呼和浩特夏季污染气体变化特征分析

阿木尔萨那

(呼和浩特市气象局，内蒙古 呼和浩特 010020)

近年来，随着工业化、城市化进程的加快以及机动车保有量的增加，人为排放的大气污染物越来越多，所面临的生态环境压力也在增大，大气污染形势严峻。大气污染物中的气态污染物和颗粒物，对气候、环境和人体健康都有着重要的影响[1]。SO2和NO2能够造成酸沉降，对人体呼吸系统产生危害[2，3]。大量的O3会对人体的呼吸道、肺功能造成危害。大气污染物的研究受到社会各界的广泛关注。

目前，关于呼和浩特地区大气污染特征研究相对较少。呼和浩特市为内蒙古自治区首府城市，地处内蒙古中西部核心区域，是内蒙古自治区政治、经济、文化中心，也是我国北方地区重要城市。其环境空气质量的好坏，直接影响人民群众的工作、生活和身体健康。本研究以时间序列2019年6月1日-2019年8月31日为期3个月的夏季数据资料为基础对污染气体变化特征进行分析讨论，以期为今后呼和浩特地区大气污染防治提供依据。

1 材料与方法

1.1 观测站点

选取观测站点为小召(XZ)监测站(40°48′N，111°39′E)，本站点位于市中心，为商业与居民混合区。与大东街相邻，以西400m为交通主干道大北街，该区域交通密度相对较高，机动车排放相对密集，周围2km范围内无明显工业大气污染源。因此，本观测站点数据资料可代表城市大气污染特点。

1.2 数据与方法

本研究采用呼和浩特市环境空气自动监测站中小召监测站CO、NO2、O3、SO2等4种污染物2019年6月1日-2019年8月31日的小时质量浓度数据，污染物质量浓度数据来源于国家环境监测中心(http：//106.37.208.233：20035/)。常规气象资料数据来源于呼和浩特市气象局。根据国家标准(GB3095—2012)，对数据进行了有效性检验，污染物日均浓度计算至少包括20h平均浓度(O3的8h平均值至少包括6h平均浓度)，对不满足国家标准的数据进行剔除。对于周末效应部分：由于星期一和星期五为工作日与周末过渡时期，不具代表性，因此，本研究将星期二、星期三、星期四定义为工作日，星期六、星期日定义为周末。本研究考虑到降水天气对光化学反应的影响，因此将长时间连续降水日数据剔除，剩余有效样本数为66d(时间分别率为1h)，其中工作日39d，周末27d。为了便于对比分析，本研究中统一采用质量浓度(μg·m-3，mg·m-3)。

2 结果与讨论

2.1 CO、NO2、O3和SO2的变化特征分析

图1给出了主要污染气体CO、NO2、O3和SO2的日变化。图中可知NO2日变化表现为单峰型，从夜间22：00出现最大值，为43.29μg·m-3，之后呈下降趋势，午后14：00出现日最小值16.44μg·m-3，随后开始呈现上升趋势。O3日变化呈单峰型，白天呈现上升趋势，午后15：00出现日最大值，为131.94μg·m-3，随后持续下降，在04：00出现日最小值，为54.52μg·m-3。SO2日变化特征呈现双峰型，06：00出现日最小值，为5.72μg·m-3，之后明显上升，在12：00出现日最大值，为8.40μg·m-3，随后开始下降，在20：00出现次峰，为6.80μg·m-3。CO日变化特征呈现不规则多峰型，最大值出现在夜间22：00，为0.75 mg·m-3，日最小值出现在18：00和05：00，为0.61 mg·m-3。

图1 污染气体的日变化

2.2 工作日与周末CO、NO2、O3和SO2的周末效应分析

对流层O3的产生主要是平流层的向下输送和低层大气的光化学反应过程。城市污染大气中，人类活动排放的NOx(包括NO、NO2)、VOCs和CO等污染物可以通过光化学反应产生高浓度O3，则有如下反应：

NO2+hv→NO+O

(1)

O2+O+M→O3+M

(2)

O3+NO→NO2+O2

(3)

其中M是第三体，包括大气氮和氧分子。反应(2)生成的O3通过反应(3)被消耗。但是污染大气中CO、VOCS等可以促进O3的生成，以CO为例：

CO+HO+O2→CO2+HO2

(4)

HO2+NO→NO2+OH

(5)

反应(5)和(3)相争，降低(3)的O3消耗，并同时氧化NO生成NO2，NO2再继续通过反应(1)和(2)生成O3。

由图2可知，CO表现出明显的“周末效应”，特征为工作日各个时刻小时平均质量浓度均高于周末。CO工作日与周末质量浓度日变化趋势类似，日最大值均出现在夜间。工作日CO的日变化规律表现为不规则的双峰型分布，峰值分别出现在08：00和22：00，质量浓度分别为0.71mg·m-3和0.78 mg·m-3；谷值出现在05：00，质量浓度为0.60mg·m-3。工作日CO在06：00-08：00以及19：00-20：00质量浓度快速增加，均是由于上下班高峰期机动车排放影响。周末呈双峰型分布，峰值出现在09：00和22：00，质量浓度分别为0.65mg·m-3和0.69mg·m-3。周末CO质量浓度在白天整体呈现下降的趋势，在17：00达到日最低值，为0.52mg·m-3。通过表1可知在周末CO与O3、NO2相关性均较高，分别为-0.54和0.66，可知周末CO质量浓度下降明显与O3的质量浓度变化关系密切。结合图3可知，CO质量浓度日变化特征与风速变化特征相一致，08：00风度降到全天最小，CO质量浓度达到第一个峰值，随着风速增加，CO质量浓度开始下降，白天周末的风速表现出大于工作日的变化特征，因此在周末污染物扩散条件更好，这也是CO在周末白天质量浓度下降较快的原因。近地层大气中CO主要来源于燃料的不完全燃烧，汽车尾气的排放是近地层CO的重要来源。此外CO除了来自汽车尾气和工厂排放等矿物质燃料的不完全燃烧外，还来自生物质燃烧、海洋、植物排放、CH4的氧化和 NMHC的氧化等[4]。CO质量浓度的日变化特征整体表现为工作日质量浓度大于周末，主要是因为周末机动车出行减少以及工厂排放减少造成。

图2 工作日和周末污染气体的日变化

图3 工作日和周末气温和风速的日变化

NO2的“周末效应”也较为明显，在0：00-03：00和05：00-08：00以及17：00-21：00平均质量浓度值表现为工作日大于周末，08：00-16：00质量浓度均值基本接近。工作日质量浓度日变化特征表现为双峰型分布，其中次峰出现在06：00，质量浓度为36.50μg·m-3，与交通早高峰出现时间比较一致；另一个峰值出现在00：00，质量浓度为47.00μg·m-3，此时浓度达到最大值，此峰值滞后于晚高峰，主要原因是在夜间大气湍流减弱，大气边界层较低，大气扩散条件差，NO2浓度造成累积；最小值出现在14：00，质量浓度为16.50μg·m-3。周末表现为不规则的双峰型分布，峰值分别出现在02：00和22：00，对应的质量浓度分别为42.18μg·m-3和46.61μg·m-3，谷值出现在14：00，质量浓度为15.65μg·m-3，在06：00时出现第二个谷值，质量浓度为30.76μg·m-3。工作日午夜至凌晨NO2质量浓度高于周末的原因可能是CO浓度在工作日较高，促使反应(4)和(5)较周末更快，促使NO2堆积；06：00工作日与周末浓度相差较大，这是由于工作日早高峰机动车排放产生大量的氮氧化物与挥发性有机化合物发生化学反应后造成。

O3表现出明显的“周末效应”，午夜至05：00工作日与周末小时平均质量浓度差别较小，05：00-08：00小时平均质量浓度工作日小于周末，08：00至午夜表现为工作日小时平均质量浓度整体大于周末。工作日O3质量浓度日变化呈单峰型分布，谷值出现在06：00，为45.63μg·m-3，峰值出现在14：00，为135.32μg·m-3。周末O3质量浓度日变化同样也呈现单峰型分布，峰值和谷值分别出现在14：00和04：00，值分别为124.86μg·m-3和47.95μg·m-3。

有研究指出O3质量浓度的日循环主要分为4个阶段[5]：O3及前体物的前夜累积阶段、清晨NOx大量排放的O3抑制阶段、O3光化学生成阶段、O3消耗阶段。呼和浩特市O3质量浓度日循环也存在类似的变化特征：00：00-05：00近地层城市O3小时平均质量浓度基本维持且为全天最低值，前体物CO、NO2小时平均质量浓度在周末基本维持，工作日下降明显，为O3及前体物的累积阶段；05：00-08：00随着上班早高峰带来的大量的尾气排放，近地层大气中NOx含量迅速增加，由于此时辐射条件较弱，主要是NO作为还原物质消耗O3的过程，使得O3质量浓度略有下降，是O3生成的抑制阶段。对比工作日与周末可知，在此阶段工作日小时平均质量浓度变化O3呈下降趋势、NO2呈上升趋势，周末与之相反，这是由于周末早高峰较工作日滞后造成的；08：00-14：00随着太阳辐射加强，大量的NO2发生光解，促使O3生成，质量浓度快速增加，达到日最大值，该时段为光化学生成阶段；14：00至午夜为O3的消耗阶段，在14：00之后随着垂直混合、水平辐散加强，太阳辐射减弱以及下班高峰带来的新的NO排放量对O3消耗作用，使得O3在夜间下降到全日质量浓度低值区。综合分析，在O3的抑制阶段工作日CO增长速率更快以及大量的尾气排放造成NOx的增多，促使反应(3)(4)(5)加快，造成更多的NO2的堆积；在O3的光化学反应阶段，工作日整体气温高于周末利于光化学反应，且工作日风速小于周末不利于污染物的扩散，因此呼和浩特市区表现为工作日O3小时平均质量浓度大于周末的“周末效应”。

SO2也表现出明显的“周末效应”，特征为小时平均质量浓度在01：00-06：00和17：00-22：00表现为工作日大于周末，06：00-16：00表现为周末大于工作日。工作日SO2质量浓度日变化呈双峰型分布，06：00出现谷值，为5.66μg·m-3，峰值出现在12：00，为8.48μg·m-3，20：00出现次峰，值为7.30μg·m-3。周末SO2质量浓度同样也呈现双峰型分布，谷值出现在06：00，为5.67μg·m-3，12：00出现峰值，为8.91μg·m-3，次峰出现在20：00，值为7.00μg·m-3。有研究指出，城市大气中SO2主要来自化石燃料的燃烧及工业生产过程等固定源[6]。

由表1可知无论工作日还是周末，SO2与NO2相关性均较高，分别为-0.74和-0.70，可见两者均来自同一排放源，因此说明呼和浩特市地区SO2除了来自工业排放外，汽车尾气也是其重要来源。SO2质量浓度变化与人类活动有关，在夜间大气边界层较低、风速较小以稳定天气型为主，再则工业排放SO2量也小，因此夜间SO2质量浓度值整体偏低。06：00之后，由于气温的升高、人类活动的增加和污染源排放强度的增大，SO2质量浓度逐渐上升，12：00达到最大值，随后随着气温持续升高、风速也逐渐达到日最大值，此时大气湍流旺盛，此时的扩散条件最利于SO2的扩散和稀释。18：00之后，由于气温下降、风速减小气象条件开始不利于污染物的扩散，而且此时又迎来下班晚高峰，SO2质量浓度再次得到累积，出现次峰。

3 结论

①观测期间NO2日变化表现为单峰型，从夜间22：00出现最大值，为43.29μg·m-3，14：00出现日最小值16.44g·m-3。O3日变化呈单峰型，15：00出现日最大值，为131.94μg·m-3，04：00出现日最小值，为54.52μg·m-3。SO2日变化特征呈现双峰型，06：00出现日最小值，为5.72μg·m-3，12：00出现日最大值，为8.40μg·m-3，20：00出现次峰，为6.80μg·m-3。CO日变化特征呈现不规则多峰型，最大值出现在夜间22：00，为0.75mg·m-3，日最小值出现在18：00和05：00，为0.61mg·m-3。②观测期间CO、NO2、O3、SO2均存在明显的“周末效应”。CO小时平均质量浓度日循环工作日与周末均呈现双峰型分布，工作日各个时刻均大于周末，日最大值均出现在夜间。NO2小时平均质量浓度日循环在工作日与周末均呈现双峰型分布，日最大值出现在夜间，主要原因是夜间大气湍流减弱，大气边界层较低，大气扩散条件差，NO2浓度造成累积；谷值出现在14：00；工作日在06：00出现次峰与交通早高峰出现时间一致。O3小时平均质量浓度日循环工作日与周末均呈单峰型分布，在O3的光化学生成阶段和消耗阶段工作日质量浓度均大于周末，均在午后14：00出现峰值，夜间质量浓度较低。SO2小时平均质量浓度工作日与周末均表现为双峰型分布，01：00-06：00和17：00-22：00表现为工作日大于周末，06：00-16：00表现为周末大于工作日，峰值均出现在12：00和20：00，谷值出现在06：00。