徐州市不同类型颗粒物重污染过程特征及组分差异性分析_殷献茹.pdf
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1、第 40 卷第 2 期2024 年 4 月中国环境监测Environmental Monitoring in ChinaVol.40No.2Apr.2024徐州市不同类型颗粒物重污染过程特征及组分差异性分析殷献茹1,苗欣慧2,李辉2,孙瑞2,邓国庆2,饶永才2,陈传忠3,王景41.中国共产党徐州市委员会党校,江苏 徐州 2210002.江苏省徐州环境监测中心,江苏 徐州 2210003.中国环境监测总站,国家环境保护环境监测质量控制重点实验室,北京 1000124.无锡中科光电技术有限公司,江苏 无锡 214000摘要:经过多年的大气污染防治,我国空气质量有了大幅改善,但重污染过程仍有发生。对
2、 20182021 年徐州市 3 种不同类型颗粒物重污染过程的污染特征、演变趋势、PM2.5组分特征和相关性及污染成因分析结果表明:在不同类型的重污染过程中,二次无机离子 NO-3、SO2-4、NH+4在 PM2.5中的占比均是最高。在累积型重污染期间,NO-3、SO2-4、NH4+分别增长 144%、142%、183%,二次无机离子对 PM2.5的增长贡献较大。结合相关性分析及 SOR、NOR 值发现,硝酸盐和硫酸盐的二次生成作用显著。在沙尘型重污染期间,结合雷达监测结果及后向轨迹图可以看出,沙尘沉降至高空与近地面污染物叠加造成颗粒物高值。化学组分中 Ca2+、Mg2+浓度对 PM2.5浓度
3、的影响最大,二次生成和转化对其影响较小。在烟花燃放型重污染期间,和烟花爆竹有关的 K+、Mg2+、Cl-离子较污染前分别上升 1 112%、2 058%、和 239%,对污染过程影响显著。关键词:重污染;化学组分;相关性分析;后向轨迹中图分类号:X51;X823文献标志码:A文章编号:1002-6002(2024)02-0113-11DOI:10.19316/j.issn.1002-6002.2024.02.13收稿日期:2022-10-19;修订日期:2023-11-25基金项目:徐州市重点研发计划项目(社会发展 KC20057)第一作者简介:殷献茹(1983-),女,江苏邳州人,硕士,副教
4、授。通讯作者:陈传忠Characteristic and Component Differences of Heavy Pollution Process of Different Types of Particulate in Xuzhou CityYIN Xianru1,MIAO Xinhui2,LI Hui2,SUN Rui2,DENG Guoqing2,RAO Yongcai2,CHEN Chuanzhong3,WANG Jing41.Party School of Xuzhou Municipal Committee of the CPC,Xuzhou 221000,China2.X
5、uzhou Environmental Monitoring Center,Xuzhou 221000,China3.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring,China National Environmental Monitoring Centre,Beijing 100012,China4.Wuxi Cas Photonics Co.,Ltd.,Wuxi 214000,ChinaAbstract:After years of air pollut
6、ion prevention and control,Chinas air quality had been greatly improved,but heavy pollution process still occurs.The process of heavy pollution of three different types of particulate matter in Xuzhou from 2018 to 2021 was analyzed from pollution characteristics,evolution trend,characteristics and c
7、orrelation of PM2.5 components and pollution causes.The results showed that,in the process of different types of heavy pollution,the proportion of secondary inorganic ions NO-3,SO2-4,NH+4 in PM2.5 was still the highest.During the cumulative heavy pollution period,NO-3,SO2-4,NH+4 increased by 144%,14
8、2%and 183%respectively,and secondary inorganic ions contributed greatly to the growth of PM2.5.Combining correlation analysis and SOR and NOR values,it was found that the secondary generation of nitrate and sulfate was significant.During the period of heavy dust pollution,based on the radar monitori
9、ng results and the backward trajectory map,it could be seen that the sedimentation of sand and dust at high altitude and the superposition of pollutants near the ground caused high values of particulate matte.The concentration of Ca2+and Mg2+in chemical components had the greatest impact on the conc
10、entration of PM2.5,and the secondary generation and transformation had little impact on it.During the heavy pollution period of fireworks discharge,the K+,Mg2+and Cl-ions which have a greater relationship with fireworks increased by 1 112%,2 058%and 239%respectively compared with those before the po
11、llution,which had a significant increase in the influence on the pollution process.Keywords:heavy pollution;chemical composition;correlation analysis;backward trajectory 114 中国环境监测第 40 卷第 2 期2024 年 4 月近年来,随着污染防治工作的不断推进,全国环境空气质量持续向好。2021 年全国 339 个地级以上城市 PM2.5质量浓度为 30 g/m3,同比下降 9.1%。长三角 41 个城市中 PM2.5质
12、量浓度为31 g/m3,同比下降 11.4%,较 2016 年 46 g/m3下降 32.6%1。PM2.5作为最受关注的污染物,对人的身体健康影响较大2。在行业转型、迁移工厂、机动车管理3等多种措施的实施下,PM2.5浓度显著降低,重污染天气也逐渐减少。目前,对于 PM2.5浓度升高原因分析开展较多,北京4、京津冀5、长三角6、太原市7等区域对 PM2.5来源进行了相关分析,从源解析角度分析污染来源一般为工业源、扬尘源、机动车源、二次源等8-9。也有针对某一类源的细致分析,比如工业源10、机动车源11。除了本地污染源分析外12,在气象要素分析时认为高湿低风速的气象因素也是形成重污染天气的必要
13、条件13-14。除此之外,区域传输也是重污染天气的诱因之一,如春秋季沙尘天,部分城市受来自西北部沙尘影响,空气质量可达严重污染15-18。重污染天气发生也可能与特殊时段有关,比如春节、元宵节燃放烟花爆竹19-21,麦收季节秸秆焚烧22等。徐 州 市 2021 年 PM2.5质 量 浓 度 为 42g/m3,同比下降 15.8%;PM2.5质量浓度与长三角 41 个城市 PM2.5质量浓度均值相比高出 11g/m3,空气污染问题比较突出。在以往的研究中主要分析徐州市空气质量特征23,但对于重污染天气分析较少,对于重污染天气诱因特征研究较缺乏。为更好地对该区域空气质量分析,本研究通过对不同类型的重
14、污染天气期间的颗粒物组分和来源解析,为未来可能发生的重污染天气提供有效应对策略和依据。1材料与方法1.1研究区域及数据收集本研究区域为江苏省徐州市,该区域为重工业基地,冬季为供暖城市,环境空气质量基础较差。2018 年进行了四大行业转型24,区域污染特征逐渐由煤烟型污染向复合型污染转变。该区域地处京津冀与长三角两大经济中心的过渡地带,同时又处在苏鲁豫皖四省交界25,易受输入性污染的影响。因此,在冬季本地污染物累积和传输共同影响下容易出现重污染天气。本研究数据来源:国控站点 20182021 年六参数的小时浓度监测数据、日浓度监测数据。风速、风向、气温、气压、相对湿度等气象参数时间序列,地面气象
15、要素采用荷兰 VAISALA 公司生产的六参数气象仪(WXT520)观测,时间分辨率为 1 h。大气超级站 20182021 年在线监测颗粒物组分数据及再分析数据。沙尘型污染天气情况下激光雷达监测仪探测的大气气溶胶梯度的剖面及大气边界层高度数据。设备由运维人员参照环境空气气态污染物(SO2、NO2、O3、CO)连续自动监测系统运行和质控技术规范(HJ 8182018)及环境空气气态污染物(PM2.5、PM10)连续自 动 监 测 系 统 运 行 和 质 控 技 术 规 范(HJ 8192018)对监测仪器进行跨度和零度校准,对精密度、准确度检查,确保各项污染物监测数据的有效性和准确性。1.2不
16、同污染类型划分方法污染物增长的原因划分比较多,一般认为,造成污染过程的主要原因有本地污染源、外来污染输送和气象条件变化26。对 20182021 年徐州市重污染期间大气 PM2.5中各组分浓度的污染特征、演变趋势及成因分析,空气质量达重度污染等级的原因大致可分为 3 个方面:沙尘型,春、秋季明显受沙尘传输影响造成的污染,首要污染物为PM10;烟花燃放型,春节期间烟花爆竹造成的局地污染,首要污染物为 PM2.5;累积型,本地污染源排放 和 累 积 占 主 导 的 污 染,首 要 污 染 物 为PM2.5。通过对 3 种不同类型的污染过程进行分析,旨在厘清每种污染过程的特征。1.3研究方法1.3.
17、1相关性分析采用皮尔逊相关性分析方法探索 PM2.5和水溶性离子的相关性27,从而分析重污染过程中污染来源与 PM2.5的关系。1.3.2后向轨迹分析利用后向轨迹分析模型(HYSPLIT Trajectory Model)分析 2021 年 3 月 28 日沙尘来源和输送轨迹,该模型能够很好地模拟气团的轨迹及污染物扩散和沉降28。在沙尘型重污染过程分析时后向轨迹选取边界层相对高度为 500 m,轨迹运行时间为 72 h,对 3 月 30 日 72 h 污染气团运移过程进行追溯。殷献茹等:徐州市不同类型颗粒物重污染过程特征及组分差异性分析115 2结果与讨论根据监测数据统计结果,20182021
18、 年徐州市共发生 20 次重污染过程,其中冬季出现 13 次,占比 65%,首要污染物以 PM2.5为主;春秋季出现7 次,占比 35%,首要污染物以 PM10为主(表 1)。2018 年 1 月 1322 日为近年来最长的一次污染过程,因此把该时间段作为累积型重污染过程进行分析。因 2020 年各地开始实行禁放政策,2020 年和 2021 年春节期间空气质量受烟花爆竹影响减弱,2018 年春节期间有一次雨雪过程,气象条件影响较大;因此以 2019 年 2 月 16 日作为烟花爆竹型污染过程进行分析。2021 年 3 月 2930为典型的沙尘过程,PM10浓度上升较快,且日均峰值达 566
19、g/m3,选取此时间段作为沙尘型重污染过程进行分析。表 120182021 年重污染过程时段和峰值表Table 1Time Periods and Peak Values of Heavy Pollution Process from 2018 to 2021g/m3年份首要污染物持续时间日均峰值小时峰值2021PM2.51 月 2124 日200237PM103 月 1516 日5631 363PM103 月 2930 日566888PM104 月 1617 日380585PM105 月 79 日4699892020PM2.51 月 25 日183262PM2.51 月 1119 日1732
20、60PM2.512 月 1012 日1782062019PM2.51 月 38 日168288PM2.51 月 1115 日171233PM2.52 月 16 日161237PM2.52 月 1926 日189217PM1010 月 28 日至 11 月 1 日3865442018PM101 月 12 日313434PM2.51 月 58 日169201PM2.51 月 1322 日239320PM2.51 月 28 日至 2 月 2 日202238PM2.53 月 2226 日176216PM1011 月 25 日至 12 月 1 日342486PM2.512 月 1720 日1762522
21、.1累积型重污染过程分析 2018 年 1 月 1322 日,空气质量出现了轻度污染-严 重 污 染 过 程,本 次 污 染 过 程 共 持 续10 d,污染过程持续时间较长。其中轻度 污染2 d,重度污染 5 d,严重污染 3 d,AQI 最大达到320,首要污染物为 PM2.5。重污染前(1 月 1314 日),PM2.5和 PM10平 均 质 量 浓 度 分 别 为86 g/m3和 126 g/m3,1 月 15 日 午 后 PM2.5浓度 快 速 增 长,重 污 染 过 程 开 始。污 染 期 间PM2.5与 PM10质 量 浓 度 比(PM2.5/PM10)为0.42 0.98,均值
22、为 0.68,可以看出此次污染过程以 PM2.5污染为主(图 1)。从气象条件来看,重污染期间平均温度和湿度均明显高于重污染前和重污染后,平均风速较小,有利于污染物的二次转化和颗粒物的吸湿增长,同时静稳天气导致扩散条件较差,很容易造成污染物的累积,进一步加剧污染程度。从颗粒物组分来看,各组分浓度变化与 PM2.5浓度变化趋势一致,随着污染加重,二次无机离子(NH+4、NO-3和 SO2-4)占比呈明显上升趋势。重污染前,各组分浓度相对较低,OM、NH+4、NO-3和 SO2-4占主导地位,其质 量 浓 度 依 次 为17.1、12.4、24.2、10.3 g/m3。在 重 污 染 过 程 中,
23、除 PM10和PM2.5上升外,SO2、CO 也呈现快 速 上 升 趋 势,各组分质 量 浓 度 均 呈 现 上 升 趋 势,其 中 NO-3、NH+4和 SO2-4浓 度 上 升 显 著,涨 幅 分 别 达 到144%、142%、183%,EC 和 OM 同 样 出 现 较 大涨幅,表明 此 次 污 染 过 程 与 机 动 车、生 物质燃烧、燃煤等一次排放有关,同时也受不利气象条件下的二次生成影响。116 中国环境监测第 40 卷第 2 期2024 年 4 月图 11 月 1423 日 PM2.5组分、六参数及气象参数时间序列Fig.1Time series of PM2.5,six par
24、ameters andmeteorological parameters from January 14 to 23进一步对此次重污染过程进行分析,污染过程中水溶性离子浓度和 PM2.5之间的皮尔逊相关性显示(表 2):NH+4、NO-3、SO2-4相互之间相关性显著,PM2.5与 NH+4、NO-3、SO2-4、K+之间相关性显著,Cl-、K+、Na+、Mg2+、Ca2+之 间 相 关 性 显 著。PM2.5与NH+4、NO-3、SO2-4之间显著相关,说明本地条件可能更有利于二次转化,二次转化对于颗粒物的贡献较大。为评价 SO2-4与 NO-3的二次生成效率,用硫的氧化速率(SOR)和氮的
25、氧化速率(NOR)分别对SO2和 NOx向 SO2-4和 NO-3的转化程度进行分析。一般而言,当 SOR 大于 0.25、NOR 大于 0.10 时,且SOR 和 NOR 越高,表明 SO2、NOx的二次转化程度越高29。污染前、中、后期 SOR 均值分别为 0.26、0.40 和 0.31,均大于 0.25;同时,污染中期 SOR 与NOR 均高于污染前期和污染后期,污染过程中存在较强的 SO2向 SO2-4、NOx向 NO-3转化的二次过程。此次污染过程中硝酸盐和硫酸盐的二次生成作用显著,与相关性分析基本一致(图 2)。殷献茹等:徐州市不同类型颗粒物重污染过程特征及组分差异性分析117
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