北京市典型社区空气污染物变化特征分析

马淑敏,辛学兵,裴顺祥,法 蕾,郭 嘉,吴 迪

(中国林业科学研究院华北林业实验中心,北京 102300)

随着我国经济的迅速发展、城市群的不断扩张,大气污染物排放量增大,由此导致的大气环境污染问题受到人们越来越多的关注。大气污染不仅对生态环境、气候产生直接或间接影响,而且严重影响人们的生活和身体健康[1-3]。流行病学研究证明,大气污染与人类很多疾病直接或间接相关,如呼吸系统疾病、心脑血管疾病、免疫系统疾病甚至癌症,其中SO2和NO2能够造成酸沉降污染,对人体的呼吸系统产生危害;O3对人体的肺功能和呼吸道造成危害,同时对人们的心理健康也产生不良影响[4-7]。诸多研究表明空气污染物受气象因素如温度、风速、相对湿度、降水量、风向等影响。北京市作为我国政治、文化和国家交流中心,大气污染极大地影响首都国际大都市形象,已经引起北京市市委、市政府和社会各界相关人士的广泛关注[8-12]。目前城市公园内、城市内部主要道路旁边、绿地内基本建立了大气污染物长期定位监测站,其大气污染物的变化特征研究比较系统,但社区空气质量监测较缺乏,导致社区大气污染物变化特征并不清楚。社区是城市内居民生活的主要场所,其空气质量对居民的生活和健康影响很大。基于此,研究选取了北京市典型居民区——北京市门头沟区葡东社区,分析该社区内主要大气污染物SO2(二氧化硫)、NOX(NO和NO2)、O3(臭氧)、CO(一氧化碳)的变化规律,并评价居住区内的空气质量特征,为大型城市建设宜居社区提供了理论依据,也为社区居民户外休闲娱乐、体育锻炼的适宜时间段提供了参考和指导。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

大气污染物固定监测站位于北京市门头沟区葡东社区中部绿地(39°55′21.51″N,116°06′46.20″E),海拔100 m,该社区为门头沟典型社区之一。葡东社区共有住户950户,常住人口4 000人左右,气候为北温带半湿润大陆性季风气候,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,年降水量650.4 mm,降水主要集中在6—9月,年蒸发量1 890.8 mm,无霜期216 d。

1.2 数据来源

研究所用空气质量数据来自于全自动固定空气质量站实测数据,空气质量站内仪器均由美国赛默飞世生产,其中SO2监测采用43i-TLE型痕量SO2分析仪,NOX监测采用42i-TLE型痕量NO-NO2-NOX分析仪,CO监测采用48i-TLE增强型痕量CO分析仪,O3监测采用49i型O3分析仪,数据均为小时数据。研究所用气象及大气污染物数据为2017年8月1日—2018年7月31日。

1.3 数据处理

四季划分:按照气象学定义,3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12月—次年2月为冬季。

数据异常处理:利用拉伊达准则对异常数据进行校验。大气污染物数据发现负值直接剔除,此外仪器校准全天数据也直接剔除,剩余数据作进一步分析。每项大气污染物共计8 760条数据,平均数据剔除率小于5%,即有效数据大于8 300,剔除后不会对研究结果造成影响。

数据处理方法:研究采用Excel 2010(Microsoft,USA)、SPSS 16.0(IBM,USA)软件对数据进行异常值剔除及相关统计分析,采用Sigma Plot 10.0(Systat Software Inc.,USA)软件作图;采用单因素方差分析剖析供暖季与非供暖季之间大气污染物的差异性。

2 结果与分析

2.1 污染物日变化特征

将春、夏、秋、冬季每日同一时间观测数据平均,得出每小时的平均数据并绘制O3、SO2、NO、NO2、CO、NOX大气污染物日变化曲线,如图1所示。

图1 大气污染物日变化曲线特征Fig.1 Diurnal variation characteristics of atmospheric pollutants

由图1可知,NO、NOX的日变化曲线均为双峰型且峰值出现时间大致相同,2个峰值分别出现在7:00—8:00和20:00—23:00。NO冬季峰值最大,2个峰值分别为17.03×10-9和12.23×10-9,NOX春季峰值最大,2个峰值分别为41.50×10-9和42.42×10-9;O3、SO2、NO2日变化曲线均为单峰型,O3峰值出现在15:00—16:00,夏季15:00峰值最大,为67.93×10-9;SO2峰值出现在11:00—17:00,不同季节峰值出现具体时间不同,冬季16:00峰值最大,为3.72×10-9;NO2峰值出现在20:00—23:00,春季22:00峰值最大,为33.58×10-9;CO日变化曲线无明显规律。

2.2 污染物逐月和季变化特征

对观测点主要大气污染物8月—次年7月的月均值变化进行分析,结果如图2所示。

由图2可知,O3、SO2、CO、NOX体积分数最高月份分别为6月、2月、1月、3月,4种污染物最高体积分数分别为60.32×10-9、2.96×10-9、4 209.81×10-6、42.15×10-9;O3、SO2、CO、NOX体积分数最低月份分别为10月、7月、3月、8月,最低体积分数分别为11.75×10-9、0.05×10-9、1 052.37×10-6、10.99×10-9。

图2 大气污染物月变化规律Fig.2 Monthly variation characteristics of atmospheric pollutants

对不同季节对应月份的体积分数取平均值得到污染物的季变化特征,如图3所示。

由图3可以看出,不同季节O3平均体积分数为夏、春>冬、秋,CO为冬>秋>夏>春,NO为春、秋、冬>夏,NO2为春>夏、秋>冬,NOX为春>秋>夏、冬,SO2为冬>春>秋>夏,其体积分数季节变化与月变化规律基本一致。

2.3 污染物供暖季变化特征

北京市每年从11月15日开始供暖,于次年3月15日结束,共计4个月,另选取供暖季前后各1个月作为对照,研究供暖季SO2、CO、NOX(供暖季O3含量总体较低)的变化规律,结果如图4所示。

由图4可以看出,社区内SO2、CO随着供暖季的到来体积分数上升,供暖季结束后下降,供暖季SO2、CO体积分数波动范围大于非供暖季;NOX与SO2、CO的变化规律相反,即非供暖季体积分数较高,进入供暖季后下降,供暖季结束后其体积分数再次上升,且非供暖季体积分数波动范围高于供暖季。

图4 供暖季大气污染物变化特征Fig.4 Variation characteristics of atmospheric pollutants in heating season

对供暖季与非供暖季的主要大气污染物体积分数进行方差分析,结果见表1。由表1可以看出,SO2、CO体积分数供暖季显著高于非供暖季,分别高出110.2%、74.60%;NO、NO2、NOX体积分数供暖季显著低于非供暖季,分别低12.74%、35.89%、27.86%。

注:不同小写字母之间表示方差分析结果为差异显著(P<0.05)。图3 大气污染物季变化规律Fig.3 Seasonal variation characteristics of atmospheric pollutants

表1 供暖季与非供暖季大气污染物分析(平均值±标准误差)Table 1 Analysis of atmospheric pollutants concentration in heating season and non-heating season (mean±SE)

3 讨论

研究以北京门头沟葡东社区为例,对其进行典型社区空气污染物变化特征分析。结果显示,SO2、NO2、O3的日变化曲线均为单峰型,SO2体积分数随着居民的日常出行活动、机动车等污染源的排放,白天11:00出现峰值,晚上持续下降,SO2体积分数谷值出现在半夜,该结果与王占山等[7]研究结果一致。有研究发现,如果所选研究地距离城市中心较近,其空气污染物日变化曲线特征多为双峰型[13],本次研究中SO2日变化规律表现为单峰型,主要是因为现今人类活动硫化物排放量较低(北京市2017年冬季供暖采用煤改电或气)。另外,居民区距离森林较近,且社区苗圃植物的削减作用也能降低空气中的SO2。NO、NOX体积分数的日变化曲线为双峰型,且峰值出现时间基本相同,NO2体积分数为夜间高于白天,这与刘检琴[14]研究结论一致,可能是因为夜晚气温较低,大气湍流减弱,导致大气扩散能力差,从而使NO2产生累积造成的[15]。CO日变化曲线无明显规律。有研究表明,O3体积分数高峰一般出现在午后,午后大气温度较高,O3受温度影响较大[16],本次研究中O3体积分数在16:00左右达到高峰,与前人研究结论相同。

北京大气污染物体积分数月季变化特征明显,SO2呈冬季高夏季低的特点[17],北京11月—次年3月为采暖季,冬季SO2体积分数升高与燃煤污染排放有关。本次研究中SO2的体积分数最高值出现在2月,最低值出现在7月,月变化规律呈明显倒“V”型,这与已有研究结论“SO2冬季体积分数最高,夏季体积分数最低”相一致[1,18],也可能与该研究区域夏季大气扩散条件较好,将大气中SO2稀释有关。NO、NO2、NOX月季变化规律基本一致,尹淑娴等[19]研究发现,氮氧化物体积分数有较明显的月变化特征,NO、NO2、NOX体积分数月均值最大均出现在12月,但本次研究发现,该区域NO2、NOX的最大值出现在3月,这是因为2018年3月北京大气扩散条件非常不利,NO2、NOX在大气中大量积累所致,可能还有一部分NO2是由NO氧化而来。柴敏平等[16]研究发现,O3月变化特征大致呈现出5月、9月高值的双峰模式,低值出现在11月—次年1月,而本次研究发现,O3月变化特征大致呈现偏右单峰型,其体积分数最高月份出现在6月,最低出现在10月,体积分数最高值出现月份与前人研究结果大致相同,但最低值结果与前人不同,这可能与当时的天气情况有关,如有利于O3扩散的天气状况等。

研究还发现,供暖季大气污染物体积分数并非全部显著高于非供暖季,SO2与CO为供暖季高于非供暖季,供暖期燃料的燃烧排放大量的空气污染物,且北京冬季植被凋零对污染物的吸收和净化能力最低[18,20];而NO、NO2、NOX为非供暖季高于供暖季,其原因可能与气象因素有关,具体原因有待进一步分析。

4 结论

(1) SO2、NO、NOX、NO2、O3日变化特征明显。NO、NOX的日变化为双峰型且峰值分别出现在8:00左右和20:00左右;O3、SO2、NO2日变化为单峰型,O3峰值出现在16:00左右,SO2峰值出现在中午前后,NO2峰值出现在20:00—23:00。

(2) 大气污染物存在明显的月季变化,且月季变化规律基本一致。SO2、O3、CO、NOX体积分数最高月份分别为2月、6月、1月、3月,最低月份分别为7月、10月、3月、8月。SO2体积分数2月最高,为2.96×10-9,7月最低,为0.05×10-9,呈倒“V”型;O3体积分数6月最高,为60.32×10-9;CO体积分数1月最高,为4 209.81×10-6,3月最低,为1 052.37×10-6;NOX体积分数3月最高,为42.15×10-9;SO2、CO体积分数供暖季>非供暖季,NO、NO2、NOX体积分数供暖季<非供暖季。