北京市城区2018年PM2.5和气态前体物浓度季节与日变化特征

马静楠 马朋坤

摘要：结合2018年北京市城区全年PM2.5、气态前体物（SO2、O3、NO2、CO）质量浓度数据和气象因素数据，分析了2018年北京市城区PM2.5和气态前体物浓度季节与日变化特征。结果表明：2018年北京城区PM2.5平均质量浓度为50.0ug/m²，灰霾污染事件频繁出现在春、秋、冬3个季节。SO2、NOz和CO与PM2.5质量浓度变化趋势一致，PM2.5质量浓度与风速呈负相关，相纣湿度大于50%时，PM2.5迅速形成和累积。从季节与日变化特征来看，sO2、NO2、O3、PM2.s浓度在不同季节均呈现不同的日变化特征。春季偏南风和偏东风相对应的PM2.5浓度比较高，出现的雾霾污染事件较多夏季雾霾污染事件多发生在南风和西风风向。

关键词：PM2.5;气态前体物;季节变化;日变化;气象要素

中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）14-0065-05

1引言

大气污染是近些年北京地区面临的严重环境污染问题，对区域环境质量及气候和人体健康造成巨大危害。北京地区大气污染形式主要表现为颗粒物、臭氧（O3）、二氧化硫（S02）和氮氧化物（NOx）等污染物的复合污染。自《大气污染防治行动计划》实施以来，北京大气污染物减排效果明显，灰霾污染事件逐年减少。然而2018年北京市城区仍出现多次灰霾重污染过程，灰霾污染形势仍非常严峻。因此，开展2018年北京城区大气污染物的时间分布特征研究对于了解目前的大气污染形势非常重要。

复杂的大气污染环境是造成北京地区灰霾天气频发的主要原因。PM2.5是城市灰霾污染过程中的主要污染源，其主要组成部分包括大气中排放的一次颗粒物和大气中气态前体物经过大气反应生成的二次颗粒物。相关研究表明，气态前体物经过物理化学反应形成的二次颗粒物是大气中PM2.5的主要来源。气象因素是造成大气污染形成的重要诱因，其主要表现为在高污染条件下，高湿环境和静稳天气能够快速的促进二次颗粒物的形成，造成灰霾爆发性增长。目前国内已有很多学者对大气污染的特征以及气象因素的影响进行了大量的研究，但对于北京市大气污染状况以及气象因素的研究大多针对短时间内的霾污染事件，而针对长周期的研究较少。同时，由于不同季节气象条件的差异性较大，对于由于大气污染物浓度季节性的污染特征和日变化特征方面的研究较少，这不足以全面、深人地了解北京市的大气污染特征。

本文采用2018年北京市城区完整的大气污染物和气象因素观测资料，对PM2.5和气态前体物的时间分布特征进行研究，并研究气象因素对大气污染特征的影响以及大气污染物季节性分布特征和日变化特征，为北京地区灰霾防控、预警和相关政策的制定提供科学依据。

2材料与方法

本文使用的PM2.5和气态前体物（SO2、O3、NO2、CO）质量浓度数据源于北京市环境监测中心万柳站。气象数据来源于北京市气象局海淀站点的常规地面1h观测资料，包括温度、相对湿度、降水量、风向和风速等。

利用Excel 2016建立数据库并进行数据处理，使用Origin 9.1进行柱形图、点线图、风玫瑰图的绘制和数据的相关性的运算。

3结果与讨论

3.1数据总体介绍

由表1可见，北京市2018年全年气温平均值为13.3℃，最高气温为39℃，最低温为-13.3℃。相对湿度范围为6%～99%，平均值为51.9%，由于夏季高温多雨，导致夏季相对湿度较大。春、冬两季的平均风速较大，主要为偏北风向，而夏秋季节平均风速较小，为1.1m/s。2018年北京地区PM2.5的平均质量浓度为50.6ug/m3，最大值为332ug/m3。由图1可见，全年灰霾污染事件和清洁天气交替出现，其中大部分灰霾污染事件频纂出现在春、秋、冬3个季节。灰霾污染事件的出现与劂速、风向和相对湿度具有较强的关系，当风向由北风转向为南风，且风速小于1.5m/s时污染物会在短时间内迅速累积到最大值，且相对湿度大于50%时，形成灰霾污染事件。灰霾污染的清除往往伴随着风速的变强，当风速大于3m/s时，灰霾更易消散。在2018年全年观测期间，类似这种由气象条件驱动的具有周期性的灰霾事件多次出现。对于污染气体，由于春夏两季的太阳辐射较强，使得O3浓度明显高于秋冬两季，而对于SO2、NO2和CO气体质量浓度春冬季明显高于夏秋两季，尤其是由于冬季和初春的供暖导致SO2的平均质量浓度高于全年平均值近1.5倍。

3.2PM2.5浓度季节性变化特征

图2为PM2.5浓度月均值的变化情况，总体上北京地区PM2.5月平均浓度比往年有明显的下降趋势。其中月平均浓度的最高值出现在3月份，11月份出现一个次高值，最低值出现在1、8、9月份。3月份PM2.5月平均浓度较高的原因是可能由于春季北京地区的沙尘天气导致春季PM2.5的浓度增加。而11月份出现的次高值主要是由于北方地区开始冬季供暖，导致大气中污染物浓度增加。由于近几年京津冀地区居民供暖改造减少了散煤燃烧以及冬季较强的偏北风使得冬季PM2.5平均浓度明显低于往年。8、9月份由于降水冲刷和气体前体物浓度的降低，导致8、9月份的PM2.5浓度月平均值比较低。7月份PM2.5浓度较高可能的原因是在降水过程后空气相对湿度增大，同时夏季盛行南风，将南部城市所排放的污染物输送至北京地区，在静稳天气条件下造成了PM2.5浓度的增加。

3.3气态前体物质量浓度和气象因素对PM2.5质量浓度的影响

由图3可见，SO2、NO2和CO与PM2.5质量浓度变化趋势一致，其中在PM2.5质量浓度小于200ug/m2时，随着PM2.5质量浓度的增加，SO2、NO2和CO质量浓度都呈现出快速增长。而当PM2.5;质量浓度大于200ug/m3时，SO2、NOz和CO质量浓度趋于平稳的变化趋势。O3浓度随着PM2.5质量浓度的增加呈现的变化趋势为在PM2.5质量浓度小于200ug/m3时，O3浓度显著下降，当PMz.。质量浓度大于200ug/m3后，O3浓度缓慢升高。这表明，气态前体物浓度的增加是导致PM2.5浓度升高的主要原因。同时影响PM2.5累积和消散的主要氣象因素是风速和相对湿度，PM2.5质量浓度与风速呈负相关，随着风速降低到1.5m/s后，相对湿度大于50%时，PM2.5迅速形成和累积，这些现象与之前的研究结果相一致。其主要原因是，低风速的静稳天气为PM2.5的形成和累积提供了良好的反应条件。随着气态前体物的不断累积，高浓度的SO2、NO2通过光化学反应和O3氧化反应和非均相反应生成大量的无机盐，形成二次颗粒物。而在高的相对湿度条件下SO2和NO3易发生液相非均相反应形成硫酸盐和硝酸盐，且形成的二次颗粒物在高的相对湿度环境中出现吸湿性增长，造成二次颗粒物迅速形成、增长和累积，形成雾霾污染事件。

3.4PM²5和气态前体物质量浓度及相对湿度日变化的季节性特征

图4呈现的是2018年北京城区PM2.5和气态前体物质量浓度以及相对湿度不同季节的日变化特征情况，PM2.5和气态前体物质量浓度以及相对湿度在各季节都呈现出明显的日变化，但日变化特征有所不同。对于SO2浓度由于供暖排放导致春冬季要明显高于夏秋季节，其浓度从6点开始不断升高，在12点到达峰值后缓慢下降。由于早、晚高峰附近机动车尾气的排放导致NO2质量浓度出现两次增加情况，但质量浓度日变化受季节影响不大。由于太阳辐射导致大气中O2浓度从6点开始迅速增长，到14点时为最高值，其中夏季O2浓度较高，其主要是由于夏季太阳辐射较强。对于PM2.5浓度，春、夏季夜间浓度较低，在早晨6点PMz.s浓度开始持续增长，在中午12点达到最大值，随后开始下降，到18点左右浓度再次开始缓慢增长。这表明导致春夏两季白天PM2.5浓度较高的原因可能是污染气体通过光化学反应形成的二次颗粒物。对于秋冬两季，PM2.5浓度在夜间较高，而在白天降低到最低值，在18点时开始出现明显的增长趋势，其主要原因是在18点时出现晚高峰，污染物排放增加，由于夜间大气边界层高度降低，相对湿度不断增加导致颗粒物出现液相非均相反应和吸湿性增长。同时由于秋冬季较低的温度使得大气边界层高度较低，边界层高度的降低导致颗粒物和相对湿度增加;相对湿度增加一方面可促进液相非均相反应进而加速气态前体物向颗粒物转化，另一方面促進颗粒物吸湿增长，增加其辐射效应使得颗粒物在夜间更易发生物理化学反应，促进PM²5浓度的增加。

3.5PM2.5浓度与风速和风向关系季节行特征

影响PM2.5浓度周期性变化的主要气象因素是风速和风向，由图2可知，PM2.5浓度与风速成负相关，其对PM2.5浓度的影响主要表现为风速越大越有利于PM2.5消散，而风速低于1.5m/s时却不利于污染物的扩散，使得污染物混合比较均匀，为大气化学反应生成二次颗粒物提供了条件，加剧颗粒物浓度在短时间内迅速增长。同时风向也决定了污染物扩散和输送方向，由于北京处于京津冀核心位置，周边工业排放污染源较多，研究风向对北京地区PM2.5的影响有助于更好地了解区域性污染的季节性特征。图5是根据2018年期间风速、风向数据绘制的各季节风玫瑰图。由图5可知，北京地区主要以西南风和东北风为主，风速主要在0～5m/s之间。春、夏季主要以南风和西南风向为主，而秋冬季主要以东北风向为主，其中冬季大于2m/s的风速较多，这对大气污染物的消散非常有利。图6为PM2.5浓度与风向对应的时间分布图，从图中可以看出，春季发生的雾霾污染事件比较多，这与前面的分析结果一致。从风向来看，在春季偏南风和偏东风向对应的PM2.5浓度比较高，出现的雾霾污染事件较多。这可能是由于东部地区和南部地区工业区排放的大气污染物随着东风和南风输送到北京地区，同时与北京地区大气污染物混合发生大气物理化学反应形成二次颗粒物，造成北京地区PM2.5浓度迅速升高。而春季北风向对应的高浓度PM2.5可能是有北部地区的沙尘导致。对于夏季雾霾污染事件多发生在南风和西风风向，这可能是山西和河北方向的污染物随风向输送到北京，导致了北京地区夏季雾霾污染事件发生。在10月份至11月份发生的雾霾污染事件分别受到东风向、南风向和西风向的影响，这可能是由于10月份河北、山西和山东地区秸秆燃烧产生的污染物随风向输入北京，对北京地区PM2.5浓度的升高具有一定的贡献。而冬季主要是以偏北风向为主，但是当有偏南风向出现时PM2.5污染事件仍然出现，这表明在冬季，南部地区的污染物在偏南风的输送下仍然提高了北京地区PM2.5的浓度。综上所述，由于不同季节的风向存在季节性差异，由风向导致的各季节灰霾事件也有差异，但各季节出现雾霾污染事件的风向多为南风和西南风。

4结论

（1）2018年北京城区PM2.5平均质量浓度为50.6ug/m3，最大值为332ug/m3，全年灰霾污染事件和清洁天气交替出现，其中大部分灰霾污染事件频繁出现在春、秋、冬3个季节。其中月平均浓度的最高值出现在3月份，11月份出现一个次高值，最低值出现在1、8、9月份。对于污染气体，O3浓度春夏季明显高于秋冬两季，SO2、NO2和CO气体质量浓度春冬季明显高于夏秋两季。

（2）SO2、NOz和CO与PM2.5质量浓度变化趋势一致，对于O.浓度随着PM2.5质量浓度的增加呈现的变化趋势为在PM2.5质量浓度小于200ug/m2时，0。浓度显著下降;当PM2.5质量浓度大于200ug/m3后，O3浓度缓慢升高。PM2.5质量浓度与风速呈负相关，随着风速的降低到1.5m/s后，相对湿度大于50%时，PM2.5迅速形成和累积。

（3）SO2浓度从6点开始不断升高，在12点到达峰值后缓慢下降。NO2浓度的增加主要出现在早晚高峰时期，且受季节性影响不大。由于太阳辐射的增强导致大气中O2浓度从6点开始迅速增长，到14点时为最高值，其中夏季Os浓度最高。对于PM2.5浓度，在春、夏季在夜间浓度较低，在早晨6点PM2.5浓度开始持续增长，在中午12点达到最大值，随后开始下降，到18点左右浓度再次开始缓慢增长。对于秋冬两季，PM2.5浓度在夜间较高，而在白天降低到最低值，在18点时开始出现明显的增长趋势。

（4）北京地区主要以西南风和东北风为主，风速主要在0～5m/s之间。春、夏季主要以南风和西南风向为主，而秋冬季主要以东北风向为主，其中冬季大于2m/s的风速较多。春季偏南风和偏东风向对应的PM2.5浓度比较高，出现的雾霾污染事件较多。对于夏季雾霾污染事件多发生在南风和西风风向。