张家口市SO2、NO2大气污染变化特征及气象影响因素

段雯瑜 戴美魁 黄山江

摘要 为了解张家口地区SO2和NO2污染物浓度变化特征及气象影响因素，利用2013—2018年张家口14个县区的大气污染物监测数据。结果表明：（1）SO2和NO2气污染物浓度日变化从00∶00至23∶00均呈“双谷双峰”式分布;（2）SO2夏季质量浓度最低，冬季最高;NO2浓度最高的季节分别是春、秋季，浓度最低的季节是夏季。张家口坝下地区的SO2、NO2浓度都高于坝上地区，且坝下地区多为倒“V”型的北低—南高，坝上地区呈东低—西高的分布特征，且污染物浓度低值中心多位于康保县和崇礼区附近，高值中心多位于涿鹿县和蔚县附近;（3）张家口地区的SO2、NO2与PM2.5、PM10、CO污染浓度之间都存在正相关关系，与臭氧负相关;（4）张家口坝上地区SO2浓度与相对湿度和气温呈显著负相关;NO2质量浓度与风速、风向呈显著的负相关性，与海平面气压呈正相关;坝下地区SO2与海平面气压、相对湿度、风速、风向都为负相关。

关键词 SO2;NO2;变化特征;影响因素

中图分类号： X511. 文献标识码： A 文章编号：2095–3305（2020）07–0–04

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.07.041

Variation Characteristics and Meteorological Factors of SO2 and NO2 air Pollution in Zhangjiakou City

DUAN Wen-yu et al （Zhangjiakou Meteorological Bureau， Zhangjiakou， Hebei 075000）

Abstract In order to understand the change characteristics of SO2 and NO2 pollutant concentration and meteorological influence factors in Zhangjiakou area. Using the air pollutant monitoring data of 14 counties and districts in Zhangjiakou from 2013 to 2018. The results showed that： （1） The daily variation of SO2 and NO2 gas pollutant concentrations showed a "double valley and double peak" distribution from 00∶00 to 23∶00; （2） SO2 had the lowest mass concentration in summer and the highest in winter; the seasons with the highest NO2 concentration were respectively It is spring and autumn， and the lowest concentration season is summer. The concentration of SO2 and NO2 in the area under the Zhangjiakou dam is higher than that in the area above the dam， and the area under the dam is mostly inverted "V" from the north to the south， and the dam area is low in the east and high in the west， and the pollutant concentration Low-value centers are mostly located near Kangbao County and Chongli District， and high-value centers are mostly near Zhuolu County and Yu County; （3） SO2 ， NO2 ， and PM2.5 ， PM10 ， CO pollution concentrations in Zhangjiakou area are all present Positive correlation， negative correlation with ozone; （4） The SO2 concentration in the Bashang area of Zhangjiakou is significantly negatively correlated with relative humidity and air temperature; NO2 mass concentration is significantly negatively correlated with wind speed and direction， and is positively correlated with sea level pressure; dam SO2 in the lower area is negatively correlated with sea level pressure， relative humidity， wind speed， and wind direction.

Key Words SO2; NO2; Variation characteristics; Influence factor

0 引言

隨着社会经济的高速发展，能源消耗的快速增长，人类活动的深度和广度不断扩大，大气污染问题日趋严重。大气污染物中的SO2、NO2对呼吸器官有严重的刺激作用，可引起呼吸系统疾病[1]。顔鹏等[2]研究发现，SO2、NO2浓度具有显著的日变化和季节变化特征。孟燕军等[3]指出，SO2、NO2浓度受不同气象条件影响严重。SO2和NO2对大气中光化学烟雾的贡献以及对人体健康的影响是近年来关注的焦点，也是酸雨形成的前体物，是造成大气二次污染的主要原因[4-7]。张家口是第24届冬奥会雪上项目比赛地，也是京津冀重要的生态涵养区[8]。因此，研究分析张家口市SO2、NO2时空分布特征以及污染物的气象影响因素，可以为张家口城市规划、产业升级、提升冬奥举办地空气质量提供重要的生态依据，为城市大气污染预防与治理提供借鉴与参考，以增强城市竞争力和活力，提高区域环境可持续发展能力。

通过对2013—2018年张家口14个县区的大气污染物监测数据进行统计，分析了SO2和NO2污染物浓度随时间变化的周期性规律和基本特征（包括日、周、月、季节变化等），以及与其他污染物间的相关关系，并探究了SO2、NO2污染的气象影响因素。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源与处理

SO2、NO2污染物质量浓度资料来源于张家口市环保局提供的市县14个监测站点（康保、尚义、张家口、沽源、张北、宣化、万全、崇礼、怀安、赤城、涿鹿、蔚县、怀来、阳原）日均浓度资料（图1）。选取2013—2018年SO2、NO2日平均有效数据，数据异常或缺失2 d内的运用相邻点数据进行插值，连续缺失超过2 d的数据给予剔除。气象数据来源于气象局提供的相对应14个市县监测站点的气温、相对湿度、海平面气压、10 min平均风速和风向以及最大风速和风向资料。

1.2 研究方法

根据14个县区实时SO2、NO2污染物浓度数据计算平均值，求得季、月、周、日平均浓度。对2013—2018年张家口地区各县区SO2、NO2污染物质量浓度有效数据进行季节、月的时间和空间分布以及周、日变化分析。基于SPSS软件，采用Pearson相关系数和Spearman相关系数等方法对SO2、NO2与其他大气污染物和气象要素进行相关分析。

2 张家口地区污染物浓度变化特征分析

2.1 污染物浓度日变化

SO2和NO2污染物浓度日变化从0∶00至23∶00均呈“双谷双峰”式分布（图2），整体来看有着比较一致的变化趋势。10∶00和20∶00左右是SO2每日浓度的峰值出现时间，SO2浓度日变化谷值出现在4∶00左右和17∶00，上午至中午的浓度值偏高且持续时间相对于夜晚稍长。NO2日变化峰值出现在8∶00和21∶00左右，谷值出现在4∶00和15∶00，18∶00～翌日11∶00 NO2整体浓度值都偏高。

2.2 污染物浓度周变化

由张家口地区SO2和NO2污染物质量浓度的周变化序列图可知，SO2质量浓度值周内变化不大，周日浓度值（22.67 μg/m3）最低，最高值出现在周六，为24.57 μg/m3。NO2质量浓度值出现2次波动，波峰分别出现在周三（22.78 μg/m3）和周六（23.12 μg/m3）。周日和周一SO2、NO2的浓度值最低（图3）。

2.3 污染物浓度逐月变化

将14站的SO2和NO2污染日均数据进行统计，并取張家口14个区县平均值，从而得到2种大气污染物月均浓度值，并绘制逐月变化图（图4）。

SO2质量浓度在11月—翌年3月的浓度值显著偏高，这5个月平均值达31.01 μg/m3。4—10月质量浓度显著降低，4—10月平均浓度值为17.02 μg/m3;1月SO2浓度最高，为36.71 μg/m3;8月SO2浓度值最低，为13.34 μg/m3。

NO2年质量浓度平均值为22.19 μg/m3，整体表现为年末浓度高，年中浓度低，3—11月NO2质量浓度值呈“U”型分布，波动振幅相对于其他污染物偏小。11月质量浓度值为28.94 μg/m3，是最大月平均值，8月浓度值为17.95 μg/m3，是最低月平均值。NO2主要来自汽车尾气和工业排放，冬季汽车冷启动和上述气象条件共同导致NO2在11月—翌年1月质量浓度值较高。

2.4 污染物浓度季节变化

张家口冬季SO2质量浓度值最高，夏季SO2浓度值最低（图5）。春季、秋季和冬季时SO2质量浓度值均表现为坝上地区西高—东低，高值中心位于尚义县西部;坝下地区呈倒“v”形南高—北低的分布特征，高值中心位于蔚县。夏季SO2质量浓度值表现为为中部高—南北低的分布特征。

NO2表现为秋季浓度>冬季浓度>春季浓度>夏季浓度（图6）。NO2 4个季节的质量浓度均呈现出东南高且向东北和西南两个方向逐渐递减。

总体来看，SO2表现为夏季（6—8月）的质量浓度最低，冬季（12月—翌年2月）质量浓度最高;NO2分别是春季（3—5月）和秋季（9—11月）质量浓度值最高。根据以往分析主要原因有以下几点：（1）冬季张家口地面受蒙古冷高压控制，盛行从大陆吹向海洋的冬季风，寒冷干燥，大气层结稳定，污染物不易扩散。因此会导致SO2和NO2冬季浓度值偏高;（2）冬季是张家口主要供暖期，燃煤产生大量空气污染物;（3）汽车尾气排放量在冬季增多，这是由于此时温度低，机动车的发动机内混合气体燃烧速度减慢，造成不完全燃烧的现象，致使尾气排放量增加;（4）与冬季相反，夏季太阳辐射增强，地面升温快，大气层结不稳定，混合层高度上升，而且气旋活动较多，降水多，大气垂直运动活跃，易出现雷暴大风、短时降水等天气，大气垂直和长距离扩散能力增强，利于大气污染物的消减与清除。

3 张家口地区SO2、NO2浓度变化影响因素分析

3.1 张家口地区SO2、NO2浓度与其他污染物相关性分析

通过Pearson和Spearman相关性分析得知：SO2、NO2与PM2.5、PM10、CO污染浓度存在正相关，与臭氧浓度呈负相关。（表1）

3.2 张家口地区SO2、NO2浓度气象影响因素分析

在污染源一定的条件下，气象因子对大气污染物的堆积、扩散、稀释、转化和迁移都有很大影响。采用Person相关系数法和Spearman相关系数法，将张家口地区14个区县SO2和NO2污染物质量浓度与气象要素作相关性分析。选取的气象要素有：气温、海平面气压、相对湿度、10 min平均风速、最大风速、最大风向，分别用t、p、rh、wind、mws、mwd表示（表2～3）。

张家口地区的SO2浓度与气温呈现显著负相关，与海平面气压关系却比较复杂。SO2浓度与相对湿度呈现负相关，坝下地区SO2浓度与风速和风向都呈负相关，坝上地区SO2浓度与风速风向相关性不明显，即夏季天气表现为高温高湿，SO2浓度低，冬季天气寒冷干燥，SO2浓度低。与PM10相同的是，坝下地区吹弱东南风时，SO2浓度偏高。

张家口多数县区的NO2质量浓度与海平面气压表现为正相关关系，与气温、相对湿度关系较复杂。NO2质量浓度与10 min平均风速、最大风速均表现为非常显著的负相关性，全区都通过了显著性检验，NO2浓度与风向呈负相关性，即高压、静风条件下更有利于NO2的堆积。

4 结论

通过SPSS软件对张家口14个县区的大气污染物质量浓度数据进行分析，获得SO2和NO2污染物的时空分布情况，与其他污染物之间的关系，以及气象要素（气温、相对湿度、海平面气压、最大风速、最大风向、10 min平均风速）对大气污染物的影响分析。

SO2和NO2污染物浓度日变化从00∶00至23∶00均呈“双谷双峰”式分布。从1—12月的污染物质量浓度逐月变化来看，SO2和NO2都表现为近似“U”型分布特征。

分析张家口地区污染物季节变化特征得出：SO2夏季质量浓度最低，冬季最高;NO2浓度最高的季节，分别是春、秋季，浓度最低的季节是夏季;2种污染物坝下地区浓度都高于坝上地区，且坝下地区多为倒“V”型的北低—南高的分布特征，坝上地区都呈东低—西高，且污染物浓度低值中心多位于康保县和崇礼区附近，高值中心多位于涿鹿县和蔚县附近。

张家口地区的SO2、NO2与PM2.5、PM10、CO污染浓度都存在正相关关系，与臭氧浓度呈负相关。

张家口坝上地区SO2浓度与相对湿度和气温呈显著负相关;NO2质量浓度与风速、风向呈显著的负相关性，与海平面气压呈正相关;坝下地区SO2与海平面气压、相对湿度、风速、风向都呈负相关。

参考文献

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责任编辑：黄艳飞