2017～2019年武汉市空气重污染期及污染物二次转化分析

杨家鹏，黄碧捷，张茂荣，王一靖

(江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056)

1 引言

空气污染已成为限制我国城市实现健康发展的关键因素之一，尤其是当前我国部分中心城市较为频繁地出现季节性空气重污染状况。PM2.5和O3成为首要的空气污染物，并能促进SOx、NOx等其他空气污染物发生二次转化，产生硫酸根、硝酸根、铵根等二次无机离子，进而造成更大的空气污染危害。国内外众多学者从污染物浓度、气象条件、化学机理等方面对污染物的二次转化的特征及其成因进行了探索性研究。普遍认为因二次转化促成的空气重污染时期对人群健康和生态安全均带来了严重的危害，并且会显著影响人们在不同季节的舒适度[1]。二次转化后形成的无机离子在PM2.5中占比较大，例如：北京地区2013年重污染期间，硫酸根、硝酸根、铵根等无机离子占到了PM2.5中的40.29 %[2]。同时，二次转化存在一定的季节差异，冬季和春季更易发生[3]。转化后的离子还能与PM2.5中来源于机动车尾气、工业源、扬尘和燃料燃烧[4]的重金属离子发生反应，进一步加剧重污染天气。近5年来，我国研究者们对北京、西宁、南京、昆明、广州、郑州、石家庄、上海、天津等主要中心城市重污染时期及其污染物二次转化进行了大量的数据分析研究，力图揭示二次转化与重污染天气间的规律。然而，由于地域、天气状况、气候背景、污染物来源等皆有不同，还需要提供更多的样本数据。武汉市做为国家中心城市之一，随着大气攻坚计划和蓝天行动的实施，在空气质量不断好转的同时，还存在季节性的重污染天气状况。本文基于武汉市生态环境局实时发布的PM2.5、PM10等监测数据，以2017～2019年为例，判断武汉市城区典型的重污染时期，对重污染时期污染物的浓度以及二次指标的变化分析，可以更好地掌握重污染时期污染物二次转化的趋势，以期为该领域相关研究提供数据参考。

2 重污染时期判定及主要污染物危害

依据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633-2012)中的规定：对SO2、NO2、PM10、PM2.5等规定了重度污染浓度限值，本研究以PM2.5监测值持续24 h超过150 μg/m3时为重度污染，并且以重污染时段结束后2～4 d和发生前2～4 d的时间段内PM2.5的日平均浓度低于75 μg/m3时为清洁时段。按照此标准，2018年武汉市出现了4个典型重污染时期(含清洁时段)，分别是：1月1日～1月27日(时期1)；2月2日～2月20日(时期2)；11月15日～12月6日(时期3)；12月7日～12月30日(时期4)。将以上4个重污染时期的SO2、NO2、PM10、O3和PM2.5浓度变化绘于图1。武汉市重污染期绝大多数以PM2.5为首要污染物，4个时期PM2.5的平均浓度分别为：179 μg/m3、169 μg/m3、195 μg/m3和177 μg/m3；其相对应的清洁时段PM2.5平均浓度为：64 μg/m3、50 μg/m3、57 μg/m3和51 μg/m3。

图1 武汉市2018年重污染期主要污染物浓度(μg/m3)

PM2.5带来的浑浊状态是最直观的大气污染表现，颜色多为橙灰色或者偏黄色[5]，关于PM2.5污染带来的经济损失评估也是当前的热点研究内容之一，PM2.5对健康有明显影响，还会造成一定程度的经济损失[6]。SO2主要来源于含硫元素燃料的燃烧，长期暴露于高浓度SO2的空气中会导致呼吸系统疾病，并加重心脑血管疾病或弥漫性肺疾病[7]。此外，较高浓度SO2将限制植物的生长，甚至枯萎死亡[8]。NO2是形成光化学烟雾的主要因素，城区汽车尾气的排放是其重要的特征源。NO2有腐蚀和生理刺激性，对人体特别是儿童的肺部呼吸系统有危害[9]。O3污染比PM2.5污染更隐蔽，它不会造成空气污浊，在视觉和嗅觉上不容易被感知。其毒性主要体现在强氧化性上，对人的眼睛和呼吸道有刺激作用，对肺功能也有影响，可诱发哮喘。

3 二次转化趋势分析

将武汉市2018年二次转化特征指标PM10/PM2.5、NO2/SO2和O3/PM2.5的值列于表1。由表1可知：重污染时段的PM10/PM2.5均值比清洁时段低36.47%，这从侧面表明二次转化形成的PM2.5的激增是重污染时段形成的重要原因之一。黄凡[10]等的研究也发现武汉市冬季的气象条件较稳定，湿度高有利于二次离子的转化呈现PM2.5的污染特征。交通移动源和燃煤源对污染的贡献率通常可用NO2/SO2来表示[11,12]。NO2/SO2均值在重污染时段和清洁时段差距不明显，整体而言，重污染时段时，SO2二次转化的趋势和量较NO2更强，武汉市2018年燃煤源相比交通移动源对重污染的贡献度更大。重污染时段O3/PM2.5均值是清洁时段的0.37倍，相较于1/PM2.5均值倍数0.31增加了近20%，这也从另外角度说明在重污染时段O3生成潜势增加，污染物二次转化趋势增强。

表1 武汉市2018年二次污染转化特征指标

4 前后年份相关分析

以同样的研究方法对2017年和2019年武汉市城区的二次转化特征指标进行了分析，将PM10/PM2.5、NO2/SO2、O3/PM2.5值分别列于表2和表3。武汉市2017年和2019年重污染时期分别为6个和3个，无论是从重污染时期数还是实际污染天数都呈现依次降低的趋势。值得关注的是：2017年和2019年的NO2/SO2倍数均值分别为0.77和0.86，交通移动源对二次转化的作用大于2018年，呈现波动的趋势。

表2 武汉市2017年二次污染转化特征指标

表3 武汉市2019年二次污染转化特征指标

2017年和2019年O3/PM2.5的倍数，相较于1/PM2.5均值倍数都增加了近20%，这点与2018年几乎一致。这既表明在重污染时段O3生成潜势增加，污染物二次转化趋势增强，也似乎暗示着O3转化趋势在同一地域保持相对稳定的数值，值得进一步跟踪调查及深入研究。

5 结论与展望

2017年以来开展的大气重污染成因与治理攻关项目，PM2.5源解析在我国35个城市中有效开展，已证实燃煤、扬尘、机动车、秸秆焚烧都是PM2.5的重要来源。在空气重污染时期，二次转化相较于一次排放贡献更大。PM2.5的二次转化的微观机理十分复杂，硝酸盐、硫酸盐、铵盐和二次有机物等组分快速生成助推了PM2.5爆发式增长，不同时段、不同城市和不同气象条件下，各二次组分增长的贡献不同。武汉市2017～2019年空气质量不断好转，重污染时期及其持续时间逐渐减少，重污染时段较清洁时段，PM2.5浓度分别上升2.45倍、2.23倍和1.86倍，值得关注的是虽然同期O3/PM2.5的比值逐年上升，但是O3二次转化的趋势相对稳定，这从另一个角度也说明了PM2.5和O3协同处置的重要性。NO2、SO2二次转化变化趋势较为波动，武汉市在燃煤源和交通源的大气污染物控制上都应引起重视。