乐山市冬季颗粒物污染特征分析*

龚 韬，李颜君，齐国伟，邹爱华，陈小芳

(四川省乐山生态环境监测中心站，四川 乐山 614000)

近年来，随着经济的发展，空气质量问题日益突出，我国诸多城市颗粒物污染天气出现频率逐年增高。在大气污染中，大气颗粒物污染是一类常见的污染物。大气颗粒物质(Particulate Matter，PM)是大气中固体和液体颗粒物的总称。粒径为0.01～100 μm的大气颗粒物，统称为总悬浮颗粒物(TSP)[1-2]。而PM10和PM2.5分别指空气动力学直径小于或等于10 μm和2.5 μm的大气颗粒物。PM10也称为可吸入颗粒物(Inhalable Particles)，世界卫生组织(WHO)称之为可入胸部的颗粒物(Thoracic Particles)；PM2.5因其能够进入人体肺泡，故被定义为可入肺颗粒物(Repairable Particles)[3-5]。

由于人类活动对环境空气质量会产生了一定程度的负面影响，颗粒物污染天气时有发生，PM2.5作为当前大气环境中的主要污染因子，给人民的生活和身心健康带来了严重影响，使居民患呼吸系统疾病和心血管疾病的风险增加[6-8]，同时也制约着环境经济社会的可持续发展。研究表明，颗粒物污染过程的形成除了与颗粒物的排放浓度直接相关[9-13]，还受到气象条件的影响，因此，了解颗粒物污染的特征及其与气象条件的相关性，是实施相应防控措施的必要前提[10-16]。

1 资料与方法

1.1 乐山市概况

乐山市位于四川省中部，四川盆地的西南部，地处四川盆地向西南山地过渡地带，总体趋势西南高，东北低，高差悬殊大。由于季风和地形隆升的影响，乐山市气候湿润，雨量充沛，水热同季，四季变换显著[17]。春季大风天气带来的远程沙尘传输、秋冬季污染物外源输送至本地并受地形影响造成污染物累积，对乐山市颗粒物污染影响极大。同时，气压、温度、湿度、风向风速、降水等气象因素的变化也会有较大影响。因此，本文结合乐山市气象观测和环境监测数据，对各类气象条件与环境空气质量的关联性进行分析。

1.2 数据来源

本文采用乐山市4个国家空气质量监测站点自动监测数据作为分析对象，包括二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、细颗粒物(PM2.5)和可吸入颗粒物(PM10)，相关浓度限值按《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)[18]要求执行，污染评价采用《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663-2013)[19]为标准。

气象数据采用乐山市气象站逐日监测数据，包括风速、风向、温度、湿度等四个参数。

2 污染特征分析

为了解气象条件与空气质量污染之间的关系，我们以2022年细颗粒物污染最为严重的1月作为分析对象。对于细颗粒物污染频繁发生的1月，近十年来乐山市1月平均气温为8.2 ℃，平均风速为0.94 m/s，相对湿度为78.0%。而2022年1月乐山市平均气温为9.0 ℃，较近十年偏高0.8 ℃，平均风速为0.84 m/s，偏低0.1 m/s，相对湿度为89.6%，偏高11.6%，发生一次降温过程在1月24日-28日，即2022年1月较常年而言，温度湿度偏高且风速偏低。

从气压场看，2022年1月全国气压场上偏东地区气压相对较高，西藏地区气象相对较低。就乐山市而言，在乐山市偏东北部有一相对高气压区，从重庆地区向西延伸至四川内江、资阳一带，结合风场可以看出，从上海到湖北有一致的偏东气流，在湖南中部分为两支气流继续向西，一支偏东南风经重庆进入四川内江区域，一支为偏东北风经过贵州，后与从孟加拉湾吹向云南的偏西南气流汇合，继而继续向东北方向传输，在四川乐山附近与第一支气流汇合，形成气流辐合区域，极易将四川以东区域的污染物传输至四川中部并累积，导致污染事件的发生。

2022年1月乐山市共发生2次细颗粒物污染过程，第一次为1月3-9日，第二次为1月14-21日。

将乐山市2022年1月31天的逐日6项污染物数据与同期的气象要素作皮尔逊相关分析，结果如表格1所示。根据相关系数表可以看出，颗粒物PM2.5和PM10日均浓度与日均气温、日均风速和日风速差呈现显著性相关，并通过99%等单尾检验，其中PM2.5与日均气温相关系数为0.535，即在1月，温度越高时PM2.5的日均浓度越高；PM2.5与日均风速的相关系数为-0.617，即风速越低，PM2.5浓度越高，与日风速差的相关系数为-0.444，日风速差越低，大气越稳定，PM2.5浓度越高；PM10与PM2.5类似。气态污染物SO2和NO2与气温呈现显著正相关，相关系数分别0.653和0.626，与日均风速呈现显著负相关，相关系数为-0.325和-0.583，其中NO2项通过了99%单尾检验，SO2项通过95%单尾检验。O3与日均气压、日气温差、湿度、日湿度差呈现显著性相关，均通过99%单尾检验，CO与气压、气温、湿度和风速无明显的相关性。

而颗粒物与气态污染物之间，PM2.5、PM10与NO2、SO2呈现显著性正相关，即颗粒物与NO2、SO2高度同源。氮氧化物主要源于化石燃料的燃烧和植物体的焚烧，以及农田土壤和动物排泄物中含氮化合物的转化。二氧化硫主要来源与化石燃烧和工业污染，大气中的二氧化硫会氧化而形成硫酸雾或硫酸盐气溶胶，是环境酸化的重要前驱物。因此，乐山市冬季颗粒物污染与化石燃料燃烧、工业排放和移动源排放有密切关联。

表1 2022年1月乐山市6项污染物与气象参数相关系数表

经分析，在两次污染过程中均出现可吸入颗粒物、细颗粒物、二氧化氮和一氧化碳的升高，并伴有明显的偏南风。

在2022年1月第一次污染过程3-9日，空气质量为轻度污染，首要污染物为PM2.5，AQI最高值出现在1月4日，为140，过程中平均风速为0.68 m/s，每天均呈现弱的偏南风，最高风速仅有0.83 m/s，PM2.5、PM10、NO2在3日出现明显升高，CO和O3浓度值在4日出现抬升，同时颗粒物浓度值在4日出现最高峰，5日CO和NO2出现降低后，颗粒物浓度逐渐下降，1月10日风向转为偏北风后，颗粒物浓度迅速降低，空气质量等级转为良，CO和NO2出现短暂升高后迅速降低。

第二次污染过程1月14-21日，空气质量由轻度污染逐渐加重至重度污染，首要污染物仍为PM2.5，AQI最高值出现在1月21日，为202，过程中平均风速为0.71 m/s，风速逐日下降，同时AQI指数有升高的趋势。风速主要为1级风，以偏南风为主。将第二次污染过程的6项污染物及气象要素作相关性分析(见表2)，颗粒物PM2.5、PM10浓度变化与CO浓度呈现明显的正相关关系(通过99%置信度检验)，相关系数分别为0.868和0.790，即颗粒物浓度升高伴随着明显的CO浓度升高，且三者之间相互具有高度相关性，说明本次污染过程该三项污染物之间具有很强的同源性。而CO主要来源于冶金工业炼焦、炼铁生产过程、内燃机排气和化石燃料的不完全燃烧，其经过复杂化学反应形成的二次细颗粒物。同时，该次过程PM2.5与日均气温、日均湿度、日最低气温、日最低湿度呈显著正相关，即该四项气象要素值越高时，PM2.5浓度越高，与日温度差和日湿度差呈现显著负相关，即日温度差和湿度差越小，PM2.5浓度越高。所以，在1月气温与湿度相对较高，日较差相对较小的气象条件出现时，可对本地工业源、移动源进行管控，减少本地及附近区县CO的排放，以期降低污染事件发生的可能性。

从乐山区域地面气压场看，有高压区域存在于乐山市东北面，在污染过程1月14-21日地面气压从乐山市东北部到西南部气压开始逐渐增加，18日开始逐渐减弱；而风场上，14-21日乐山市日平均风速都较低，平均风速为0.71 m/s，14-21日，乐山市区主要为偏南风，其中16-17日随着气压升高，风场转为偏东风到偏东南风。

而从前文分析，本次颗粒物污染过程与CO变化具有高度相关，有较为一致的来源，因此将14-21日一氧化碳CO日均浓度叠加风场数据分析，可以得出此次污染过程中夹江县、沙湾区和五通桥区CO浓度相对较高，且由于地形和风向风速的影响，当市中区和五通桥为偏南风时，五通桥的CO气态污染物可沿岷江河谷地形向北面的乐山市中区方向输送；沙湾区为偏东风和偏南风时，本地CO传输受西面山脉阻挡，在当地累积后沿大渡河河谷低地势区域向外输送至乐山市中区；市中区为偏北风，夹江县内的CO可传输至乐山市中区范围。在14-17日，乐山东部及东北部区域气压增强，由孟加拉湾而来的偏南气流受到北面高压的挤压，偏南风和偏东风在乐山中部区域汇合为偏东南风，又受西部丘陵山地阻挡，导致气流在乐山市中区、沙湾一线累积，引起CO浓度升高，气态污染物经过复杂化学反应形成二次细颗粒物，引起细颗粒物浓度同步上升；18-21日，乐山东部及东北部区域气压逐步减弱，但犍为、五通、市中区及井研区域气压相对较高，沿该片区域外围沐川、犍为、五通和沙湾气流形成弱的气旋性辐合，向西传输过程中在沙湾区域受地形阻挡，导致沙湾、五通区域形成CO高值区域，并向北面扩散，市中区受其影响，CO浓度升高，引起颗粒物浓度上升。21日夜间到22日白天冷空气影响开始，风速增大并出现降水，对污染物起冲刷作用，污染过程结束。

3 结 语

(1)冬季PM2.5、PM10和NO2、SO2之间呈现显著的正相关，表明颗粒物与二氧化氮、二氧化硫之间高度同源，而2022年1月14-21日的颗粒物污染过程中，颗粒物与一氧化碳之间高度同源，因此对于乐山市冬季颗粒物污染过程而言，受化石燃料燃烧、工业排放、内燃机排气等的影响较为严重，相关部门对监测区域中石油生产、金属冶炼及化工等企业，须加强对其工业废气排放的监督监测，确保大气环境污染问题能够从根源上得到治理，并积极开展环境保护宣传，令人们形成较强的环保意识，引导其环保出行，尽可能降低车辆尾气对大气环境造成的影响。

(2)气象条件对冬季乐山颗粒物污染过程主要的影响因素为风向风速，当乐山市东北区域出现相对高压时，受气旋性气流影响本地出现明显的偏南风，位于乐山市南面区域的污染物容易被输送至乐山区域，并受到本地西南高东北低地形影响，污染物持续累积导致污染过程的发生，此时当气温与湿度均相对较高，且日温度差和湿度差较小的时候，受静稳天气和颗粒物吸湿增长的影响，容易导致污染事件进一步加重，污染过程通常在冷空气到来后，随着风速增大和降水过程的到来结束。