江津城区大气污染特征及常规污染物分析

张 娅，胡云翔，徐 燕，刘朝丽，陈清莉

(1.重庆市江津区生态环境监测站,重庆 402260；2.乌鲁木齐市生态环境监测中心站,新疆 乌鲁木齐 830000)

1 引言

近年来，随着我国工业化水平快速提升，城市化步伐不断加快，大气污染已成为十分严峻环境问题。通过一系类行动，我国大气环境质量得到显著的改善，但PM2.5污染尚未得到根本控制，臭氧污染需突破解决。“十四五”时期是美丽中国建设的关键时期，持续改善空气质量，加强各种污染物协同治理是实现生态环境根本好转的必由之路，继续加强PM2.5污染防治，加快补齐臭氧污染治理短板十分必要。

大气污染并不是单一的污染过程，各种污染物存在相互关联、彼此影响的关系。陈楠等[1]研究显示PM2.5和O3关联日趋密切，协调效应显著，有研究表明PM2.5和O3浓度为高度非线性关系，二者间相互耦合，受多种环境因素影响[2，3]，机动车尾气中NOX也是O3形成过程的重要介质，对的O3产生有直接影响[4]，连静敏、程麟钧等[5，6]研究表明，二氧化氮和臭氧呈负相关，同时NOX是臭氧和二次PM2.5的共同前体，PM2.5通过干扰地球辐射强度从而影响 NO2光解生成 O3[7]。李洪远等[8～11]等研究显示近地O3为二次污染物，由NOX和VOCS光化学反应产生。目前我国多地也出现了多种污染物复合污染过程，所以研究多种污染物之间的相互关联和影响机制很有必要。

2 数据来源和研究方法

本研究数据来源于江津区城区两个市控空气质量监测点位，其中江津一中代表西城区空气质量，四牌坊小学代表东城区空气质量。两个点位均为自动监测站。各污染物浓度均为算数平均值。PM10、PM2.5、NO2日评价指标为日均值，臭氧评价为O3日最大8 h滑动平均值(O3-8h)，O3的月评价值为O3日最大8 h平均第90为百分数。各污染物的超标评价按照《环境空气质量标准》(GB3095-2012),超出二级标准即日均值PM10为150 μg/m3、PM2.5为75 μg/m3、NO2为80 μg/m3、 O3为160 ug/m3为超标。在对污染物浓度进行讨论时，以气象学方法划分四季。

3 结果与讨论

3.1 江津区大气污染状况

2018～2021年，江津区城区全年的AQI污染天数整体呈下降趋势。结果如图1，2018～2020年污染天数呈持续下降趋势，2021年出现反弹。西城区污染天数2019年和2020年降幅分别为23.1%，21.4%，但2021年比上年增长了27 d，增幅为49.1%；东城区2019年降幅为25.9%，2020年比2019年增加2 d，2021年比2020年增加16 d，增幅为24.6%。

近4年城区2个站点均主要以PM2.5和O3污染为主，如图1所示，超标日中首要污染物PM2.5和O3占总超标天数超过了95%，极少数年份也出现PM10和NO2偶尔污染。具体情况是近4年，东城区站点PM2.5的超标率均超过了50%，而臭氧的超标率2019年急剧增加至40%左右，之后一直处于高位；而西城区站点从2018年开始PM2.5和O3超标率均在50%左右，污染状况长期未得到改善。

图1 2018～2021年城区AQI大气污染天数年度变化及首要污染物占总超标天数比例

总体而言江津区污染天数，前三年呈逐年下降趋势，2021年出现一定反弹。首要污染物冬季主要以PM2.5为主，夏季主要以O3为主，短期内首要污染物种类不会有明显变化。主要原因一方面江津城区地处低洼地带，三面为长江环水，一面靠山，气候条件时为静风和逆温，烟尘、汽车尾气等难以扩散，导致冬季颗粒物和夏季臭氧超标情况难以改善。另一方面随江津区机动车数量逐年快速增加，截至2021年，江津区汽车保有量达到了40.4万辆，汽车尾气排放产生的氮氧化物和挥发性有机物影响臭氧的生成；同时江津城区周边分布双福、德感、珞璜和西彭四大工业园区，在不利气象条件下，工业污染对城区的空气质量影响较大。

3.2 臭氧污染的特征

2018～2021年年江津城区两个站点O3-8h日均浓度变化如图2所示，江津城区臭氧超标时间主要集中在夏季，以轻度污染为主。从超标天数来看，西城区臭氧超标天数近几年呈下降趋势，由2018年的48 d减少到38 d；东城区臭氧超标天数呈上升趋势，由2018年的19 d增加到2021年的33 d，增幅为74.7%。从臭氧浓度来看，东城区在2018～2021年期间，全年中O3-8h日均浓度最大值在逐年增加，臭氧的日均浓度有继续增加的趋势。

图2 2018～2021年城区O3-8h日均浓度变化情况

2018～2021年江津城区两个站点月均O3-8h浓度变化如图3所示，江津城区的臭氧高浓度时间主要集中在7～9月份。近4年2个站点均出现了双峰情况，第一个峰值出现在4月份或5月份，月均值在120 ug/m3左右，第二个峰值出现8月份，月均值160 ug/m3左右。出现这种情况可能是由于在着2个时间点PM2.5浓度也出现了两个相对应的负峰，PM2.5浓度下降导致了O3浓度的上升。Li等[12]研究表明，当PM2.5浓度较高时，O3的生成受到抑制，Shao等[13]研究表明，PM2.5的浓度下降导致O3的浓度升高了37%。

图3 2018～2021年城区O3-8h第90位百分数月均浓度变化

3.3 PM2.5的污染特征

2018～2021年年江津城区2个站点PM2.5日均浓度变化如图4所示，江津城区的PM2.5超标时间主要集中在冬季，以轻度和中度污染为主，超标时段的均值年均降低3 mg/L，有略微减低。

图4 2018～2021年城区PM2.5日均浓度变化情况

总体趋势为近几年PM2.5超标现象改善情况不大，超标天数均超过30 d，西城区 PM2.5平均超标天数为36.3 d，东城区为 44 d，PM2.5空气污染亟需进一步改善。

2018～2021年江津城区2个站点PM2.5月均值浓度变化如图5所示，江津城区PM2.5高浓度时间主要集中在11月份到次年2月份，12月份和次年1月份浓度最高，7月份和8月份浓度最低。2个站点在一年中均出现了2个负峰，分别出现在4月份和7、8月份，相对应的时段O3-8h均出现相反峰型。西城区四年来月均浓度在秋冬季节变化较大，2020年有小幅下降，而东城区在2018～2021年期间秋冬季节PM2.5的变化十分明显，2018年浓度最高，且各月份浓度值均高于当年其他年份，2019年秋冬季节为近几年最低。总体上，两个监测点位的变化趋势大致相同，东城区PM2.5浓度每年均略低于江津一中。

图5 2018～2021年城区PM2.5月均浓度变化情况

3.4 特征污染物 PM2.5、NO2和O3的相关性研究

讨论两个站点PM2.5和O3的相关关系，计算每个站点PM2.5和O3-8h的月均浓度的相关系数CORR。结果如图6：江津城区PM2.5和O3的相关性冬季主要为负相关，这是由于冬季PM2.5浓度较高，一定程度抑制了臭氧的形成。相关研究表明，PM2.5浓度与O3浓度呈高度非线性关系[2]，PM2.5和O3在大气污染中相互影响，协同作用。研究表明[12]，PM2.5主要通过影响地球辐射的强度等方式影响O3的形成，当 PM2.5浓度较高时，通过影响地球辐射从而影响O3生产站主导地位[15]，同时O3强氧化性显著影响PM2.5的二次组分生成[16]，Li[12]等研究表明，当PM2.5浓度较高时，O3的生成受到抑制。

图6 2018～2021年城区PM2.5和O3-8h的月均浓度的相关系数散点

从春季开始两者之间的相关性逐步变为正相关，夏季相关系数最大。一年中O3的高浓度主要集中在7～9月份，而此时间段PM2.5的浓度只有20 μg/m3左右，此时间段两者之间的相关系数值主要集中在0.7左右，相关性较为明显。Shao等[17]研究表明，PM2.5的浓度下降导致O3的浓度升高了37%，但是当PM2.5浓度下降至40 μg/m3时，O3的浓度值上升急剧减缓。Chu[18]研究发现，当PM2.5浓度进一步下降时，PM2.5与O3浓度相关性由负转为正，Jia等[18]研究也发现，在夏季高温季节，强氧化性的空气条件下高浓度的O3也促进了二次颗粒物的形成，导致夏季高温季节PM2.5浓度与O3浓度呈正相关。

诸多研究显示NOX和O3之间的有较高相关性。李顺姬[19]等研究结果表明NOX和O3具有显著的季节性变化规律，夏季O3的浓度升高NOX的浓度不断下降，冬季NOX不断积累和排放光化学循受到抑制，O3处于较低水平，NOX处于较低水平。陆倩、李顺姬[19,20]等研究也提到NOX和O3具有相反的季节性变化特征。计算两个站点NO2和O3月均浓度的相关系数CORR，结果如图7，冬季两者呈负相关，多数年份的冬季两者相关系数都超过了-0.5。春夏季节要为正相关，一年中臭氧的高浓度主要集中在7～9月，二氮氧化物此时间段处于全年最低值，臭氧的浓度越高，相关性也越大，如东城区近五年每年的8月份两者的相关系数值均在0.6以上，西城区近几年8月份两者相关系数也都在0.5以上，2020年的8月份相关系数为0.73。

图7 2018～2021年城区NO2和O3-8h的月均浓度的相关系数散点

4 结论

(1)2018～2021年，江津区城区一年中的污染天数整体呈下降趋势。两个站点首要污染物主要为PM2.5和O3，超标日中首要污染物PM2.5和O3总占比超过了95%，首要污染物常年以PM2.5和O3为主，短期内首要污染物种类不会有明显变化。

(2)臭氧超标时间主要集中在春季和夏季，以轻度污染为主，一年中臭氧污染天数约为30～40 d，浓度值有一定的增加。PM2.5超标时间主要集中在秋冬季节，以轻度和中度污染为主。近4年PM2.5超标现象改善情况不大，年超标均约40 d，PM2.5空气污染亟需进一步改善[21]。

(3)PM2.5和O3的有较高的相关性，其中 PM2.5和O3的相关性冬季主要为负相关，从春季开始两者之间的相关性逐步变为正相关，且到夏季的时候相关系数最大，7～9月两者之间的相关系数值主要集中在0.7左右，相关较为明显。NO2和O3之间的相关性呈季节性，冬季呈负相关，且负相关性较大，多数年份的冬季两者相关系数都超过了-0.5；春夏季节两者之间主要为正相关，臭氧的浓度越高，相关性也越大，夏季7月两者相关系数大多在0.6以上，最高可到到0.8。说明NO2的浓度值对O3有较大的影响。