伍復(fù)勝,黃 燁

(1.湛江市環(huán)境科學(xué)技術(shù)研究所,廣東 湛江 524022;2.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院,廣東 珠海 519088;3. 中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510275)

近幾年城市大氣污染問題受到社會公眾的高度重視,也成為國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究熱點[1-5]．2012年國家環(huán)保部頒布了新的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),對大氣中SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5的監(jiān)測濃度限值提出了較高的要求．由于污染物排放量的時空分布特征及氣象因素的影響,不同監(jiān)測點不同時間段的大氣污染物濃度都會發(fā)生變化．探討不同污染物在大氣中的變化規(guī)律及其影響因素已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的一個前沿課題,能為城市大氣污染防治對策的制定提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)支持．

以往文獻多研究單一污染物的濃度變化或與氣象條件的關(guān)聯(lián),例如李令軍分析北京大氣NO2污染特征,發(fā)現(xiàn)日變化明顯,出現(xiàn)一天2次交通峰值,而在凌晨及午后濃度最小[6]．薛敏研究北京大氣CO在晴天時清晨和夜間濃度高,白天午后濃度低,陰雨天時日變化不明顯[7]．劉子銳表明氣象因素影響大氣顆粒物濃度波動,氣團和降雨對顆粒物有較好的清除作用[8]．宗雪梅發(fā)現(xiàn)溫度對臭氧濃度的影響較大,而濕度與臭氧濃度的相關(guān)性較差[9]．楊洪斌指出穩(wěn)定天氣條件下各點位的SO2都會出現(xiàn)較高的監(jiān)測值[10]．也有部分學(xué)者研究少數(shù)幾種污染物濃度變化的相關(guān)性[11-13],對于同時探討新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的6種常規(guī)污染物的變化規(guī)律則少見報道,特別關(guān)于冷空氣過境對不同污染物的清除效果差異還很少研究．同時,以往多數(shù)研究都存在未對樣本數(shù)據(jù)開展正態(tài)性檢驗就直接計算污染物之間的相關(guān)系數(shù),得到的結(jié)果未必是妥當(dāng)?shù)?也有部分研究由于條件限制而設(shè)置的采樣點位較少,受局部氣象條件差異影響而難于很好地代表整個城市的情況．基于這些問題,本研究以一次冷空氣前后廣州10個點位的逐時監(jiān)測結(jié)果為依據(jù),進一步探討PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO的污染特征及變化規(guī)律,也為該學(xué)科領(lǐng)域提供一個案例支持．

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

廣州是珠江三角洲地區(qū)的經(jīng)濟文化中心,也是區(qū)域灰霾天氣的多發(fā)地[14],目前已建成10個監(jiān)測站點,分別是花都城區(qū)、麓湖、公元前、荔灣西村、海珠寶崗、海珠赤沙、天河城、黃埔大沙地、番禺市橋、蘿崗鎮(zhèn)龍．6種大氣污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)都在廣東省環(huán)境信息GIS綜合發(fā)布平臺的珠江三角洲區(qū)域空氣質(zhì)量狀況(http://www-app.gdepb.gov.cn/EQpubplatform/)實時公布,每小時更新一次．

根據(jù)廣州氣象臺的報道,2012年11月10日20時一股中等強度的冷空氣前鋒抵達廣州,白天吹和緩的偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為夜晚吹強勁的偏北風(fēng),氣溫由28℃下降到17 ℃,相對濕度也由60%上升到90%,從10日20時到11日1時,蘿崗站錄得降雨量25.2 mm．中山大學(xué)大氣探測實驗室觀測10日9—19時廣州市平均風(fēng)速1～2 m/s,云遮比3/8～5/8,視寧度1.5"～2",透明度0.5～0.6．冷空氣過后,10日夜間至11日凌晨云量增多,大氣透明度降低．11日白天多云間陰,風(fēng)速相對10日同期有所增大,氣溫逐漸回升至22℃,無雨量記錄．

本研究收集了9日9時—11日20時連續(xù)60 h的大氣自動化監(jiān)測結(jié)果,組成6種常規(guī)污染物的面板數(shù)據(jù),以此探討冷空氣過境前后廣州市的大氣污染過程．

1.2 研究方法

以6種常規(guī)大氣污染物的時間序列為基礎(chǔ),比較10個監(jiān)測點的橫截面數(shù)據(jù),使用excel 2003繪制冷空氣來臨前后的污染物濃度變化曲線．通過SPSS18.0分析不同污染物之間的關(guān)系,探討冷空氣對大氣污染物時序分布規(guī)律的影響及其清除效應(yīng)．其中要分別用到Pearson積矩相關(guān)系數(shù)和Spearman秩相關(guān)系數(shù),應(yīng)用之前先對序列開展Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗．

Shapiro-Wilk檢驗也稱W檢驗,將n個獨立觀測值按非降次序排列,原假設(shè)服從正態(tài)分布,其檢驗統(tǒng)計量如下,其中a1,…,an在樣本容量為n時有特定的值．

若W>Wα,則在顯著性水平α?xí)r接受原假設(shè),服從正態(tài)分布;反之落入拒絕域,認(rèn)為序列不服從正態(tài)分布．

Pearson積矩相關(guān)系數(shù)要求樣本數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布,一般以r表示,取值區(qū)間為[-1,1]，其計算方法如下,絕對值越接近1說明關(guān)系越密切,

Spearman秩相關(guān)系數(shù)屬于非參數(shù)統(tǒng)計方法,對原始變量的分布不作要求,但統(tǒng)計效能相對低一些,表達式如下,其中:di=xi-yi,若兩變量秩次相近,則di較小,變量關(guān)系越密切．

2 結(jié)果分析與討論

2.1 冷空氣前后PM2.5、PM10的污染特征及變化規(guī)律

廣州10個城市站(花都城區(qū)、麓湖、公元前、荔灣西村、海珠寶崗、海珠赤沙、天河城、黃埔大沙地、番禺市橋、蘿崗鎮(zhèn)龍)從9日9時到11日20時連續(xù)監(jiān)測PM2.5、PM10的濃度變化見圖1和圖2．

從總體上來看,10個監(jiān)測點的污染物濃度變化趨勢大致相近．冷空氣到來之前,PM2.5和PM10基本都在上午8—9時出現(xiàn)峰值,隨后逐漸下降,到中午12—13時出現(xiàn)低濃度,接著又有小幅回升,到下午17—18時出現(xiàn)第二次高濃度,然后緩慢下降到凌晨0—1時出現(xiàn)第二次低濃度,最后波動增大到第二天上午8—9時再次高峰．顆粒物在常規(guī)氣象條件下一天出現(xiàn)2次峰值2次谷值,高濃度時刻與車流量高峰期基本吻合,表明機動車尾氣排放是PM2.5和PM10的一個重要貢獻源,與Chan[15]、朱先磊[16]、宋宇[17]等學(xué)者的研究結(jié)論是一致的．上午8—9時的峰值相對傍晚強一些,這是由于上午工業(yè)恢復(fù)生產(chǎn),燃煤排放大量顆粒物所致,馬雁軍也指出燃煤是大氣顆粒物的一個重要來源[18]．

由于冷空氣自北向南影響廣州,大氣顆粒物濃度急劇下降,PM2.5由10日20時平均0.04 mg/m3降到23時0.01 mg/m3,PM10則由0.06 mg/m3降到0.01 mg/m3,一直到11日3時都維持在較低濃度．胡婧研究風(fēng)速未能有效降低北京PM10濃度,較強降水對顆粒物有很明顯的清除作用[19]．從10日20時到11日1時,廣州出現(xiàn)一次普遍的降雨過程,蘿崗站累計降雨量25.2 mm,對PM2.5、PM10起到了極大的清除作用．11日2時之后不再有雨量記錄,空氣濕度不斷下降,到11日15時相對濕度減少為60%,這段時期受較大風(fēng)速的影響,地面揚塵成為顆粒物的一個重要貢獻源[16],PM2.5和PM10濃度又呈現(xiàn)上升趨勢．從圖1和圖2可以看出,11日白天并未出現(xiàn)9—10日那樣明顯的時段性峰值,主要受風(fēng)速增大和濕度持續(xù)降低影響,地面揚塵成為了顆粒物的主要來源[17]．

圖1 PM2.5濃度變化曲線

圖2 PM10濃度變化曲線

圖1和圖2顯示PM2.5和PM10的濃度變化趨勢基本是一致的,2種不同粒徑的顆粒物應(yīng)有較好的相關(guān)性．未受冷空氣影響情況下,Shapiro-Wilk檢驗麓湖、公元前、海珠寶崗、天河城、番禺市橋、蘿崗鎮(zhèn)龍的PM2.5、PM10時序濃度都能同時滿足正態(tài)分布,采用Pearson積矩相關(guān)系數(shù)進行分析,其余4個監(jiān)測點應(yīng)用Spearman秩相關(guān)系數(shù)進行分析．同理對冷空氣過境后的顆粒物濃度開展正態(tài)性檢驗,計算相應(yīng)的相關(guān)系數(shù),具體結(jié)果見表1．

表1 PM2.5和PM10的相關(guān)性分析

注:標(biāo)*的在0.05水平上顯著相關(guān),其余在0.01水平上顯著相關(guān)．

從表1可以看出,PM2.5和PM10有較好的相關(guān)性,冷空氣來臨前PM2.5與PM10之間的比值位于0.62～0.83,冷空氣過境后比值范圍是0.63～0.86,無明顯影響．Jim研究高雄PM2.5/PM10=0.62,Wang研究南京PM2.5/PM10=0.72～0.83,Shi研究北京PM2.5/PM10=0.68,與本研究結(jié)果沒有明顯的差異[20-22]．另外,未受冷空氣影響PM10的時序數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布,受冷空氣影響后變?yōu)榉钦龖B(tài)分布,對于10個站點的觀測結(jié)果基本一致,冷空氣對PM2.5的濃度分布則無定向影響．

2.2 冷空氣前后SO2的污染特征及變化規(guī)律

圖3給出了SO2從9日9時到11日20時廣州各站點的監(jiān)測濃度變化情況．城市大氣SO2的主要來源是燃煤,夜間基本無工業(yè)生產(chǎn),鍋爐廢氣排放量很少,大氣SO2濃度在凌晨3時前后出現(xiàn)低值．日出前后,由于工業(yè)燃煤、城市居民炊事等排放廢氣量增大,此時大氣邊界層相對穩(wěn)定,逆溫現(xiàn)象導(dǎo)致污染物難于擴散,SO2濃度在早上7—8時出現(xiàn)峰值．9時后逆溫逐漸消除,溫度升高,風(fēng)速增大,氣象條件有利于污染物稀釋擴散,SO2濃度持續(xù)降低．安俊琳研究北京大氣SO2變化規(guī)律也得到類似結(jié)論[12]．由于10日晚受冷空氣影響,SO2由20時平均0.015 mg/m3降到23時0.007 mg/m3,按照孫揚的觀點,風(fēng)速對SO2濃度降低起到了至關(guān)重要的作用[23],風(fēng)速越大越有利于SO2擴散．冷空氣過境后,大氣穩(wěn)定層結(jié)被破壞,廣州10個監(jiān)測點的觀測濃度波動性減小,區(qū)域差異趨于一致,基本維持在0.01 mg/m3,11日早上7—8時也不再出現(xiàn)高濃度值．

2.3 冷空氣前后NO2、CO的污染特征及變化規(guī)律

城市大氣NO2、CO主要來源于機動車尾氣,由于存在共同的污染源,這2種污染物的變化規(guī)律有一定的相似特征．根據(jù)觀測數(shù)據(jù),其日變化呈現(xiàn)雙峰雙谷型,李令軍研究北京大氣NO2濃度、薛敏研究北京大氣CO濃度都有類似變化特征[6-7]．高濃度一般出現(xiàn)在上午9時、傍晚19時,低濃度一般出現(xiàn)在下午15時、凌晨3時．由于氣態(tài)污染物排入大氣中直至混合均勻被監(jiān)測到需要一定時間,其濃度峰值相對車流量高峰期有一定滯后．凌晨車流量很少,出現(xiàn)低濃度值也是合理的．至于15時的谷值恰好與O3的高濃度形成反差,表明NO2、CO參與了光化學(xué)反應(yīng),作為前體物而消耗,Mckeen指出CO、NOx、CH4的光化學(xué)反應(yīng)過程是大氣O3污染濃度增大的主要途徑[24]．

冷空氣對NO2有一定的清除作用,由20時平均0.05 mg/m3降到23時0.03 mg/m3．雖然風(fēng)速增大對NO2濃度降低起到了一定作用,但由于機動車尾氣對大氣NO2的貢獻很大[25],11日上午9時和19時又出現(xiàn)了一個較小的波峰．圖5顯示9日夜間至10日凌晨CO濃度較為穩(wěn)定,到10日夜間冷空氣過后CO濃度非但不降反而增大,由于其難溶性,降水是難于清除CO的．梁寒指出CO濃度升高一般都處于不利于污染物擴散的氣象條件下[26],但根據(jù)中山大學(xué)大氣探測實驗室的觀測結(jié)果,本次冷空氣過境后廣州的氣象條件是有利于污染物擴散的．李明香研究表明冷鋒過境,高壓形勢場較強,地面北風(fēng)大,水平輻射能力強,大氣擴散能力也強,不易造成污染[27]．由于研究時段正值冬季稻收獲季節(jié),農(nóng)村地區(qū)存在燃燒秸稈現(xiàn)象．引用南京大學(xué)大氣科學(xué)系的研究結(jié)果,華北、四川、廣東等是燃燒生物質(zhì)排放CO較多的地區(qū),近地面CO濃度明顯受到生物質(zhì)燃燒的影響[28]．李陽研究也發(fā)現(xiàn)秸稈燃燒期CO濃度明顯高于平常時期,兩者比值位于1.4～3.2[29]．故本研究推斷冷空氣將廣州以北地區(qū)燃燒生物質(zhì)排放的CO攜帶過來,一度造成本地10個站點的監(jiān)測濃度增大．

圖3 SO2濃度變化曲線

圖4 NO2濃度變化曲線

由于這2種污染物存在同源性,以往文獻有學(xué)者探討CO和NOx之間的關(guān)系,并計算其比值,得到一些規(guī)律．安俊琳發(fā)現(xiàn)CO和NOx濃度日變化非常相似,NOx/CO基本維持在0.02～0.05[12]．李陽計算CO和NOx的線性相關(guān)系數(shù)為0.61,通過0.01顯著性檢驗,固城和北京的CO/NOx分別為12.0和9.5[29]．Parrish計算美國Denver-Boulder地區(qū)CO/NOx=10[30],Gregory計算香港地區(qū)CO/NOx=3[31],表明存在明顯的區(qū)域性差異．本研究分析廣州市NO2和CO的相關(guān)性并計算其比值范圍,同樣對冷空氣前后的時序數(shù)據(jù)進行W檢驗,由于這2種污染物在各站點的監(jiān)測濃度都有不同的檢驗結(jié)果,根據(jù)其實際情況選擇相應(yīng)的Pearson系數(shù)或者Spearman系數(shù),見表2．

圖5 CO濃度變化曲線

表2NO2和CO的相關(guān)性分析

Tab.2 The correlation between NO2and CO

未受冷空氣影響Pearson積矩相關(guān)Spearman秩相關(guān)NO2/CO受冷空氣影響后 Pearson積矩相關(guān)Spearman秩相關(guān)NO2/CO 花都城區(qū)0.7720.060.163?0.02 麓湖0.6580.08-0.192?0.03 公元前0.5910.11-0.028?0.06 荔灣西村0.5570.07-0.292?0.03 海珠寶崗0.5470.070.044?0.03 海珠赤沙0.7810.05-0.040?0.03 天河城0.5260.100.144?0.04 黃埔大沙地0.7030.06-0.034?0.02 番禺市橋0.8800.04-0.272?0.02 蘿崗鎮(zhèn)龍0.4930.060.257?0.01

注:標(biāo)*的相伴概率大于0.05,其余在0.01水平上顯著相關(guān)．

從表2可以得出,冷空氣到來之前,NO2和CO都有較好的相關(guān)性,與以往研究文獻是一致的．廣州大氣NO2/CO=0.04～0.11,也即CO和NO2之間的比值在9～25范圍,與前述部分學(xué)者的計算結(jié)果也有交集．受冷空氣影響,NO2/CO出現(xiàn)大幅度下降,檢驗結(jié)果已經(jīng)沒有了相關(guān)性,甚至部分監(jiān)測點一度出現(xiàn)NO2濃度減小、CO濃度增大的情況,表明污染物的來源發(fā)生了變化,因此前面推斷冷空氣過后CO濃度增大是受到了廣州以北地區(qū)生物質(zhì)燃燒的影響,也有一定的合理性．

2.4 冷空氣前后O3的污染特征及變化規(guī)律

O3作為大氣污染物是在城市光化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的,從圖6可以分析其日變化呈現(xiàn)單峰特征．從白天11時濃度開始急劇上升,一直到15時出現(xiàn)最高濃度,然后下降,到凌晨5時出現(xiàn)谷值．以往研究文獻都得到同樣的結(jié)論[11,32],也有部分學(xué)者研究得到O3濃度最大值出現(xiàn)在午后14時[33-34]．中午到下午這段時間光照輻射強烈,溫度高,NO2受到光解,發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)．由于CO、CH4等前體物的存在消耗了氧原子與水汽反應(yīng)生成的OH自由基,導(dǎo)致反應(yīng)持續(xù)進行下去,大氣中的O3和其他二次污染物濃度升高．因為O3的難溶性,降水基本無清除作用,冷空氣在夜間過境對大氣O3濃度影響較小．但由于11日云量增多,到達近地面的陽光輻射強度有所減小,氣溫下降,光化學(xué)反應(yīng)相對10日同期減弱,O3波峰趨于平緩．W檢驗冷空氣前后十個監(jiān)測點的O3時序濃度基本一致不符合正態(tài)分布．

圖6 O3濃度變化曲線

基于以往研究都有提到O3與CO、NO2有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[32-33],從大氣化學(xué)角度考慮,CO、NO2作為光化學(xué)反應(yīng)的前體物,對于O3生成確實起到了重要作用．本研究同樣分別對O3與CO、NO2進行相關(guān)性分析,結(jié)果見表3和表4．

在冷空氣來臨之前,多數(shù)監(jiān)測點的檢驗結(jié)果都說明O3與CO、NO2存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系．少數(shù)監(jiān)測點出現(xiàn)異常情況主要與局部氣溫、相對濕度、光照等條件差異有關(guān)．在光化學(xué)反應(yīng)時間段O3/CO基本維持在0.06～0.12,O3/NO2大多位于1～2范圍內(nèi)．受冷空氣影響后,11日云量增多,溫度下降,光化學(xué)反應(yīng)減弱,較多監(jiān)測點出現(xiàn)O3與NO2相關(guān)性不顯著的情況．由于CO受其他因素影響已出現(xiàn)濃度增大的異常情況,本研究不再評述冷空氣過后CO與O3的相關(guān)性．

3 結(jié) 論

(1)PM2.5、PM10在常規(guī)氣象條件下一天出現(xiàn)2次峰值2次谷值,高濃度出現(xiàn)在上午8—9時和下午17—18時,低濃度出現(xiàn)在中午12—13時和凌晨0—1時．PM2.5和PM10的相關(guān)性顯著,冷空氣來臨前PM2.5/PM10位于0.62～0.83,冷空氣過境后比值是0.63～0.86．冷空氣對PM2.5和PM10都有較好的清除作用,未受冷空氣影響PM10的時序數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布,受冷空氣影響后變?yōu)榉钦龖B(tài)分布．

(2)大氣SO2受氣象擴散條件影響較大,其濃度在早上7—8時出現(xiàn)峰值,凌晨3時前后出現(xiàn)谷值．冷空氣過境后,良好的氣象條件對SO2有明顯的清除作用,日變化趨于平緩．

(3)NO2、CO濃度日變化呈現(xiàn)雙峰雙谷型,高濃度出現(xiàn)在上午9時和傍晚19時,低濃度出現(xiàn)在下午15時和凌晨3時．NO2和CO的相關(guān)性顯著,NO2/CO位于0.04～0.11．冷空氣對NO2有一定的清除作用,對于出現(xiàn)CO濃度增大的異常情況,推斷冷空氣將廣州以北地區(qū)燃燒生物質(zhì)排放的CO攜帶過來,一度造成本地10個站點的監(jiān)測濃度增大．

表3 O3和CO的相關(guān)性分析

注:標(biāo)**的相伴概率大于0.05,標(biāo)*的在0.05水平上顯著相關(guān),其余在0.01水平上顯著相關(guān)．

表4 O3和NO2的相關(guān)性分析

注:標(biāo)**的相伴概率大于0.05,標(biāo)*的在0.05水平上顯著相關(guān),其余在0.01水平上顯著相關(guān)．

(4)O3濃度日變化呈現(xiàn)單峰特征,從白天11時濃度開始急劇上升,一直到15時出現(xiàn)最高濃度,然后下降,到凌晨5時出現(xiàn)谷值．冷空氣在夜間過境對大氣O3濃度影響較小,冷空氣前后O3時序濃度都不符合正態(tài)分布．O3與CO、NO2存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,在光化學(xué)反應(yīng)時間段O3/CO基本維持在0.06～0.12,O3/NO2大多位于1～2．

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