銅陵城市空氣污染物濃度日變化及其影響因子

銅陵城市空氣污染物濃度日變化及其影響因子

0空氣污染物濃度日變化與氣象條件關(guān)系研究污染是中國許多城市面臨的主要環(huán)境問題。污染不僅影響到人們的社會(huì)生活，也影響到氣候的變化。根據(jù)研究，空氣污染物改變了氣候的循環(huán)，對(duì)農(nóng)業(yè)、水資源、人類健康、城市化和其他經(jīng)濟(jì)和社會(huì)事務(wù)也有重要影響。在眾多關(guān)于空氣污染的研究中,了解空氣污染物的時(shí)空特征,是其中的一個(gè)主要內(nèi)容.研究表明,城市空氣污染物不僅存在空間分布不均勻性,在時(shí)間上也存在明顯的日變化、季節(jié)變化以及逐年變化.氣象條件是影響空氣污染物時(shí)空分布的主要因素之一.一方面穩(wěn)定的大氣層結(jié)不利于污染物的擴(kuò)散,從而導(dǎo)致污染物濃度的升高.另一方面,降水和大風(fēng)又能夠清除空氣污染物,降低空氣污染物的濃度.此外,氣象條件也受到空氣污染物的影響.不僅諸如大氣能見度之類的氣象要素受到空氣污染物的影響,而且空氣污染對(duì)氣候變化也存在著影響與反饋.銅陵位于長(zhǎng)江中下游平原與皖南山區(qū)的交接地帶.境內(nèi)中南部低山、丘陵縱橫交結(jié),呈北東向展布.北部為平原,地勢(shì)低下坦蕩,水網(wǎng)密度高,河溝縱橫,湖沼廣布.復(fù)雜的地形地貌使得銅陵污染氣象條件不僅具有山區(qū)的特點(diǎn),也具備了沿江城市的特征.此外,銅陵是我國的“古銅都”,境內(nèi)分布著冶煉廠、火電廠、水泥廠等多種工業(yè)企業(yè),造成空氣污染的因素多種多樣.為了解在多種污染源影響下的地形地貌復(fù)雜地區(qū),空氣污染物濃度日變化與氣象條件之間的關(guān)系,我們利用多年的空氣污染物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析空氣污染物濃度的特征以及與氣象條件之間的關(guān)系,探討污染物濃度日變化的形成原因及其影響因子.1環(huán)境把握的指標(biāo)所用資料主要包括銅陵市2007~2010年環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),以及銅陵市氣象臺(tái)站2007~2010年逐小時(shí)的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù).空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)因子包括二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)和可吸入顆粒物(PM10).其中NO2和SO2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為分鐘級(jí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,PM10為小時(shí)級(jí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果.按照《環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJT193-2005),采用數(shù)值平均的方法,將分鐘級(jí)NO2和SO2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理成逐小時(shí)數(shù)據(jù),PM10監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)則無需處理.氣象數(shù)據(jù)為逐小時(shí)的氣溫、氣壓、風(fēng)速、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度等要素的數(shù)值.銅陵市一共4個(gè)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn),每個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表了不同功能分區(qū).其中,第四中學(xué)代表居住區(qū),公路局代表商業(yè)區(qū),第九中學(xué)代表工業(yè)區(qū),污水廠代表綠化區(qū).銅陵市土地利用規(guī)劃圖及環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示.2數(shù)據(jù)分析2.1在濃度日的變化特征分析中2.1.1so2濃度變化幅度與平均濃度的關(guān)系SO2濃度的日變化如圖2所示.從圖中可以看出4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的SO2濃度具有相似的日變化規(guī)律,均為“單峰單谷型”的日變化,峰值出現(xiàn)在10:00(當(dāng)?shù)貢r(shí)間,下同),谷值出現(xiàn)在18:00.另外,4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,SO2濃度變化幅度與平均濃度之間有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即平均濃度高,變化幅度大,平均濃度低,變化幅度小.對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)而言,SO2濃度數(shù)值之間存在一定的差異,主要表現(xiàn)為:(1)平均濃度以第九中學(xué)最高,為0.0699mg/m3;而污水處理廠最低,為0.0491mg/m3.(2)夜里21:00到次日上午7:00第九中學(xué)的濃度最高,而在上午8:00到夜里20:00這個(gè)時(shí)間段內(nèi),第四中學(xué)的濃度最高.(3)上午6:00到夜里20:00污水廠的濃度最低;而在夜里21:00到次日上午5:00公路局的濃度最低.(4)第九中學(xué)的變化幅度(最大值和最小值之間的差異)最大,而污水廠的變化幅度最小.2.1.211:2420日從PM10濃度的日變化曲線(圖3)來看,除污水廠外,其他3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PM10濃度日變化規(guī)律趨勢(shì)相似,為雙峰雙谷型.兩個(gè)波峰分別出現(xiàn)在10:00~11:00和20:00~次日01:00;兩個(gè)波谷出現(xiàn)在03:00~06:00以及14:00~18:00.另外,在公路局監(jiān)測(cè)到的PM10濃度在夜間22:00~23:00出現(xiàn)了一個(gè)弱的波谷.對(duì)于污水廠來說,為單峰單谷型,23:00濃度最高,16:00濃度最低.PM10濃度值的空間差異不顯著,公路局的日平均濃度最高,污水處理廠的日平均濃度最低.對(duì)于濃度日變化幅度來說,公路局的最小,其余3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化幅度相當(dāng).2.1.3空氣污染物濃度的日變化不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的NO2濃度表現(xiàn)出了不同的日變化特征(圖4).其中,第九中學(xué)和污水廠的NO2濃度呈現(xiàn)出“單峰單谷型”的變化特征,NO2的濃度峰值出現(xiàn)在21:00~22:00,谷值出現(xiàn)在12:00~15:00.第四中學(xué)和公路局為“雙峰雙谷型”.兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在07:00~10:00和19:00~20:00,而兩個(gè)谷值主要出現(xiàn)在05:00~06:00和13:00~14:00.4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的NO2濃度值(圖4)存在明顯的差異.第九中學(xué)平均濃度最高,達(dá)到了0.0329mg/m3,第四中學(xué)平均濃度最低,僅為0.0239mg/m3.對(duì)于濃度變化幅度來說,第九中學(xué)和污水廠的變化幅度較小,而第四中學(xué)和公路局的變化幅度較大.其中,公路局NO2濃度的變化幅度最大,達(dá)到0.0132mg/m3,是污水廠濃度變化幅度(0.0031g/m3)的4倍.從以上分析可以看出,銅陵市的空氣污染物濃度存在著明顯的時(shí)間變化和空間差異.主要體現(xiàn)為:(1)不論何種污染物均出現(xiàn)白天濃度降低,而夜間濃度升高的變化規(guī)律.(2)第九中學(xué)是SO2和NO2平均濃度最高的點(diǎn),而PM10平均濃度最高的監(jiān)測(cè)點(diǎn)則是公路局.(3)不同站點(diǎn)間,PM10濃度數(shù)值差異最小,即PM10濃度的空間差異最小.(4)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的SO2濃度日變化的規(guī)律最為相近,而NO2濃度日變化則出現(xiàn)了兩種不同的規(guī)律.對(duì)于空氣污染物濃度的日變化規(guī)律,其形成原因主要有:(Ⅰ)規(guī)律性的生產(chǎn)活動(dòng)和日常生活會(huì)在一天的特點(diǎn)時(shí)段內(nèi)排放大量的污染物,從而導(dǎo)致污染物濃度升高.例如,上下班高峰期汽車尾氣的大量排放,導(dǎo)致NO2濃度升高.(Ⅱ)在陽光的照射下NO2發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化,使得NO2濃度減小,從而導(dǎo)致日出以后NO2濃度有所降低.(Ⅲ)氣象條件影響:白天氣溫升高,湍流活動(dòng)加強(qiáng),大氣擴(kuò)散能力增強(qiáng),污染物濃度降低;夜間邊界層穩(wěn)定,不利于污染物擴(kuò)散,污染物濃度升高.污染物濃度的空間差異原因分析如下:(Ⅰ)SO2濃度與城市居民生活和工業(yè)企業(yè)這一類的局地污染物排放有關(guān),銅陵排放SO2的工業(yè)企業(yè)主要有冶煉廠和火電廠,第九中學(xué)周圍工業(yè)企業(yè)排放的SO2是造成該測(cè)點(diǎn)濃度最高的主要原因.另外,銅陵市的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北—西南走向(見圖1),而第四中學(xué)和公路局恰好位于第九中學(xué)所處工業(yè)區(qū)的東北方(吹西南風(fēng)時(shí)的下風(fēng)方),工業(yè)企業(yè)所排放SO2向下風(fēng)方的輸送,是造成第四中學(xué)和公路局SO2濃度偏高的主要原因之一.(Ⅱ)第九中學(xué)位于工業(yè)區(qū),周圍有大量排放氮氧化物的工業(yè)企業(yè),如銅陵電廠、銅陵海螺水泥.由于工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)也是NO2的主要排放源之一,因此,第九中學(xué)周圍企業(yè)排放的氮氧化物是造成該點(diǎn)NO2濃度持續(xù)偏高且日變化較小的主要原因.第四中學(xué)位于文化區(qū),周邊不存在大量排放源,也就使得該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的NO2濃度最低.對(duì)于變化幅度最大的公路局而言,由于該點(diǎn)位于商業(yè)區(qū),因此受汽車尾氣排放氮氧化物影響較大,這是造成NO2濃度日變化幅度大的主要原因,當(dāng)車流量達(dá)到高峰時(shí),NO2濃度高,車流量小時(shí),NO2濃度低.對(duì)于污水廠來說,雖然其周邊無工業(yè)和大量的公路,但距離長(zhǎng)江較近,長(zhǎng)江航運(yùn)燃油是這一區(qū)域NO2的主要來源之一.另外,由于NO2的排放源并不像SO2的污染源一樣主要位于主導(dǎo)風(fēng)向的軸線上,而是分散地分布在各地,因此沿主導(dǎo)風(fēng)向輸送的特征不明顯.(Ⅲ)第四中學(xué)和公路局的PM10日均濃度要高于第九中學(xué)和污水廠.從地理位置上看,第四中學(xué)和公路局處在市中心區(qū)域,而第九中學(xué)和污水廠處在長(zhǎng)江岸邊的市郊.地形地貌差異引起的風(fēng)速、氣溫差異是造成這一空間分布差異的主要原因.2.2空氣污染物濃度的季節(jié)差異從春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)SO2濃度的日變化來看(圖5),只有污水廠的日變化規(guī)律與季節(jié)有關(guān).對(duì)于污水廠而言,春、夏兩季SO2濃度日變化規(guī)律相同,均表現(xiàn)為白天濃度低,夜間濃度高的特征;冬季SO2濃度較高且日變化較小,雖然也存在白天濃度降低現(xiàn)象,但濃度降低的幅度較小.秋季SO2濃度日變化中最顯著的特征是,7:00開始SO2濃度迅速增大,到10:00左右達(dá)到峰值,而后又迅速降低;14:00以后濃度降低的速度變緩,18:00濃度達(dá)到一天中的最低值,隨后濃度開始緩慢上升.對(duì)于PM10而言,不同季節(jié)的濃度日變化規(guī)律相同(圖6),秋季濃度最高,冬季次之,夏季的濃度最低.在4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中,只有污水廠的NO2濃度日變化規(guī)律表現(xiàn)出季節(jié)性差異(圖7).主要表現(xiàn)為,除夏季外,12:00~16:00為NO2濃度最低的時(shí)段,濃度最高值出現(xiàn)在21:00~22:00;而在夏季,NO2濃度最高值出現(xiàn)在17:00左右,最低值出現(xiàn)在1:00左右.從以上分析來看,除污水廠外,其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空氣污染物濃度日變化規(guī)律并不存在明顯的季節(jié)差異,所不同的僅僅是濃度的數(shù)值及其變化的幅度.對(duì)于污水廠來說,PM10濃度日變化規(guī)律的季節(jié)差異不明顯,只有SO2和NO2這兩種污染物濃度的日變化特征出現(xiàn)了季節(jié)性的差異,主要表現(xiàn)為:秋冬季節(jié)的SO2濃度日變化規(guī)律與春夏季不同;夏季NO2濃度日變化規(guī)律與其他季節(jié)不同.污水廠處在城市綠化區(qū)中,四周無固定的污染排放源,污染排放源與該測(cè)點(diǎn)之間大氣輸送條件的季節(jié)型變化,是導(dǎo)致濃度日變化出現(xiàn)季節(jié)差異的主要原因.2.3no2濃度日變化規(guī)律4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的SO2濃度日變化規(guī)律在2007~2012年間未出現(xiàn)明顯的變化(圖8).但是,公路局、第四中學(xué)和第九中學(xué)這3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的SO2濃度值有逐年降低的趨勢(shì).由于工業(yè)企業(yè)脫硫效率的不斷升高,SO2的排放量逐年減小,也使排放源附近及下風(fēng)方監(jiān)測(cè)點(diǎn)(公路局、第四中學(xué)和第九中學(xué))的濃度值出現(xiàn)逐年降低的特征.逐年的PM10濃度日變化規(guī)律如圖9所示.只有第四中學(xué)的PM10濃度日變化規(guī)律不存在年份間差異,而其他3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PM10濃度日變化都在2012年出現(xiàn)了與其他年份不同的規(guī)律,主要表現(xiàn)為,2012年為雙峰雙谷型,其余年份為單峰單谷型.另外,在除污水廠外的監(jiān)測(cè)站點(diǎn),2012年是PM10濃度最低的年份.圖10是逐年NO2濃度日變化規(guī)律.其中,公路局的NO2日變化規(guī)律在2007~2012年間未發(fā)生明顯的改變,表明該區(qū)域NO2的主要排放源未發(fā)生改變,仍然為汽車尾氣.污水廠、第四中學(xué)和第九中學(xué)的NO2濃度日變化規(guī)律都出現(xiàn)了不同程度的改變.其中,污水廠出現(xiàn)了單峰型(2007年、2008年)、單谷型(2009年、2012年)兩種顯著日變化,以及NO2濃度值在一天中近乎不變的恒值型(2010年、2011年).第四中學(xué)的NO2濃度有單峰型(2008年、2010年、2011年)和雙峰型(2007年、2009年、2012年)兩種日變化,這兩種日變化規(guī)律交替出現(xiàn).2007~2010年第九中學(xué)的NO2濃度日變化為單谷型,且日變化幅度在逐年減小;2011年以后為近乎不變的恒值型,一天中濃度的最大值也未超過0.024mg/m3,與2007~2010年日變化最低值相近.從NO2濃度年均值來看,2007~2010年為下降趨勢(shì),而2010年以后又出現(xiàn)升高的趨勢(shì).由于汽車尾氣是NO2的主要來源之一,2007~2010年的下降趨勢(shì)主要因工業(yè)企業(yè)脫硝率的升高;而2010年以后濃度的升高,則由車輛增多導(dǎo)致的NO2排放量增加而引起.NO2的來源由工業(yè)排放為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐云囄矚馕廴緸橹?氣象要素日變化規(guī)律(圖略)不存在明顯的逐年變化,因此,不同年份之間濃度日變化規(guī)律的差異與氣象要素?zé)o關(guān).另外,對(duì)于同一種污染物而言,日變化規(guī)律在不同年份表現(xiàn)出來的差異也與地理位置有關(guān):公路局的NO2濃度日變化規(guī)律并不存在逐年的變化,而其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的日變化規(guī)律則存在年份之間的差異.綜合而言,人為影響是造成濃度日變化規(guī)律在不同年份表現(xiàn)出差異的主要原因.2.4監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度日變化與氣象要素日變化的關(guān)系計(jì)算4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)SO2,NO2和PM10濃度日變化與風(fēng)速、露點(diǎn)溫度、氣壓、降水、相對(duì)濕度以及氣溫等氣象要素日變化之間的相關(guān)系數(shù),結(jié)果如表1所示.從計(jì)算結(jié)果來看,空氣污染物濃度的日變化與氣象要素日變化之間存在復(fù)雜的相互關(guān)系.首先,不同類型污染物與氣象要素之間的相關(guān)性存在較大差異.PM10濃度日變化與氣象因子日變化的關(guān)系最好,SO2次之,NO2最差.這主要是因?yàn)榭諝庵蠸O2和NO2的濃度主要受到局地污染源的影響,而PM10則是一個(gè)區(qū)域性的污染物,受氣象條件的影響較大.這與Cristina等對(duì)意大利塔蘭托市空氣污染物的研究結(jié)果相一致.其次,同一種污染物的日變化規(guī)律,在不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與之具有顯著相關(guān)性的氣象要素也不一樣.以上分析表明,空氣污染物濃度變化與氣象條件之間的關(guān)系,也因地點(diǎn)和污染物種類而不同.即污染物濃度日變化與氣象要素日變化之間的關(guān)系與污染物類型、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置有關(guān).根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處功能區(qū)中污染物源分布的情況,將監(jiān)測(cè)點(diǎn)分為污染排放型、擴(kuò)散輸送型和復(fù)合影響型3種.其中,污染排放型是指對(duì)于某種污染物而言,銅陵市的主要排放源位于此類監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染物主要來源于銅陵市主要污染源的直接排放.擴(kuò)散輸送型是指監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊不存在某種污染物的排放源,銅陵市主要污染源所排放污染物的擴(kuò)散和輸送是此類監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物的主要來源.而復(fù)合型是指監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊雖然存在某種污染物排放源,但不是銅陵市最為主要的排放源,污染物兼有直接排放和擴(kuò)散輸送兩個(gè)方面的來源.結(jié)合各污染物主要來源以及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所代表的功能區(qū)現(xiàn)狀,按照污染物類型的不同來對(duì)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分類,結(jié)果如表1所示.從表1中可以看出,對(duì)于擴(kuò)散輸送型,污染物濃度的日變化與氣象條件之間的關(guān)系最為密切,同時(shí)與風(fēng)速、氣壓、相對(duì)濕度和氣溫這4個(gè)氣象要素的日變化之間具有顯著的相關(guān).污染排放型監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濃度日變化與氣象要素變化之間關(guān)系要比擴(kuò)散輸送型差,但也同時(shí)與氣壓、相對(duì)濕度和氣溫這3個(gè)氣象要素的日變化之間具有顯著的相關(guān).對(duì)于復(fù)合影響型監(jiān)測(cè)點(diǎn)來說,由于受到多方面的影響,因此濃度日變化與氣象要素日變化之間的關(guān)系最差,不存在明顯的規(guī)律性.此外,對(duì)于復(fù)合影響型的監(jiān)測(cè)點(diǎn),還出現(xiàn)了與污染物擴(kuò)散、輸送理論相悖的相關(guān)性,主要表現(xiàn)為公路局SO2濃度日變化與風(fēng)速間呈正相關(guān),即風(fēng)速增大,濃度升高.考慮到風(fēng)速為氣象站所觀測(cè)的信息,因此主要代表區(qū)域的平均狀態(tài).對(duì)于風(fēng)而言,由于公路局位于商業(yè)區(qū),密集的城市建筑會(huì)使得風(fēng)向、風(fēng)速發(fā)生改變,因此氣象站觀測(cè)到的風(fēng)與這個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際風(fēng)之間存在差異,這也是出現(xiàn)SO2濃度日變化與氣象要素之間出現(xiàn)正相關(guān)的主要原因.綜合而