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夏季降雨对大气污染物的清除影响*

2016-03-13邹长伟邹友琴黄业星赵国登

环境污染与防治 2016年3期
关键词:强降雨降雨量降雨

刘 星 黄 虹# 左 嘉 邹长伟 邹友琴 黄业星 赵国登 陈 倩

(1.南昌大学资源环境与化工学院,江西 南昌 330031;2.南昌市环境监测站,江西 南昌 330038)

近年来,大气污染形势严峻,特别是城市区域,雾霾天出现的频率有增加的趋势,严重威胁人群健康和生态环境,并对全球气候带来不利影响。颗粒态污染物从大气中的去除过程主要为干沉降和湿沉降过程[1],一些气态污染物也通过干湿沉降从大气中去除,而降雨是湿沉降的主要过程,因此研究降雨和大气污染物的关系,对大气污染的预防与控制具有重要意义。

国内外也有许多学者研究降雨对大气污染物的影响。陈小敏等[2]115-120和张文静等[3]研究了不同等级降雨对大气污染物的清除能力。谢鹏等[4]和王跃思等[5]研究了雨水中污染物离子浓度,进而推断降雨对大气污染物的清除效果。康汉青等[6]研究了降雨、降雪及雾过程对气溶胶的清除系数与气溶胶粒径分布的相互关系。周国兵[7]分别研究了日降水、连续降水和逐时降水对PM10、SO2、NO2和空气污染指数(API)的影响。BAE等[8-9]研究了雨滴与气溶胶之间的漂移和静电作用,气溶胶因两种作用与雨滴发生碰撞而去除。LAAKSO等[10]通过长期观测湿沉降对0.01~0.50 μm气溶胶的清除,研究降水对气溶胶的清除系数和清除效率。CHATE等[11]研究降水对不同粒径颗粒物的清除机制和清除效果,研究两者间的相互作用。YOO等[12]通过长期观测认为,夏季降雨对PM10、SO2、NO2和CO有清除作用,对O3浓度没有影响。本研究着重就不同等级的降雨量、降雨场数和降雨累积时间通过冲刷作用对大气污染物浓度的影响进行分析,为大气污染物的人工干预、人工清除提供科学依据。

图1 SO2日均质量浓度与日降雨量的变化

1 资料与方法

降雨量由APS-3A型降雨降尘自动采样器实际监测得到。采样器位于江西省南昌市红谷滩新区南昌大学前湖校区环境楼楼顶。

大气污染物的浓度数据来源于南昌市环境监测站的“南昌市空气质量实时发布”,每天定时记录建工学校监测站点(位于红谷滩新区新府路某办公楼楼顶)SO2、NO2、PM10和PM2.5的质量浓度,记录时间为夏季(2014年6月16日至7月15日),共30 d。

建工学校监测点位于南昌市红谷滩新区,距离南昌大学前湖校区环境楼的直线距离约为4 km,两者均位于赣江西岸,属南昌市新城区范围,为商业交通居民混合区。两采样点均位于楼顶,两点间无山脉和高大建筑物遮挡,大气污染物浓度及气象条件基本一致;在监测期间,特别是降雨日,南昌市风速都为微风或静风,大气湍流造成污染物干沉降的影响很小,所以本研究数据具有可分析性。

2 结果与分析

2.1 降雨对SO2浓度的影响

在南昌大学前湖校区环境楼楼顶监测日降雨量,并记录SO2日均质量浓度,分析两者在观测期间的分布与变化趋势,结果见图1。

当日降雨量≥10 mm(即中强雨降雨)时,当天的SO2日均质量浓度大都对应出现一个谷值(6月17日、6月21日、6月24日、7月11日、7月13日、7月15日),说明中强雨降雨对大气中SO2有明显的清除作用(清除效率为14.3%~50.0%,其中清除效率是指降雨前一日大气污染物浓度与降雨日大气污染物浓度的差值占降雨前一日大气污染物浓度的分数[2]115-116,[13]);在中强降雨后的第2天(如6月18日、7月14日),没有降雨或日降雨量很小时,SO2日均浓度反弹升高,反过来也说明中强降雨对大气中SO2的清除作用。

但在6月27日,日降雨量为50.8 mm(远超过10 mm),SO2日均浓度仅从前一日的24 μg/m3下降到22 μg/m3,降低了2 μg/m3,清除效率很低,与上述讨论的中强降雨对SO2清除效率高的规律不完全相符,分析其原因主要是由于前一日大气中SO2日均浓度较低,导致第2天降雨对其冲刷作用较小。可见,降雨对大气中低浓度SO2清除无明显作用。

从图1中能比较明显地看到中强降雨对SO2的清除影响,但小雨(日降雨量<10 mm)对SO2的清除效率从图1中不易看出规律,故把≥10 mm降雨日的数据全部剔除后,再与SO2日均质量浓度的分布对应比较,结果见图2。

从图2可以看出,当前一天没有降雨(如6月18日)或前一天SO2日均质量浓度较高(高于25 μg/m3)时(如7月2日),且第2天出现1 mm<日降雨量<10 mm时,SO2日均浓度会有较明显的降低趋势,说明>1~<10 mm的降雨也会对SO2有一定的清除作用。

但当前一天因中强降雨导致SO2日均浓度特别低时,第2天即使出现1 mm<日降雨量<10 mm,也不一定会继续对SO2有清除作用。比如,结合图1和图2可见,6月21日日降雨量达到116.5 mm,SO2日均质量浓度受强降雨影响在观测期间达到最低值(12 μg/m3),第2天(6月22日)连续降雨(日降雨量为4.5 mm),这时SO2日均质量浓度没有下降,而是升高为16 μg/m3,说明>1~<10 mm的降雨对SO2的清除作用受前一天的降雨量和SO2本底浓度的影响。7月11、12日出现同样的规律,7月11日中强降雨(日降雨量为19.5 mm),SO2日均质量浓度下降到22 μg/m3,7月12日连续降雨(降雨为1.2 mm),SO2日均质量浓度升高为31 μg/m3。

图2 日降雨量<10 mm时的SO2日均质量浓度与日降雨量变化

图3 NO2日均质量浓度与日降雨量的变化

≤1 mm的降雨情况出现时,降雨当天SO2日均浓度相比前一日,有些表现为降低趋势,如6月25、26日以及7月4、5日;有些则表现为升高趋势,如6月29、30日及7月1、2日。这说明,≤1 mm的降雨对SO2浓度的影响不明显。

另外,从图1和图2还可以看出,日降雨量与SO2日均浓度没有形成绝对的反比关系,即日降雨量越大,SO2日均浓度不一定越小。分析降雨对SO2的清除作用,除受降雨量的影响外,可能还与降雨累积时间和降雨场数有关。比如,6月19日日降雨量仅为1.6 mm,日降雨累积时间为126 min,降雨对SO2的清除效率为34.4%,7月3日日降雨量为3.2 mm,日降雨场数为5场,对SO2的清除效率为32.1%,这两日的清除效率都高于7月11日(29.0%),而7月11日日降雨量为19.5 mm,日降雨累积时间为100 min,日降雨场数为2场;同样,6月22日日降雨量为4.5 mm,日降雨场数为12场,降雨持续时间近5 h,而当天的SO2日均质量浓度仅为16 μg/m3。这进一步说明了,降雨场数和降雨累积时间对SO2浓度有较大的影响。

2.2 降雨对NO2浓度的影响

2014年6月16日至7月15日记录的NO2日均质量浓度和日降雨量的变化见图3。

从图3可以看出,日降雨量的变化与大气中NO2日均浓度的变化不存在一致或相反的变化规律,有时出现中强降雨,NO2日均浓度表现为降低趋势(6月21日、6月24日、7月11日和7月13日),有时则表现为升高趋势(6月17日、6月20日、6月27日和7月15日)。这说明,中强降雨对NO2浓度影响不大。

同样从图3还可以看出,6月19日、6月22日、6月23日、6月30日、7月2日、7月3日、7月14日出现小雨,NO2日均浓度比前一日升高;6月26日、6月28日、7月5日和7月12日出现小雨,NO2日均浓度比前一日降低。这说明,小雨对NO2浓度影响也不大。

图4 PM10、PM2.5日均质量浓度与日降雨量的变化

图5 日降雨量<10 mm时的PM10、PM2.5日均质量浓度与日降雨量变化

2.3 降雨对PM10和PM2.5浓度的影响

对收集期间日降雨量和PM10、PM2.5日均质量浓度作变化趋势曲线图,分析两者的相互变化关系,结果见图4。

从图4可以看出,除了6月21日,其他中强降雨日,PM10和PM2.5日均浓度均有明显的降低趋势,说明中强降雨对PM10和PM2.5均有明显的清除效果,PM10和PM2.5的清除效率分别为20.2%~68.8%、20.0%~74.0%。可见,中强降雨对颗粒物的清除效率略高于对SO2的清除效率。

6月21日虽然出现中强降雨,但PM10、PM2.5日均质量浓度分别为46、18 μg/m3,明显比前一日升高,主要是因为前一日PM10和PM2.5日均质量浓度很低(分别为21、6 μg/m3),6月21日出现一定的反弹回升现象。这说明,中强降雨对PM10和PM2.5的清除作用不仅受降雨量的影响,还受其降雨前PM10和PM2.5本底浓度影响。

同样,为分析小雨对PM10和PM2.5的清除效率,剔除日降雨量≥10 mm的数据后,再与PM10和PM2.5日均质量浓度的分布进行比较,结果见图5。

从图5可以看出,除了在6月28日(日降雨量为1.6 mm),PM10和PM2.5日均浓度因受6月27日其本底浓度的影响,出现反弹现象外,在其他1 mm<日降雨量<10 mm的降雨日(6月19日、6月22日、7月3日、7月12日),PM10和PM2.5日均浓度都比前一日降低,说明>1~<10 mm的降雨对PM10和PM2.5也有一定的清除效果,PM10和PM2.5的清除效率分别为17.4%~66.5%、27.8%~76.7%。

除了在7月14日(日降雨量为0.1 mm),受前一日PM10和PM2.5本底浓度的影响,出现明显的反弹现象外,其他日降雨量≤1 mm的降雨日(6月23日、6月26日、6月30日、7月2日、7月5日)对PM10和PM2.5的清除效率分别为2.3%~23.2%、-5.9%~21.7%,PM2.5的清除效率负值出现在6月30日(日降雨量为0.6 mm),比前一日PM2.5增加了1 μg/m3,说明≤1 mm的小雨对PM10有一定的清除能力,对PM2.5的清除效果不明显。

降雨对PM10和PM2.5的清除能力除了受降雨量的影响外,同样也可能与降雨累积时间和降雨场数有关。在6月19日,日降雨量仅为1.6 mm,日降雨累积时间超过2 h,日降雨场数为1场,对PM10和PM2.5的清除效率分别为22.4%、36.4%;在7月3日,日降雨量为3.2 mm,日降雨累积时间109 min,日降雨场数为5场,对PM10和PM2.5的清除效率分别为40.0%和62.1%;在6月24日,日降雨量为10.4 mm,日降雨场数为11场,日降雨累积时间为512 min,对PM10和PM2.5的清除效率分别为32.4%、41.7%,高于7月11日降雨对PM10和PM2.5的清除效率(分别为20.2%、20.0%),而7月11日,日降雨量为19.5 mm,日降雨累积时间为100 min,日降雨场数为2场,说明降雨累积时间和降雨场数对PM10和PM2.5的清除有一定的影响。

3 结 论

(1) 中强降雨对大气中的SO2、PM10和PM2.5都有明显的清除效果,对SO2、PM10和PM2.5的清除效率分别为14.3%~50.0%、20.2%~68.8%、20.0%~74.0%;>1~<10 mm的降雨对SO2、PM10和PM2.5也有一定的清除效果;≤1 mm的降雨,对PM10具有清除作用,但清除效率较低(2.3%~23.2%),而对SO2和PM2.5清除效果不明显,有时还会增加SO2和PM2.5的浓度。降雨量对NO2的浓度变化影响不大。

(2) 降雨对大气污染物的清除效率受降雨前污染物本底浓度的影响,污染物本底浓度很低时甚至会出现反弹现象。

(3) 降雨对污染物的清除效率除了受降雨量的影响外,其降雨场数和降雨累积时间对其也有一定的影响。

[1] 戴树桂.环境化学[M].2版.北京:高等教育出版社,2006.

[2] 陈小敏,邹倩,周国兵.重庆主城区冬春季降雨强度对大气污染影响[J].西南师范大学学报(自然科学版),2013,38(7).

[3] 张文静,胡琳,吴素良,等.降雨对西安市大气污染物质量浓度影响分析[J].陕西气象,2013(1):18-21.

[4] 谢鹏,霍铭群,孙倩,等.云下颗粒物清除作用对雨水离子组成影响研究[J].北京大学学报(自然科学版),2009,45(4):707-712.

[5] 王跃思,李雪,姚利,等.2007年北京夏季降水分段采样酸度和化学成分分析[J].环境科学,2009,30(9):2715-2721.

[6] 康汉青,朱彬,樊曙先.南京北郊冬季大气气溶胶及其湿清除特征研究[J].气候与环境研究,2009,14(5):523-530.

[7] 周国兵.重庆市主城区气象条件对空气污染影响分析及数值模拟研究[D].兰州:兰州大学,2014.

[8] BAE S Y,CHANG H J,YONG P K.Relative contributions of individual phoretic effects in the below-cloud scavenging process[J].Journal of Aerosol Science,2009,40(7):621-632.

[9] BAE S Y,CHANG H J,YONG P K.Derivation and verification of an aerosol dynamics expression for the below-cloud scavenging process using the moment method[J].Journal of Aerosol Science,2010,41(3):266-280.

[10] LAAKSO L,GRONHOLM T,RANNIK U,et al.Ultrafine particle scavenging coefficients calculated from 6 years field measurements[J].Atmospheric Environment,2003,37(25):3605-3613.

[11] CHATE D M,RAO P S P,NAIK M S,et al.Scavenging of aerosols and their chemical species by rain[J].Atmospheric Environment,2003,37(18):2477-2484.

[12] YOO J M,LEE Y R,KIM D.New indices for wet scavenging of air pollutants (O3,CO,NO2,SO2,and PM10) by summertime rain[J].Atmospheric Environment,2014,82(1):226-237.

[13] 李瑞,王旭.乌鲁木齐市降水对大气污染物的影响[J].沙漠与绿洲气象,2007(2):13-15.

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