向 钢， 周筠珺，2， 冯桂力， 黄 蕾， 谷 娟， 张晓露

(1.成都信息工程大学大气科学学院，四川成都610225;2.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京210044;3.山东省气象局，山东济南250031)

0 引言

随着经济的快速发展，城市化速度的加快，城市人口的急剧膨胀，大气污染已经由局地性问题转变为地区性问题［1］。能源结构的调整，机动车排放的增多，使中国污染物的性质逐渐向复合型大气污染转变［2］。SO2、NOx、O3、PM10是影响中国城市空气的主要污染物［3］。颗粒物中的硫酸盐和硝酸盐对能见度的降低起到重要的消光贡献，粒子污染导致的持续性雾霾天气和重污染过程逐渐增多［4］。局地气溶胶分布经大尺度气流的动力效应，形成局地污染物的远距离输送或扩散［5］。

寻求解决大气污染问题的成因与治理已成为当今研究的热点。在对中国大气环境污染问题研究中，很多针对北京地区雾霾的研究发现边界层内存在逆温［6］，风速和风向对污染物的扩散有至关重要的作用［7-8］。田伟等［9］发现混合层高度过低，限制了大气的水平和垂直扩散，是造成北京近地面污染物堆积形成重度污染的重要因素。以前的研究主要集中于长三角、珠三角、京津冀等发达地区，而对成都等西南地区城市的研究较少。黄巍等［10］通过对成都的PM2.5研究发现，成都地区PM2.5与风速呈现显著负相关，而与其他气象要素相关性较弱，降水对 PM2.5质量浓度影响很大。张智胜等［11］发现成都地区碳气溶胶受到燃烧源的重要影响。目前的研究主要集中于成都市中心城区，对郊区的研究很少，有关成都地区郊区和城区污染物浓度变化情况的对比不多，利用三道堰区域背景站及城区人民公园测站作为郊区和城区的代表性站点，讨论不同季节SO2、NOx、PM10变化特征的差异，污染物的日变化，并分析造成差异的原因，希望为今后研究成都地区污染物分布的城郊差异及污染物的传输及转化提供依据。

1 材料与方法

选取成都市环境监测站的三道堰和人民公园2个监测站点作为对比站点。三道堰站(成都市中心城区8个国控空气子站之一，成都市城区的背景站)位于郫县北部，成都市的西北部，距成都市22公里。由于其作为背景观测站的特殊作用，在近距离内没有排污的工矿企业，所处位置地形开阔，受局地环流影响小。人民公园位于成都市三环内中心繁华地带。其中三道堰为郊区站，而人民公园为城区站。数据的时间长度为2010年1月1日～2014年7月14日，中间缺少2010年9、10月，2011年11、12月4个月的数据。监测数据包括 SO2、NOx、NO、NO2、PM10的逐时浓度资料。将观测期间因仪器标定、故障、断电等原因造成的空白及误差数据剔除。

2 结果与讨论

2．1 污染物浓度月平均变化

图1 为城郊 2 站 SO2、NOX、NO、NO2、PM10月平均浓度的变化，从图1可以看出，2站各污染物浓度月变化呈典型单谷型变化特征。2站SO2的月平均浓度变化一致，SO2在夏季(6～8月)浓度很低，城区和郊区都在23 μg.m-3(体积分数，下同)以下，城郊2站差异小，浓度相差不超过2 μg.m-3。SO2的最低浓度出现在6月，这主要是由于夏季SO2的排放源小、降水对其的清除作用明显所致。秋、冬季城郊SO2的浓度迅速上升，城区浓度较郊区升高明显，最高浓度均出现在冬季12月，平均浓度为42 μg.m-3，郊区站和城区站的8月出现SO2浓度小峰值，这是由于受到了成都地 区农业生产活的影响所致。

图 1 SO2、NOx、NO、、PM10的逐月平均浓度对比

月平均NOx浓度的变化趋势与SO2的相似。城区站和郊区站夏季的浓度都比较低，7月达到最低值，城区站和郊区站的最低值分别为 51μg.m-3、51 μg.m-3。冬季浓度最高，12月达到最高值，城区站和郊区站的最高值分别为 119 μg.m-3、50 μg.m-3。NOx主要来源于机动车和燃烧排放［12］，冬季大气的氧化性弱，发生的光化学反应也最弱，光化学反应消耗的NOx也少。此外，冬季稳定的大气层结和高静风率，不利于污染物的扩散而使其在底层堆积。城区站的NOx浓度值全年都比郊区站的高，平均而言城区站的NOx浓度约为郊区站的2倍。郊区站NO浓度的年变化小，由此可见郊区站周边没有相关的排放源。城、郊NO2的时间变化特征与NOx相似。在城区站NOx、NO和NO2的月变化曲线上的3月和8月出现2个明显的峰值。从SO2和NOx污染特征变化的差异可以推断，SO2的主要来源为煤烟排放，而NOx的主要来源为机动车尾气和煤烟混合排放。

城、郊2站PM10的变化趋势一致，但由于背景站受建筑扬尘和汽车尾气的气粒转化影响远小于城区站，因此郊区站月较差幅度也远小于城区站。城郊2站夏季PM10浓度都较低，最低浓度分别为7月的73 μg.m-3和6月的47 μg.m-3。成都地区的降水主要集中在6～9月，占全年降水的73%左右［13］，降水对污染物的清除作用明显。城区站的PM10在秋冬季浓度迅速上升，并在冬季1月达到最大值178 μg.m-3。成都秋冬季空气湿度大，有利于气粒转化。张智胜等［11］的研究也表明在成都地区，与土壤尘及扬尘、生物质燃烧、机动车尾气相比，二次硝酸盐/硫酸盐对秋、冬季PM2.5的贡献最大。郊区站附近车流量少，受到人为因素影响小，冬季浓度上升缓慢，最大值为11月的95 μg.m-3。城、郊2站的PM10在3月份都出现了一个峰值，且背景站的最大值即为3月PM10峰值。这是由于2013年3月成都遭受近10年来影响最大和持续时间最长的强沙尘天气影响［14］，对3月PM10的平均浓度贡献较大。2013年城区站和背景站3月份PM10的浓度是其他年份的同期的两倍多。

2．2 污染物浓度不同季节日变化

图2 不同季节SO2日变化的城郊对比

按照气象学的划分方法，将3～5月划分为春季、6～8月为夏季、9～11月为秋季、12 ～翌年1、2月为冬季。图2为城郊2站四季SO2的日变化，从图中可以看出，总体上城郊2站峰值的大小随着季节变化而出现波动:秋冬季的峰值大于春夏季。2站不同季节的SO2浓度日变化趋势也一样。冬季城郊2站均为单峰型日变化。早晨7:00之前2站SO2浓度变化缓慢，8:00以后随着人类活动增强，SO2浓度迅速上升冬季成都大气层结稳定，SO2不断聚集，在12:00左右达到最大值。秋季SO2的日变化曲线与冬季相似，城郊2站的最高值均出现在上午10:00左右，比冬季最高值的出现提前2个小时。这是由于秋季接收的太阳辐射比冬季多，10:00以后大气湍流运动旺盛，水平和垂直扩散能力强，有利于SO2浓度的稀释。春季城郊2站SO2浓度日变化差异较大。郊区站在凌晨浓度较高，上午浓度上升缓慢，12:00达到最高值，浓度日较差小。城区站早晨7:00以后浓度迅速上升，10:00达到最高值，浓度日较差大，这是由于春季午后强对流活动造成的。夏季城区站的峰值滞后郊区站1小时。

图3 不同季节NOx日变化的城郊对比

城郊2站秋、冬季NOx(图3)日变化的差异明显。城区站峰值出现在冬季 10:00左右，浓度为134 μg.m-3。而郊区站在10:00和21:00左右各出现一个峰值，最高浓度出现在冬季21:00，最高值为51 μg.m-3。城区站为明显的单峰型变化，郊区站NOx呈双峰型变化，秋冬季浓度相差无几。城区站峰值前后出现谷值，是由于NOx在向亚硝酸(HONO)转化的缘故［15］，最低值出现在 17:00左右，浓度为67 μg.m-3。城区站NOx从早晨7:00开始迅速上升，上班高峰期9:00后出现NOx峰值，说明早高峰是由上班高峰期机动车尾气的排放造成。17:00～23:00为NOx浓度持续上升区，NOx在夜间一直保持较高浓度。这是由于下班高峰期车流量大、汽车排放的尾气也比较多，在太阳下山后，地面迅速冷却，形成较低的稳定逆温层。逆温层的存在不利于地面污染物的扩散。逆温层一直持续到第二天日出才消失，这是造成夜间城区NOx高浓度的原因。郊区站地区秋冬季夜间取暖，稳定的大气层结共同造成夜间浓度峰值。城郊2站NO(图4)的变化规律与NOx相同。

图4 不同季节N O日变化的城郊对比

图5 不同季节NO2日变化的城郊对比

城郊2站的NO2(图5)都呈双峰双谷型日变化。但四季城区站的最高浓度都出现在中午12:00左右，而郊区站为21:00，NO2峰值比NO滞后1小时左右。城区站的最高浓度是由汽车尾气和矿石燃料燃烧所致。郊区站附近森林覆盖率高，土壤-植物系统夜间排放的NO很快被氧化成NO2，造成峰值出现在夜间。冬季郊区夜间取暖使NO2峰值更明显。早晨随着太阳辐射的增强，NO与O3的光化学反应也增强。NO的浓度最低值出现在17:00，随着太阳辐射的减弱，光化学反应也相应减弱。夜间NO2停止光解反应，同时NO和O3发生氧化反应，产生NO2，也是造成夜间NO2高浓度的原因之一。

图6 不同季节PM10日变化的城郊对比

PM10作为大气主要污染物之一，对人的身体健康有很大危害。图6为城郊2站四季PM10的日变化，从图6可以看出，城区站PM10与SO2的日变化相似，呈单峰型日变化。浓度从大到小依次为:冬季、春季、秋季、夏季。冬季PM10的浓度平均为夏季的两倍。四季节日变化的最高值都出现上午9:00，最低值出现在17:00。而郊区站秋冬季为双峰型日变化，春季和夏季为单峰型日变化，冬、春、秋三季浓度相差不大，不超过15 μg.m-3，最低浓度均出现在凌晨6:00，最高浓度出现在夜间21:00左右。上班高峰时期机动车尾气的气粒转化、建筑扬尘共同造成了城区站上午的峰值。虽然午后太阳辐射减弱，但地面及地面附近的空气继续升温，局地温差增大，此时大气层结不稳定，对流发展旺盛有利于污染物扩散。郊区站PM10的夜间高浓度可能由做饭、取暖造成。

图7 SO2、NOx、PM10浓度逐日变化(虚线表示该污染物在国家新环境空气质量二级标准中浓度限值)

图7为城郊2站SO2、NOx、PM10浓度的逐日变化，从图7可以看出，观测期间郊区站SO2的24 h平均浓度有35次超过国家新二级标准，主要都出现在2012年以前，最高浓度为浓度为0.217 mg.m-3，略高于国家新二级标准24 h平均浓度限值的0.1 mg·m-3;而城区站只有一次浓度超标，出现在2012年11月12日，浓度为0.125 mg.m-3。2012年10月之前郊区站的SO2浓度大多高于城区站，2012年之后郊区站浓度普遍低于城区站。城郊2站日平均浓度的线性拟合曲线可以看出2站不同的变化趋势，城区站下降趋势不明显，而郊区站则有明显的下降趋势。这是由于成都市十二五期间调整产业结构，淘汰严重污染环境的项目，关闭了华能电厂、嘉陵电厂和44家水泥厂，实施清洁能源的改造，削减SO2的排放量，降低空气中SO2的浓度。郊区站自然环境状况良好，SO2排放量小，受城区SO2减排影响大，环境净化能力强，因此下降明显。城区站NOx日平均浓度有665 d超过国家新二级标准，超标率为40%，最高浓度达到372 μg·m-3，超标时段主要出现在每年秋、冬季。郊区站在现有的数据中，超标时段出现在2011年5月以前，最高浓度为136 μg·m-3。城郊两站的日平均NOx浓度均呈下降的趋势，郊区站下降更明显。城郊两站PM10的超标率都比较高，2012年以后城区日平均PM10浓度几乎都高于郊区。2013年3月1～5日城郊两站PM10浓度出现一个峰值，城区站最大值达到866 μg·m-3，郊区站达到0．55 μg·m-3，这次重污染过程是北方沙城暴引起。郊区站的最大值出现在2011年7月15日，且整个7月PM10的浓度都严重查表，这期间正值农忙季节，可以断定是由农业生产活动引起。从线性拟合曲线可以看出，郊区站无明显变化，而城区站则成上升趋势。许多研究表明细粒子PM2.5已经成为PM10的主要成分［16］，可以通过调控 PM2.5来降低粗粒子 PM10的浓度。因此，对于减轻成都市颗粒物污染的问题需要做到粗、细粒子双管齐下，预防和治理相结合，制定有效的调控措施。

表1 四季气体污染物日平均浓度与颗粒物的相关性对比

为清楚地了解冬、春、夏秋四季PM10粒子与SO2、NOx污染气体的相关性，通过统计分析四季气体污染物SO2、NOx与固态污染物PM10的相关关系(表1，总样本数为1564)，发现城郊两站随季节不同气、固态污染物的相关程度也不同。总体而言，城区站的SO2和NOx与 PM10的相关性都比郊区站的显著。城区站2010年1月1日～2014年7月14日 SO2、NOx日平均浓度与 PM10的相关系数分别达到0.564881、0.519819，相关性显著。而郊区站 SO2、NOx月 PM10的相关性系数却只分别达到0.321182、0.261276。秋冬季SO2和NOx与PM10的相关性高于其他季节，进一步说明了城市污染过程中PM10浓度与NOx、SO2浓度相关显著，气粒转化是城市PM10的重要来源。同一站点不同污染气体与PM10的相关性也不同，城郊两站SO2与PM10的相关性比NOx与PM10的显著。

3 结束语

(1)成都市污染物浓度季节差异大，NO、NO2、NOx、SO2、PM10在夏季达到最小值。冬季 NO、NO2、NOx和SO2浓度达最高。城郊SO2月平均浓度差异不大，而城区NOx的月平均浓度要远高于郊区。

(2)郊区站秋冬季NO、NOx的日变化呈双峰双谷型，且最高浓度出现在夜间21:00左右，最低浓度出现在凌晨17:00左右，是由于秋冬季夜间取暖所致。反应了郊区大气的区域性特征。而城区站则为单峰双谷型。城郊2站SO2均呈单峰型日变化，城区站各季节浓度略高于背景站。最高值出现在中午12:00。NOx、SO2的日变化反应了机动车等人类活动对大气环境的影响。

(3)郊区站的NOx、SO2日平均浓度都呈下降趋势，PM10无明显变化趋势;城区站SO2、NOx变化趋势不明显，PM10呈上升趋势。

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