攀枝花市炳草岗大气污染物浓度特征分析

摘 要：根据国控空气监测网在攀枝花市炳草岗站点的历史数据，分析3月和4月（2021—2023年）期间的SO2、NO2、CO、O3、PM2.5和PM10，得到这些污染物浓度时间分布和变化规律，探讨污染物浓度之间的相关性，结合颗粒物化学组分对污染物产生原因进行剖析。Pearson相关性分析表明，主要污染物浓度变化幅度呈显著相关，同时与温度高低、日光辐射强度成正比关系。污染物每日最大小时浓度集中在10点至18点，控制机动车、餐饮等污染源排放尤为重要。

关键词：攀枝花市炳草岗区域;环境空气质量;气象条件;相关性分析;大气污染物

中图分类号：X513 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）34-0077-04

Abstract： Based on the historical data of the State-controlled Air Monitoring Network at the Bingcaogang Station in Panzhihua City， the analysis of SO2， NO2， CO， O3， PM2.5 and PM10 during March and April （2021 to 2023） was carried out to obtain the temporal distribution and change laws of these pollutants， explore the correlation between pollutant concentrations， and analyze the causes of pollutants based on the chemical composition of particulate matter. Pearson correlation analysis showed that the change range of main pollutant concentrations was significantly related， and was also proportional to temperature and solar radiation intensity. The maximum daily hourly concentration of pollutants is concentrated between 10：00 and 18：00. It is particularly important to control emissions from pollution sources such as motor vehicles and restaurants.

Keywords： Bingcaogang Station in Panzhihua City; ambient air quality; meteorological condition; correlation analysis; air pollutant

本文研究的炳草岗区域为紧傍金沙江峡谷南岸的一狭窄平坦的河谷台地，受干热河谷气候和海拔较高的影响，常年旱季日照时间长，气候干燥，太阳辐射强度变化迅速，呈少雨多风，昼夜温差大气候特点。每年的3月和4月间天气状况具备当地旱季气候典型特征，该期间大气对流层与地面易形成逆温层，不利于环境空气中污染物的扩散。由于攀枝花市初期产业以钢铁和煤炭为主，主要企业排污规模大，对环境空气影响明显。本文以2021—2023年的3月和4月攀枝花市炳草岗区域环境空气质量监测数据为依据，按GB 3095—2012《环境空气质量标准》、HJ 663—2013《环境空气质量评价技术规范（试行）》，结合环境气象情况，对当地主要大气污染物变化规律和影响因素进行分析，为改善当地环境空气质量提供参考数据。

1 数据来源及分析

1.1 空气监测数据来源和方法

攀枝花市炳草岗区域2021—2023年的监测数据下载于中国环境监测网攀枝花市炳草岗空气监测点，气象资料来自于国家自动监测网的地面观测数据。环境空气主要污染在线监测仪器和方法见表1。

1.2 采集数据处理方法

数据统计的有效性严格按照HJ 663—2013《环境空气质量评价技术规范（试行）》与GB 3095—2012《环境空气质量标准》：对于自然日内O3的有效性规定为当日8时到24时至少有14个有效8 h平均浓度值。在数据规范性方面，严格按照HJ 663—2013《环境空气质量评价技术规范（试行）》进行要求：污染物日均值是由小时均值算术平均得到。

1.3 数据处理和分析

本文对收集整理的环境大气历史数据进行统计和分析，应用SPSS Statistics 20.0软件，对各参数之间进行Pearson积矩相关性分析，具体公式如下

式中：，分别表示x、y的均值;xi、yi分别表示x、y的第i个观测值。

1.4 模型CMB

受体模型CMB基本原理：在源和环境间构建质量平衡关系，利用有效方差加权最小二乘法来求解颗粒物由源[1]，该数学表达式如下

式中：Ci为仪器分析的大气颗粒物中化学组分i的浓度测量值（μg·m-3）;Fij为第j类源的颗粒物中化学组分i的含量测量值（g·g-1）;Sj是第j类源贡献的浓度计算值（μg·m-3）;J是源类的数目（j=1，2，…，J）;I是化学组分的数目（i=1，2，…，I）。

2 结果与讨论

2.1 大气污染物浓度变化特征

2.1.1 污染物月均环境空气质量数据分析

SO2和NO2当温度上升时，在近地气圈中逐渐累积，经常出现日小时浓度峰值，随太阳辐射增强大气中颗粒物成核和冷凝蒸发过程增多，大气中颗粒物经常出现每日小时浓度峰值，同时此过程中颗粒物二次转化作用加强。O3在日照情况下与NO2发生光化学反应，日照的紫外线强度是其关键因素，而在无雨天气下，气温与日照强度成正比，本文采用环境温度来表征日照强度[1]。当日均温度高，O3和颗粒物浓度高;当日均温度较低，O3和颗粒物浓度也较低。同时也需要说明的是，由于O3是典型的二次污染物，其与NO2之间反应复杂，其浓度变化参照NO2浓度变化会有相应的关联性。在表2、表3中，可以看出O3浓度受NO2浓度影响比较直接[2];NO2浓度日均值也出现较多同步同向波动，尤其两者浓度富集时段较为一致。根据监测历史数据，2021—2023年3月日均温差在1.1 ℃以内，说明炳草岗区域近年3月日照强度较稳定。2023年4月臭氧浓度均值整体较高，尤其是4月中期连续出现臭氧浓度日均值的高峰。分析其原因，除了该区域处于旱季的气候因素外，外来大气污染是主要的影响因素。2023年4月中旬西南季风较强[3]，外来颗粒物等污染物向该区域方向传输，污染物浓度持续累积，区域上空出现持续明显的空气污染层，大气中参与光化学反应前体数量明显增大，产生臭氧污染强度随之骤增。

2.1.2 污染物小时均值变化特征及气象条件影响

对2021—2023年3月和4月主要大气污染参数月均值变化数据进行统计（表2、表3）。SO2、NO2和CO小时浓度根据小时温度变化表现为波形曲线。随太阳辐射增强大气中颗粒物成核和冷凝蒸发过程增多，大气中颗粒物经常出现日小时浓度峰值;夜间由于颗粒物二次转化作用加强，NO2易出现最大小时浓度值。炳草岗区域2021—2023年3月、4月期间O3浓度每日小时均值变化规律明显，呈现出相似的单峰单谷特征。O3浓度在8点开始迅速上升，在15至16点间达到最大值，之后逐渐下降。O3浓度迅速上升相关研究普遍认为是因为人类活动高峰期的到来导致NO2、VOCs等污染物浓度迅速增加，同时太阳辐射迅速增强以及上一天周期大气中积累的NO2、VOCs等污染物发生光化学反应。在17点至次日6至7点时段呈下降趋势，6至7点时段浓度达到全天最低。相关研究认为O3浓度下降的原因主要有：太阳辐射减弱和环境温度降低，同时由于夜间NO2不断积累并不断消耗O3，因此O3浓度在夜间不断降低。O3浓度与NO2浓度相关性高，当氮氧化物浓度波动较大时，O3浓度会反向变化，通常是以24 h周期规律变化[4]。2023年3月O3浓度小时均值由谷底升到120 μg·m-3以上的波峰区间为8点至12点时段，进入2023年4月O3浓度小时均值由谷底升到120 μg·m-3以上的波峰区间为8点至10点时段，减少约2 h;2023年3月O3浓度小时均值在120 μg·m-3以上的波峰区间持续为12点至16点时段，进入2023年4月O3浓度小时均值在120 μg·m-3以上的波峰区间持续为10点至18点时段，延长约4 h。分析其原因，除了上述长期日照辐射强、环境温度高、干燥无雨等不利气候因素外，外来大气污染造成当地大气中参与光化学反应的前体数量增大，产生O3污染强度增大，该段时期O3浓度小时均值波动中心点上升为113 μg/m3。该时期O3小时浓度均值贡献明显，2023年4月臭氧小时浓度均值同比增加了约33 μg/m3。

2.1.3 月度变化规律

在2023年3月和4月期间O3浓度小时均值普遍较2022年和2021年同期高，NO2小时均值相反普遍较低。也可以说明在2023年3月和4月期间NO2参与光化学反应的数量可能较多。2023年4月O3浓度小时均值除了比同年3月普遍更高外，波峰持续时间更长，O3浓度小时均值升高过程更加迅速。

2.2 污染物间及气象参数的相关性

6个污染项目和温度参数日均值变化曲线，并取O3、CO、NO2、颗粒物与环境温度每日小时浓度均值，直接看到O3、颗粒物浓度伴随温度同时升降;O3浓度与NO2浓度呈现较高相关性，当NO2浓度波动较大时，O3浓度会反向变化，通常滞后一天又会出现同向变化;NO2浓度与VOCs浓度日均值变化呈现明显相关性，出现较多同步同向波动，两者浓度富集时段较为一致[5]。2023年3月和4月O3浓度均值最高，2021年同期O3浓度均值次之，2023年3月和4月NO2浓度均值反之较低，说明很可能由于在2023年期间NO2参与光化学反应的数量较2022年、2021年多。其中2023年4月O3浓度均值最高，同时环境温度均值同比横比也最高，NO2浓度均值同比横比则是最低。

环境大气污染浓度除去被大气污染源排放影响外，气象情况也属于主要影响因素[6]，其中O3小时浓度与环境温度呈显著正相关，且与大气压强呈显著负相关，当温度升高时，大气压强降低利于O3的二次转化生成过程，环境大气温度对其他大气污染物均呈显著负相关。环境风速与NO2、CO和大气颗粒物均呈显著负相关，说明大气气流变化利于污染物的迁徙、稀释、扩散。O3小时均值浓度与风速呈正相关，在大气气流作用下进行区域转移。由于攀枝花市整体地形的影响，炳草岗区域旱季大气中的水蒸气易凝结成核，不易形成湿沉降，这种情况不利于大气污染物的去除，大气污染物的二次转化强度变大，大气颗粒物会高效成核并持续快速增长，同时在外界作用下大气颗粒物变重沉降，因而O3小时浓度、PM10 PM2.5并未呈现很明显的规律性。根据Pearson关性分析，炳草岗区域旱季风速、温度、风速、大气压强对污染物浓度影响较大。

2.3 污染物间的季度相关性分析

对2021—2023年污染物每日最大日均浓度进行 Pearson 相关性分析，结果见表4—6，其中O3、PM10与 NO2日均浓度均为高度相关，说明 PM10和PM2.5污染源相同，显然工厂排放和交通污染源对污染物浓度影响较大，尤其是交通运输源。大气污染物SO2、NO2、O3日均浓度与PM10日均浓度均呈显著相关，说明PM10排放源对SO2、NO2和O3的总量贡献较大。当处于太阳辐射较强、温度较高时段，大气中污染物二次转化生成更明显。对2021—2023年这6个参数日均值做相关性分析，发现SO2与NO2、PM2.5和 PM10均呈高度正相关，因此该类污染物污染源基本一致。

利用CMB模型对大气颗粒物污染进行来源解析，分析得到2021—2023年攀枝花市炳草岗区域大气颗粒物主要来源为工矿企业、移动污染源和建筑扬尘源，尤其是旱季期间移动污染源占比较高。大气污染物二次反应中硝酸盐和硫酸盐等成分主要源于SO2、NO2等大气污染物通过均相或非均相反应过程，而二次有机气溶胶主要是挥发性大气中有机物经氧化气粒分配形成[7]。综合分析，攀枝花市炳草岗区域受地形和气候影响，旱季气温相对较高、太阳辐射形成逆温层时，在静稳气象条件下大气污染物会在水平和垂直方向扩散过程缓慢，在这种情况下，大气颗粒物的吸湿潮解以及液态水会大量吸附大气污染物，并且加速促进二氧化硫和氮氧化物二次转化反应过程，形成硫酸盐和硝酸盐成分。同时由于旱季日照强度高，光化学反应速率明显加快，利于近地O3的二次生成过程，使得O3日均浓度数据较高。

3 结论与建议

1）攀枝花市炳草岗区域主要大气污染物浓度变化有季节规律，旱季一般高于雨季，在旱季温度较大起伏时多为一年中大气污染物浓度较高时期。该区域在天晴高温、日照充足的时段，O3浓度受到太阳辐射影响，伴随光化学反应强度变化，O3浓度起伏波动明显。在2021—2023年3月和4月，O3日均浓度一般集中在75～135 μg/m3。2021—2023年3月和4月每日O3浓度呈周期性规律变化，表现为“单峰型”曲线，O3浓度小时均值在4点至8点时段处于谷底，在14点至18点时段达到峰值。

2）对大气污染物小时浓度每日最大值出现频率统计，并且进行大气污染物日均值相关性分析，发现O3每日最大小时浓度多集中在14点至18点，其他污染物每日最大小时浓度多集中于8点至12点和20点到24点，夜间为其他污染物重点管控时段。局限于无法有效控制外来的大气污染，本文通过分析攀枝花市炳草岗区域的污染内源，该区域大气Bp+4ltmriALGzIyvW7UC4klU1/BUcU/xLamh/YWXucw=污染源头集中在工矿企业和移动污染源排放，所以应集中控制工矿企业和移3cR9co9uu/mHTL3e1Y9ao0OLo5uQcV4qfYU0HTk+3S4=动污染源排放。在此治理基础上，还应积极改进城市产业和能源的结构，加快工矿企业生产工艺绿色升级，同时努力提倡绿色能源在道路交通等方面大力推广。

3）通过对环境大气污染物间相关性分析，并解析大气颗粒物化学组成，炳草岗区域主要大气污染物NO2与CO、PM2.5、PM10之间呈显著正相关，同时硝酸盐和铵盐成分是大气颗粒物主要组成，因此要重点加强管控移动污染源等氮氧化物排放源。在2021—2023年3月和4月攀枝花市炳草岗区域环境主要大气污染物SO2、NO2、CO、PM10和PM2.5均值虽然满足GB 3095—2012《环境空气质量标准》二级浓度限值，而且O3未达到二级浓度限值，但是旱季期间仍需加强O3超标管控，同时不能忽略颗粒物超标风险，因为O3与NO2呈显著正相关，须做好协同管控。

参考文献：

[1] 环境空气质量评价技术规范（试行）：HJ 663—2013[S].2013.

[2] 唐孝炎，张远航，邵敏.大气环境化学[M].北京：高等教育出版社，2006：215-242.

[3] 天气网.攀枝花历史天气[EB/OL].http：//lishi.tianqi.com/panzhihua/index.html.

[4] 张宇静，赵天良，殷翀之，等.徐州市大气PM2.5与O3作用关系的季节变化[J].中国环境科学，2019，39（6）：2267-2272.

[5] 国家大气污染防治攻关联合中心.京津冀及周边地区大气重污染成因更清晰——蓝天保卫战，精准施策加油干[EB/OL].（2019-03-21）[2019-10-11].https：//www.sohu.com/a/302854284_100149447？sec=wd.ational.

[6] 曾鹏，辛存林，于奭，等.典型西南工业城市柳州市核心区大气污染物时空分布与气象因素研究[J].环境科学学报，2020，40（1）：13-26.

[7] 唐毅，陈治翰，罗治华，等.后向轨迹模式在攀枝花市PM2.5来源分析研究中的应用[J].四川环境，2016，35（4）：83-89.

作者简介：李文钢（1984-），男，工程师。研究方向为环境监测。