2020年春季天津市大气污染特征分析

2022-07-14张昕宇

绿色科技 2022年12期

张昕宇，杨宁

(1.中新天津生态城生态环境局，天津 300467； 2.天津市生态环境监测中心, 天津 300191)

1 引言

春季是中国北方沙尘天气频发的季节，近年来华北地区沙尘暴灾害事件频繁发生,造成空气质量恶化[1～4]。2020年3月份，中国多地出现大风寒潮，北方多个城市平均降温10 ℃以上，供暖延长至3月底。因此2020年的春季较为特殊，前期仍受到供暖燃煤源的影响，同时还会受到沙尘天气的污染。

天津市地处华北平原东北部，是京津冀区域核心城市之一[5，6],同时处于京津冀大气污染传输通道上[7]，春季容易出现沙尘天气[8，9]。燃煤采暖对京津冀地区空气质量影响显著[10～12]，燃煤锅炉排放的污染物会造成天津市供暖季的空气质量下降[13～16]。随着供暖期的延长，初春天津空气质量会同时受到沙尘及燃煤源的影响,呈现复合型污染特征。

本文基于高分辨率的超级站在线观测数据，分析2020年春季(3～4月份)天津市大气污染特征，以期为之后天津市春季大气污染防治提供支撑。

2 材料和方法

2.1 监测地点

天津市生态环境监测中心超级观测站，位于天津市南开区天津市生态环境监测中心楼顶，距地面高度约15 m，监测点周边为居民区和学校，北面300 m左右为交通干线复康路。监测时间为2020年3月1日至2020年4月30日。

2.2 采样仪器和分析方法

2.3 质控方法

颗粒物监测仪器每月更换采样滤膜，清洗切割头，校准采样流量；每季度进行压力传感器和温度传感器校验；每半年进行比例系数(K0)校验，质量控制严格按照《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统运行和质控技术规范》(HJ 817-2018)[17]要求进行。气态污染物监测仪器每天进行自动校零，每周进行跨度校准，质量控制严格按照《环境空气气态污染物(SO2、NO2、O3和CO)连续自动监测系统运行和质控技术规范》(HJ 818-2018)[18]要求进行。

3 结果与讨论

3.1 污染物浓度变化特征

监测期间颗粒物、气态污染物日均浓度变化如图1所示，TSP、PM10、PM2.5、PM1平均浓度依次为115.9 μg/m3、62.4 μg/m3、42.8 μg/m3、30.8 μg/m3，TSP和PM10浓度在3月18日最高，分别为433.3 μg/m3和158.8 μg/m3，PM2.5浓度在3月6日达到峰值(81.3 μg/m3)，PM1浓度在3月8日最高(67.9 μg/m3)。SO2作为PM2.5的前体物之一[20,21]，人为源主要来自化石燃烧[22,23]，在监测期间日均浓度变化范围是2.3～18.4 μg/m3，平均浓度为9.4 μg/m3。NO、NO2、CO主要来自机动车尾气排放[24～27], CO也来自化石燃料的不完全燃烧，监测期间NO、NO2、CO平均浓度分别为2.7 μg/m3、31.1 μg/m3和0.9 mg/m3。O3浓度变化范围是14.1～98.8 μg/m3，平均浓度46.3 μg/m3。从小时浓度的相关性来看(表1)，气态污染物SO2、NO、NO2、CO显著相关(P<0.01)，同源性较高，主要来自化石燃料燃烧。PM2.5与SO2、NO2、CO相关性较强，燃烧源对PM2.5的贡献较大。

图1 天津市春季污染物浓度的日变化

表1 污染物之间的皮尔森相关系数

3.2 PM2.5化学组分特征

3.2.1 水溶性离子和碳组分平均浓度及占比

图2 天津市春季PM2.5中水溶性离子、OC和EC的平均浓度和百分比

3.2.2 组分相关性分析

图3 PM2.5中和和和和EC的相关性

3.2.3 与国内其他城市比较

表2 天津市春季PM2.5中水溶性离子与其他城市的比较

3.3 采暖与非采暖时段污染变化特征

2020年3月整月处于采暖阶段，定义3月份为采暖时段，4月份为非采暖时段，采暖与非采暖时段污染物浓度和特征比值如图4所示。非采暖时段TSP和PM10浓度高于采暖时段，粗颗粒物污染更重。两个时段PM2.5、PM1浓度相当，PM2.5/ PM10和PM1/ PM2.5比值均在采暖时段更高，采暖时段细粒子占比更高。采暖时段SO2浓度与非采暖时段接近，NO、NO2、CO浓度高于非采暖时段，受燃烧源的影响更大。

图4 采暖时段和非采暖时段污染物浓度与特征比值

图5 采暖时段和非采暖时段PM2.5中水溶性离子、OC和EC的平均浓度

3.4 沙尘污染过程分析

监测期间共经历了两次沙尘污染过程，TSP和PM10浓度大幅增加，污染过程I：3月18日11时～3月19日2时，污染过程Ⅱ：4月3日21时～4月4日22时，分别处于采暖时段和非采暖时段，持续时间分别为16 h和26 h。

污染过程I中TSP和PM10最高浓度分别为2336.1 μg/m3和901.1 μg/m3，污染过程Ⅱ TSP和PM10最高浓度分别为1139.6 μg/m3和512.4 μg/m3，污染过程Ⅰ的颗粒物污染更重。

从气象条件来看, 污染过程IRH较低，最高RH仅为20.8%，温度变化范围是10.1～27.8 ℃，主导风向是E和ENE，最高风速达3.7 m/s。污染过程Ⅱ气温变化幅度较小，平均气温(13.1 ℃)低于污染过程Ⅰ的19.8 ℃；RH基本都高于20%，最高可达45.7%；主导风向是N和NNE，最高风速为2.7 m/s(图6、图7)。

图6 两次污染过程中TSP、PM10、PM2.5浓度小时变化

图7 两次污染过程中温度、湿度和风玫瑰变化

从PM2.5中化学组分来看，污染过程I中化学组分浓度与PM2.5浓度变化趋势较为一致，相关性好于污染过程Ⅱ。水溶性离子和碳组分平均总占比也是污染过程Ⅰ(56.9%)高于污染过程Ⅱ(52.6%)，SNA占比也是污染过程Ⅰ较高。污染过程 I Ca2+和Mg2+占比明显高于污染过程Ⅱ，受扬尘源的影响更大。污染过程Ⅱ K+和Cl-占比较高，可能受到生物质燃烧源的影响(图8)。