柯振東，徐太秋，柯 特，劉子國(guó)，占長(zhǎng)林*

(1.黃石市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，湖北 黃石 435000；2.湖北同正檢測(cè)科技股份有限公司，湖北 黃石 435003；3.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；4.湖北理工學(xué)院 a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，b.礦區(qū)環(huán)境污染控制及修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 黃石 435003)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，工業(yè)化程度不斷加深，城市化進(jìn)程加快，環(huán)境空氣污染也日趨嚴(yán)重。雖然我國(guó)近幾年逐漸加大對(duì)環(huán)境空氣污染治理的力度，空氣質(zhì)量在一定程度上有所改善，但是面臨的形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻。例如，據(jù)2018年《中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全國(guó)338個(gè)地級(jí)市中僅有121個(gè)城市環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，超標(biāo)率達(dá)到64.2%；主要超標(biāo)污染物是PM2.5，PM10和O3[1]。研究表明，大氣污染嚴(yán)重影響人體健康，易引起人體呼吸系統(tǒng)和心腦血管系統(tǒng)疾病，嚴(yán)重時(shí)可致命[2-4]；造成酸性降雨，對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、淡水養(yǎng)殖業(yè)等產(chǎn)生不利影響[5]；減少到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射，影響地球長(zhǎng)波輻射，導(dǎo)致氣候變化異常[6]；導(dǎo)致大氣氣溶膠粒子增多、大氣渾濁度增加、能見度下降、空氣質(zhì)量惡化[7]；降低植物的抗病能力，導(dǎo)致作物減產(chǎn)等[8-9]。因此，城市空氣污染受到各國(guó)政府和公眾的普遍關(guān)注。

大氣污染主要受氣象條件和污染物排放量的影響。近地面氣象條件制約大氣污染物的稀釋、擴(kuò)散、輸送和轉(zhuǎn)化過(guò)程，因此直接影響大氣污染物的分布及污染物濃度[10]，也對(duì)霧霾的形成有重要作用[11]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)一些重點(diǎn)城市和地區(qū)大氣污染物濃度的時(shí)空分布特征及其與氣象因素的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究[12-19]。黃石市作為我國(guó)華中地區(qū)重要的工業(yè)城市，環(huán)境空氣污染問(wèn)題也十分突出。目前針對(duì)黃石地區(qū)空氣質(zhì)量的研究多基于大氣顆粒物化學(xué)組分分析(元素、離子、碳、有機(jī)物)[20-24]，很少有研究關(guān)注黃石市大氣污染變化特征及氣候條件對(duì)污染物擴(kuò)散的影響。本文利用 2015—2016年黃石市團(tuán)城山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)國(guó)控點(diǎn)大氣污染物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，分析黃石城區(qū)PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO和8 h O3濃度變化特征，以及氣象要素(溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速)對(duì)污染物濃度的影響，為黃石市制訂切實(shí)可行的大氣污染防治措施奠定基礎(chǔ)。

1 材料與研究方法

黃石市位于湖北省東南部，長(zhǎng)江中游南岸，地勢(shì)西南高，東北低，由西南向東北傾斜。黃石市地處中緯度，氣候特征為冬冷夏熱、四季分明、光照充足、熱能豐富、雨量充沛，為典型的亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候。

2015—2016年團(tuán)城山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)國(guó)控點(diǎn)的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)和大氣污染物(PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO和O3)濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于黃石市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，同期地面氣象要素(溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速)觀測(cè)資料來(lái)源于國(guó)控點(diǎn)自動(dòng)氣象觀測(cè)站。采用SPSS19.0分析大氣污染物濃度與氣象要素之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃石城區(qū)大氣污染物時(shí)間變化特征

2015—2016年，黃石城區(qū)主要大氣污染物(PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO和O3)的日均濃度變化如圖1所示。監(jiān)測(cè)期間，PM10日均濃度超過(guò)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)[25]二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(150 μg/m3)的有83 d，超標(biāo)率為11.4%，最高值為336 μg/m3；PM2.5日均濃度超過(guò)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(75 μg/m3)的有179 d，超標(biāo)率為24.5%，最高值為246 μg/m3，約是《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的3倍。2015—2016年，SO2日均濃度只有1 d超過(guò)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(150 μg/m3)，最高濃度為325 μg/m3，超出《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)1倍多；NO2日均濃度超過(guò)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(80 μg/m3)的有13 d，超標(biāo)率為1.8%，總體污染較輕，且主要集中在冬季；CO日均濃度全部達(dá)到《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值(4 mg/m3)要求；8 h O3平均濃度超過(guò)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(160 μg/m3)的有27 d，超標(biāo)率為3.7%。整體來(lái)看，黃石城區(qū)的主要超標(biāo)大氣污染物為PM2.5，PM10和O3，與全國(guó)重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量的研究結(jié)論相似[26]。

圖1 2015—2016年黃石城區(qū)主要大氣污染物日均濃度變化

2015—2016年黃石城區(qū)主要污染物月均濃度變化如圖2所示。冬季1月份污染物的濃度最高，與黃石地區(qū)冬季氣溫低，大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不利于大氣污染物的擴(kuò)散有關(guān)，因此大氣污染事件頻發(fā)。進(jìn)入2月份，冷空氣的驅(qū)散作用對(duì)污染物的稀釋有一定作用，因此污染物濃度逐漸降低。入春以后，氣溫逐漸回暖，陰雨增多，對(duì)污染物的清除有一定作用，污染物濃度進(jìn)一步降低。進(jìn)入夏季，氣溫持續(xù)升高，7—8月為一年中最炎熱的時(shí)間，日均氣溫29 ℃左右，日照時(shí)間延長(zhǎng)，近地面大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，有利于污染物的快速擴(kuò)散，再加上降水增多，對(duì)污染物的雨除效果明顯，因此污染物濃度達(dá)到一年中的最低值，空氣質(zhì)量最好。到9月中下旬入秋以后，氣溫逐漸降低，降水減少，大氣污染物濃度出現(xiàn)一定程度的增加。進(jìn)入冬季，因不利的氣象條件，污染物在近地表發(fā)生積累，污染物濃度達(dá)到全年最大值。

從大氣污染物濃度日變化和月變化時(shí)間序列來(lái)看，PM10，PM2.5，NO2和CO濃度都呈現(xiàn)明顯的“U”形變化特征(如圖1和圖2所示)，即冬季最高、春秋次之、夏季最低的變化趨勢(shì)，與國(guó)內(nèi)許多城市的研究結(jié)論相一致[15,19,27-28]。SO2濃度從2015年6月份開始顯著降低，這可能與黃石市加強(qiáng)小鍋爐改造和SO2排放綜合治理有關(guān)。SO2的季節(jié)變化特征總體上呈現(xiàn)冬季高、夏季低的變化趨勢(shì)，夏季高溫條件下SO2易轉(zhuǎn)化為硫酸鹽隨雨水被清除，因此濃度較低。研究發(fā)現(xiàn)，夏季降水的濕清除作用可以明顯降低大氣中NO2的濃度[29]。此外，在夏季高溫和高太陽(yáng)輻射條件下，NO2光化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，加速了NO2的消耗[15]，因而表現(xiàn)為濃度低。O3濃度變化與PM2.5，PM10，NO2和CO剛好相反，呈現(xiàn)倒“U”形變化特征(如圖2所示)，即夏高冬低的變化趨勢(shì)。在夏季，高溫加上強(qiáng)太陽(yáng)輻射，NO2光解轉(zhuǎn)化為O3的光化學(xué)反應(yīng)速率加大，O3濃度增加。

2015—2016年黃石城區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)和主要污染物年均濃度對(duì)比如圖3所示。從圖3可以看出，2015年黃石城區(qū)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)為255 d，2016年空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)增加了5 d，中度污染和重度污染天數(shù)分別減少了8 d和10 d，但輕度污染天數(shù)增加了10 d(如圖3(a)所示)。從主要污染物對(duì)比來(lái)看(圖3(b))，2016年P(guān)M10，PM2.5，SO2，NO2，CO和8 h O3濃度均較2015年有所下降，降幅分別為5.7%，12.3%，64.4%，4.0%，7.8%和0.3%，說(shuō)明黃石市采取的大氣污染防治措施取得了一定實(shí)效，空氣質(zhì)量得到改善，特別是SO2污染改善效果明顯。

圖2 2015—2016年黃石城區(qū)主要污染物月均濃度變化

(a) 空氣質(zhì)量等級(jí)分布 (b) 主要污染物年均濃度

2.2 大氣污染物濃度與氣象要素的相關(guān)性分析

黃石城區(qū)主要大氣污染物濃度與氣象要素(平均氣溫、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度)的Pearson相關(guān)性系數(shù)見表1。

從表1中可以看出，平均氣溫、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度對(duì)大氣污染物濃度有重要影響。PM10，PM2.5，SO2，NO2與氣溫和相對(duì)濕度均呈一致的負(fù)相關(guān)。這說(shuō)明在氣溫升高、相對(duì)濕度增大的情況下，大氣顆粒物、SO2和NO2濃度會(huì)降低。也有研究認(rèn)為，在一定濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度越大，大氣顆粒物濃度越高[30]，原因是水汽對(duì)污染物有較好的吸附作用，有利于氣溶膠等二次粒子的生成和發(fā)展。夏季氣溫高時(shí)，大氣對(duì)流層垂直運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，影響大氣的湍流混合，進(jìn)而使污染物的擴(kuò)散速度加快，因此顆粒物濃度降低。氣溫升高，太陽(yáng)輻射加強(qiáng)，還會(huì)加快NO2的光解反應(yīng)，導(dǎo)致NO2消耗。在夏季相對(duì)濕度高的條件下，大氣中的NO2易轉(zhuǎn)化為可溶性硝酸鹽及 HNO3，HNO2等酸性物質(zhì)，SO2則易被氧化為可溶性硫酸鹽和H2SO4，并隨降水被清除，使得SO2和NO2濃度降低。冬季氣溫低，大氣層結(jié)穩(wěn)定，近地面易出現(xiàn)逆溫層，污染物不易擴(kuò)散，容易發(fā)生累積，并導(dǎo)致空氣污染事件發(fā)生。這與黃石市城區(qū)大氣污染物濃度冬季最高、夏季最低的變化特征相一致。

O3濃度與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，與平均氣溫呈顯著正相關(guān)。這說(shuō)明在相對(duì)濕度小、氣溫高的氣象條件下，O3濃度更高。一方面相對(duì)濕度增大，會(huì)加快對(duì)O3的稀釋，導(dǎo)致O3濃度降低；另一方面，高溫條件下O3前體物的光化學(xué)反應(yīng)速率加快，O3濃度升高，而冬季氣溫低，太陽(yáng)輻射減弱，光化學(xué)反應(yīng)速率慢，大氣O3濃度偏低。

除SO2和CO外，其他大氣污染物濃度與平均風(fēng)速之間的相關(guān)性不是特別明顯，SO2與平均風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，而CO與平均風(fēng)速呈顯著正相關(guān)。大多數(shù)研究認(rèn)為，風(fēng)速可以顯著影響大氣污染物的擴(kuò)散速度與傳輸距離[14-15,28,31]。風(fēng)速越高，單位時(shí)間內(nèi)污染物擴(kuò)散的面積越大，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，濃度較?。伙L(fēng)速越低，越不利于污染顆粒物的擴(kuò)散，污染物濃度越高。但也有部分研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速與大氣污染物之間的相關(guān)性不顯著[17,32]。這可能與總云量、日照時(shí)數(shù)及能見度等因素有一定的關(guān)系。

表1 黃石城區(qū)主要大氣污染物濃度與氣象要素的Pearson相關(guān)性系數(shù)

注：**在0.01 水平(單側(cè))上顯著相關(guān)；*在 0.05 水平(單側(cè))上顯著相關(guān)。

3 結(jié)論

1)2015—2016年，黃石市城區(qū)的首要污染物為PM10，PM2.5和O3， 其次為NO2和SO2。與2015年相比，2016年黃石市空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)有所增加，中度污染和重度污染天數(shù)減少，空氣質(zhì)量明顯得到改善。

2)PM10，PM2.5，NO2和CO濃度都呈現(xiàn)明顯的“U”形變化特征。大多數(shù)大氣污染物濃度的季節(jié)變化特征是冬高夏低，O3變化則剛好相反。

3)PM10，PM2.5，SO2，NO2與平均氣溫和相對(duì)濕度均呈顯著負(fù)相關(guān)。O3濃度與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，與平均氣溫呈顯著正相關(guān)。平均風(fēng)速與SO2濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，與CO濃度呈顯著正相關(guān)，與其他污染物之間的相關(guān)性不是特別明顯。