银川不同季节典型空气污染过程特征分析

2021-01-06孙银川王宝珍左河疆高睿娜

三峡生态环境监测 2020年4期

高娜，孙银川，王宝珍，左河疆，高睿娜

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏气象防灾减灾重点实验室，银川 750002；2.宁夏回族自治区气候中心，银川 750002；3.长江师范学院绿色智慧环境学院，重庆 408100）

我国在过去20年中，伴随着大规模的产业和城市化的发展，实现了前所未有的经济增长，然而由于环保意识滞后也带来了城市空气质量的普遍下降[1-3]。大气重污染天气的发生会影响公共安全、农业生产、大气能见度和人体健康，导致全球气候变化。《2019中国生态环境状况公报》公布的数据显示，2019年全国337个地级及以上城市中，有180个城市污染指数超标，占53.4%，累计发生严重污染日数为452天，重度污染1 666 d。以PM2.5、PM10和O3为首要污染物的天数分别占重度及以上污染天数的78.8%、19.8%和2.0%[4]。

前人的研究指出，我国城市空气污染指数的时空分布特征呈北高南低态势，即北方重于南方，冬春季节重于夏秋季节。在不同的季节，风速、降水、气温和相对湿度等气象因子与空气污染指数之间的相关关系也有所差异[5-7]。重污染过程——大气污染水平最突出的表现，主要是高污染排放叠加稳定的天气状况所造成，重污染时期由于污染水平高，污染源排放、气象条件、污染传输等污染水平影响因素的作用往往能够体现得更明显，更有利于深化对PM2.5污染特点及形成机理的认识[8]。

近年来，宁夏各类污染天气日数明显增加。而银川市及周边地区作为宁夏经济发展的引擎，大气污染问题也日益凸显，已成为社会关注和群众关心的焦点问题。受以煤为主的能源结构等因素影响，银川市煤烟型污染特征明显，雾霾天气时有发生，大气污染防治形势十分严峻。

本文利用环境空气质量指数（ambient air qual⁃ity index，AQI），筛选了2016—2018年银川不同季节四次污染过程，对不同季节污染过程特征进行了分析。

1 资料和方法

1.1 资料

大气污染数据来自国家环境空气质量监测网发布的2016—2018年位于银川市环境监测站的贺兰山东路监测点的6种污染物逐时质量浓度资料和银川气象观测站2016—2019年逐日气象观测资料，6种污染物分别为二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、PM10、PM2.5、一氧化碳（CO）和臭氧（O3）。

1.2 空气质量等级划分

根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012）中的计算方法，利用逐时污染物浓度值，计算得到了逐时AQI值。按照技术规定：空气质量指数划分为0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和大于300六档，分别对应于空气质量的6个级别：优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染。根据研究时段的AQI逐时值对污染期间的空气质量级别达轻度污染及以上的时次做了统计分析。

2 污染过程选择及特征分析

通过挑选国家环境空气质量监测网发布的2016—2019年位于银川市环境监测站的贺兰山东路监测点的6种污染物逐时质量浓度资料，计算了逐时的空气质量指数，重点选取了贺兰山东路观测站2016年以后春季、夏季、秋季、冬季不同季节达到轻度污染及以上的污染过程，分别从四个季节中利用逐时资料筛选了四次过程，四次过程的时段：春季，2017年5月3—8日；夏季，2017年6月28日—7月1日；秋季，2018年11月23日—12月4日；冬季，2016年12月10日—2017年2月19日。

2.1 春季过程

2017年5月3—8日，贺兰山东路监测点监测到一次重污染过程。从逐日观测资料看，空气质量指数在5月1日及2日为良，3日为中度污染，至4日为严重污染，5日降为重度污染，6日转为轻度污染，至8日以后污染过程结束（图1）。银川地面观测气象站资料显示，5月4—5日两日为浮尘天气。5月3日至8日期间，PM10平均浓度值为148～776 μg/m3，最大值出现在5月4日，为776 μg/m3；PM2.5平均浓度值为50～194 μg/m3，最大值也出现在5月4日。O3、NO2和SO2平均浓度值分别为57～92 μg/m3、18～58 μg/m3、11～41 μg/m3，最大值分别出现在5月3日、5月7日、5月8日（图2）。可以看到当PM10及PM2.5处在较高浓度时，NO2和SO2平均浓度值较低，当PM10及PM2.5浓度值从高值期下降后，NO2和SO2平均浓度值会攀升。有研究表明，在不同的气象条件下，NO2和SO2的浓度与PM10的浓度变化趋势有很大不同[8]。当区域受沙尘天气影响时，由于沙尘天气带来的碱性颗粒物有利于NO2和SO2的吸收，因此，通常NO2和SO2的浓度会随PM10浓度的上升而下降。

图1 春季污染过程个例AQI值日值变化Fig.1 Daily variation of AQI in spring pollution process

图2 春季污染过程个例污染物平均浓度变化图Fig.2 Variation of pollutants concentration in spring pollution process

根据逐时资料，自2017年5月1日21时开始，贺兰山东路环境空气质量指数AQI值超过了101，为轻度污染。直至5月8日13时，超过79%时次的AQI指数超过了101，达到了轻度及以上程度的污染。严重污染出现时次位于5月3日23时—5月5日6时，除两个时次外，其他所有时次的AQI值均超过了300，AQI指数有20个时次达到了500，集中在5月4日3时—5月5日5时（图略）。此次污染过程的首要污染物为PM10和PM2.5，其中PM10的占比达到了98%。严重污染过程期间PM10平均浓度值为891.6 μg/m3。PM10浓度最大值达到了1 871 μg/m3，出现在5月5日3时。伴随着PM10浓度的变化，PM2.5也存在浓度变化的过程，在高污染时段浓度变化二者基本一致。本次污染过程PM10质量浓度经历了两次峰值，一次出现在5月4日4时至14时，平均浓度为1 091.3 μg/m3，一次出现在5月5日1时至4时，平均浓度为1 723.25 μg/m3。本次污染过程轻度污染占总污染时次的百分比为48%，中度污染为21%，重度污染为6%，严重污染为25%。

2.2 夏季过程

自2017年6月28日14时起，贺兰山东路观测站AQI值超过101，达轻度污染。至7月1日21时，AQI值超过101的时次占比为37%。所有污染时次均为轻度污染。AQI最大值为137（2017年6月30日18时）。充足的太阳光照与高温天气为O3的光化学氧化生成提供了有利条件。此次污染过程的首要污染物除一个时次外其余各时次均为O3。从图3中可以看出，从连续性上来讲，此次污染过程可以分为4次相对连续的过程：①6月28日14—20时，O3的平均浓度为221.7 μg/m3；②6月29日13—17时，O3的平均浓度为216.4 μg/m3；③6月30日13—19时，O3的平均浓度为247.1 μg/m3；④7月1日13—21时，O3的平均浓度为251.2 μg/m3。从图4中可以看到O3的浓度变化也经历了四次峰值的变化，最大值为273 μg/m3，出现在7月1日18时，且从污染时次看，均出现在午后至夜间。

因此，学校应完善一卡通的本身价值。如包括在学校食堂、校园超市的消费功能、图书馆书籍的借阅和归还功能、免费校园网络的使用功能、课程的申报功能、宿舍水电卡的使用功能、考试登记功能、学生活动的申请功能以及方便与学生校园活动的功能应进行优化拓展，使学生在校园内拥有高便携性的生活方式。同时，基于对一卡通的充值功能，学校高层还可以对一开通实施三方软件的管理办法，包括对支付宝、微信等支付功能的拓展，使学生能够使用一开通进行话费充值、公交卡充值等。

图3 夏季污染过程个例AQI值逐时变化Fig.3 Hourly variation of AQI in summer pollution process

图4 夏季污染过程个例污染物平均浓度逐时变化图Fig.4 Hourly variation of pollutants concentration in summer pollution process

2.3 秋季过程

图5 秋季污染过程个例AQI值逐日变化Fig.5 Daily variation of AQI in autumn pollution process

2018年11月23日—12月4日，贺兰山东路监测点监测到一次重污染过程。空气质量指数自11月25日的良直接跳至26日的重度污染，随后空气质量逐日转好，但空气质量又自12月1日的良直接跳至12月2日的严重污染，12月3日降为重度污染，12月4日及以后污染过程结束（图5）。银川地面观测气象站资料显示，11月26日、12月2日及12月3日为浮尘天气。11月23日至12月4日，PM10及 PM2.5平均浓度值分别为 110～467 μg/m3、33～91 μg/m3，PM10有两次峰值，分别在11月26日和12月2日，NO2和SO2平均浓度值分别为23～76 μg/m3、14～45 μg/m3，与PM10平均浓度值的两次峰值时间对应，NO2平均浓度值有一次谷值，SO2平均浓度值有两次谷值（图6）。

图6 秋季污染过程个例污染物平均浓度变化图Fig.6 Variation of pollutants concentration in autumn pollution process

根据逐时资料，自2018年11月23日0时开始至12月4日0时止，贺兰山东路77%时次的环境空气质量指数AQI值超过101，最大值达到了500，达轻度污染及以上的污染程度，整个污染过程持续了11天，其中轻度污染占总污染时次的百分比为57%，中度污染为24%，重度污染为5%，严重污染为14%（图略）。在此过程中，存在三个明显的高污染过程时段。一次出现在11月26日至27日，26日9—16时，AQI均超过了300，首要污染物以PM10为主，PM10平均浓度为590.5 μg/m3，最大浓度值为713.0 μg/m3；第二次出现在12月2日9—23时，AQI值均超过了300，首要污染物以PM10为主，PM10平均浓度为648.6 μg/m3，最大浓度值为758.0 μg/m3；第三次出现在12月3日14—17时，AQI值均超过了300，首要污染物以PM10为主，PM10平均浓度为517.5 μg/m3，最大浓度值为561.0 μg/m3（图略）。

在所有达到轻度及以上污染的时次中，首要污染物为PM10的时次占比为68%，为PM2.5的时次占比为32%。首要污染物为PM2.5的时次主要出现在12月1—2日的部分时次。

2.4 冬季过程

2016年12月10日至次年2月19日，贺兰山东路监测点监测到一次持续时间长达70余天的污染过程。空气质量在70余天中经历了四次由轻到重再到轻的变化过程，但仅1月30日一天的空气质量级别为优。其中自12月10日达轻度污染以后，至12月25日连续12天为轻度至重度污染，其中有10天都为中度及以上污染。至2017年1月26日，空气质量级别一度达到了严重污染（图7）。银川地面观测气象站资料显示，2016年12月10日—2017年2月9日，共累计监测到霾天气24天。PM10及PM2.5平均浓度值分别为51～503 μg/m3、23～214 μg/m3，NO2和SO2分别为7～108 μg/m3、25～208 μg/m3（图8）。在整个污染过程中，NO2和SO2的浓度与PM2.5的浓度呈显著正相关，相关系数分别达到了0.71和0.51，均超过99.9%的显著性检验。这一变化与春季和秋季个例的沙尘污染过程有显著差异。

图7 冬季污染过程个例AQI值逐日变化Fig.7 The daily variation of AQI in winter pollution process

根据逐时资料，自2016年12月10日0时开始至次年2月19日21时止，贺兰山东路60%时次的环境空气质量指数AQI值超过了101，最大值达到500，达轻度污染及以上的污染程度，整个污染过程持续了70余天（图略）。其中轻度污染在总污染时次中的占比是48%，中度污染为25%，重度污染为23%，严重污染为4%。首要污染物以PM2.5为主，占比为80.5%，其次为PM10，占比为19.4%。此次污染过程PM2.5浓度平均值为96.1 μg/m3，最大值为519.0 μg/m3，出现在1月28日2时。PM10浓度平均值为 170.7 μg/m3，最大值为 1 055.0 μg/m3，出现在1月26日0时（图略）。

图8 冬季污染过程个例污染物平均浓度变化图Fig.8 Variation of pollutants concentration in winter pollution process

2.5 不同季节污染过程特征

对比分析各个季节的污染过程，从持续时间看，冬季污染过程持续时间较长，甚至可以达到2个月以上，秋季次之，在10天左右，夏季污染过程时间最短。不同季节污染过程等级及污染物占比见表1。

从污染等级占比看，四个季节污染过程中，除夏季各时次的污染等级均为轻度污染外，其他季节均以轻度污染为主，伴随有中度、重度及严重污染等级。其中春季污染过程达到严重污染等级的时次占总时次的比例高达25%。

挑选的个例中，春季和秋季个例为沙尘污染天气过程，冬季为霾污染过程。沙尘污染天气过程首要污染物以PM10为主，NO2和SO2的浓度随PM10浓度值增大而减小，PM10浓度值上升后NO2和SO2的浓度下降。而霾污染过程的首要污染物以PM2.5为主，NO2和SO2的浓度与PM2.5浓度变化呈显著正相关，即随着PM2.5浓度值上升，NO2和SO2浓度值也会上升。

表1 不同季节污染过程等级及污染物占比统计表Table 1 Pollution process grade and pollutant proportion in different seasons

表2为各季节污染过程期间与各季节30年平均的气象参数对比情况。气象要素特征表现为：气温大多偏高，春季、夏季和冬季的污染过程的平均气温分别为14.1℃、26.5℃、-2.9℃，均较季节平均高，秋季为0.2℃，较季节平均偏低；相对湿度较小，春季至冬季污染过程的相对湿度分别为28.3%、42.5%、46.3%、46.9%，均较季节平均小；风速偏小，春季至冬季污染过程的平均风速分别为 2.3 m/s、1.7 m/s、1.4 m/s、1.5 m/s，均较季节平均小，大气扩散能力弱，更有利于局地污染物的积累；气压春季偏高，夏季、冬季偏低，秋季一致。