2019～2021年唐山市PM2.5及O3污染特征分析

张 壹，魏 扬

(唐山市环境规划科学研究院 唐山市生态环境宣传教育中心,河北 唐山 063000)

1 引言

近年来，随着《大气污染防治行动计划》以及《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的深入实施，我国环境空气质量逐步改善，PM2.5浓度逐年降低[1,2]。但我国大气污染形势仍十分严峻，部分地区PM2.5年均浓度仍处于超标状态。与此同时，O3污染逐渐凸显，并成为继PM2.5之后影响城市空气质量的重要污染物[1,3,4]。目前我国PM2.5和O3的复合污染问题日渐显现，成为改善中国空气质量的关键。

目前，国内外大量学者针对PM2.5和O3的成因、关联、影响因素、污染特征等方面开展大量的研究。PM2.5和O3关系复杂，既有共同的前体物，又相互影响生成[5～8]。张涵等[9]、花丛等[10]对形成PM2.5和O3污染的气象影响因素进行研究，表明温度、风速、边界层高度等因素对PM2.5和O3的形成具有显著影响，光照辐射强度对O3的生成具有促进作用，进而影响PM2.5二次组分的生成，而相对湿度则对PM2.5和O3浓度均有不利影响。宋小涵等[11]的研究表明，2015～2021年京津冀及周边“2+26”城市PM2.5污染减轻，浓度高值集中于研究区域中南部，O3浓度整体波动上升，呈现“西南低，东北高”的分布。另外，大量研究表明：PM2.5和O3均对人体健康及生产生活有不良影响，加强对PM2.5和O3协同治理十分必要[12～16]。

目前，大气环境PM2.5和O3复合污染是唐山市面临的重要污染问题。近年来，唐山市高度重视大气环境污染问题，采取众多污染防治措施，环境质量得到改善。自2013年以来，唐山市PM2.5年均浓度下降62.61%，而O3-8h浓度则上升了49.07%，其复合污染问题不容忽视。本文基于2019～2021年唐山市空气质量监测数据，对其PM2.5和O3污染的时空分布特征进行分析，以期为唐山市PM2.5和O3复合污染的协同防治提供依据。

2 材料与方法

基于唐山市国、省、市控站数据，对2019～2021年唐山市及19个县区的PM2.5和O3质量浓度年均变化及日变化特征进行分析。根据中华人民共和国生态环境部城市空气质量状况月报(https://www.mee.gov.cn/hjzl/dqhj/cskqzlzkyb/)，分析3年间PM2.5和O3的月浓度变化规律。该两项污染物的浓度限值均依据环境空气质量标准(GB 3095-2012)。

3 结果与讨论

3.1 PM2.5和O3-8h年际变化特征

2019～2021年，唐山市PM2.5及O3-8h年均浓度均呈下降趋势(图1)。2021年唐山市PM2.5及O3-8h年均浓度分别为43 μg/m3和161 μg/m3，在168城市中分别排名第131名和第119名；与2019年相比，2021年PM2.5和O3-8h分别下降11 μg/m3和29 μg/m3，下降幅度分别为20.37%和15.26%，2021年PM2.5和O3-8h的改善效果较明显，但其浓度仍超过国家二级标准(PM2.5：35 μg/m3；O3-8h：160 μg/m3)。

图1 2019～2021年唐山市PM2.5及O3-8h变化规律

统计近3年来PM2.5和O3-8h超标天数，PM2.5分别超标68 d、57 d以及53 d；O3-8h分别超标75 d、65 d、37 d。与2019年相比，2021年唐山市PM2.5和O3-8h超标天数分别下降13 d以及38 d。2021年唐山市以PM2.5为首要污染物的天数为73 d，较2019年下降14 d，较2020年下降17 d；以O3为首要污染物的天数为116 d，较2019年下降3 d，较2020年上升8 d。综上可知，2021年唐山市PM2.5污染有所改善，但O3-8h超标情况有所反弹，其污染不容忽视，对PM2.5与O3复合污染的协同控制需得到高度关注。

3.2 PM2.5和O3-8h季节变化特征

根据图2对比分析2019～2021年PM2.5和O3三年季节平均浓度变化特征，可以看出2019年及2021年PM2.5的季节变化特征均表现为冬季>春季>秋季>夏季；2020年则表现为冬季>秋季>春季>夏季的变化规律。PM2.5污染多发于冬季，冬季的取暖燃烧以及逆温条件不利于PM2.5的扩散，导致污染程度增加，而夏季唐山市较高的温度以及较大的湿度不利于PM2.5的积累，大气中的PM2.5通过雨水的冲刷沉降到地面，从而减少了大气污染程度[17]。

注：春季：3～5月；夏季：6～8月；秋季：9～11月；冬季：12、1～2月图2 2019～2021年唐山市PM2.5与O3-8h平均浓度季节变化

2019～2021年O3浓度季节变化特征较为一致，为夏季>春季>秋季>冬季，相比于秋冬季，春夏季，受温度和太阳辐射的影响强烈，O3污染凸显，O3浓度容易出现超标状况，温度越高，太阳辐射越强，大气中的臭氧生成速率越高[3]。同比2019年，2020年夏季和冬季O3平均浓度分别上升5.19%和12.70%，其余季节O3浓度表现下降趋势。2021年冬季O3平均浓度分别较2019年及2020年同期上升14.29%和1.41%。

对3年间唐山市PM2.5与O3-8h月均浓度变化特征进行了对比分析(图3)。就PM2.5平均浓度而言，2019～2021年唐山市PM2.5浓度超标情况集中出现于1～3月份以及10～12月份，其超标天数分别占全年的82.35%、94.44%以及94.34%。对比月均浓度，2020年1月份、8月份以及10月份PM2.5浓度均较同期有所反弹，分别同比上涨8.05%、38.46%、1.92%。2021年2月份、3月份、4月份以及11月份，PM2.5浓度分别较同期上涨6.85%、39.19%、4.76%以及2.00%；另外，2月份和3月份PM2.5浓度较2019年上涨1.39%、23.33%。总体上，3年间PM2.5超标情况有所缓解，2021年3月份PM2.5浓度及超标天数反弹明显。

图3 2019～2021年唐山市PM2.5与O3-8h浓度月度变化

O3-8h浓度超标情况则集中出现在4～9月份。同比2019年，2020年仅5月份、6月份、9月份浓度出现下降情况，下降幅度分别为9.7%、1.2%以及22.2%，9月份同比下降最多；剩余月份O3-8h浓度均较2019年高，同比增长率的范围为0.95%～21.67%，其中1月份同比增长最高，浓度较2019年升高13 μg/m3。2021年O3污染有所缓解，仅2月份、9月份以及11月份出现反弹情况，浓度分别为95 μg/m3、182 μg/m3、67 μg/m3，分别同比增长14.74%、5.49%、8.96%。对比超标天数，除8月份以外，2021年各月超标天数均较2019年明显下降，超标天数共下降38 d。

2019～2021年唐山市PM2.5及O3日浓度变化序列如图4所示。2019年PM2.5峰值浓度出现于1月12日，浓度为279 μg/m3；2020年，PM2.5最高日浓度同比下降29 μg/m3，出现在1月18日；2021年PM2.5最高日浓度为178 μg/m3，出现在2月11日。对比2019年，2021年最高日浓度下降明显，其浓度较2019年下降36.20%。

图4 PM2.5及O3浓度日变化序列

2019～2021年O3最高日浓度均出现于6月份。2019年最高日浓度为295 μg/m3，出现于6月24日；2020年O3在6月7日达到最高日浓度，其浓度同比下降5.17%，为280 μg/m3；2021年O3最高日浓度为271 μg/m3，较2019年下降8.14%，出现在6月12日。

3.3 PM2.5和O3日变化特征

根据图5，PM2.5的日变化规律呈双峰变化，2019年以及2020年PM2.5最高浓度出现在日间7时，其浓度分别为70 μg/m3、48 μg/m3；2021年PM2.5最高浓度出现在凌晨4：00～5：00，其浓度为43 μg/m3。最低浓度出现在午后14：00～16：00，2019～2021年PM2.5最低浓度分别为34 μg/m3、31 μg/m3以及28 μg/m3。对比2019年，2021年PM2.5最高浓度和最低浓度分别下降38.8%和17.0%。

图5 2019～2021年唐山市PM2.5和O3浓度小时变化

PM2.5日变化趋势的原因可能为，日出以后，随着混合层高度的升高，大气湍流垂直交换能力增强，PM2.5浓度得到一定稀释，在午后14～16时浓度达到谷值；夜间PM2.5浓度再次上升，可能受逆温层影响，PM2.5不易于扩散，导致其在夜间持续积累，浓度较高[18,19]。

O3小时浓度日变化呈单峰变化特征。2019～2021年O3最低浓度均出现在5：00～7：00，其浓度均为28 μg/m3；在15：00～16：00 O3浓度达到最高，3年间最高浓度分别为114 μg/m3、97 μg/m3、94 μg/m3。O3小时浓度变化特征与气象条件联系，日出后，随着太阳辐射强度的增加，光化学反应增强，O3逐渐生成并积累，在午后达到浓度最高值；随后随着紫外线辐射强度的减弱，光化学反应速率减小，并且NO对O3的滴定作用不断消耗O3，此时O3的生成速率小于消耗速率，夜间O3小时浓度逐渐降低，直到清晨达到最低浓度[20～22]。

3.4 PM2.5和O3的空间分布特征

2019～2021年唐山市各县区PM2.5及O3-8h年均浓度变化如图6所示，可以看出，2019～2021年唐山市各县区PM2.5及O3-8h浓度下降明显。对于PM2.5浓度，2019年，唐山市各县区PM2.5浓度均超过国家二级标准；2020年，仅唐山国际旅游岛PM2.5浓度低于二级标准，为34 μg/m3；2021年，丰南区、迁安市、唐山国际旅游岛以及海港经济开发区PM2.5浓度降低明显，同比下降率分别为22.22%、17.07%、17.65%以及37.21%。综合3年来各县区PM2.5污染状况可知，古冶区、丰润区以及滦州市污染情况相较其他县区严重，其浓度水平在县区中排名倒5。

图6 2019～2021年唐山市各县区PM2.5及O3-8h年均浓度

根据图6可知，2019年唐山国际旅游岛、玉田县、迁西县、遵化市以及路南区O3-8h浓度表现较高水平，浓度排名倒5，其中唐山国际旅游岛、玉田县、迁西县以及遵化市4个县区O3-8h浓度均超过200 μg/m3。与2019年相比，2020年唐山国际旅游岛O3-8h浓度下降明显，2020年浓度排名倒5的县区分别为迁西县、路南区、遵化市、玉田县以及开平区，最高浓度较2019年下降23 μg/m3。2021年O3-8h年均浓度超过二级标准的县区主要有玉田县、丰润区、路北区以及古冶区，其浓度水平分别较2019年下降17.73%、8.43%、11.96%以及14.81%。综合2019～2021年空间分布，玉田县、迁西县、遵化市以及路南区O3-8h污染水平相对较高(表1)。

选取特征月份1月份、4月份、7月份以及10月份分别代表冬季、春季、夏季以及秋季，对2021年唐山市PM2.5以及O3-8h的空间分布进行分析。根据表1，2021年1月份、4月份以及10月份唐山市各县区PM2.5浓度普遍超过国家二级标准，而7月份则未出现PM2.5浓度超标现象。1月份，PM2.5浓度高值出现在丰润区、芦台经济开发区以及路北区，其浓度分别超出市均值(56 μg/m3)5 μg/m3、2 μg/m3、1 μg/m3；4月份，PM2.5高值浓度出现在路北区、古冶区以及芦台经济开发区，其浓度分别为43 μg/m3、43 μg/m3、42 μg/m3。10月份，PM2.5高值浓度主要出现在芦台经济开发区、路北区、路南区、丰润区、高新区以及古冶区，PM2.5高值浓度主要集中在唐山市中心城区(表2)。

表1 2021年唐山市各县区PM2.5浓度季节分布 μg/m3

表2 2021年唐山市各县区O3-8h浓度季节分布 μg/m3

2021年1月份、4月份以及10月份，唐山市各县区O3-8h浓度均低于国家二级标准，7月份O3污染超标严重，其浓度均超过二级标准。根据表2，4月份唐山市各县区O3-8h浓度处于120～160 μg/m3之间，其中迁西县浓度相较其他县区高；7月份，古冶区、开平区、迁安市以及路北区等县区O3-8h浓度显著，分别为205 μg/m3、199μg/m3、199μg/m3以及197 μg/m3。10月份，O3高值浓度则出现在唐山市东南部，唐山市国际旅游岛、曹妃甸区、滦南县、乐亭县以及海港经济开发区等地O3浓度分别为126 μg/m3、110 μg/m3、110 μg/m3、106 μg/m3以及105 μg/m3。

4 结论

(1)2019～2021年，唐山市PM2.5及O3年均浓度及超标天数总体上呈下降趋势，但其浓度仍超过国家二级标准，2021年唐山市PM2.5以及O3-8h浓度分别43 μg/m3以及161 μg/m3；且2021年以O3为首要污染物的天数较2020年有所反弹，PM2.5及O3的污染状况仍需得到关注。

(2)唐山市PM2.5及O3浓度变化呈现明显的季节变化规律：PM2.5的季节变化特征为冬季浓度高，夏季浓度低；O3的季节变化规律表现为夏季>春季>秋季>冬季。

(3)2019～2021年，唐山市PM2.5峰值浓度均出现在冬季1～2月份，O3峰值浓度均出现在6月；PM2.5小时浓度在4：00～7：00达到最高值；O3小时浓度日变化呈单峰型分布，峰值浓度出现在15：00～16：00。

(4)综合2019～2021年污染物空间分布特征，PM2.5浓度高值主要出现在古冶区、丰润区以及滦州市；O3-8h超标浓度主要出现在玉田县、迁西县、遵化市以及路南区。