石家庄市区大气污染物浓度变化特征研究

李秋芳，任振科

（石家庄市环境监测中心，河北石家庄050022）

石家庄市区大气污染物浓度变化特征研究

李秋芳，任振科

（石家庄市环境监测中心，河北石家庄050022）

利用2014-2015年3月SO2，NO2，PM10，PM2.5，CO和臭氧的观测数据，分析了石家庄市主要大气污染物的变化特征.结果表明，臭氧夏季平均浓度值最高；NO2夏季浓度值最低；PM2.5，SO2和CO冬季浓度最高，夏季浓度最低；而PM10浓度春季最高，较为明显的高于其它3个季节.臭氧四季的日变化均呈单峰型，其余五项污染物浓度四季的日变化呈现出“早峰午谷”，且夜间出现小高峰.掌握石家庄市大气污染物的变化特征，可为大气环境治理工作与防控措施研究提供科学依据.

石家庄；大气污染；SO2；NO2；PM10；PM2.5；变化特征

0 引言

随着经济的发展，城市化进程的加快，大气污染物排放量逐年增加，城市空气质量愈发恶化，京津冀地区尤为突出，大气污染成为中国日益突出的重要环境问题之一[1].颗粒物、臭氧、SO2和NO2是影响城市大气环境质量的主要污染物，并对生态环境和人体健康产生显著影响[2,3].近年来，许多学者对该类大气污染物开展了广泛的研究.其中有典型时期污染物变化规律的研究，如李令军等[4]对北京市春节期间因鞭炮燃放导致的大气污染物的变化进行了研究；孙志强等[5]通过空气污染联网观测，研究了奥运时段北京与近周边区域空气质量的相互影响；周瑞等[6]通过对唐山市、迁安市和曹妃甸3个地区的观测，研究了唐山工业新区在冬季采暖期大气污染变化状况.也有涉及单项或几项污染物浓度变化的研究，如薛敏等[7]使用气象色谱法，通过对北京城市大气CO浓度进行连续监测，分析了北京市CO的时间变化特征；周学华等[8]通过设立监测点，结合气象资料对济南市2005年春季大气颗粒物污染特征及与气象条件的相关性进行了研究；王占山等[9]通过北京城区12个自动空气监测子站的臭氧及其前体物的浓度，探讨了北京城区臭氧浓度的日变化特征以及与前体物的关系.除此之外，亦有针对霾天气展开的研究，如吴兑等[10]使用广州地区气象资料，研究了2010年广州亚运会期间的灰霾天气特征；戴永立等[11]使用气象因子以及SO2，NO2和PM10等环境空气质量资料，统计分析了北京、上海、广州和成都4个超大城市霾天气频率季节和年际变化特征及其主要影响因子；刘璇等[12]利用MODIS，CALIPSO卫星观测的气溶胶产品和地面空气质量、气象资料，结合后向轨迹模式探讨了2013年12月长江三角洲地区一次持续性的严重霾污染过程的形成、特征及其可能来源.

关于石家庄市区大气污染物的研究也较为缺乏.鉴于此，笔者利用石家庄市区空气质量自动监测站点的监测数据，分析2014年-2015年3月石家庄市区污染物浓度变化特征，以期为石家庄市大气环境状况变化和与防控措施研究提供科学依据.

1 数据采集与处理

1.1 监测点位

研究所用监测数据均来自石家庄市区国控空气质量自动监测网络.石家庄市是国家环境监测网络城市之一，市区内正常运行的国控大气常规监测点位7个，分别为裕华区的世纪公园点位，长安区的化工学校、人民会堂点位，新华区的西北水源点位，桥西区的西南高教、职工医院点位，高新区的高新区点位.7个国控点位均采用自动连续监测方式，监测SO2，NO2，PM10，PM2.5，CO和臭氧等污染物的浓度，并实时对外发布.

1.2 数据处理

目前中国城市环境空气质量排名依据环境空气质量综合指数进行排序.空气质量综合指数是指评价时段内，参与评价的各项污染物的单项质量指数之和，综合指数越大表明城市空气污染程度越重.参与评价的污染物包括SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和臭氧日最大8小时，因此掌握污染物浓度的变化尤为重要.

笔者通过各点位的污染物浓度计算石家庄市区污染物浓度值，进而研究该6项污染物的浓度变化特征.具体方法是：市区的小时均值浓度为各点位小时均值浓度的算术平均值；市区各项污染物的日均值浓度是通过点位一天中各小时数据，计算各点位日均浓度，由各点位的日均浓度算术平均得到城市日均浓度；市区臭氧日最大8 h平均浓度由各点位的日最大8 h平均浓度算术平均得到.在日均浓度基础上，计算各项污染物浓度的月均值、季节均值和年均值.

2 结果与分析

2.1 污染物浓度水平

表1中列出了统计时段各种污染物浓度的日均值、小时均值及2014年的年均值.根据统计，SO2日均值和小时均值的最大值均出现在冬季，分别为306 μg/m3和450 μg/m3；最小值均出现在秋季.NO2日均值和小时均值的最大值同样出现在冬季，分别为162 μg/m3和206μg/m3；NO2日均值的最小值出现在秋季，而小时均值最小值出现在春季.PM10日均值和小时均值的最大值也出现在冬季，分别为715 μg/m3和983 μg/m3；PM10日均值的最小值出现在夏季，而小时均值最小值出现在秋季.PM2.5日均值和小时均值的最大值也出现在冬季，分别为522 μg/m3和699μg/m3.CO日均值和小时均值的最大值也出现在冬季，分别为7.8 mg/m3和9.3 mg/m3；最小值分别出现在春季和秋季.臭氧日最大8小时和小时值的最大值出现在夏季，分别为262 μg/m3和328μg/m3.

2014年SO2，NO2，PM10，CO、臭氧和PM2.5的年均值分别为：62 μg/m3，53 μg/m3，206 μg/m3，1.5 mg/m3，81 μg/m3和124 μg/m3.按照国家颁布的《环境空气质量标准》（GB3095-2012），SO2，NO2，PM10，CO，臭氧和PM2.5的年二级标准分别为：60 μg/m3，40 μg/m3，70 μg/m3，4.0 mg/m3，160 μg/m3和35 μg/m3，因此，2014年石家庄市区的CO和臭氧浓度的年均值在标准规定的浓度限值以下，其余四项污染物浓度年均值超标，且PM10和PM2.5年均浓度分别超标1.9倍和2.5倍.

表1 污染物浓度（μg/m3）

2.2 污染物浓度季节变化和逐日变化

2.2.1 污染物浓度的季节变化特征

根据气象统计，石家庄市季节划分为：3-5月为春季；6-8月为夏季；9-11月为秋季；12月-次年2月为冬季，六项污染物各个季节的浓度均值分别列于表2中.

石家庄市区臭氧浓度呈现明显的季节变化特征，春季和夏季的浓度要明显高于秋季和冬季.夏季平均浓度值最高，达到137 μg/m3，而冬季仅为35 μg/m3，夏季浓度值约为冬季的4倍.这是因为秋冬季节在太阳光强减弱的影响下，生成臭氧的光化学反应能力降低，使得秋冬季节臭氧浓度明显下降，远低于光照较强的春夏季节.

与臭氧的变化特征相反，夏季石家庄市区的NO2浓度最低，秋冬季节逐渐升高.这种变化趋势与秋冬季节臭氧浓度降低导致消耗的氮氧化物减少有关.另外，夏季大气对流较强且降水多，有利于污染物的扩散和消除，而秋季秸秆等生物质焚烧在一定程度上也会增加污染物的排放[13].

SO2浓度季节变化较大，冬季浓度最高，夏季浓度最低，冬季浓度值约为夏季的4倍.这主要是由于SO2大部分来源于化石燃料燃烧，冬季的集中燃煤供暖会导致SO2等污染物的大量排放，而夏季燃烧源较少且降水较多，使得SO2浓度降低.

CO也存在明显的季节变化，总的表现为冬季浓度值最高，夏季浓度值最低，导致CO在石家庄大气中浓度季节变化的因素，首先是排放源的变化，其次是季节性气候变化以及光化学反应.CO的直接源是矿物质的不完全燃烧，石家庄冬季的燃煤供暖必然也会使冬季的CO浓度高于非采暖期.冬季大气稳定度升高，CO扩散能力降低，而温度降低，辐射减弱，光化学反应会减弱，这是冬季CO浓度高的另一个原因.

石家庄市区大气中PM2.5，PM10整体污染水平较高，可吸入颗粒物污染严重，PM2.5的浓度甚至经常超过PM10国家空气质量二级标准[14]，2014年PM2.5年均值达124 μg/m3，PM10年均值达206 μg/m3.PM10和PM2.5浓度高低呈现明显的季节性变化规律，因冬季供暖而产生的人为颗粒物源的增加，使颗粒物浓度明显高于夏季.PM2.5浓度最高的为冬季，秋季浓度高于春季，夏季浓度最低.而PM10浓度春季最高，明显高于其它3个季节，且PM2.5/PM10比值仅为0.50，明显低于其他3个季节和年平均比值（夏、秋、冬和年平均比值分别为：0.58、0.62、0.62和0.60）.这是由于春季沙尘天气较为频发，且天气相对干燥，风速大于夏秋季节，导致地面扬尘增加，PM10浓度较高.

表2 各种污染物四季的浓度值（μg/m3）

2.2.2 污染物浓度的逐日变化特征

如图1，绘出了本研究统计时段石家庄市区污染物浓度逐日变化图，以及国家规定的各项污染物浓度的二级标准.

臭氧的全年逐日变化呈反“U”型分布，与光照强度有很强的一致性.1，2月，光照强度较弱，臭氧浓度较低，3月开始呈现明显上升的趋势，到7月达到全年的峰值，8月臭氧浓度开始下降，11月为全年浓度最低值，11-次年2月臭氧浓度保持在一个较低的水平.这主要是由于一年内气温和辐射量的季节性变化影响了大气的光化学反应，导致臭氧浓度也呈现出季节性变化.臭氧在5-7月浓度较高，经常超过国家空气质量二级标准，5-7月共有30天超标，超标率达32.6%，而4月和8月分别有1天和3天浓度超标，超标率仅为3.3%和9.7%，远低于5-7月的超标率.

1月NO2浓度最高，2，3月份保持较高水平，4月份浓度大幅下降，4-9月保持较低的水平，9月浓度值最低，10月又开始回升，至次年1月出现峰值.NO2在全年各月均有超标天数，秋冬季节超标天数最为突出. 2014年全年NO2超标率为54.0%.1-3月超标率达76.1%，10-12月超标率达73.9%，而4-9月共有59天超标，超标率达32.2%，远低于秋冬季节的超标率.

CO浓度全年呈“U”型分布，最高值出现在冬季1月份，最低值出现在9月份.1-3月份CO浓度逐渐下降，4-9月CO浓度在低位波动，10月份开始，由于温度降低，光化学反应减弱，CO浓度又开始逐渐升高，至次年1月又出现峰值.CO超标天数集中在采暖季，超标率为5.5%，非采暖季没有出现超标情况，可见CO浓度的高低与采暖期燃煤直接相关.

SO2的浓度也呈现中间低两头高的“U”型分布，两头的高值分别出现在2014年1月和2015年的1月，而中间的2014年的4-11月份浓度较低.SO2浓度超标的天数不但出现在采暖季，非采暖季也偶有超标现象出现，但超标现象主要集中在采暖期.

图1 各种污染物浓度的逐日变化

图2 污染物浓度不同季节的日变化

PM2.5和PM10的逐月变化趋势基本相同，采暖期的1月份是全年最高的月份，随着天气转暖，3月采暖结束颗粒物浓度逐渐降低.PM2.5浓度在5-9月份保持在较低的水平，6-9月份PM10浓度保持低位波动.除采暖期的1月和2月外，10月份是石家庄市区重度污染以上天数最多的月份（1月25天、2月17天、3月12天、4月7天、5月2天、6月3天、7月4天、10月13天、11月8天、12月10天），重度污染天气中的雾霾现象增加了颗粒物在大气中滞留的可能性，从而使颗粒物浓度升高，因此10月份PM2.5和PM10的浓度出现一个小高峰.11月份开始，进入采暖期，颗粒物浓度开始回升.PM2.5和PM10全年大多数天都处于超标状态，超标率均在80.4%以上，且两种污染物在采暖期的超标状况要严重于非采暖期.

虽然影响污染物浓度的因素多且复杂，污染物浓度随时间不断波动变化，但除臭氧外，其余五项污染物的变化表现出明显的季节变化特征，都呈现出“U”型分布，即春、冬季的污染程度要重于夏、秋季.由于影响因素不同，臭氧与其余五项污染物的变化趋势正好相反，但也具有明显的季节变化规律.结合各项污染物全年变化情况，8月和9月是一年中石家庄市区空气质量最好的月份.需要注意的是，11月4-11日，PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO的变化曲线出现了明显的波谷，这是由于APEC会议期间石家庄采取了严格的限排措施，大量化工厂、制药厂以及煤电厂等排放源被强制关闭或限产，应急减排措施大大降低了大气污染物排放总量，对减缓污染物在大气中的累积、改善空气质量发挥了积极作用.

2.3 污染物浓度日变化

为进一步理解污染物的时间变化规律，笔者统计了一年四季每日不同时刻各污染物的浓度平均值，得到污染物的统计日变化特征，如图2.

臭氧四季的日变化规律基本一致，四季均呈单峰型，从日出后随着太阳辐射的增加和温度升高，臭氧浓度逐渐上升，在下午15:00左右达到峰值，此后随着太阳辐射强度的减小，光化学反应减弱，浓度逐渐减小.夏季的峰值浓度要高于其他季节，达到146 μg/m3，而且昼夜变化幅度也最大，可达123 μg/m3.冬季的昼夜变化幅度最小，为21 μg/m3.臭氧浓度白天最大值和夜晚最小值的比值可以反映地区的光化学污染程度，比值越大污染越严重[15].本研究中，春、夏、秋、冬四季臭氧浓度白天最大值与夜晚最小值的比值分别为5.9、6.4、7.7和3.1.

NO2呈现与臭氧明显不同的变化特点，表现出“早峰午谷”的特征，NO2的浓度变化与臭氧表现出了良好的负相关关系.早晨07:00-09:00浓度最高，此时是上班早高峰，城市中机动车等交通工具排放的污染物较多，之后浓度下降，一方面由于其被大气中增加的臭氧光化学反应消耗，另一方面随着大气对流混合的增强，近地面氮氧化物快速扩散稀释，午后15:00-16:00浓度降至最低，18:00之后其浓度又逐渐升高，且整个夜晚一直维持这种较高的浓度状态.冬春季的峰值浓度要高于夏秋季节，而春季的最小值要低于秋季，夏季的日变化最强烈.

CO的日变化也表现出明显的“早峰午谷”特征，清晨和夜间浓度高，白天午后浓度低.与上班高峰有关，07:00-09:00出现浓度峰值，之后浓度下降，至午后15:00-17:00达到最低值后接着上升.CO日变化的季节性差异非常明显，较其他三个季节，冬季变化幅度最大.从图3还可以看出，冬季早晨上班高峰期后CO浓度下降得快，而春、夏和秋季上班高峰期后CO浓度的下降得慢.

SO2的日变化特征与NO2相似，上午09:00-11:00浓度最高，之后随着空气对流混合加强以及早高峰过后机动车流量的减少致使SO2浓度逐渐降低，下午17:00达到最小值.冬季日变化较为强烈，浓度较秋季较高.春、秋和夏季下午17:00后，SO2浓度虽略有升高但相对维持稳定，而冬季在17:00后有较快的上升趋势.整体上，冬季和春季的SO2浓度明显高于夏季和秋季平均水平.

日出后辐射量增加，空气温度升高，人们开始外出活动，污染排放开始累积，PM10浓度也随之升高，并在上午上班高峰后的09:00左右达到高峰，下午16:00左右达到最小值.然而由于下午人类活动的增加、下班晚高峰的到来以及城市夜生活的各种能源消耗，颗粒物污染再次呈攀升趋势，晚上21:00以后颗粒物浓度高位波动变化.PM2.5浓度日变化与PM10基本相似，但PM2.5浓度日变化峰值浓度最高的是冬季，而PM10为春季.

3 结论

1）2014年石家庄市区的CO和臭氧年均浓度达到国家二级标准，其余四项污染物浓度超标，且PM10和PM2.5年均值分别超标1.9倍和2.5倍.

2）各种污染物均表现出了季节变化的特征.臭氧浓度春、夏季要明显高于秋、冬季.夏季平均浓度值最高，达到137 μg/m3，而冬季仅为35 μg/m3，夏季浓度值约为冬季的4倍.NO2季节变化幅度较小，夏季浓度值最低.SO2浓度季节变化较大，冬季的浓度最高，夏季浓度最低，冬季浓度值约为夏季的4倍.而CO也存在明显的季节变化，总的表现为冬季浓度值最高，夏季浓度值最低.PM2.5浓度最高的为冬季，秋季浓度高于春季，夏季浓度最低.而PM10浓度春季最高，较为明显的高于其它3个季节.

3）根据各项污染物的逐日变化可以发现，除臭氧外，其余五项污染物浓度全年呈“U”型分布.5-7月臭氧浓度较高，超标天数也主要集中在这些月份.CO超标情况分布在采暖季，非采暖季CO浓度值较低，不存在超标现象.SO2和NO2在采暖季浓度要远高于非采暖季，采暖季超标率较高，不同的是NO2在非采暖季超标现象也较严重，高于SO2在非采暖季的超标率.而PM10和PM2.5浓度全年几乎全部处于标准限值以上，超标现象尤为严重.

4）臭氧四季的日变化均呈单峰型，峰值出现在下午15:00左右，夏季的峰值浓度要高于其他季节.其余五项污染物浓度四季的日变化规律基本一致，呈现出“早峰午谷”，且夜间出现小高峰.

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（责任编辑 李建飞）

Changing Characteristics of the Air Pollutants in Shijiazhuang

LI Qiu-fang，REN Zhen-ke
（Shijiazhuang Environmental Monitoring Station，Shijiazhuang，Hebei 050022，China）

Variation characteristics of air pollutants are analyzed with the concentrations of SO2，NO2，PM10，PM2.5，CO and O3from 2014 to March 2015 in Shijiazhuang.The highest value of O3appeared in summer，and the lowest value of NO2in summer.The highest value of PM2.5，SO2and CO appeared in winter while the lowest appeared in summer.The concentrations of PM10in spring was the highest，significantly higher than the other three seasons.In the diurnal variation，there was one peak of O3.The diurnal variation of the remaining five pollutants shows“morning peak，afternoon valley”，however a small peak in the night.The analysis of variation characteristics of air pollutants provides scientific evidences for the atmospheric environmental governance and preventive measures.

Shijiazhuang；air pollution；SO2；NO2；PM10；PM2.5；changing characteristics

X511

：A

：1673-1972（2015）06-0081-07

2014-08-01

李秋芳(1986-)，女，河北石家庄人，硕士，主要从事空气质量分析研究.