山东省大气污染时空分布特征分析

2016-05-16康桂红孙兴池韩永清宋嘉佳

海洋气象学报 2016年1期

关键词：大气污染

康桂红，孙兴池，韩永清，宋嘉佳

（山东省气象台，济南 250031）

山东省大气污染时空分布特征分析

康桂红，孙兴池，韩永清，宋嘉佳

（山东省气象台，济南 250031）

摘要：通过分析山东省近6a来大气中污染物的浓度变化，发现影响山东省空气质量的主要污染物是颗粒物（PM2.5和PM10），山东省PM2.5年平均浓度均超过国家规定的轻污染标准10％以上，PM10年平均浓度基本接近轻污染标准值，其余四种污染物（SO2、CO、O3和NO2）浓度均低于轻污染规定标准，因此山东省大气污染治理的重点是减少颗粒物。分析污染物浓度时间变化发现：11—1月山东大气污染最严重，6—9月污染较轻；济南周四污染相对最轻，周六到周一污染较重；每日15—17时是空气质量最好的时段。分析污染物浓度空间分布发现：O3浓度半岛地区较其他地区高；SO2浓度鲁中地区较高；CO浓度鲁西北和鲁中较高；NO2、PM10和PM2.5浓度分布基本一致，除半岛地区外，其他地区均维持较高污染物浓度。

关键词：大气污染；时间变化；空间变化

资助项目：山东省气象局重点课题（2014sdqxz01）资助

引言

随着现代城市规模的迅速扩大以及工业、经济的快速发展，城市人口与车辆的迅速增多，伴随而来的城市大气环境污染问题越来越严重。近年来，对空气污染状况的研究有了很大进展，如向敏等分析了2007年中国城市大气污染时空分布特征指出，污染总体上北方重于南方，城市大气污染由人类活动及当地特殊的地理位置综合影响形成，沙尘天气加重了北方大气污染[1]。周兆媛等认为空气质量除了直接受局地大气污染物排放影响，空气质量也受局地气象要素的影响[2]；胡琳等提出西安市污染较为严重的污染物为PM10[3]；赵普生等分析了京津冀区域霾天气特征表明，京津冀区域霾日数30a呈增加趋势[4]。山东作为空气污染严重的京津冀周边省份，近年来积极开展空气污染状况和气象条件等级研究，详细分析了山东省的空气质量现状、年际和季节变化特征，研究了大气污染物的变化规律和影响大气污染的主要因子，为大气污染控制及防治提供决策依据。

1 资料来源及技术标准

选取山东省环保局2009—2014年大气污染物SO2、CO、O3、NO2和PM10环境观测站点监测小时数据和日数据及2013—2014年PM2.5环境观测站点监测小时数据和日数据（2013年以前没有PM2.5观测数据）；根据环境保护部发布《环境空气质量指数（AQI）技术规定》[5]标准：空气质量指数（AQI）大于100为轻度及以上污染，对应各污染物浓度限值分别是：SO2≥150µg·m-3、NO2≥80µg·m-3、CO≥4 mg·m-3、O3≥160µg·m-3、PM10≥150µg·m- 3和PM2.5≥75µg·m- 3。

2 污染物时间变化特征

2.1 污染物年际变化

统计分析2009—2014年山东省各种污染物年平均浓度，对比各种污染物项目浓度的限值可以看出:山东省SO2、CO、O3和NO2四种污染物浓度近6a均低于规定标准（图1a-d），最大值在标准值的60％左右。从年际变化上来看，SO2浓度基本呈逐年减少的趋势，尤其是2014年比2013年减少的幅度较大（图1a）；CO浓度从2009—2014年逐年降低，尤其是2013年比2012年降幅明显（图1c），2014年仍有降低，但降幅缩小；可以看出，近年来政府治理污染，减少排污量很有成效。NO被认为是汽车尾气造成的污染，NO2浓度6a来基本没有变化，2013年略有增大（图1b）。O3不是直接被排放的，而是转化而成的，比如汽车排放的氮氧化物，只要在阳光辐射及适合的气象条件下就可以生成臭氧。它也源于人类活动，汽车尾气、燃料燃烧、石化冶炼等是臭氧的重要污染源，2009—2014年略有降低（图1d），但幅度很小。PM10浓度2009年、2010年和2013年比标准值略偏高（图1e），其余3年接近标准值略偏低，总体基本接近轻污染标准值，年变化2011和2012年有明显减小，但2013年又有增大，2014年略有减小（图1e）。PM2.5浓度2014年比2013年有所减小，但2年中均比轻污染标准值偏高10％（图1f）。所以山东省首要污染物是颗粒物，尤其是PM2.5。

图1　2009—2014年山东省SO2（a）、NO2（b）、CO（c）、O3（d）、PM10（e）、PM2.5（f）浓度年际变化及与轻污染标准对比情况

2.2 污染物月变化

统计分析各污染物2014年逐月平均浓度变化情况（图2）可以看出：污染物浓度有明显的月际变化，PM2.5、SO2、NO2和CO的变化趋势基本一致，均为11—1月大，6—9月小，最大值均出现在1月，PM2.5、SO2、NO2最小值出现在7月，CO最小值出现在5月；PM10浓度的变化趋势与上述几种污染物基本相同，只是3 月PM10浓度有一次上升，这与3月沙尘天气增多有关，之后逐渐下降，最大值出现在1月，最小值出现在9月；所以11—1月山东大气污染最严重，而6—9月污染较轻。O3浓度的月际变化与其他污染物呈反位相，11—1月小，5—8月大。最大值出现在7月，最小值出现在12月。

图2　2014年山东省SO2（紫色）、NO2（绿色）、O3（蓝色）、CO（黑色）、PM10（褐色）、PM2.5（红色）浓度月际分布图

2.3 污染物周变化

PM2.5浓度的周变化基本摒弃了周期性气候变化的影响，主要反映周期性人类活动变化的影响。以济南为例，分析污染物浓度周变化情况发现，除O3外，其他污染物浓度周一均出现峰值，周二减小，周三略有升高，周四再次较小，均出现谷值，周五逐渐增大，直至周日峰值出现（图3a-c，e，f）。O3浓度周前期均较低，周五开始升高，周六出现峰值，周日逐渐减小（图3d）。综合周变化情况可以看出，济南周四污染相对最轻，周六到周一污染较重。

图3　2014年济南SO2（a）、NO2（b）、CO（c）、O3（d）、PM10（e）、PM2.5（f）浓度周变化

2.4 PM2.5日变化

由于山东主要污染物是颗粒物，其中PM2.5浓度明显偏高，利用2013年12月—2014年11月济南PM2.5浓度逐日资料，按冬季（12—2月）、春季（3—5月）、夏季（6-8月）和秋季（9—11月）的划分，分析四季污染物浓度日变化情况（图4），可以看出：不论哪个季节，15—17时PM2.5都存在谷值，每日15—17时是空气质量最好的时段。

冬季是污染最严重的季节，PM2.5浓度日均值在123～145µg﹒m-3之间。存在05时和16时2个谷值，10时和19—24时2个峰值，相比2个谷值，下午更低些，但维持时间均较短；而两个峰值的浓度接近，但第二个峰值持续时间较长。PM2.5浓度变化规律是：00时开始逐渐下降，05时到达第一个谷底，之后缓慢上升，08时开始迅速增大，10时达到最大，随后逐渐减小，16时达到全天最小，随后迅速增大，19时达到峰值，19—24时PM2.5浓度持续维持在较高水平。

春季污染相对较轻，PM2.5浓度日均值在72～86µg﹒m-3之间，其变化比较缓慢。只有1个谷值1个峰值，谷值在14～19时，维持时间较长。峰值较弱，19时开始浓度迅速增大，21时到达全天最高，之后一直维持在较高水平，直到09时PM2.5浓度才开始逐渐下降，14时达到较低水平。19时至次日9时PM2.5浓度变化平缓，始终维持在较高水平。

图4　PM2.5浓度冬季（紫色）、春季（绿色）、夏季（红色）、秋季（褐色）日变化分布图

夏季是全年污染最轻的季节，PM2.5浓度日均值在65～75µg﹒m-3之间，相差仅10µg﹒m-3，有1个谷值2个峰值。08时是全天最高值。17时为一个谷值。08—17时PM2.5浓度逐渐下降，17时到达全天最低，之后逐渐增大，23时到达第二个峰值，之后维持在较高水平，06时开始略有升高，08时达到全天最高。

秋季污染仅次于冬季，PM2.5浓度日均值在73～96µg﹒m-3之间。日变化类似夏季，有1个谷值2个峰值。16时为谷值，比夏季提前1小时。15—20时PM2.5浓度逐渐上升，20时达全天最高。2个峰值出现在9时和20—24时，第一个峰值浓度较低，且持续时间较短；第二个峰值浓度大，持续时间长，是全天浓度最高的时段。夏季最大值出现在早晨08时，秋季最大值出现在夜间21时。

污染物的日变化和气象条件的日变化存在一定关系，一年四季PM2.5浓度的日变化在下午15—17时均存在一个谷值；温度的最大值则出现在下午14—16时，相对湿度的日变化和温度在位相上完全相反，下午14—16时相对湿度最小；风速日变化特征是，各季日平均风速均在午后达到一天中的最大值，夏季达到最大值的时间要明显滞后其他季节，各季节日平均风速均在日出前后达到一天中的最小值[6]。显然，每天午后是扩散条件最好的时段。此时，逆温已经消散，混合层高度达到最高，风速大，相对湿度小，形成污染物浓度日变化的最低谷。

3 污染物空间分布特征

统计分析2014年山东省17地市各污染物浓度年平均分布可以看出，各污染物的空间分布有明显的不同。

SO2浓度淄博和莱芜明显偏高，淄博最高，为108.9µg﹒m-3，其次为莱芜和枣庄，分别为90.3µg﹒m-3和73.3µg﹒m-3；威海最低，为22.8µg ﹒m-3，烟台、青岛和日照均在35µg﹒m-3左右，其他地市在50～60µg﹒m-3（图5a）。由于SO2主要来源为工业生产、生活炉灶与采暖锅炉、废物焚化和交通运输工具等，污染物来源较一致。浓度高的地市均为重工业区。

NO2浓度17地市相差不大，最高的是淄博，为62.8µg﹒m-3，其次是临沂，为58.1µg﹒m-3，最小的是威海，为25.8µg﹒m-3，其他地市均在40～50µg﹒m-3（图5b）。

CO主要来源于含碳物质的不完全燃烧过程，是人类活动排放量最大的大气污染物之一。CO浓度最大值出现在聊城，其后依次为莱芜、淄博和临沂，半岛地区相对较低，其他地区在1.1～1.6mg﹒m-3（图5c）。

O3作为一种典型的光化学反应物，其浓度与太阳辐射强度密切相关。分布与其他污染物截然不同，最大值出现在威海，为90.2µg·m-3，其次是潍坊，为82.4µg·m-3，最小的是泰安，为39.4µg·m-3，其他地市在40～70µg·m-3之间（图5d）。

全省按半岛、鲁西北、鲁西南、鲁中、鲁东南划分区域，PM10浓度除半岛地区（青岛、烟台和威海）外，其他区域均有高于轻污染标准（150µg·m-3）的地市。鲁西北地区（聊城、德州、滨州和东营）除滨州外，其他3市PM10浓度均大于150µg·m-3，其中聊城PM10浓度为177.0µg·m-3，是全省PM10浓度最高的城市；鲁西南地区（菏泽和济宁）PM10浓度均大于150µg·m-3；鲁中地区（济南、泰安、莱芜、淄博和潍坊）5市中济南和淄博PM10浓度均大于150µg·m-3，其他市低于轻污染标准；鲁东南地区（枣庄、临沂和日照）除日照外，其他2市PM10浓度均大于150µg·m-3（图5e）。PM2.5浓度除半岛（青岛、烟台、威海）3地市和日照低于轻污染标准75µg·m-3外，其他地市均大于75µg·m-3；德州和菏泽大于100µg·m-3（图5f），德州是山东省PM2.5浓度最大的城市。