成都市降水对大气污染物的清除效果分析

曹 杨, 刘炜桦, 王晨曦, 赵晓莉, 孙晓光, 杨景朝

1.四川省气象灾害防御技术中心, 四川 成都 610072 2.中国气象局大气探测重点开放实验室, 四川 成都 610225 3.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 四川 成都 610072

随着经济快速发展和城市化进程加快，城市空气污染问题日益严峻，严重影响生态环境以及人们的生活和健康，引起了社会的广泛关注[1-4]. 对城市空气质量变化趋势[5-7]、污染物来源[8-10]和影响因素[11-14]等进行分析，已经成为当今大气污染防治的研究热点. 研究[15-18]表明，大气污染物浓度的高低不仅与污染源的排放有关，也受气象条件的影响. 在一定时期内，当污染源排放相对稳定时，气象条件是影响大气污染物扩散和沉降的重要因素，不利的气象条件会导致污染物浓度升高，而有利的气象条件会降低其浓度[19-22]. 降水是影响大气污染物浓度的主要气象要素之一，其主要影响大气污染物的湿清除过程，维持着大气中污染物的源、汇平衡和大气自清洁[23-26]. 周彬等[27]分析了无锡市降水对气溶胶颗粒物的清除效果，发现其清除作用随雨强、降水持续时间和降水总量的增加而增大，并与降水前颗粒物浓度关系密切. 刘星等[28]分不同等级比较了夏季和秋冬季降水对大气污染物的清除效果. 王妮等[29]分析了重庆市城区夏季降水对大气污染物的清除作用，并分不同日降水强度、日降水时长和累积降水量比较降水对PM2.5、PM10、NO2、O3、CO、SO2的清除效果.

成都市位于成都平原中部，平均海拔500 m，东界龙泉山脉，西靠龙门山脉，地形闭塞，大气的水平流动减弱，地面风速小，静风比例高，气候上属亚热带湿润季风气候，空气湿度大[30-31]. 受其特殊地形和气候条件影响，大气污染物扩散缓慢，主要靠降水的冲刷和清除作用去除大气污染物. 此外，如何降低重污染天气过程中污染物浓度也是目前的关注热点之一，很多部门希望通过人工降雨等方式达到净化空气的目的，但是针对各区域降水过程对污染物清除作用的大小，还需要系统的分析. 调查发现，成都市关于降水对大气污染物清除作用的系统分析较为鲜见，因此该研究利用成都市有资料以来(2014年5月13日—2017年12月31日)的逐小时ρ(PM2.5)、ρ(PM10)、ρ(NO2)、ρ(O3)、ρ(CO)、ρ(SO2)监测数据和同时期降水量数据，分析了降水前污染物质量浓度、小时最大降水量、降水持续时间和累积降水量对大气污染物清除效果的影响，以期为区域大气污染防治、人工干预和人工清除提供参考.

1 资料与方法

1.1 资料来源

大气污染物质量浓度监测数据来源于中国环境监测总站2014年5月13日—2017年12月31日成都市空气质量指数(AQI)逐小时ρ(PM2.5)、ρ(PM10)、ρ(NO2)、ρ(O3)、ρ(CO)、ρ(SO2)数据. 该研究中所用环境监测站为金泉两河国控站，位于成都市市区(30.72°N、103.97°E)，地势平坦，附近无明显的工业污染源；降水量数据来源于成都市温江国家基准气候站(30.75°N、103.87°E)同时期的逐小时地面气象观测数据，该站与金泉两河国控站的直线距离约10 km(见图1).

注： 1、2、3、4、5为成都市五城区，6为成都市高新区.图1 成都市环境监测站及气候观测站点分布位置Fig.1 Distribution map of environmental monitoring station and climate observation station of Chengdu City

1.2 研究方法

一次清除过程按提取降水过程进行分析，以第一次出现0.1 mm以上降水量作为降水过程的开始，最后一次出现0.1 mm以上降水量作为降水过程的结束，若中间中断时间不足5 h，则作为一次降水过程进行处理. 选取降水过程开始前3 h的大气污染物平均质量浓度和降水过程结束后3 h的大气污染物平均质量浓度作为一次降水过程清除前污染物的质量浓度和清除后污染物的质量浓度[27]. 降水对大气污染物的清除率计算公式

RF=(Pb-Pa)Pb×100%

(1)

式中：RF为污染物的清除率，%；Pb、Pa分别为降水前、降水后污染物质量浓度，ρ(PM2.5)、ρ(PM10)、ρ(NO2)、ρ(O3)、ρ(SO2)单位为μgm3，ρ(CO)的单位为mgm3. RF>0为正清除过程，表示降水对大气污染物起清除作用；RF<0为负清除过程，表示降水对大气污染物没有清除作用，反而促使大气污染物质量浓度升高，这可能与降水时湿度增加，大气污染物吸湿增长导致二次反应加剧有关；RF=0为零清除过程，表示降水对大气污染物无影响.

n次过程的平均清除率计算公式

(2)

受地形和气候条件影响，四川盆地的主要降水时段为5—9月，将该时段作为汛期，10月—翌年4月作为非汛期，分时段分析降水对大气污染物的清除效果. 统计分析时段内402次降水过程，其中，汛期248次，非汛期154次. 非汛期的小时最大降水量主要分布在0～5 mm，汛期主要分布在0～40 mm；非汛期的累积降水量主要分布在0～20 mm，汛期主要分布在0～80 mm；汛期和非汛期的降水持续时间均在0～40 h有分布.

2 结果与讨论

2.1 清除率与降水前污染物质量浓度的关系

周彬等[27]研究发现，降水前污染物质量浓度与降水后污染物质量浓度呈正相关，可利用线性方程拟合汛期和非汛期6种污染物降水前和降水后质量浓度关系：

Pa=a×Pb+b

(3)

RF=[(1-a)×Pb-b]Pb×100%

(4)

式中，a、b为污染物拟合方程的系数，取值见表1.

汛期和非汛期6种污染物降水前质量浓度与清除率的关系如图2所示. 由图2可见：清除率与6种污染物降水前质量浓度变化趋势较一致. 降水前污染物质量浓度较低时，降水对大气污染物的清除效果不好，出现较多负清除过程，随着降水前污染物质量浓度的增加，负清除过程逐渐减少；当降水前污染物质量浓度较高时，降水对大气污染物起明显的清除作用. 同时，汛期降水对大气污染物的清除率大于非汛期降水，并且汛期和非汛期6种污染物降水前质量浓度与清除率的关系趋势较一致.

表1 汛期和非汛期降水前、后污染物质量浓度的拟合方程系数及RF=0时降水前污染物平均质量浓度

注： 1) 单位为μgm3; 2) 单位为mgm3.

由图2和表1可见：随降水前污染物质量浓度增大，负清除过程逐渐减少. 从降水前污染物质量浓度与清除率的关系线来看，每种污染物的清除率变为正值时对应的降水前污染物质量浓度不同；此外，6种污染物的清除率增幅大小依次为ρ(SO2)、ρ(O3)、ρ(NO2)、ρ(PM2.5)、ρ(PM10)、ρ(CO). 邹长伟等[32-33]研究发现，随降水前污染物质量浓度的增大，6种污染物清除率增长幅度不同的原因是降水对气态污染物和气溶胶颗粒物的作用机制不同，对颗粒物的清除主要是通过惯性碰撞、布朗运动等机制碰并气溶胶颗粒物，而对气态污染物主要是通过雨水的吸收作用进行清除，几种气态污染物在水中的溶解性存在差异，其中SO2在水中的溶解度最好，而CO不易溶于水.

2.2 清除率与小时最大降水量的关系

根据2.1节的分析，降水前污染物质量浓度较低时，降水对污染物的清除效果不佳，为了避免该影响，统计不同小时最大降水量对污染物的平均清除率时，

注： 红色和黑色实线为散点拟合线.图2 汛期和非汛期6种污染物降水前质量浓度与清除率的关系Fig.2 Relationship between six pollutants concentration before precipitation and scavenging effect of rainy season and off rainy season

表2 不同小时最大降水量对大气污染物平均清除率

综上，不同小时最大降水量对6种污染物的平均清除率大小顺序依次为PM2.5、SO2、PM10、O3、NO2、CO，其原因与降水对气态污染物和气溶胶颗粒物的作用机制不同以及气态污染物在水中的溶解度不同有关[32-33].

2.3 清除率与累积降水量的关系

2.4 清除率与降水持续时间的关系

表3 不同累积降水量对大气污染物平均清除率

表4 不同降水持续时间对大气污染物平均清除率

和对气态污染物的溶解作用不够，平均清除效率较小；O3的清除率相对于其他几种污染物偏大，原因是降水发生时，不利于O3的光化学反应，且降水对O3前体物的清除会影响O3生成. 综上，随着降水持续时间的增大，降水对污染物的冲刷和溶解足够充分，对污染物的清除作用增大.

3 结论

a) 降水对6种污染物的清除率与降水前污染物质量浓度的关系变化趋势比较一致，降水对大气污染物的清除率随降水前污染物质量浓度的增加而增大，且汛期降水对大气污染物的清除率大于非汛期降水.

b) 降水对大气污染物起正清除作用，当降水持续时间小于2 h时，对气溶胶颗粒物的冲刷作用和对气态污染物的溶解作用不够，因此平均清除效率较小，但随降水持续时间的增加，PM2.5、PM10、NO2、O3、CO、SO2的清除率逐渐增大.

c) 不同降水量对不同污染物的清除效果不同，对PM2.5、PM10、NO2、CO和SO2的清除率随降水量的增加逐渐增大，对O3的清除效果影响较小，主要是因为降水发生时，云量一般较多，云层会吸收太阳辐射，不利于O3的光化学反应，且降水会清除O3前体物，影响O3生成；小时最大降水量对PM2.5、PM10、NO2、O3、CO、SO2的清除率平均值分别为29.48%、26.95%、22.02%、26.87%、11.94%、28.75%，累积降水量的清除率平均值分别为31.64%、30.66%、24.38%、26.31%、13.89%、32.91%，其中CO不易溶于水，降水对其清除作用明显小于其他几种污染物.

d) 降水对大气污染物的清除能力除了与降水有关外，还与污染物本身特性有关，降水对气态污染物和气溶胶颗粒物的作用机制不同，且气态污染物在水中的溶解度也不同，降水对PM2.5、PM10和SO2的清除效果较好，对CO的清除效果较差，主要是因为SO2在水中的溶解度最大，而CO不易溶于水.