常州颗粒物及污染气体的观测分析

程穆宁等

摘 要：利用常州市环境监测中心的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO及O3资料，分析了污染物的日变化以及颗粒物与污染气体之间的关系。结果表明：PM2.5、PM10和NO2浓度日变化呈“双峰双谷型“分布，说明它们主要由人类活动和大气层结稳定度共同决定。SO2浓度日变化呈现出白天大于夜间的现象，CO的日变化与机动车燃油不完全燃烧有关，O3的日变化与人类活动和光化学反应有关。颗粒物与污染气体之间存在一定的关系，但由于污染物源汇的复杂性，相关系数不是太高。

关键词：颗粒物；污染气体；日变化；相关关系

颗粒物已成为城市群空气质量急剧下降的首要污染物，导致区域性的雾霾天气频发[1-5]。粒径较小的颗粒物会进入人体，引发呼吸道疾病，研究表明该疾病的发病与颗粒物的浓度有关[6]。颗粒物按照粒径至少可分为PM2.5（颗粒物，空气动力学直径小于2.5μm）和PM10（颗粒物，空气动力学直径小于10μm）。污染气体（如SO2、NO2、CO及O3等）对人体健康和空气质量等有着重要的影响[7]。例如，SO2本身对人体有直接刺激作用，同时SO2容易在大气中氧化形成硫酸或者硫酸盐，腐蚀建筑物，酸化土壤和湖泊。鉴于颗粒物和污染气体对环境和人体的重要影响，文章将利用常州市的环境监测数据，分析颗粒物和污染气体的日变化及颗粒物和污染气体之间的关系。

1 资料

文章所用资料来自常州市环境监测中心，资料包括2010年全年的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO及O3资料。所用仪器为美国赛默飞世尔公司生产的PM2.5监测仪、PM10监测仪、SO2监测仪和NO2监测仪，以及美国自动精密工程公司生产的CO监测仪和O3监测仪。

2 颗粒物与污染气体浓度的日变化特征

2.1 PM2.5和PM10浓度的日变化特征

根据2010年常州PM2.5小时监测资料，图1a给出了PM2.5质量浓度的日变化特征，具有显著的“双峰双谷型“分布，高峰值出现在8时和20时，谷值则出现在4时以及12-15时左右。“双峰双谷型“分布原因分析：日出后，随着人类生产活动、交通运输的增加，PM2.5排放量逐渐增大，至8时达到了一天中的第一个高峰值，即0.0695mg/m3。之后，随着太阳辐射的增强以及气温的不断升高，大气稳定度减弱，湍流扩散能力增强，有利于污染物扩散迁移，使得PM2.5浓度逐渐减小，故在午后取得谷值，最小值为0.0574mg/m3，此时也是接近一天中地面温度最高，湍流运动最强的阶段，因此，污染物扩散条件最好。日落之后地表长波辐射降温增强，大气层结趋于稳定，同时伴随交通运输高峰，PM2.5的浓度再次上升，在20时取得峰值，即0.0705mg/m3。但是由于夜间人类活动减少，尽管大气层结逐渐趋于稳定，但PM2.5浓度仍逐渐减少，并在凌晨4时取得谷值，即0.0612mg/m3。由此可见，PM2.5质量浓度的日变化主要由人类活动和大气层结稳定度共同决定。

PM10的质量浓度呈现出和PM2.5相似的“双峰双谷型”分布（图1b），第一个峰值出现在早8时，第二个峰值出现在20时。两个谷值分别出现在4时及12时。

常州市空气中不同时段PM2.5在PM10中的占比见表1。常州市PM2.5/PM10占比均值为56.0%，且各时段占比基本持平。总体而言，白天PM2.5/PM10占比（55.3%）小于夜间（56.7%）。

2.2 污染气体浓度的日变化特征

如图2a所示，SO2浓度日变化呈“单峰单谷型”分布，一天中SO2浓度最大值出现在上午9时，谷值出现在17时至次日5时。白天浓度明显大于夜间，这与人类活动密切相关。

如图2b所示，NO2浓度日变化呈“双峰双谷型”分布，第一个峰值出现在上午8时，第二个峰值出现时域在18-20时；第一个谷值出现在凌晨4时，第二个谷值出现在午后12-14时。NO2浓度日变化与PM2.5浓度日变化基本一致。而且NO2极大值出现的时间正为上下班高峰期，说明机动车尾气排放的二氧化氮对环境空气的影响较大。

如图2c所示，CO浓度日变化呈“双峰双谷型”分布，第一个峰值出现在上午7-8时，第二个峰值出现在20时；谷值分别出现在1时和午后14时。CO浓度日变化情况与NO2较为相似，且极大值出现的时间也为上下班高峰期，可推断这种CO的日变化与机动车燃油不完全燃烧有关。

如图2d所示，O3在早晨7时之前浓度很低，之后迅速上升，至下午14时达到峰值。城市污染大气中，人类活动排放的NOx、NMHC（非甲烷碳氢化合物）和CO等污染物在白天太阳辐射作用下发生光化学反应生成高浓度O3。O3浓度与太阳辐射强度关系密切，正午太阳辐射最强烈，光化学反应以最大速率进行，因此O3浓度逐渐增大，至14时达到峰值。

3 颗粒物与污染气体浓度之间的相关关系

由PM2.5浓度与SO2、NO2、CO及O3浓度相关关系（图3）可知，PM2.5浓度与SO2浓度呈微弱正相关关系；PM2.5浓度与NO2浓度呈低正相关关系；PM2.5浓度与CO浓度呈显著正相关关系；PM2.5浓度与O3浓度呈微弱负相关关系。

PM2.5的来源，按其形成方式可以分为三种：直接以固态形式排出的一次粒子；由高温下排放的过饱和气态物质冷凝而成的一次粒子；由气态前体污染物经过复杂的大气多相化学反应转化而成的二次粒子。污染气体SO2在大气中氧化形成的硫酸盐粒子、NOx经光化学氧化过程形成的硝酸盐粒子都是PM2.5二次粒子的主要来源。气溶胶中硫酸盐的浓度主要取决于SO2的转化速率。温度高、湿度大、太阳辐射较强时，SO2转化速率高。但是，高温、强太阳辐射的气象条件通常有利于PM2.5粒子扩散，浓度较低，因此PM2.5与SO2浓度相关性不是很好。

城市污染大气中，人类活动排放的NOx、NMHC（非甲烷碳氢化合物）、CO等污染物可通过光化学反应产生二次污染物O3，并可进一步引发城市光化学烟雾污染。在高温、强辐射、低湿度的环境条件下，O3的浓度非常高。同时，NOx这一低层大气中O3的主要前体物，又通过紫外线驱动的光化学氧化过程消耗O3，快速形成了有机硝酸盐粒子，使得PM2.5浓度增大。因此，大气中PM2.5浓度与NOx、CO、O3三类气体污染物浓度密切相关，但由于污染物源汇的复杂性，相关系数不是太高。

PM10与污染气体浓度之间的关系与PM2.5类似（图略）。PM10浓度与SO2、NO2、CO浓度的正相关关系弱于PM2.5，PM10浓度与O3浓度相关性优于PM2.5浓度。

4 结束语

（1）PM2.5浓度日变化呈“双峰双谷型”分布，说明PM2.5质量浓度的日变化主要由人类活动和大气层结稳定度共同决定。PM10浓度的日变化特征与PM2.5的情况类似。PM2.5/PM10的均值为56.0%，且各时段占比基本持平。总体而言，白天PM2.5/PM10占比（55.3%）小于夜间（56.7%）。

（2）SO2浓度日变化呈现出白天大于夜间的现象，NO2浓度日变化与PM2.5、PM10浓度日变化基本一致，说明NO2与PM2.5、PM10具有同源性。CO浓度日变化峰值出现的时间为上下班高峰期，可推断这种CO的日变化与机动车燃油不完全燃烧有关。O3浓度在7时出现最低值，14时左右出现最高值，与人类活动和光化学反应有关。

（3）PM2.5浓度与SO2浓度呈微弱正相关关系；PM2.5浓度与NO2浓度呈低正相关关系；PM2.5浓度与CO浓度呈显著正相关关系；PM2.5浓度与O3浓度呈微弱负相关关系。由于污染物源汇的复杂性，相关系数不是太高。

参考文献

[1]Jung C H， Kim Y P. Numerical estimation of the effects of condensation and coagulation on visibility using the moment method [J]. Journal of Aerosol Science， 2006，37（2）：143-161.

[2]程穆宁，崔云霞，陆春松，等.能见度与颗粒物质量浓度之间的关系[J].环境科学与技术，2014，37：146-151.

[3]张祥志，秦玮，严国梁.2011年南京市春季大气颗粒物污染特征分析[J].环境监控与预警，2013，5：36-40+53.

[4]郭婧，华蕾，荆红卫.大气颗粒物的源成分谱研究现状综述[J].环境监控与预警，2011，6：28-32.

[5]陆晓波，许建华.一次典型灰霾天气过程及成因分析[J].环境监控与预警，2009，1：10-13.

[6]Natusch D F S， Wallace J R. Urban Aerosol Toxicity：The Influence of Particle Size [J]. Science，1974，186，695-699.

[7]周阳，王艳丽，陈璐，等.天津市O3生成与其前体物NOx、VOCs排放的相关性研究[J].环境监控与预警，2014，6：37-40+44.

*通讯作者：程穆宁（1983-），女，硕士，大气物理学与大气环境专业，主要从事大气环境研究。