青岛市城区沿海区域PM2.5污染变化特征和来源解析

贾智海 黄 燕 范明晶 刘保双

(1.青岛市生态环境局崂山分局，山东 青岛 266061；2.山东省青岛生态环境监测中心，山东 青岛 266000；3.国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室，南开大学环境科学与工程学院，天津 300350)

坚决打好污染防治攻坚战，是党的十九大明确的三大攻坚战之一，打赢蓝天保卫战是其中的重中之重。随着《打赢蓝天保卫战三年行动计划》收官，各地区圆满完成“十三五”空气质量改善目标。“十四五”是开启全面建设社会主义现代化国家新征程的第一个五年，虽然我国大气环境呈现持续快速改善态势，但与人民群众对蓝天白云、繁星闪烁的期盼，与美丽中国建设目标相比还有一定差距，让蓝天白云常驻，大气污染防治工作仍然任重道远。

随着深入推进全市大气污染防治和绿色低碳发展，青岛市大气PM2.5污染改善明显，PM2.5浓度虽已达到《环境空气质量标准》中的二级标准，但持续改善压力巨大，并且形成PM2.5与臭氧的综合污染[1-4]。PM2.5化学组成多样，来源和成因复杂，近年来，吴虹[5]、徐少才[6]、于清溪等[7]对青岛市开展PM2.5组分特征的研究较多，但针对城区沿海区域研究较少[7]，仅庹雄等[8]于即墨选择监测点对海-陆大气交汇作用下青岛冬季PM2.5进行了来源解析研究。作为滨海城市，青岛市有其特殊的大气污染形成与消散机制，同时受到大陆气团和海洋气团的影响，导致沿海站点与内陆各站点PM2.5污染特征存在差异。本研究选取青岛市主城区2个沿海监测点位，通过分析2020年PM2.5自动监测数据，对PM2.5污染变化特征及其变化规律进行初步研究分析，并于2020年1月-10月，采用间断采样方式采集环境受体中PM2.5样品，研究沿海区域环境受体PM2.5物理化学特征，定性地识别和判断各类污染源；利用复合受体模型(化学质量平衡(CMB)、CMB-Iteration模型)[9～14]定量的解析PM2.5污染源的贡献，针对性地提出沿海区域环境受体颗粒物排放源管控措施，以期为青岛市PM2.5进一步改善提供科学的依据。

1 材料与方法

1.1 采样点位

根据《环境空气质量监测规范(试行)》的规定，结合青岛市区自然地理、气象等综合环境因素，以及沿海区域污染源布局、人口分布等社会经济特点，依托青岛市崂山区国控监测点，按人口和建成区面积确定受体采样点数量，为反映沿海区域主要功能区和主要大气污染源的空气质量现状及变化趋势，选取2个采样点位，一个位于青岛市气象局度假村社区办公楼二楼楼顶(120°27′8″E、36°5′8″N)，距离海岸线450m；一个位于青岛市生态环境局崂山分局(120°27.26′E、36°6.23′N)的办公楼五楼楼顶，距离海岸线1900m，两点位均为商业交通居民混合区，在近地面5～20m内，符合国家采样规范，采样点位布设及周边情况见图1和表1。

图1 采样点位图

表1 采样点位置和周边情况

1.2 样品采集

采样仪器为众瑞1108A-1型PM2.5采样器，选用石英纤维滤膜进行采样，采样流量设定为100 L·min-1。根据大气自动监测站(气象度假村)PM2.5在线浓度，同时考虑其排放源和气象因素的季节性变化，受体颗粒物样品的采集从2020年1月开始，共采集四季样品，冬季(2020年1月1日-14日)、春季(2020年5月11日-26日)、夏季(2020年7月23日-8月6日)、秋季(2020年9月30日-10月14日)。每一采样季采15天左右，每个点位每个季节保证有14天有效数据，每天采样时间23小时(上午10：00-次日上午9：00)。各点同步采样，采样期间记录当时气温、气压、相对湿度、风速、风向等气象参数。本研究期间共采集样品488个，其中有效样品480个。

1.3 样品分析

按照《环境空气中PM10和PM2.5的测定重量法》(HJ 618-2011)和《环境空气颗粒物(PM2.5)手工监测方法(重量法)技术规范》(HJ 656-2013)的要求，滤膜称重使用1/100000电子天平(梅特勒AX205)，每个空白及样品滤膜称重2次以上，任意2次有效称重的差值在±0.04 mg；水溶性阴离子采用离子色谱仪(赛默飞ICS900)，分析每批样品前需用标准溶液对仪器进行校正及空白试验。

1.4 研究方法

源解析选择复合受体模型(CMB、CMB-Iteration模型)。以CMB模型和CMB-iteration模型为主解析一次排放源和二次颗粒物的贡献，以排放源清单法和CMB模型结果相结合解析二次粒子前体物排放源的贡献，按照行业排放清单，综合得到燃煤、工业、机动车及其他源类的贡献。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5浓度水平及变化特征

本研究区域2017—2020年PM2.5年际变化呈先降低再升高再降低的趋势(图2)，于2019年达到高值，浓度为34 μg/m3。2020年PM2.5平均浓度为27 μg/m3，较2019年降低了25.9%，改善明显。

图2 2017-2020年PM2.5浓度变化特征

2020年PM2.5浓度季节变化规律显著(图3)，冬季浓度最高，达到45 μg/m3，其次为春季(27 μg/m3)；秋季和夏季PM2.5的浓度较低，分别为18和17 μg/m3。

图3 2020年PM2.5浓度季节变化特征

2020年较高浓度PM2.5主要集中在1、12月，其他月份浓度相对较低(图4)。青岛地区海陆风发生频率夏秋季高、冬春季低，具有明显的季节性特征。夏秋季节主要以东南风和南风为主，来自海面的清洁气团对海边区域PM2.5起到了稀释扩散作用；冬春季节主要以西北风和北风为主，来自陆地的人为污染物输送至海边区域，导致PM2.5浓度较高。

图4 2020年PM2.5浓度月变化特征

2020年PM2.5浓度具有明显的日变化趋势，分别在9时和18时出现峰值和谷值(图5)。海边区域PM2.5污染主要源于陆地城区人为污染物的排放，5-9时陆风较大，20时-次日2时海风较大，海陆风的转换直接对PM2.5浓度变化产生直接影响。

图5 2020年PM2.5浓度日变化特征

2.2 PM2.5/PM10比值的变化特征

2017—2020年PM2.5/PM10比值年际变化整体上逐年降低(图6)，但相较于2019年，2020年PM2.5/PM10比值略有上升，为0.49，但比值依然较低，说明扬尘的影响依然明显。冬季是重污染过程频发的季节(图7)；2020年冬季PM2.5/PM10比值明显高于其他季节，春季和秋季由于空气对流较好，大颗粒的沙尘活动较为活跃，故比值PM2.5/PM10很低，分别为0.42和0.35。PM2.5/PM10比值在6时左右达到峰值，12-13时之间达到谷值(图8)。分析可知，研究区域扬尘影响较为明显，特别是春季和秋季更为凸显。

图6 PM2.5/PM10年际变化特征

图7 PM2.5/PM10季节变化特征

图8 PM2.5/PM10日变化特征

2.3 PM2.5与SO2、NO2的相关性分析

2020年不同季节PM2.5与NO2浓度的相关性要明显高于PM2.5与SO2的相关性(图9)，而NO2主要来源于机动车的排放，说明机动车对PM2.5浓度的影响较为明显。相比于其他季节，冬季随着PM2.5浓度的增加，NO2表现出增加的趋势，且高浓度的PM2.5和NO2，往往对应着高浓度的CO。同时，秋季和冬季随着PM2.5浓度的增加，SO2浓度也表现出增加的趋势，说明秋冬季燃煤源的影响较为明显。但是，秋冬季随着PM2.5和SO2的浓度的变化，CO并未表现出明显的趋势，可能是因为CO除了来自燃煤(特别是散煤燃烧)外，机动车的排放也是较为明显的。值得注意的是，夏季PM2.5与NO2及SO2的相关性均较低，同时CO也未表现出明显的变化趋势，说明夏季机动车和燃煤源的影响均较低。

图9 不同季节PM2.5与SO2、NO2的相关性分析(图中颜色表示CO浓度高低)

2.4 PM2.5来源解析结果

利用CMB及CMB-迭代模型计算得到了PM2.5不同季节及全年的常规来源解析结果，城市扬尘、二次硝酸盐、机动车、二次硫酸盐、建筑水泥尘以及燃煤是PM2.5主要的贡献源类，它们的分担率分别为20.8%、18.0%、12.7%、11.4%、9.4%和8.0%；相比之下，海盐、船舶和二次有机碳的贡献较低，分担率分别为3.0%、2.6%和1.8%。总的来看，PM2.5全年的主要贡献源类均为城市扬尘和二次硝酸盐，其次是机动车、二次硫酸盐、建筑水泥尘以及燃煤，海盐、船舶及二次有机碳的贡献不大。

通过2020年不同季节PM2.5的源解析结果可以看出(表2)，秋季城市扬尘的贡献要明显高于其他季节，秋季和冬季燃煤源和机动车的贡献相比于春夏季有所增加；秋季二次硫酸盐的贡献明显低于其他季节，而春季和冬季二次硝酸盐的贡献明显高于夏秋季；夏秋季建筑水泥尘、船舶和海盐的贡献高于春季和冬季；相比之下，各季节二次有机碳的贡献变化不大。

表2 PM2.5源解析的源贡献值和分担率

根据研究区域大气污染物的源排放清单及空气质量模型模拟结果对二次颗粒物来源进行再分配，得到综合来源解析结果。扬尘、机动车、燃煤、船舶、海盐和工艺过程的分担率分别为30.2%、23.1%、19.7%、5.6%、3.0%和2.9%。

根据研究区域各行业一次排放PM2.5的量以及空气质量模型模拟的各子源类对环境空气中颗粒物贡献的比例关系(图10)，得到沿海区域全年的颗粒物精细化来源解析结果。对于PM2.5来说，电厂及供热燃煤、工业锅炉燃煤和民用散烧燃煤的贡献分别为4.9%、7.9%和6.9%；柴油车和汽油车的贡献分别为12.7%和10.4%；除此之外，居民生活、农业生产和生物质燃烧的贡献分别为8.7%、3.2%和1.5%。

图10 2020年PM2.5精细化来源解析结果

2.5 后轨迹聚类分析

利用后向轨迹模型分析软件TrajStat，对崂山区 2020 年全年及不同季节的后向轨迹进行计算，分析崂山区的大气污染物的主要传输过程。结果显示，崂山区 2020 年全年的后向轨迹主要聚类成 4 类轨迹(图11)。研究期间，来自江苏省南部，向北途经黄海到达崂山的气流轨迹在气流轨迹总数中所占的比例最大，达到 35.55%；其次是来自内蒙古呼伦贝尔，途经辽宁省、渤海海域、山东北部等区域的气流轨迹占 28.88%；来自东北部黄海方向的气流轨迹， 占 26.57%；而来自西北方向俄罗斯、蒙古的长距离传输气流轨迹达到 9.41%。

图11 崂山区全年后轨迹聚类结果

对崂山区春季、夏季、秋季、冬季的后向轨迹进行聚类分析，分别得到各个季节的聚类轨迹(图12)。春季来自东南黄海方向的气流轨迹在气流轨迹总数中所占的比例最大，达到49.46%；其次是来自北部内蒙古兴安盟，途经辽宁西部、渤海海域的气流轨迹占22.01%；来自蒙古，经过内蒙古锡林郭勒盟、河北省东北部、渤海海域的传输气流轨迹占21.47%；来自西北俄罗斯、蒙古方向的长距离传输气流轨迹占7.07%。夏季来自东南黄海海域的气流轨迹所占比例最大， 为48.37%；其次是来自渤海海域，经山东省东北部到达的气流轨迹占24.46%；来自福建福州方向，途经浙江省、江苏省、黄海海域的气流轨迹占19.29%；来自东海东南海域，经过黄海到达崂山的气流轨迹占7.88%。秋季来自青岛市的本地气流轨迹占比最高，为 45.76%；来自西北方向蒙古和俄罗斯，途经京津冀、渤海海域的长距离传输气流轨迹占比分别达到22.46%和12.71%；来自朝鲜半岛，途经黄海海域到达崂山的气流轨迹占19.07%。冬季来自内蒙古锡林郭勒盟，途经京津冀、渤海海域的气流轨迹占比最高，为 42.92%；其次是来自山东省威海市， 经由黄海海域又回到山东省的气流轨迹占23.33%；来自黑龙江大兴安岭地区， 途经内蒙古东北部、辽宁省、渤海海域的气流轨迹占19.58%；来自蒙古方向，途经内蒙古、京津冀、渤海海域的长距离传输气流轨迹占14.17%。总的来看，崂山区春、夏季气流主要来自东南黄海海域，秋季气流则以本地占比居多，冬季气流主要来自内蒙古方向。

图12 崂山区后轨迹分季节聚类结果

3 结论

(1)PM2.5年际变化呈先降低再升高再降低的趋势，季节变化规律显著，冬季浓度最高，高浓度PM2.5主要集中在1、12月；2020年PM2.5浓度具有明显的日变化趋势，分别在9时和18时出现峰值和谷值。

(2)扬尘是沿海区域大气颗粒物的主要来源。扬尘对全年PM2.5分担率达到30.2%，明显高于其他源类；其中建筑水泥尘对全年PM2.5分担率为9.4%，表明建筑水泥尘的影响非常显著。2017—2020年沿海区域PM2.5/PM10比值在0.47～0.54之间，且基本呈逐年降低趋势，扬尘污染逐年相对凸显。

(3)机动车污染较为严重。机动车对PM2.5分担率为23.1%，是仅次于扬尘源的第二大贡献源类。燃煤污染仍不可忽视，燃煤源对PM2.5的贡献率是19.7%，秋季和冬季PM2.5中燃煤源的分担率相对较高，春季和夏季的分担率较低。

(4)崂山区在不同季节受气团来向的影响差异较为显著。春夏秋受短距离气流输送的影响较为显著，冬季主要受长距离气流输送影响。黄海海域和渤海海域对崂山区的气流输送作用分别发生在春夏和秋冬季节。