天津市南开区冬季大气颗粒物组分特征及来源解析

史鉴洪，王超，唐光友，史恺，谢振凯

[1.天津市南开区生态环境监测中心，天津 300193；2.天津市生态环境保护综合行政执法总队，天津 300191；3.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300]

天津市地处华北平原东北部，是京津冀区域核心城市之一，天津市南开区位于天津市中心城区，近年来环境空气质量有明显好转，但细颗粒物（PM2.5）浓度距离达标仍有较大差距，特别是在秋冬季仍有以PM2.5为首要污染物的重污染天气发生。在PM2.5浓度明显下降、改善压力日益突出的形势下，开展冬季典型污染时段颗粒物的组分特征分析和来源解析对于大气污染防治工作具有重大指导意义。

本文基于高分辨率的颗粒物浓度和组分在线观测数据，分析了天津市南开区2021 年冬季典型月份（12 月）大气污染以及颗粒物组分特征，以此开展冬季的颗粒物来源解析，以期为大气污染防治工作提供支撑。

1 材料与方法

1.1 监测概况

采用装载颗粒物浓度监测设备、颗粒物组分监测设备的监测车开展监测，监测地点位于天津市南开区生态环境局，距离地面高度约2.5m，监测点周边为居民区和商业区，东面100m 左右为交通干线红旗路。监测点位如图1 所示，监测时间为2021 年12 月1 日至2021 年12 月31 日。

1.2 监测设备及质量控制

监测设备采用美国Thermo 公司TEOM 1405 系列仪器监测颗粒物、Thermo 43i 监测二氧化硫（SO2）、Thermo 42i 监测氮氧化物（NOx）、Thermo 48i 监测一氧化碳（CO）、Thermo 49i 监测臭氧（O3）；美国Thermo 公司URG9000D 在线离子色谱分析仪监测PM2.5中的阳离子（Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+）和阴离子（F-、Cl-、NO2-、NO3-、SO42-）；美国Sunset Laboraory Inc 碳气溶胶分析仪分析PM2.5中的有机碳（OC）和元素碳（EC）；VAISALA WST520 自动气象站监测温度、相对湿度和风速等气象条件；时间分辨率为5s。

颗粒物监测仪器每月更换采样滤膜，清洗切割头，校准采样流量；每季度进行压力传感器和温度传感器校验；每半年进行比例系数（K0）校验，质量控制严格按照《环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统运行和质控技术规范》（HJ 817—2018）[1]要求进行。气态污染物监测仪器每天进行自动校零，每周进行跨度校准，质量控制严格按照《环境空气气态污染物（SO2、NO2、O3、CO）连续自动监测系统运行和质控技术规范》（HJ 818—2018）[2]要求进行。

在线离子色谱分析仪每月检查采样系统主流量（3L/min）、清洗切割头，每月配制至少5 个浓度梯度的标准溶液（试剂均为优级纯），绘制标准曲线，除NH4+外相关系数均大于99.9%（NH4+大于99.5%）。碳气溶胶分析仪采用热光碳分析方法[3],每周更换采样滤膜，每月用标准蔗糖溶液进行标定、检查采样流量（8L/min）。

1.3 来源解析方法

采用正定因子分解（PMF）模型对PM2.5的来源进行解析，PMF 模型利用权重计算颗粒物中各化学组分的误差，通过最小二乘法确定主要污染源及其贡献[4,5]。PMF 模型为：

式中，X 为受体点位样品的各组分质量浓度矩阵；G为源贡献矩阵；F为源成分谱矩阵；E为残差。

将颗粒物中化学组分数据作为模型输入文件，经数学算法分解得出F、G和E。根据F对各类因子进行识别，判别出各因子的主要来源，而G可以估算各排放源对大气颗粒物的贡献情况，E可表示模型计算过程中的不确定性。

PMF 模型在式①的基础上，添加了目标函数：

式中，Q（E）为目标函数；m和n分别为样本数量和组分数量；eab为第a个样本中第b个组分的残差；σab为第a个样本中第b个组分的不确定度。

σab是由采样及分析过程中的采样误差、测量的检出限、缺失数据和异常值等因素决定的，PMF 模型的解析目的是使目标函数Q（E）最小。

2 结果与讨论

2.1 污染物浓度及特征

天津市南开区2021 年12 月环境空气质量综合指数为4.74，同比下降4.2%；达标天数23 天，同比增加2 天；重污染天数1 天，同比持平。从污染物浓度水平来看，PM2.5、可吸入颗粒物（PM10）、二氧化氮（NO2）、CO、O3和SO2浓度分别为53µg/m3、89µg/m3、49µg/m3、1.2mg/m3、55µg/m3和6µg/m3，其 中PM2.5、CO、O3和SO2浓度分别下降5.4%、33.3%、3.5%和45.5%，NO2浓度同比持平，PM10浓度同比上升11.3%。

从污染物对综合指数的贡献来看，PM2.5对综合指数贡献占比最高，达到31.79%，是影响环境空气质量的最主要污染物；其次是PM10，贡献占比达到26.74%；位于第三位的是NO2，贡献占比为25.89%。上述三种污染物对综合指数贡献占比达到84.42%，是冬季影响空气质量的主要污染物。O3、CO 和SO2贡献占比分别为7.16%、6.32%和2.10%，影响相对较小。

从日浓度的相关性上看，PM2.5与PM10的相关系数达到0.978 53，是各项污染物相关性中最高的；PM2.5与CO 和NO2的相关系数分别达到0.877 68 和0.823 02，相关性同样较高；PM2.5与SO2相关系数为0.651 42，相关性相对较低；PM2.5与O3相关系数为-0.673 27，为负相关关系。从相关性上看，PM2.5与PM10、CO 和NO2的相关性较高，初步判断天津市南开区PM2.5浓度受到燃烧源、移动源影响较大[4]。污染物之间的相关系数见下表。

污染物之间的相关系数

2.2 颗粒物组分特征

天津市南开区2021 年12 月PM2.5化学组分监测结果显示，含量最高的化学组分是硝酸根（NO3

-），平均浓度为10.4µg/m3，在PM2.5中占比达到17.9%；OC、氨根（NH4+）、硫酸根（SO42-）、氯 离子（Cl-）和EC 分列第二至六位，平均浓度分别为8.4µg/m3、6.6µg/m3、5.5µg/m3、2.1µg/m3和1.7µg/m3，占比分别为14.5%、11.4%、9.5%、3.6%和2.9%；K+、Si、Fe、Ca和Zn 等组分浓度相对较低，平均浓度分别为1.2µg/m3、0.4µg/m3、0.4µg/m3、0.3µg/m3和0.1µg/m3，占比分别为2.1%、0.7%、0.7%、0.5%和0.2%。NO3-和OC 浓度占比较高，说明南开区12 月的PM2.5浓度整体受移动源、燃烧源排放影响较大[5-7]。南开区2021 年12 月的PM2.5主要组分平均浓度和占比情况见图1。

图1 天津市南开区2021 年12 月PM2.5 主要组分平均浓度和占比情况图

2.3 PM2.5 来源解析

利用美国国家环境保护局最新公布的PMF5.0 模型对天津市南开区2021 年12 月的PM2.5来源进行解析。解析结果显示，对天津市南开区PM2.5浓度产生影响的主要源类包括二次粒子、机动车、燃煤及工业、扬尘、生物质燃烧及烟花爆竹燃放，贡献浓度分别为20.4µg/m3、12.6µg/m3、10.3µg/m3、5.3µg/m3、4.4µg/m3，分担率分别为35.2%、21.7%、17.7%、9.1%、7.6%[8-12]。天津市南开区PM2.5来源解析结果见图2。

图2 天津市南开区PM2.5 来源解析结果图

3 结语

（1）2021 年12 月，天津市南开区环境空气质量综合指数为4.74，PM2.5、PM10、NO2、CO、O3和SO2浓度分别为53µg/m3、89µg/m3、49µg/m3、1.2mg/m3、55µg/m3和6µg/m3。PM2.5、PM10和NO2对综合指数贡献占比较高，是冬季影响空气质量的主要污染物。PM2.5与PM10、CO和NO2的相关性较高，PM2.5浓度受燃烧源和移动源影响较大。

（2）南开区PM2.5化学组分中NO3-占比最高，为17.9%；OC、NH4+、SO42-、Cl-和EC 分列第二至六位，占比分别为14.5%、11.4%、9.5%、3.6%和2.9%；NO3-和OC 浓度占比较高，说明天津市南开区PM2.5浓度整体受移动源、燃烧源排放影响较大。

（3）天津市南开区PM2.5来源解析结果显示，二次粒子、机动车、燃煤及工业、扬尘、生物质燃烧及烟花爆竹燃放分担率分别为35.2%、21.7%、17.7%、9.1%、7.6%。