2020年1—3月四川地区大气污染物变化特征分析

2022-03-08李伟杰赵胡笳陈权亮安林昌张婕王绪鑫

气象与环境学报 2022年1期

李伟杰赵胡笳陈权亮安林昌张婕王绪鑫

(1.成都信息工程大学大气科学学院，四川成都 610225； 2.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁沈阳 110166； 3.国家气象中心，北京 100081； 4.鞍山市气象局，辽宁鞍山 114004)

引言

近年来，随着四川省经济的不断发展，城市化水平的进一步增加[1]和人民生活水平的显著提高，四川省的企业在数量和规模上都在不断扩大，机动车保有量逐年攀升，尤其是省会城市成都，汽车保有量为4.52×106辆(http://www.mps.gov.cn/)，仅次于北京。同时四川省的能源消耗增长速度也高于全国平均水平，其能源消费已经占到全国能源消费量的4.7%。柯伯俊[2]在四川省大气污染源排放清单的研究中指出，四川省的大气污染已经由原来单纯的煤烟型污染逐步向煤烟—机动车尾气复合污染转变。周书华[3]在成都地区大气边界层逆温特征分析中指出，四川盆地由于易受特殊地形和天气系统的影响，可长时间出现静小风或逆温等气象条件，这更加剧了污染的发生。在城市中，空气动力学直径小于10 μm的颗粒物(PM10)、二氧化氮(NO2)和对流层臭氧(O3)是最具威胁的大气污染物，它们对呼吸系统产生有害影响并且会增加心血管疾病的死亡率[4,6]。氮氧化物和挥发性有机化合物(VOCs)在强烈的太阳辐射条件下发生反应形成O3[7]。20世纪40年代美国发生“洛杉矶光化学烟雾”事件，此后美国、日本等发达国家在经济快速增长阶段臭氧污染事件频发。1970年和1973年美国联邦政府和日本政府先后颁布了《清洁空气法》和《大气污染防治法》，之后其他国家也纷纷颁布相关政策并加强了对前体物的监测。经过一段时间的治理，臭氧污染逐渐减少，一度以为问题得以解决，但在2002年和2005年，日本千叶县和埼玉县又一次发出光化学烟雾警报。而美国臭氧的质量浓度虽然大幅下降，但仍未达到其设定的标准值[8]。O3的不断上升依旧是全球城市的一个主要公共卫生问题[9-10]。2020年1—3月的全球经济活动发生了巨大变化，尤其是工业活动和交通运输：能源燃煤发电厂的产量减少了三分之一；炼油厂和钢铁工业活动达到了过去5 a的最低水平；车辆的运输和国内航班减少了70%[11]。

受新冠肺炎疫情影响，2020年1—3月我国对人为排放源实施管控的政策使得许多污染源的排放都受到严格限制，大气污染物排放显著减少，这些结果突出了人类活动对大气环境的重要影响。对这个时期进行研究可以让当地政府更好地规划、控制大气污染物的排放。NO2浓度分布状态与氮氧化物的排放分布情况基本一致，因此通过观察NO2及PM10在交通、工业活动基本停止下的污染状况变化及O3浓度在减排下的反应，有助于充分了解政策的有效性并对制定合理有效的NO2、PM10及O3前体排放战略有重要意义[12]。根据2018—2020年1月1日至3月31日成都，绵阳，宜宾，攀枝花4个城市17个站大气污染物资料，研究了在人为排放源实施严格的管控条件下以O3、NO2、PM10为主的污染物变化规律，并进一步探讨了O3与不同污染物及气象要素之间的相互关系，以期对有效减排政策的制定起到重要的参考价值。

1 资料与方法

采用2018—2020年四川城市群(成都市、绵阳市、宜宾市、攀枝花市)17个污染监测站点各污染浓度的逐小时观测数据其来源于全国城市空气质量实时发布平台(http://106.37.208.233:20035/)，为了保证数据的可靠性，将出现不可抗因素造成的缺测情况进行剔除。中国气象局气象站点的同期地面观测资料(温度、相对湿度、降水、风速、风向)原始数据文件已经过严格的质控和检验。

采用相关性分析方法对不同污染物和气象要素进行相关性分析，判断污染物与气象要素的相关程度。按《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中二级标准的浓度限值(160 μg·m-3)对成都地区的臭氧进行了超标判定，即当日最大滑动8 h臭氧平均值(以下简称O3-8 h)大于160 μg·m-3，则为超标。

2 结果分析

2.1 2020年1—3月成都地区大气污染物变化

利用中国环境监测总站的全国城市空气质量实时发布平台所发布的空气质量数据对2018—2020年成都地区1—3月污染进行统计，结果见图1。

图1 2018—2020年1月、2月、3月成都地区CO(a)、NO2(b)、O3(c)、PM10(d)、PM2.5(e)和SO2(f)质量浓度变化Fig.1 Variations of mass concentration of CO (a),NO2 (b),O3 (c),PM10 (d),PM2.5 (e),and SO2 (f) in Chengdu during the same period in January,February,and March from 2018 to 2020

如图1所示，与同期比较，成都地区PM2.5、PM10和二氧化氮(NO2)都呈现出逐年下降的趋势，但2020年1—3月O3浓度均比上年增加。在图1c中，2020年1—3月O3浓度呈持续增长趋势。所有污染物(除O3外)都在2月，有大幅度的下降：CO、NO2、PM10、PM2.5、SO2相对于同期分别下降了28.61%、47.69%、31.37%、22.59%、18.52%。NO2和PM10排放浓度在2月下降的极为明显。但是NO2和PM10浓度也出现了反常的快速增长，即在2月浓度降低后，在3月开始迅速提高，PM10的浓度甚至提高到与2019年3月的PM10持平的浓度。NO2主要来源于燃料的燃烧以及汽车尾气，PM10主要来源于燃烧与扬尘。3月大规模复工复产后，人类活动对污染的影响明显加重，尤其是与人类活动最为密切的NO2和PM10，这可能是NO2和PM10出现反常增长的主要原因。我国CO的最大来源是以住宅为主的人类活动，其来源并不会因为严格的管控政策而减少。如图1a所示，CO浓度一直维持在相对较少的状态并没有太大的波动。大气中的SO2大多来自煤、石油等燃料的燃烧及工厂排放的废气，根据2020年6月9日生态环境部发布的第二次全国污染源普查公报废气污染物中，二氧化硫排放从3119 t下降到1314 t，下降率为57.87%。同时由于产业结构改革以及对工业活动的限制，与2018—2019同期平均比较，2020年1—3月SO2浓度降幅在20%左右。

O3、NO2和PM10污染的反常变化更应让人警醒。在之前的研究中O3大多来自于工业排放、机动车尾气、装修、喷漆等，但在人为排放源实施管控政策时期，中国工业排放与机动车尾气有明显的下降，而O3浓度却依旧在升高。根据环境空气质量标准(GB3095—2012)，对成都2020年1—3月O3-8h超标情况(>160 μg·m-3)进行统计(表1)。结果指出2020年成都O3-8h的平均浓度和最大值逐月增加，但是这种反常的O3浓度升高现象并没有超标，最大值出现在2020年3月，为74.37 μg·m-3。

表1 2020年1—3月成都O3-8h浓度变化Table 1 Change of O3-8h concentration in Chengdu from January to March of 2020

O3浓度除了受人类活动的影响外还与气象要素息息相关。高温、低湿、弱风的气象条件都有利于高浓度O3的产生。通过相关性分析对成都地区4种气象要素与NO2、O3、PM10的相关性进行了分析(表2)，发现相对湿度、温度和风速与O3相关系数的绝对值(|R|)均超过0.70，只有与降水的相关性在0.66，并且在2020年1—3月温度较上年分别升高15.43%、25.69%、8.33%，相对湿度在2月、3月降低了4.56%、4.86%，而风速在1月降低了6.58%，这种高温、低湿、弱风的气象条件可能会产生高于同期的O3浓度。臭氧(O3)产生于氮氧化物和挥发性有机物之间的光化学反应，其过程只需要足够的光照和温度，这并不是简单的减少排放就能阻止O3增加的。NO2作为氮氧化物之一，虽然在春节期间有短暂下降，但在对流层大气中依旧存在，这些前体物会在对流层中继续反应生成O3。而随着春节的结束，各个行业在管控政策下逐步恢复生产。然而在其他污染物还在继续降低(CO、PM2.5)或者缓慢上升(PM10)的3月，NO2却直接恢复到以往水平，这更加剧了O3的增长。参照2018—2019年NO2和O3的变化规律，随着NO2的降低，O3的月平均浓度也会不断降低，但2020年却并不是如此。随着NO2的降低，O3的月平均浓度却开始上升(图1b和图1c)。这可能是因为在管控期间，臭氧(O3)与二氧化氯(ClO2)、双氧水(H2O2)等消毒剂被广泛应用于各种场所的消杀过程，这些大量强氧化物随着对流运动上升至大气中，加速了臭氧的生成。因此，这种反常的臭氧升高，不仅是因为高温加速大气中的化学反应形成O3，同时大气边界层增高、风速增大所带来的扩散效应远小于温度升高所带来的O3增长。此外，还有可能是成都周边有一个更大的污染源在向成都传送污染，风速的升高加快了污染向成都扩散，为此需要更为深入的研究。

表2 2020年1—3月成都地区4种气象要素较上年的逐月变化及其与NO2、O3、PM10的相关系数Table 2 Monthly changes of four meteorological elements in Chengdu from January to March of 2020 compared with the previous year and their correlation coefficients with NO2,O3,and PM10

NO2和PM10与气象要素的相关性都处于一个较低的水平，只有风速与PM10的相关系数的绝对值(|R|)最高，达到0.48。这种低水平的相关性说明NO2和PM10受气象要素的影响较小，那么人类活动便成了影响污染物浓度最主要的因素。在管控政策刚开始实施的1月，人类活动受到的影响相对较小，NO2和PM10等污染物浓度维持在一个正常水平；随后由于人为排放源与工业源排放管控政策的实施，污染物浓度迅速降低，NO2和PM10在2月的降幅达到30%—40%；3月，随着管控政策的逐步放宽，与工业和人类活动最为密切的NO2和PM10开始飞速增长，NO2的浓度从2月的24.2 μg·m-3增长到43.1 μg·m-3，增长了将近一倍，PM10增幅较缓由70.6 μg·m-3增加到78.1 μg·m-3。

2.2 四川省其他地区污染物日变化

对2018—2020年1月1日至3月31日所有站点的逐小时数据进行平均，并将2018—2019年污染浓度取平均，与2020年进行对比(图2)。

平滑线为局部加权回归(LOESS)图2 2018—2020年1—3月成都、绵阳、宜宾和攀枝花四市O3(a1—a4)、NO2(b1—b4)和空气动力直径小于10 μm的颗粒物PM10(c1—c4)的日平均浓度Fig.2 Variations of the daily average concentration of ozone (O3) (a1—a4),nitrogen dioxide (NO2)(b1—b4),and particulate matter with an aerodynamic diameter less than 10 μm (PM10) (c1—c4) in Chengdu,Mianyang,Yibin,and Panzhihua from January to March of 2018-2020

2020年1月1日至3月31日，成都市，绵阳市，宜宾市，攀枝花市的O3浓度都呈现出逐月上升的趋势，并在3月下旬出现明显的快速增长，达到其峰值(图2)。成都市O3峰值浓度为183.0 μg·m-3，绵阳市为162.7 μg·m-3，宜宾市为190.6 μg·m-3，攀枝花市为155.8 μg·m-3。从臭氧峰值浓度来看，宜宾市的臭氧浓度最高，但是从峰值出现的时间来看，成都市出现的最早，结合其余三市与成都市的距离(与成都市中心的距离分别约为：118 km，268.4 km，642.5 km)，不难看出峰值是从成都市逐渐向外推移。与同期O3浓度进行对比，2018—2019年四个城市的O3浓度也呈现出逐渐上升的趋势，但是不同的是2018—2019年3月四个城市的O3基本都维持在一定范围内。4个城市的最高浓度分别为158.5 μg·m-3、156.6 μg·m-3、149.25 μg·m-3和156.7 μg·m-3。

然而，NO2和PM10却与其他污染物有不同的变化趋势。四座城市在2月上旬的平均NO2和PM10浓度维持在19.53 μg·m-3和49.13 μg·m-3，而在2月下旬四座城市的平均NO2和PM10浓度已经达到了31.23 μg·m-3和81.58 μg·m-3。这主要是因为1月下旬和2月上旬处在中国的春节期间，排放大幅度下降，使得NO2和PM10浓度维持在较低水平。而随着春节的结束，部分必要的行业按照管控政策逐渐恢复生产，使得2月下旬开始NO2和PM10浓度呈现缓慢上升趋势。相对于3月中旬，成都、绵阳和宜宾在3月下旬的平均风速增加了30%，而平均降水增加了200%，这可能是PM10浓度在3月下旬下降的主要原因。而攀枝花的降水与风速只有不到5%的增加，使得PM10浓度相对于3月中旬只上升了1.5%，维持在54 μg·m-3左右。而在整个1—3月中，成都、绵阳、宜宾和攀枝花的NO2浓度相比同期平均的质量浓度都有不同程度的下降，成都和宜宾下降最为明显分别为50.09%和58.70%，绵阳和攀枝花分别下降了22.56%和17.01%。同时四座城市PM10的下降幅度都在30%左右。

2.3 四川省其他地区污染物月变化

城市空气污染水平主要受当地排放的影响和化学机制的影响[13]，为了更加细致的了解2020年1—3月人为排放源管控政策对四川地区污染的影响，将1—3月的月平均浓度和 2018—2019年同期污染物月平均浓度进行比较(图3)。

图3 2020年1—3月成都、绵阳、宜宾和攀枝花四市CO(a)、NO2(b)、O3(c)、PM10(d)的月平均污染物浓度与此前两年(2018—2019年)平均浓度的比较Fig.3 Variations of average monthly pollutant concentrations of CO (a),NO2 (b),O3 (c),and PM10 (d) in Chengdu,Mianyang,Yibin,and Panzhihua from January to March of 2020,compared with the average concentrations of the previous two years of 2018-2019

2020年1—3月的人为排放源管控政策限制了工业生产源的排放(如火力发电、交通运输和工业部门)，使得四川地区污染有不同程度的下降(图3)。与2018—2019年同期平均相比，成都NO2的降幅最为明显，达到47.69%，1—3月的平均浓度也下降到37.97 μg·m-3，而攀枝花由于近十年的治理，降幅只有17.01%。这是因为在中国，氮氧化物排放在燃料、部门及地区分布上极不均衡。2000年，约63%的氮氧化物排放源于燃煤;火力发电、交通运输和工业部门贡献率分别为35.8%、21.3%、30.9%左右[14]。而在人为排放源管控政策下，中国的煤炭消费下降到了一个低值，于此同时交通工业也受到极大的限制，而与燃料，交通最为密切的便是氮氧化物，这极大降低了NO2的排放。同时，中国的春节假期代表一个为期一周的全国性庆祝活动，煤炭消费通常在春节前开始下降在假期期间达到最低[15]。在管控政策与春节假期的双重作用下，使得NO2浓度大幅度下降。

成都、绵阳、宜宾2月PM10都有20%—30%的下降，攀枝花只有14%的下降。这是因为不管是在政策实施期间还是同期对比的时间，攀枝花的治理都相对较好，PM10浓度只有其他3市的一半(分别为48.45 μg·m-3和56.59 μg·m-3)。PM10主要的产生原因是扬尘源和工艺过程源[16]，以道路扬尘为主的扬尘源贡献了60%的PM10，而以钢铁和建材制造为主的工艺过程源贡献了20%的PM10[17]。人为排放源管控政策期间，公路和非公路运输减少，同时只有最基本工业活动(如食品、制药等)继续进行[18]，这两大主要污染源的减少，造成了PM10的大幅度下降。CO浓度只有绵阳上升了2.08%，这主要是因为CO的最大来源是住宅，不会因为减排政策的实施而大幅减少。同时，不管是臭氧污染最严重的宜宾还是污染最轻的攀枝花，2月的臭氧浓度都高于2018—2019年度，且2018—2020年期间的O3浓度都表现出逐月上升的趋势。O3的人为源主要有交通运输，石油化学工业，燃煤电厂等。在人为排放源实施管控期间，这些人为排放源都被限制，维持在较低的水平。然而严格的管控政策并没有使得O3浓度减低，反而使其进一步加剧。这种现象不仅出现在四川的几个城市，武汉甚至是欧洲都表现出这种反常的现象[18]。O3质量浓度的增加除了与人为排放污染物增加有关，也取决于气象条件的变化[19,21]。因此，对三个城市臭氧与4种气象要素的相关性进行了分析(表3)。

结合表3，发现3个城市臭氧与气象要素相关性均很高，尤其与温度的相关性最高。宜宾地区O3质量浓度与温度的相关性为0.96，其次是绵阳，相关性到达0.92。成都与攀枝花O3质量浓度与温度的相关性也超过0.80且均呈现出明显的显著性特征。此外，3座城市O3与其他气象要素的相关性也基本超过了0.60，只有宜宾O3与降水的相关性较低，为0.21。该结果指出，O3的增加与气象要素变化具有非常紧密的关系。臭氧的总体表现为与相对湿度呈负相关，与温度、风速和降水呈正相关。通过对4个城市2018—2019年4种气象要素的统计分析，发现2020年成都2月气温比2018—2019年平均温度同比增加32.41%、绵阳，宜宾的气温也分别比此前2 a的平均气温高出22.9%和20.11%，只有攀枝花地区的气温比平均温度下降了8.19%，这可能是攀枝花污染变化相对平缓的原因。

表3 2020年1—3月四川省绵阳、宜宾、攀枝花地区臭氧与4种气象要素的相关系数Table 3 Correlation coefficients of ozone and four meteorological elements in Mianyang,Yibin,and Panzhihua regions of Sichuan province from January to March of 2020

在人为排放源实施管控期间，大气中依旧存在产生O3的前体物，这使得O3在管控期间也会生成。而城市中新排放的NO，特别是道路交通排放的NO，也会一定程度的消耗O3[22]，并且产生NO2。中国实施了人为排放源管控政策后，交通运输得到极大的限制，不管是NO还是NO2等氮氧化物都会出现急剧的下降。这也是NO2在管控期间断崖式下降的主要原因。而NO的减少，也一定程度上减少了O3的消耗[23]。另外PM10的减少也可能导致近地面O3浓度的增加[24]。由于实施期间近地面PM10的排放量较低，大气气溶胶含量较少，较强的太阳辐射到达近地面，使得O3增加[25]。除光化学反应外，大气中PM2.5和气溶胶发生的表面非均质化学过程也是O3增加的重要原因之一[26]。而在2月，4座城市NO2浓度相对1月的平均降幅在30%—40%。但是由于NO、PM10等污染物浓度也在降低，新产生的O3不能被转化，同时管控期间高温等不良天气条件也加速了O3的生成，使得臭氧在2月出现了20%—30%的增长。在3月，除攀枝花外的其他3座城市的NO2浓度相比上月都增长了40%以上，前体物浓度的大幅度上升随之而来的是O3的大幅上升，但O3却只上升了10%—20%。这是因为在3月管控政策逐渐放宽，NO和PM10等污染物浓度开始上升，大量的O3被转化，使得3月O3的浓度并未上升太多。Sicard[18]在对尼斯(法国)、罗马和都灵(意大利)、瓦伦西亚(西班牙)和武汉(中国)的臭氧短期变化研究中也指出，在2020年1—4月NO的减少量高于VOCs的减少量。O3浓度较高的主要原因是道路交通中NOX排放的减少导致了NO、PM10排放较低，较高的太阳辐射有利于O3的形成；生活所排放的O3前体物增加。这也与本文的研究结果相吻合。