金华市四类气态污染物及细颗粒物PM10的污染特征分析

浙江师范大学地理与环境科学学院 严婷婷，胡文韬，陈晶晶，刘萍萍，郭婷

随着金华城市化进程的不断推进和经济的快速发展，大气污染问题日益严重，金华作为浙中地区最重要的交通枢纽，发达的道路交通带来车流量的日益增加，大量的汽车尾气直接排放到大气中，会导致气态污染物的大量产生。依据新的空气质量标准，金华市2013年1至12月空气质量优良率仅为57.1%。在超标的154d中，首要污染物为细颗粒物(PM2.5)的天数118d，占75.2%，首要污染物为臭氧的天数为41d，占26.1%；金华市2014和2015年的空气质量优良率分别为65.4%和79.4%[1]；相比而言，金华市空气质量逐年改善，但大气污染仍然不容忽视。项成龙等[1]指出，金华市2013年大气污染源SO2排放总量约为3.83万t，NOx约为7.75万t、CO约为12.50万t、PM10约为4.10万t，PM2.5约为1.88万t、VOC约为7.66万t、NH3约为2.63万t。毛敏娟等[2]指出，浙江省SO2浓度呈冬秋春夏依次降低的季节性变化规律。冬季SO2浓度都较高主要是冬季大气扩散条件比较差。徐冰烨等[3]指出，浙江省内PM10为城市大气中首要污染物，NO2污染负荷呈显著上升趋势，表明浙江省城市空气污染特征逐渐从煤烟型污染过渡到机动车尾气型污染。根据国家环保部公布的数据，金华市区2014年PM2.5年均浓度为64ug/m3，超过国家环境空气质量二级标准（35ug/m3）85%，2015年PM2.5年均浓度为54ug/m3，超过国家环境空气质量二级标准（35ug/m3）54.3%[3]。进一步削减大气污染物浓度，改善空气质量是金华市环保管理的一项重要任务。

目前对金华市气态污染物的研究较少，尚未见到对上述4种基本气态污染物全年污染特征及日变化特征的全面研究。本文重点探究了金华市 SO2、NO2、CO、O3的浓度水平、季节变化和日变化特征，以及PM10的日变化特征和与气态污染物之间的相关性，并探讨交通尾气排放对气态污染物浓度的影响，以期为进一步掌握金华城区大气污染状况和后续的治理措施提供了重要的依据。

一、实验部分

（一）区域特征

金华市位于浙江省的中部，为省辖地级市，界于东经119。14′至 120。46′30′′, 北纬 28。32′至29。41′，长江三角洲中心区的一个重要城市，地处金衢盆地东段，地势南北高、中部低。为亚热带季风气候,四季分明，雨量、雨日偏少，日照偏多，常年平均气温为18.9℃，相对湿度66.7%。

（二）数据来源与监测点位

本文涉及的大气污染物浓度数据均来自中国环境监测总站（http://www.cnemc.cn/）,包括了2019年至2020年金华监测中心站监测点、武警支队监测点和金华十五中监测点的细颗粒物PM10、SO2、NO2、CO、O3小时浓度和O3浓度的8小时平均值（O3-8）。表1为三个金华城区空气自动监测子站站点名称及位置。

表1 金华城区空气自动监测子站站点名称及位置

（三）数据处理方法

本文以金华市冬季2019年12月1日至2020年1月30日；夏季2020年7月1日至2020年8月30日，三个大气自动监测点子站各大气污染物2h浓度均值为基础，研究大气污染物的日变化特征和相关性。

对 PM10、SO2、NO2或 CO，各监测点的日均值浓度为当天小时浓度的算术平均值；O3用浓度的日最大8h平均值（O3-8hmax）代表各监测点的O3日均浓度水平。

二、结果与讨论

（一）大气污染物的日变化特征

（1）SO2、NO2、CO 和 O3的日变化和季节变化特征

NO2的浓度在冬夏两季的早晨8时和午后（20时至22时）有两个峰值（图1a），呈现出“双峰”，冬季早晨的峰值不显著。NO2浓度在日出后逐渐升高，并在8时左右出现一个高峰，夏季峰值较冬季明显，这与上班早高峰重合；早高峰过后，随着车流量减少，NO2浓度开始降低并出现谷值；而且午后空气流动性强，太阳辐射强烈，NO2在光照的作用下，和OH自由基之间的气相反应明显，NO2转化为NO3-[6]，傍晚6时后，晚高峰造成的汽车尾气排放，导致NO2浓度再次上升并形成高峰。且夏季NO2的浓度比冬季NO2的浓度低很多，因为夏季光照强烈，光化学反应剧烈，NO向NO-23转化量大。

O3的浓度曲线（图1c）中有一个“单峰”，峰值出现在下午16时。从早晨8时，O3浓度开始上升，因为，日出后，光化学反应会有所增加。研究表明，太阳辐射强度是影响O3浓度变化特征的主要因素[7]。下午16时，O3达到峰值后开始降低，而NO2浓度开始升高，这与NO2呈负相关。城市中的臭氧主要是其前体物NOx、CO和VOCs等在一定的气象条件下形成的[8]。

CO浓度呈现“双峰”现象（图1d），浓度水平在空气中整体的浓度含量较低，主要是来自工业过程与汽车尾气，是移动源和固定污染源的双重指示物[9]。因此，CO的浓度日变化与NO2和SO2存在相似之处。CO的浓度在日出后升高，并逐渐到达峰值，主要是受到机动车尾气与工业过程的双重影响；随着工业排放对CO的贡献趋于稳定，午后CO浓度逐渐降低，并达到谷值，在傍晚18：00的晚高峰时，CO浓度有一些回升，再次出现一个峰值。

SO2的日变化在各季节均呈“双峰”（图1b），SO2浓度在日出后，逐渐开始上升，于正午前10时左右出现一个峰值，这主要是受工业生产中燃料燃烧排放的影响[10]；午后，太阳辐射有所减弱，但是大气及地面的累积温度升高，局部温差增大，导致空气的流动性增强，有利于大气污染物SO2的扩散，使SO2浓度降低；傍晚，由于一部分企业停止工业生产排放，SO2浓度出现较低值；日落后，大气边界层趋于稳定，SO2浓度有所回升。

图1 气态污染物日变化浓度曲线图

总体来说，NO2、SO2、和CO浓度都在冬季最高。而O3浓度在冬季最低。NO2、SO2、和CO这三种气态污染物，在浓度趋势上，具有一致性。都在早晨6：00-8：00开始上升，并出现一个峰值，O3和NO2受光照影响大，光照强时，光化学反应显著，NO2向NO3-转化，且光化学反应生成O3；在傍晚至夜间再次出现一个峰值。冬季NO2、SO2、和CO浓度高，是因为冬季取暖过程的污染物排放量大，边界层降低，不利于污染物扩散，均促使气态污染物浓度保持在一个较高的水平。NO2、SO2、和CO浓度整体在夏季都较低，夏季温度高，降水量大，雨水对这三种气态污染物都具有湿沉降清除作用。O3浓度与NO2、SO2、和CO这三种气态污染物浓度情况相反，在夏季浓度最高，秋冬季最低。因为夏季的太阳辐射剧烈，有利于光化学反应生成O3。

（2）PM10的日变化和季节变化特征

PM10选取季节差异大的两个季节冬季和夏季，图2中，冬季小时质量浓度最大值出现在22时，最小值出现在18时；夏季小时质量浓度最大值出现在22时，最小值出现在凌晨4时。总体上，PM10质量浓度呈现出夜间22时达到最高值，凌晨4时和12-18时出现最低值。说明大气中PM10在夜间22时的质量浓度最大，污染较严重，这与该区人为排放源和大气扩散条件日变化有较大的关系。而且夜间气温低，大气稳定度高，不利于污染物的扩散，导致了PM10的浓度夜间高于白天。

图2 PM10冬夏季质量浓度变化趋势图

（二）大气污染物的相关性分析

细颗粒物(PM10)与气态污染物 NO2、SO2、CO、O3的质量浓度之间存在一定的相关性，大气污染物与温度、湿度，以及太阳高度角也存在一定的相关性。本节内容应用SPSS软件，来研究颗粒物PM10、大气污染物和环境因素之间的相关性，得出其相关系数。因为冬季与夏季差异明显，主要分析了冬夏两季的线性相关关系，PM10与4种气态污染物、各环境因素之间的冬季相关性系数如表2所示，冬季相关性系数如表3所示。

表2 冬季相关性

表3 夏季相关性

由相关性系数可以看出，冬季细颗粒物PM10与气态污染物NO2、SO2、CO、O3均存在一定的线性相关，NO2、SO2、O3这三种气态污染物为正相关，而O3为负相关。而夏季，细颗粒物PM10与气态污染物NO2、CO、O3均呈正相关，与SO2相关性较小。因为O3在冬季浓度较低，而在夏季，随着太阳辐射增强，光化学反应明显，O3浓度较高，所以O3在冬季时与大气污染物呈负相关，在夏季时呈正相关，而且相关性较明显。SO2在冬季浓度较高，在夏季浓度较低，因为夏季企业因为高温，会暂停工厂的机器运转，工业排放降低；而且夏季雨量大，湿沉降明显，降低了大气种SO2浓度，从而降低了SO2与其他大气污染物的相关性。

太阳高度角在冬季与夏季和NO2、O3都具有强相关性，与NO2成负相关，而O3呈正相关，这与光化学反应有关联，太阳高度角越大，光照越强烈，促进光化学反应进行，NO2向HNO3(NO3-)的转化非常强烈，NO2和OH自由基的均相反应是硝酸在白天形成的主要途径。夏季，太阳辐射强烈，有利于生成O3的光化学反应的进行。温度与湿度对NO2、CO、O3都具有相关性，NO2向HNO3转化主要受温度的控制。CO和O3的产生和温湿度都有关。

三、结论

2018年金华市大气污染物NO2、SO2、和CO浓度全年中，普遍在冬季最高，夏季较低，而O3正好相反。气态污染物的时间分布受人为因素和气象因素的共同影响。

细颗粒物PM10、气态污染物NO2、SO2、CO、O3和气象因素等之间都具有一定的相关性。