節(jié)分別是春、秋季，濃度最低的季節(jié)是夏季。張家口壩下地區(qū)的SO2、NO2濃度都高于壩上地區(qū)，且壩下地區(qū)多為倒“V”型的北低—南高，壩上地區(qū)呈東低—西高的分布特征，且污染物濃度低值中心多位于康?？h和崇禮區(qū)附近，高值中心多位于涿鹿縣和蔚縣附近;（3）張家口地區(qū)的SO2、NO2與PM2.5、PM10、CO污染濃度之間都存在正相關(guān)關(guān)系，與臭氧負(fù)相關(guān);（4）張家口壩上地區(qū)SO2濃度與相對(duì)濕度和氣溫呈顯著負(fù)相關(guān);NO2質(zhì)量濃度與風(fēng)速、風(fēng)向呈顯著的負(fù)相關(guān)性，與海平面氣壓呈正相關(guān);壩下地區(qū)SO2與海平面氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向都為負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞 SO2;NO2;變化特征;影響因素

中圖分類號(hào)： X511. 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095–3305（2020）07–0–04

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.07.041

Variation Characteristics and Meteorological Factors of SO2 and NO2 air Pollution in Zhangjiakou City

DUAN Wen-yu et al （Zhangjiakou Meteorological Bureau， Zhangjiakou， Hebei 075000）

Abstract In order to understand the change characteristics of SO2 and NO2 pollutant concentration and meteorological influence factors in Zhangjiakou area. Using the air pollutant monitoring data of 14 counties and districts in Zhangjiakou from 2013 to 2018. The results showed that： （1） The daily variation of SO2 and NO2 gas pollutant concentrations showed a "double valley and double peak" distribution from 00∶00 to 23∶00; （2） SO2 had the lowest mass concentration in summer and the highest in winter; the seasons with the highest NO2 concentration were respectively It is spring and autumn， and the lowest concentration season is summer. The concentration of SO2 and NO2 in the area under the Zhangjiakou dam is higher than that in the area above the dam， and the area under the dam is mostly inverted "V" from the north to the south， and the dam area is low in the east and high in the west， and the pollutant concentration Low-value centers are mostly located near Kangbao County and Chongli District， and high-value centers are mostly near Zhuolu County and Yu County; （3） SO2 ， NO2 ， and PM2.5 ， PM10 ， CO pollution concentrations in Zhangjiakou area are all present Positive correlation， negative correlation with ozone; （4） The SO2 concentration in the Bashang area of Zhangjiakou is significantly negatively correlated with relative humidity and air temperature; NO2 mass concentration is significantly negatively correlated with wind speed and direction， and is positively correlated with sea level pressure; dam SO2 in the lower area is negatively correlated with sea level pressure， relative humidity， wind speed， and wind direction.

Key Words SO2; NO2; Variation characteristics; Influence factor

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源消耗的快速增長(zhǎng)，人類活動(dòng)的深度和廣度不斷擴(kuò)大，大氣污染問題日趨嚴(yán)重。大氣污染物中的SO2、NO2對(duì)呼吸器官有嚴(yán)重的刺激作用，可引起呼吸系統(tǒng)疾病[1]。顔鵬等[2]研究發(fā)現(xiàn)，SO2、NO2濃度具有顯著的日變化和季節(jié)變化特征。孟燕軍等[3]指出，SO2、NO2濃度受不同氣象條件影響嚴(yán)重。SO2和NO2對(duì)大氣中光化學(xué)煙霧的貢獻(xiàn)以及對(duì)人體健康的影響是近年來(lái)關(guān)注的焦點(diǎn)，也是酸雨形成的前體物，是造成大氣二次污染的主要原因[4-7]。張家口是第24屆冬奧會(huì)雪上項(xiàng)目比賽地，也是京津冀重要的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)[8]。因此，研究分析張家口市SO2、NO2時(shí)空分布特征以及污染物的氣象影響因素，可以為張家口城市規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、提升冬奧舉辦地空氣質(zhì)量提供重要的生態(tài)依據(jù)，為城市大氣污染預(yù)防與治理提供借鑒與參考，以增強(qiáng)城市競(jìng)爭(zhēng)力和活力，提高區(qū)域環(huán)境可持續(xù)發(fā)展能力。

通過對(duì)2013—2018年張家口14個(gè)縣區(qū)的大氣污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析了SO2和NO2污染物濃度隨時(shí)間變化的周期性規(guī)律和基本特征（包括日、周、月、季節(jié)變化等），以及與其他污染物間的相關(guān)關(guān)系，并探究了SO2、NO2污染的氣象影響因素。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

SO2、NO2污染物質(zhì)量濃度資料來(lái)源于張家口市環(huán)保局提供的市縣14個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)（康保、尚義、張家口、沽源、張北、宣化、萬(wàn)全、崇禮、懷安、赤城、涿鹿、蔚縣、懷來(lái)、陽(yáng)原）日均濃度資料（圖1）。選取2013—2018年SO2、NO2日平均有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)異?；蛉笔? d內(nèi)的運(yùn)用相鄰點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，連續(xù)缺失超過2 d的數(shù)據(jù)給予剔除。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于氣象局提供的相對(duì)應(yīng)14個(gè)市縣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的氣溫、相對(duì)濕度、海平面氣壓、10 min平均風(fēng)速和風(fēng)向以及最大風(fēng)速和風(fēng)向資料。

1.2 研究方法

根據(jù)14個(gè)縣區(qū)實(shí)時(shí)SO2、NO2污染物濃度數(shù)據(jù)計(jì)算平均值，求得季、月、周、日平均濃度。對(duì)2013—2018年張家口地區(qū)各縣區(qū)SO2、NO2污染物質(zhì)量濃度有效數(shù)據(jù)進(jìn)行季節(jié)、月的時(shí)間和空間分布以及周、日變化分析?；赟PSS軟件，采用Pearson相關(guān)系數(shù)和Spearman相關(guān)系數(shù)等方法對(duì)SO2、NO2與其他大氣污染物和氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析。

2 張家口地區(qū)污染物濃度變化特征分析

2.1 污染物濃度日變化

SO2和NO2污染物濃度日變化從0∶00至23∶00均呈“雙谷雙峰”式分布（圖2），整體來(lái)看有著比較一致的變化趨勢(shì)。10∶00和20∶00左右是SO2每日濃度的峰值出現(xiàn)時(shí)間，SO2濃度日變化谷值出現(xiàn)在4∶00左右和17∶00，上午至中午的濃度值偏高且持續(xù)時(shí)間相對(duì)于夜晚稍長(zhǎng)。NO2日變化峰值出現(xiàn)在8∶00和21∶00左右，谷值出現(xiàn)在4∶00和15∶00，18∶00～翌日11∶00 NO2整體濃度值都偏高。

2.2 污染物濃度周變化

由張家口地區(qū)SO2和NO2污染物質(zhì)量濃度的周變化序列圖可知，SO2質(zhì)量濃度值周內(nèi)變化不大，周日濃度值（22.67 μg/m3）最低，最高值出現(xiàn)在周六，為24.57 μg/m3。NO2質(zhì)量濃度值出現(xiàn)2次波動(dòng)，波峰分別出現(xiàn)在周三（22.78 μg/m3）和周六（23.12 μg/m3）。周日和周一SO2、NO2的濃度值最低（圖3）。

2.3 污染物濃度逐月變化

將14站的SO2和NO2污染日均數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并取張家口14個(gè)區(qū)縣平均值，從而得到2種大氣污染物月均濃度值，并繪制逐月變化圖（圖4）。

SO2質(zhì)量濃度在11月—翌年3月的濃度值顯著偏高，這5個(gè)月平均值達(dá)31.01 μg/m3。4—10月質(zhì)量濃度顯著降低，4—10月平均濃度值為17.02 μg/m3;1月SO2濃度最高，為36.71 μg/m3;8月SO2濃度值最低，為13.34 μg/m3。

NO2年質(zhì)量濃度平均值為22.19 μg/m3，整體表現(xiàn)為年末濃度高，年中濃度低，3—11月NO2質(zhì)量濃度值呈“U”型分布，波動(dòng)振幅相對(duì)于其他污染物偏小。11月質(zhì)量濃度值為28.94 μg/m3，是最大月平均值，8月濃度值為17.95 μg/m3，是最低月平均值。NO2主要來(lái)自汽車尾氣和工業(yè)排放，冬季汽車?yán)鋯?dòng)和上述氣象條件共同導(dǎo)致NO2在11月—翌年1月質(zhì)量濃度值較高。

2.4 污染物濃度季節(jié)變化

張家口冬季SO2質(zhì)量濃度值最高，夏季SO2濃度值最低（圖5）。春季、秋季和冬季時(shí)SO2質(zhì)量濃度值均表現(xiàn)為壩上地區(qū)西高—東低，高值中心位于尚義縣西部;壩下地區(qū)呈倒“v”形南高—北低的分布特征，高值中心位于蔚縣。夏季SO2質(zhì)量濃度值表現(xiàn)為為中部高—南北低的分布特征。

NO2表現(xiàn)為秋季濃度>冬季濃度>春季濃度>夏季濃度（圖6）。NO2 4個(gè)季節(jié)的質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)出東南高且向東北和西南兩個(gè)方向逐漸遞減。

總體來(lái)看，SO2表現(xiàn)為夏季（6—8月）的質(zhì)量濃度最低，冬季（12月—翌年2月）質(zhì)量濃度最高;NO2分別是春季（3—5月）和秋季（9—11月）質(zhì)量濃度值最高。根據(jù)以往分析主要原因有以下幾點(diǎn)：（1）冬季張家口地面受蒙古冷高壓控制，盛行從大陸吹向海洋的冬季風(fēng)，寒冷干燥，大氣層結(jié)穩(wěn)定，污染物不易擴(kuò)散。因此會(huì)導(dǎo)致SO2和NO2冬季濃度值偏高;（2）冬季是張家口主要供暖期，燃煤產(chǎn)生大量空氣污染物;（3）汽車尾氣排放量在冬季增多，這是由于此時(shí)溫度低，機(jī)動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)混合氣體燃燒速度減慢，造成不完全燃燒的現(xiàn)象，致使尾氣排放量增加;（4）與冬季相反，夏季太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，地面升溫快，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，混合層高度上升，而且氣旋活動(dòng)較多，降水多，大氣垂直運(yùn)動(dòng)活躍，易出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、短時(shí)降水等天氣，大氣垂直和長(zhǎng)距離擴(kuò)散能力增強(qiáng)，利于大氣污染物的消減與清除。

3 張家口地區(qū)SO2、NO2濃度變化影響因素分析

3.1 張家口地區(qū)SO2、NO2濃度與其他污染物相關(guān)性分析

通過Pearson和Spearman相關(guān)性分析得知：SO2、NO2與PM2.5、PM10、CO污染濃度存在正相關(guān)，與臭氧濃度呈負(fù)相關(guān)。（表1）

3.2 張家口地區(qū)SO2、NO2濃度氣象影響因素分析

在污染源一定的條件下，氣象因子對(duì)大氣污染物的堆積、擴(kuò)散、稀釋、轉(zhuǎn)化和遷移都有很大影響。采用Person相關(guān)系數(shù)法和Spearman相關(guān)系數(shù)法，將張家口地區(qū)14個(gè)區(qū)縣SO2和NO2污染物質(zhì)量濃度與氣象要素作相關(guān)性分析。選取的氣象要素有：氣溫、海平面氣壓、相對(duì)濕度、10 min平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、最大風(fēng)向，分別用t、p、rh、wind、mws、mwd表示（表2～3）。

張家口地區(qū)的SO2濃度與氣溫呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與海平面氣壓關(guān)系卻比較復(fù)雜。SO2濃度與相對(duì)濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，壩下地區(qū)SO2濃度與風(fēng)速和風(fēng)向都呈負(fù)相關(guān)，壩上地區(qū)SO2濃度與風(fēng)速風(fēng)向相關(guān)性不明顯，即夏季天氣表現(xiàn)為高溫高濕，SO2濃度低，冬季天氣寒冷干燥，SO2濃度低。與PM10相同的是，壩下地區(qū)吹弱東南風(fēng)時(shí)，SO2濃度偏高。

張家口多數(shù)縣區(qū)的NO2質(zhì)量濃度與海平面氣壓表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，與氣溫、相對(duì)濕度關(guān)系較復(fù)雜。NO2質(zhì)量濃度與10 min平均風(fēng)速、最大風(fēng)速均表現(xiàn)為非常顯著的負(fù)相關(guān)性，全區(qū)都通過了顯著性檢驗(yàn)，NO2濃度與風(fēng)向呈負(fù)相關(guān)性，即高壓、靜風(fēng)條件下更有利于NO2的堆積。

4 結(jié)論

通過SPSS軟件對(duì)張家口14個(gè)縣區(qū)的大氣污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得SO2和NO2污染物的時(shí)空分布情況，與其他污染物之間的關(guān)系，以及氣象要素（氣溫、相對(duì)濕度、海平面氣壓、最大風(fēng)速、最大風(fēng)向、10 min平均風(fēng)速）對(duì)大氣污染物的影響分析。

SO2和NO2污染物濃度日變化從00∶00至23∶00均呈“雙谷雙峰”式分布。從1—12月的污染物質(zhì)量濃度逐月變化來(lái)看，SO2和NO2都表現(xiàn)為近似“U”型分布特征。

分析張家口地區(qū)污染物季節(jié)變化特征得出：SO2夏季質(zhì)量濃度最低，冬季最高;NO2濃度最高的季節(jié)，分別是春、秋季，濃度最低的季節(jié)是夏季;2種污染物壩下地區(qū)濃度都高于壩上地區(qū)，且壩下地區(qū)多為倒“V”型的北低—南高的分布特征，壩上地區(qū)都呈東低—西高，且污染物濃度低值中心多位于康保縣和崇禮區(qū)附近，高值中心多位于涿鹿縣和蔚縣附近。

張家口地區(qū)的SO2、NO2與PM2.5、PM10、CO污染濃度都存在正相關(guān)關(guān)系，與臭氧濃度呈負(fù)相關(guān)。

張家口壩上地區(qū)SO2濃度與相對(duì)濕度和氣溫呈顯著負(fù)相關(guān);NO2質(zhì)量濃度與風(fēng)速、風(fēng)向呈顯著的負(fù)相關(guān)性，與海平面氣壓呈正相關(guān);壩下地區(qū)SO2與海平面氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向都呈負(fù)相關(guān)。

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責(zé)任編輯：黃艷飛