香港地区不同类型站点大气污染变化特征对比研究

伍 潘,黄小娟,张军科,张建强,宋宏艺,罗进奇

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756； 2.成都信息工程大学大气科学学院 高原大气与环境四川省重点实验室，成都 610225)

1 前 言

随着经济快速发展、城市化进程加快以及大量的能源消耗，我国诸多城市或区域空气质量日益恶化，大气环境污染问题严重[1-2]。NO2、NOX、SO2、O3以及颗粒物作为典型的大气污染物，不仅对生态系统、区域大气能见度、交通安全、经济发展和气候变化产生重大影响[3]，而且对人体身体健康造成极大伤害，增加了心脏病、呼吸道系统疾病发病率以及死亡率[4-5]。

香港是我国甚至世界上经济最为发达的城市之一，其人口密度高、机动车数量庞大，同时又是我国重要的港口城市。以往研究发现，香港[6]2012～2015年PM2.5年均浓度分别为27.49μg/m3、30.83μg/m3、28.52μg/m3、25.2μg/m3，该值虽然明显低于我国的北京[7-8]、上海[9]、广州[10]等城市，其PM2.5年平均质量浓度分别为73μg/m3、48.8μg/m3、36.0μg/m3，但明显高于WHO的人体健康标准(WHO准则值：PM2.5年平均质量浓度为10.0μg/m3)，因此，对香港地区空气质量深入了解，对于其污染治理和空气质量改善意义重大。

本研究利用2016年(1.1～12.31)香港环境保护署观测结果，选择5个站点(分别代表路边、一般及背景站)，对获取的NO2、NOX、SO2、O3、颗粒物变化特征进行了对比研究，以期让公众对香港地区空气质量有更为全面的了解并为该地区大气污染控制和治理提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究区域特征

香港气候属于亚热带季风气候，全年气温较高，年均温度为23℃，年均降雨量为2 214.3mm。香港地区亚洲大陆高压在秋季形成，在冬季成熟，并在春季减弱，最终在夏季转为低压。气压的季节性变化导致了盛行风向的转变[11]。总体上讲，春季短暂，多雾，盛行东风；夏季炎热而湿润，盛行南风和西南风；秋季干燥少雨，多晴天，盛行东风；而冬季寒冷干燥，盛行北风和东北风[11]。盛行风向的转变，总是伴随着不同污染程度的空气气团传输到香港上空，即来自北面亚洲大陆的污染气团以及来自南面海洋的洁净气团。

2.2 观测站点、数据来源及仪器监测方法

本文所用数据均来源于香港环境保护署的自动监测数据(https://epic.epd.gov.hk/EPICDI/air/station/)，共选取三类具有代表性的5个站点，其中，路边站选取旺角和中环，一般站选取深水埗和中西区。最后，选取塔门作为本研究的背景站[12](见图1)。路边站代表了公共交通局地大气污染情况，能够反映交通源对城市大气的影响程度；一般站代表中心城区大气污染情况，是城市多种污染的综合体现；而背景站由于受人类活动影响较小，本地源贡献有限，其污染物主要源于远距离传输，能够代表香港地区背景污染水平。PM10、PM2.5、NO2、NOX、SO2和O3在线监测主要使用仪器及其监测方法详见参考文献[13]。

图1 观测站点位置Fig.1 Location of monitoring stations

3 结果与分析

3.1 污染物变化特征

3.1.1 各类站点污染整体分析

由下表可以看出，3种类型站点的PM2.5与PM10浓度年均值在观测期间并没有显著的差异，仅有背景站略低于其他两种类型站点，体现出颗粒物污染的区域性特征，这与贺克斌等[14]，和李建东等[15]研究结果一致。同时，观测期间，路边站、一般站和背景站PM2.5/PM10依次为0.68、0.67和0.63，表明PM2.5在PM10质量浓度中占据主导地位，香港地区颗粒物污染主要以细颗粒物为主。路边和一般站略高于背景站的主要原因在于，这两类站点周围机动车活动频繁，且西部分布有货运码头、远洋船只航线以及密集的餐饮区，它们对大气环境中的细粒径段颗粒物(即PM2.5)贡献显著。

与颗粒物相比，NO2与NOX的浓度在不同类型的站点之间差异显著。由于机动车排放是城市大气中NOX的主要来源，因此，两个路边站的NOX的浓度最高，一般站次之，而机动车数量稀少的背景站处于最低水平。3种类型的站点NO2/NOX值依次为0.44、0.64和0.78，说明NO对NOX的影响在路边站最大，而在背景站点影响最小。主要是因为，路边站车流量较大，机动车会排放大量新鲜的NO，从而在NOX中占据主导地位，而在车流量较小的背景站，其大气中的NOX经历了长时间的老化，其中的NO大量转换为NO2。

表 污染物年均浓度(平均浓度±标准偏差)Tab. Annual concentrations of atmospheric pollutants during the study period(average concentration±Standard deviation) (μg/m3)

O3浓度年均值表现为背景站>一般站>路边站，这一趋势与NOX的浓度水平几乎完全相反，主要是因为，尽管高强度的机动车活动会为各自大气环境提供充足的前体物，而更高水平的NO则会在很短的时间内与形成的O3发生滴定反应，从而使其浓度保持在很低水平；而背景站由于森林覆盖率高，碳氢化合物浓度较高，而源于机动车的NOX浓度很低，从而有利于臭氧的生成与积累，这与王占山[16]等对北京地区的研究结果相似。

类似于颗粒物，SO2属于典型的区域性污染物，因此，在不同类型的站点之间几乎不存在差异，其年均值均低于10μg/m3，该值要远低于我国其他城市的观测结果，如北京[17]、上海[18]、广州[19]等，其SO2年均浓度分别为28.5μg/m3、21.5μg/m3、16.83μg/m3。

3.1.2 季节变化特征分析

本文选取2016年1～12月数据，按照气象学方法，将香港地区的四季划分为春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)与冬季(12～2月)四季，从而分析不同类型站点各类污染物的季节变化特征。

图2 不同季节污染物浓度变化情况Fig.2 Variation of pollutant concentration at different seasons

从图2可以看出，各站点PM2.5与PM10的最低值出现在夏季，最高值出现在冬季。这主要是因为：①冬季局地气象条件不利于大气污染物扩散，加之逆温层的出现，使得污染物在近地层大量富集；②冬季大气层边界较低，大气污染物在整个空间内压缩，使得污染物浓度升高；③内陆地区污染物的传送，香港地区冬季盛行北风以及东北风，从而会将珠江三角洲区域的污染物输送至香港。夏季出现最低值，主要是因为香港地区，夏季具有良好的污染物净化条件；同时，频繁的降雨以及夏季从南面海洋传送清洁空气，都可以使得污染物得到有效的稀释扩散以及清除。

NO2和NOX季节变化不明显，这主要是因为在城市中，NOX主要源于交通源，而交通源季节变化并不显著。由观测结果可知，相对于其它季节，仅夏季有轻微的减少，其主要原因可能是夏季强降雨对NO2和NOX洗刷以及清除作用，同时，NO2和NOX转化为HNO3，以及清洁空气对污染物的稀释扩散，使得夏季较其它季节浓度减少。香港地区的SO2主要来自电厂的排放[20]以及远距离的传输。各季节SO2浓度均低于10μg/m3，季节浓度变化幅度较小，其主要原因是香港地区对污染物排放要求的控制，本地污染源排放较少，局部外力作用对其影响较小，因而季节浓度变化幅度较小。

O3浓度夏季明显低于其他季节(图2)，这与He Y J[21]以及CHAN L Y[11]的对香港地区的研究结果一致，但和以往对我国其他地区的研究结果有很大差别，如北京[16，22]、邯郸[23]以及重庆[24]等地区，O3峰值均出现在夏季。为更好的对臭氧季节变化规律进行分析，该部分进一步对各站点O3月变化特征进行了分析，如图3所示。

图3 O3浓度月变化趋势Fig.3 Monthly change trend of O3 concentration

对于不同类型的站点而言，O3的季节浓度均值总体表现为：背景站>一般站>路边站；夏季浓度明显低于其他季节，特别是夏季六月，臭氧浓度最低。周晨虹[25]认为，香港大气边界层内臭氧，其季节浓度呈双峰分布，峰值出现在春季和秋季；钟芳[12]发现，香港地区全年臭氧浓度呈单峰分布，秋季十月份最高，夏季七月份浓度最低。这主要是因为，香港地区夏季高温低压，气流从中国南海传送至香港，而海洋气团属于清洁气团，臭氧浓度极低，且缺乏臭氧生成的前体物(NOX、CO、非甲烷碳氢化合物等)；同时，夏季气象条件不稳定，以及夏季的强降雨，导致光化学反应生成以及臭氧积累被受限，因而出现夏季O3浓度最低的现象。而秋季时，亚洲大陆温度降低，南部和西南季风减弱，东北季风逐渐盛行，反气旋高压形成，气流流经中国东南部繁华、工业化城市(如广州、深圳)到达香港，气流中携带大量污染物，包括臭氧前体物，而此时香港地区的光化学反应依然活跃，有利于臭氧生成。因此，在远距离传输和本地二次生成的共同作用下，O3浓度在秋季达到较高水平。在冬季12月，外部条件与秋季11月相似，因而出现臭氧浓度升高的现象。而冬季1～2月，虽然臭氧前体物充足，但由于不利臭氧生成的气象条件(如云层较厚、太阳辐射减弱等)，因而臭氧浓度出现较12月降低的现象。

3.2 日变化特征分析

从图4可以看出，路边和一般站NO2浓度日变化趋势类似，其浓度均随交通早高峰的出现快速升高，早高峰结束后保持在稳定水平或者有稍微降低，而随着夜间交通高峰时期的到来，其浓度达到一天的峰值；相比而言，背景站的NO2几乎全天处于较低水平，且变化幅度很小。类似于NO2，背景站的NOX在全天都保持较低水平，且非常稳定，而其他四个站点的NOX均呈现出双峰分布的日变化特征。这主要是因为，路边站白天车流量较大，机动车贡献稳定；而一般站代表整个城市情况，自然会受到早晚交通高峰的强烈影响。

路边站以及一般站颗粒物浓度呈单峰型日变化，其浓度较低值出现在清晨，而后呈升高趋势，这主要与白天加强的颗粒物源及更活跃的生成过程(如光化学反应)有关。其峰值出现在22∶00左右，这主要是因为，白天产生的颗粒物大量积累以及夜间混合层高度大幅降低，从而造成污染物浓度显著升高；然而，背景站颗粒物浓度日变化幅度很小。这是因为，背景站颗粒物浓度主要源于区域传输，局地源排放量少，因而始终保持在较低且稳定的水平。

图4 不同站点各类污染物日变化情况Fig.4 Daily variation of various kinds of pollutants at different sites

路边和一般站O3浓度均表现为明显的双峰型日变化规律，峰值分别出现在凌晨5∶00以及下午15∶00左右，谷值出现在上午9∶00和晚间20∶00左右，O3峰值和谷值总是与NOX的谷值和峰值一致对应；背景站O3浓度呈现单峰型日变化规律，其峰值出现在15∶00左右，谷值出现在早上7∶00左右。从清晨6∶00开始，城市中车流量增大，机动车排放的NOX浓度快速升高，会大量消耗路边及城市环境中的O3，因而，出现了O3的最低值；随着温度的升高，太阳辐射增强、光化学反应加强，产生了大量的O3，从而克服了NO的滴定得以大量积累。下午15∶00以后，太阳辐射减弱，臭氧消耗速率高于生成速率，并在交通“晚高峰”出现谷值。

相比于其他污染物，SO2浓度水平较低，且日变化特征并不明显，主要趋势为：随着白天人为活动的加强浓度逐渐升高。值得注意的是，背景站点的SO2与路边和一般站并不存在差异，这说明，香港地区SO2主要受区域传输影响，而与局地源排放关系很小。

3.3 工作日及假日污染物变化特征对比分析

为更好地对比分析香港地区工作日(周一至周五，节假日除外)和假日(周末及节假日)污染变化情况，本文选取路边站旺角、一般站深水埗和背景站塔门中PM2.5、NOX以及O3小时数据，对2016年全年进行了工作日及假日日变化特征分析。

从图5可以看出，香港地区三种污染物存在较明显的“假日效应”，这一现象与北京[26]、上海[27]的研究结果相似。其中，香港三类站点均出现假日全天PM2.5浓度高于工作日的现象，这与王占山等[26]对北京研究结果一致；路边和一般站NOX浓度在假日0∶00～8∶00时段高于工作日，其余时间工作日均高于假日，且路边站假日在早晨之后浓度出现持续升高的现象，这表明在市民休息时段，出行更为随意，没有明显的规律性，不会像工作日那样呈现典型的“双峰”分布。从O3浓度日变化曲线来看，三类站点假日浓度全天均高于工作日，这主要是由于路边及一般站假日车流量减少，NO排放量较假日少，对O3的滴定、清除作用明显减弱，因而出现假日O3浓度较工作日高，相比而言，背景站在两时段O3差异相对较小，这主要是其受机动车排放源的影响较弱所致。

图5 工作日及假日PM2.5、NOX以及O3浓度日变化曲线Fig.5 Diurnal variation curves of PM2.5,NOX and O3 concentration on working days and holiday

4 结 论

4.1 三类站点颗粒物及SO2浓度年均值差异较小，区域性污染特性明显；NO2与NOX年均值表现为路边站>一般站>背景站，而O3表现为路边站<一般站<背景站；所有站点PM2.5与PM10最低和最高值分别出现在夏季和冬季，O3最低值出现在夏季。

4.2 大气污染物日变化特征差异显著，路边站、一般站NO2与NOX日变化表现为“早晚双峰”型，而颗粒物日变化表现为单峰型，峰值出现在晚间22∶00，背景站几种污染物变化幅度较小；O3在路边站、一般站呈现双峰型变化，其峰值分别出现在凌晨5∶00以及下午15∶00左右，而背景站O3为单峰型，峰值出现在下午15∶00左右。

4.3 PM2.5、NOX及O3三种污染物存在较明显的“假日效应”：PM2.5、O3浓度在假日全天浓度高于工作日；路边站、一般站NOX浓度在假日0∶00～8∶00时段高于工作日，其余时间均低于工作日。