呼和浩特市大气污染特征及气象条件影响分析

2024-02-28张嘉月康娜于学普卢士庆程昊祝颖戚跃张佳欣

科学技术与工程 2024年3期

张嘉月, 康娜*, 于学普, 卢士庆, 程昊, 祝颖, 戚跃, 张佳欣

(1.南京信息工程大学,中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室,南京 210044; 2.内蒙古自治区环境监测总站赤峰分站, 赤峰 024000;3.内蒙古自治区生态与农业气象中心, 呼和浩特 010051;4.北京工业大学耿丹学院, 北京 101301)

近年来,中国经济迅速发展,工业化步伐不断加进,以煤炭、汽油为主的化石能源消耗量不断增加,工业排放的废气也在不断增加,中国大气污染形式严峻[1]。其中颗粒物污染是关注重点,颗粒物分为细颗粒物、粗颗粒物,空气动力等效粒径在2.5 μm以下的悬浮颗粒物称为细颗粒物[2],细颗粒物不不易扩散,大气滞留时间长,所以对大气环境、能见度[3-4]、人体健康[5-6]和气候变化均有重要的影响。而空气动力等效粒径在10 μm以的悬浮颗粒物统称为粗颗粒物[2],常见于沙尘天气下的大气污染。

目前,中国污染物浓度及气象要素[7]对大气污染的影响研究主要集中在长三角,珠三角和京津冀等地区,对呼和浩特的研究较少。文献[8]对中国大气污染污染季节差异和区域差异进行了探讨,主要分析了长三角、京津冀、珠三角三个区域的大气污染。而中原城市群重点城市首要污染物主要为PM2.5、PM10和O3,有明显的峰值变化[9]。文献[10]利用WRF-Chem模式,对呼和浩特地区大气污染过程进行了数值模拟,并对其天气影响因素及污染物时空特性进行了分析。

呼和浩特市是内蒙古地区省会城市,具有蒙古高原典型的大陆性气候特征,其年温差较大,日温差也较大,具有显著的季节性变化。研究表明:58年来,内蒙古西部地区春季旱灾发生率高达78%,5年中有4年春旱,且大部分为中到重旱[11]。2012—2020年内蒙古地区气象灾害发生频次呈上升趋势,气象灾害各月均有发生,除冬季,均有干旱、大风灾害发生;春秋季易发生霜冻、低温、冷害灾害;春季主要是沙尘暴灾害;夏季主要是暴雨、洪涝、冰雹、雷电灾害;冬季主要是暴风雪灾害[12]。通过HYSPLIT模式的轨迹分析,呼和浩特市的天气系统主要由西北气团向南移动,其中PM10是主要污染物[13]。呼和浩特市污染物空间分布呈北边比南边高、西边比东边高的特点[11]。

现利用中国空气质量在线监测分析平台,对呼和浩特市2017—2022年大气污染状况进行了全面、系统、综合的研究与分析。重点关注呼和浩特空气质量状况、大气污染物的浓度变化。结合气象要素(相对湿度、气温、气压、风速)分析气象要素对空气质量的影响。利用后向轨迹聚类对2020年3月(沙尘易发生月份)进行分析。以期为呼和浩特的大气环境评估及治理等提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文污染物数据取自中国空气质量在线监测分析平台(https://www.aqistduy.cn/);后向轨迹模型所用的气象数据来自美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的全球资料同化系统 (global data assimilation system,GDAS)气象数据,空间分辨率为1°×1°。GDAS数据从公开网站(ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1)下载得到。对污染超标日及污染等级的判识参照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ 633—2012)》[14],《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[15]。环境空气质量按照AQI等级划分:优为0～50、良为51～100、轻度污染为101～150、中度污染为151～200、重度污染为201～300和严重污染大于300,空气污染越严重,AQI等级越高,对人体健康危害越大。相对湿度、温度、气压、风速等常规气象要素资料来自国家气象信息中心。季节划分标准如下:春季(3—5月),夏季(6—8月),秋季(9—11月),冬季(12月—次年2月)。

1.2 研究方法

1.2.1 CORREL相关性分析

运用CORREL统计函数模型,对呼和浩特市各污染物的相关性进行研究。具体函数模型公式为

(1)

表1 相关系数标准及特征标准Table 1 Correlation coefficient standard and characteristic standard

1.2.2 后向轨迹及聚类分析

将呼和浩特地区(40.84°N,111.74°E)设为起始点,基于Meteoinfo及美国国家环境预报中心(NCEP)的全球资料同化系统(GDAS)气象数据,计算了2020年3月逐小时的后向轨迹,模拟高度设置为1 000 m,后向轨迹时间为72 h,进行聚类分析。

2 结果与讨论

2.1 大气污染整体特征

呼和浩特市2017—2022年空气质量指数(air quality index,AQI)等级分布比例表明(图1),呼和浩特市空气质量分别为21.8%、60.9%、12.8%、2.5%(优-中度污染),其中重度污染和严重污染占2.3%。通过逐年空气质量各等级出现频率发现:呼和浩特空气质量为优和良的天数总体呈上增的趋势。2018年空气质量最好,空气质量达到良的天数达327,占全年的89.5%,其次是2022年,空气质量达到良的天数达325,占全年的89%,空气质量的明显改善,得益于国家大力支持发展绿色可持续发展经济政策[6]。

图1 2017—2022呼和浩特空气质量等级比例Fig.1 2017—2022 Hohhot air quality grade ratio

2.2 污染物浓度变化特征

从年份来看,PM2.5的浓度从42.9 μg/m3(2017年)降低到23.4 μg/m3(2022年),降幅为44.4%。PM10的浓度从93.9 μg/m3(2017年)降低到51.3 μg/m3(2022年),降幅为46.3%。因此颗粒物降幅明显,但2017年粗颗粒物PM10浓度依然超过国家年平均二级标准限值。其中SO2的降幅最大,从28.9 μg/m3(2017年)降低到10.5 μg/m3(2022年),降幅为63.7%。值得注意的是,O3的浓度幅度变化较小,其中2017年均O3浓度最大达到了100.7 μg/m3,该年6月有15 d O3浓度超过国家O3日最大8 h(O3-8 h)平均二级标准限值,7月有17 d O3浓度超过国家O3日最大8 h平均二级标准限值。2017年呼和浩特市夏季O3污染是2017—2022年最为严重的一次。呼和浩特市的O3污染应引起广泛重视。

从月份来看,11月—次年2月的空气质量较差,污染天数(轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染)达到50 d,即冬季大气污染较为严重。而7—9月的空气质量较好,即夏季空气质量普遍较好。呼和浩特市的空气质量与月份有关。图2为呼和浩特2017—2022年主要大气污染物的月变化。其中PM2.5、PM10、SO2、CO及NO2的月均浓度变化趋势大致相似,整体都呈“U”形,两边高中间低的趋势,最高值出现在12月或1月,最低值出现在5—8月份。其中3月PM10浓度有所反弹,呼和浩特市地处我国中纬度地区,沙尘天气较为严重。研究表明城市大气环境质量会受到沙尘天气影响[16-17],在呼和浩特[18]、上海[19]、西安[20]等地的研究均表明:沙尘天气的主要污染物为粗颗粒物(PM10)。而3月为呼和浩特市沙尘天气的高发期,且3月由冬入春,冷暖空气活动频繁,月均相对湿度处于全年最低值,扬沙和灰尘难以在大气中扩散,导致PM10颗粒物浓度短期上升。而秋冬季节大气环流稳定增加,加上呼和浩特本地燃煤供暖,污染物排放增加造成冬季空气污染严重。相比之下夏季到秋季初期气温为全年最高,而中国雨季自南向北逐渐缩短,南方雨季持续时间长,可达半年之久,北方雨季短到只有7、8两个月,呼和浩特市位于中国北方,7、8月为雨季,降雨量较大,空气中相对湿度不断增大,月均值达全年最高,夏季相对湿度大,空气中的水汽易凝结成核发生湿沉降,促进污染物稀释,空气质量达全年最好[21],因此夏季相对湿度与污染物浓度呈负相关。

图2 呼和浩特2017—2022主要污染物的月均浓度变化Fig.2 Monthly average concentration changes of major pollutants in Hohhot from 2017 to 2022

O3的变化趋势与其他污染物相反,呈倒“U”形,最低值出现在12或1月,最高值出现在7—8月之间。O3是一种光化学污染物,它是通过在太阳下与氮氧化物、挥发性有机物等光化学反应产生的。因此暖季的强日照、高温、少云、少雨等气候环境会加速光化学反应,促进O3生成[22]。呼和浩特市7、8月夏季温度高,光照强度大,光化学反应加剧,有利于O3的生成[23]。

据统计,呼和浩特市2017—2022年PM2.5的年均浓度分别超过《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)年均二级标准限值(35 μg/m3)的天数分别为169、104、135、152、93、71。占据全年天数的比例分别为46.3%、28.5%、37%、41.5%、25.5%及19.5%。PM10是呼和浩特仅次于PM2.5的主要大气污染物,2014—2019年均浓度分别超过《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)年均二级标准限值(70 μg/m3)的天数分别为226、144、152、140、100、88。占据全年天数的比例分别为61.9%、39.4%、41.6%、38.3%、27.4%及24.1%。除夏季外,PM2.5和PM10的平均质量浓度都处于较高的污染水平,其中冬季PM2.5的平均质量浓度分别是夏季的2.6、2.4、3、4.9、1.5和2.5倍。冬季PM10的平均质量浓度分别是夏季的1.4、2、2.4、2.6、2和1.8倍。由此可以看出,呼和浩特PM2.5季节性变化远超过PM10。造成季节差异的主要原因可能是冬季呼和浩特市气温低,供暖需求量大,煤炭燃烧显著增加,导致空气中细颗粒物浓度急剧增加。除了气温,风速也占据了很大一部分原因。冬季风速低,容易出现“逆温现象”,污染物在空中难以扩散,新的污染物还在不断增加,最终导致颗粒物沉积[24]。

而PM2.5和PM10的比值也可以反映空气污染程度。PM2.5主要由气溶胶生成反应,而PM10主要来人为活动,即一次排放污染[19]。其中1—3月PM10和PM2.5变化趋势相反,这可能是在冬季到春季的过渡期,随着气温上升,呼和浩特市供暖需求减少,但仍有煤炭燃烧产生的颗粒物停留在空气中。细颗粒物可溶性高,具有吸湿性,在大气环境中可以停留最长可达几十天,而粗颗粒物在大气环境中停留时间较短。随着气温上升,空气对流活动增大,粗颗粒物更容易随着空气对流活动扩散,因此PM10浓度有短暂的下降趋势,细颗粒物扩散相较于粗颗粒物较慢,且PM2.5占PM10的70%左右,这也导致图3中PM2.5/PM10的值在1～2月有短暂的上升。之后春季内蒙古地区大风、沙尘天气频繁导致空气中PM10浓度逐渐升高。

图3 呼和浩特市2017—2022年PM2.5/PM10的年/月均值Fig.3 Annual/monthly average of PM2.5/PM10 in Hohhot from 2017to 2022

一般PM2.5/PM10>0.5时,细粒子污染较重,PM2.5/PM100.4时,细粒子污染较轻[25]。由图3可以看出呼和浩特市2014—2019年六年总均值中,PM2.5/PM10从2月开始显著下降到3、4月,然后小幅度上升,最后显著上升到7月,又开始下降。这一变化曲线与呼和浩特市2017—2022年PM2.5/PM10每年的均值相似。从呼和浩特市2017—2022年PM2.5/PM10每年的均值来看,呼和浩特市12、1、2月PM2.5/PM10较大,前文已做了解释。而呼和浩特市有严重的沙尘污染,3—5月是呼和浩特市沙尘天气的高发期,沙尘天气是呼和浩特地区常见的一种自然灾害性天气,可能导致空气中粗颗粒物即PM10显著增加。这一结果与图2污染物PM10的浓度变化曲线吻合(3—5月份PM10污染物浓度有小幅度上升),随着PM10浓度的增加导致PM2.5/PM10下降。

根据年份来看,PM2.5/PM10的值在不断增大。这一变化特征与其他市研究相反,2015—2018年吉林省主要城市PM2.5/PM10数据处理[26],结果显示吉林省PM2.5/PM10年均值显著下降,吉林省空气质量明显好转,PM2.5污染物治理效果显著。对庆阳市PM2.5/PM10进行分析,结果显示,重污染天气主要是细颗粒物,而沙尘的早期,主要是粗颗粒物[27]。从图4可以看出从2017年开始呼和浩特市PM2.5浓度控制良好,逐年呈下降趋势,从季节来看,污染物PM2.5浓度也在不断的下降,冬季PM2.5下降趋势最为明显,呼和浩特市细颗粒物污染得到了有效的控制。而PM10等大颗粒物的污染防治仍需要进一步加强(图4),根据季节分布来看呼和浩特市春季PM10污染较为严重,其中2022年PM10浓度达到了六年最低值,在2020年PM10的浓度又开始增加,增加季节主要为春季和冬季。这一变化趋势与图3的PM2.5/PM10吻合,即2020年春、冬季PM2.5/PM10的值较高。

图4 呼和浩特市2017—2022年颗粒物四季浓度变化Fig.4 Changes in four-season concentrations of particulate matter in Hohhot City, 2017—2022

研究期间呼和浩特市主要大气污染物季节差异如表2所示。PM2.5、PM10、NO2、SO2及CO污染物浓度冬高夏低,而O3表现相反,春夏高而秋冬季低,最高值出现在夏季,夏季最大8 h均值平均超标率达到了18.18%,其中2017年夏季O3的日均值高达(150.7±85.3) μg/m3。此外O3冬季未超标,其次就是秋季,超标率为0.76%。按照国家空气质量二级标准,PM2.5、PM10为呼和浩特市的主要超标污染物,除夏季PM2.5和PM10平均浓度未超过国家空气质量二级标准,其余3个季节的平均浓度都远超过国家空气质量二级标准,PM2.5和PM10污染治理还需要进一步加强,其中PM2.5和PM10的平均浓度变化呈一致性。呼和浩特市的SO2治理成效显著,四季均达到国家二级质量标准。NO2的秋冬季平均浓度超过了国家二级质量标准,夏季的NO2浓度较低,平均浓度为31.9 μg/m3。

表2 2017—2022年呼和浩特四季空气质量达标状况Table 2 Four season air quality compliance in Hohhot from 2017to 2022

2.3 污染物间的相关性及特征比值分析

大气污染是一个既有直接污染源又有间接污染源的复杂过程。根据国家标准监测对新修订的污染物质进行监测,对其相关性进行分析、探讨,以便制定更为科学的控制措施。利用CORREL统计函数模型对呼和浩特市2017—2022年大气污染物PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO和O3进行季节性相关性分析(表3)。从表3可以看出,PM2.5和PM10的春季和夏季浓度相关系数分别为0.62和0.72,均近似于0.7,呈显著相关。而秋季和冬季PM2.5和PM10的浓度相关系数为0.88和0.87,均远超0.8,因此呈高度相关。表明呼和浩特市环境空气中的PM2.5和PM10浓度有高度的相关性,两者在大气中同源,迁移和转化具有相似的规律。结合PM2.5、PM10在不同季节的分布和比例,表明:冬季PM2.5、PM10含量明显上升,其中PM2.5所占的比例升高,除人为活动冬季采暖,也与当地气象条件有关,中温带大陆性季风气候导致冬季受来自蒙古,西伯利亚高压的西北风控制,寒冷干燥,空气对流活动弱,污染物难以扩散。

表3 2017—2022年呼和浩特市基于日均值各污染物相关性分析Table 3 Correlation analysis of pollutants based on daily average value in Hohhot from 2017 to 2022

值得注意的是NO2和SO2呈现较好的负相关性,而NO2和SO2与PM2.5、PM10均呈现正相关性。其中人为排放的SO2不仅与PM2.5和PM10的来源相似(即煤炭、石油等化石燃料的燃烧),且它是PM2.5和PM10的重要前体物。工业废气中的SO2和NO2经空气氧化为硫酸盐、硝酸盐,再经气固相进入颗粒物,导致颗粒物浓度增加[28]。总体来看NO2与PM2.5的正相关性要高于NO2与PM10的正相关性,冬季NO2与PM2.5的正相关性最高为0.47。SO2与PM2.5的正相关性要高于SO2与PM10的正相关性,春季SO2与PM2.5的正相关性最高为0.36。而CO是一种未充分燃烧的产物,使用化石燃料的锅炉、未经充分燃烧的汽车尾气排放均可增加大气中CO的浓度。因此PM2.5、PM10与CO、NO2、SO2均成显著正相关,表明它们来源相似。

除夏季外O3与PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO均呈现负相关。研究南京地区O3与PM2.5质量浓度的关系时发现[28],若O3的质量浓度超标的情况下,则O3和PM2.5的质量浓度相关系数较高。在本研究中呼和浩特市冬季O3的质量浓度远小于夏季O3的质量浓度,而呼和浩特市冬季O3和PM2.5的负相关性也远高于夏季的负相关性。夏季O3问题严重,而O3的生成存在多种相互作用途径,其生成要远复杂于颗粒物的生。在特定条件下,随着颗粒物尤其是PM2.5浓度的增加导致气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)增加,抑制O3光化学生成,导致O3浓度下降。另外,随着颗粒物浓度快速增加,其表面积也随之增加,颗粒物表面的非均相化学过程也会影响O3浓度[28]。

2.4 气象条件及沙尘影响

气象条件也会影响大气污染,气象条件在大气污染物的生成、累积、扩散、稀释等过程中都起到了重要作用[29]。根据文献[29]筛选出风速、相对湿度、气压、气温和日照时数五项对大气污染影响较大的气象要素。选择风速、相对湿度、气压和气温四种气象要素。平均温度、平均气压分别为倒“U”形、“U”形分布(图5),最高平均温度和最低平均气压均出现在7—8月,此外7—8月也是呼和浩特市雨季,降雨量为全年最高,同时相对湿度也达到最大值。研究结果显示气温越高,污染物浓度越低,空气质量越好[29],其原因是高温条件下空气活动增加,空气净化能力增强。呼和浩特市夏季高压,天气晴朗少云,微风,且降雨量充沛。降雨量增多可以改善空气质量,降水可稀释和带走更多的污染物。因此夏季空气质量较好。而冬季气压高,风速相对较低,且降雨量低,外加供暖导致颗粒物排放量增多,空气中污染物不断累积,难以扩散,导致冬季污染严重。图5可以看出2月份起,呼和浩特进入春季,天气变暖,气温回升。伴随前期干旱少雨及风速的骤增,导致3—5月份为沙尘天气的高发期。研究结果表明,沙尘主要由颗粒物引起,在沙尘前期,主要是粗颗粒物,随时间推移,PM2.5与PM10的比例呈递增趋势,粗颗粒物沉降,细颗粒物比重增加[25]。与图3中PM2.5与PM10浓度之比结果一致。

图5 2017—2022呼和浩特气象要素月均值Fig.5 Monthly mean value of meteorological elements in Hohhot from 2017 to 2022

从具体数据来看,气温和气压保持相对稳定状态。相对湿度有较小幅度的下降。PM2.5和PM10的浓度与气压呈现正相关,往往高压环境下的PM2.5和PM10浓度达到最大值。PM2.5和PM10的浓度与风速、温度呈现负相关。呼和浩特市冬季气压高,温度低,风速低,污染物在空气中难以扩散,导致污染物堆积,冬季污染严重。此外冬季“逆温现象”的作用下,污染物的传播受到极大的抑制, “逆温现象”是一种异常现象,即地表温度随海拔的升高而上升[8]。“逆温现象”阻碍了上下层空气对流,下层大气停留的污染物难以扩散,不断累积,造成严重的空气污染。同时,北半球冬季日短夜长,地面温度下降快,早晨温度低,水汽容易达到饱和状态,形成小水珠,随着小水珠的累积,空气中的颗粒物与水分子结合,冬季出现了比较严重的雾霾天气[30]。夏季相对湿度与污染物浓度存在显著的负相关关系,夏季相对湿度高,空气中的水汽易凝结为核,导致湿沉降,促进了大气污染物的去除[25]。

为进一步研究沙尘对呼和浩特空气质量的影响,以呼和浩特为受体点,选取2020年3月,距地面1 000 m高度的逐小时后向轨迹,考虑到轨迹数较多,采用总空间相异度(total spatial variance,TSV)方法确定聚类的数目[31],图6给出了2020年3月呼和浩特72 h后向轨迹,可以看出主要传输路径有4种,以图例颜色为序号分别为聚类N1～N4。其中N3占比最小达19.45%,来自西南偏西方向的气团,途经宁夏自治区和山西西部等地区,气流相较于其他3条起伏较低(图7),高度维持在720～820 hPa之间。聚类N1、N2、N4的运动轨迹相似,占比分别为27.38%、22.19%、30.98%,均来自东北方向的气团,途经蒙古西部地区,其中聚类N2轨迹最长,途经俄罗斯南部和哈萨克斯坦北部地区,涉及地区最广,气流轨迹在一时间段有大幅度的调整,主要在高空,高度维持在640～760 hPa之间。聚类N4的占比最大,除蒙古西部,还途径阿勒泰地区,气流轨迹较其他较稳定,高度维持在700～780 hPa之间。从聚类轨迹的空间分布看,呼和浩特3月受沙尘影响的来源主要是蒙古西部地区,少部分受中国大陆地区的影响。