郭慶皓 陳魁,2

0 引言

近年來,伴隨城市快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程加快,機(jī)動(dòng)車和工業(yè)排放大幅增加,我國大氣環(huán)境逐漸形成了一次和二次污染物并存的復(fù)合型污染[1-2].許多城市地區(qū)由于顆粒物質(zhì)量濃度高導(dǎo)致能見度下降和灰霾加重,且人為排放過多的氮氧化物(NOx)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等前體物通過光化學(xué)反應(yīng)引起臭氧污染加劇,嚴(yán)重?fù)p害人體健康,對生態(tài)環(huán)境與天氣氣候[3-6]產(chǎn)生重要影響.因此,我國大氣環(huán)境面臨挑戰(zhàn),研究環(huán)境空氣質(zhì)量特征變化是我國大氣污染治理工作的重要基礎(chǔ).

城市環(huán)境空氣質(zhì)量極易受到人為排放污染和氣象狀態(tài)影響,人為排放影響著區(qū)域大氣污染程度,氣象條件密切關(guān)聯(lián)著大氣污染物的擴(kuò)散和清除能力[7-8].從2013年1月開始,全國主要城市空氣質(zhì)量監(jiān)測站發(fā)布大氣污染物小時(shí)平均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù),出版了大量空氣質(zhì)量相關(guān)研究文獻(xiàn),主要研究區(qū)域集中在京津冀、長三角、珠三角和成渝地區(qū)[9].例如,徐冉等[10]分析北京秋冬兩季重污染時(shí)期大氣污染物濃度水平和氣團(tuán)傳輸?shù)挠绊?指出冬季發(fā)生重污染程度高于秋季.舒卓智等[11]研究云貴高原城市空氣污染特征,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)近地面O3質(zhì)量濃度呈逐年上升趨勢.陳優(yōu)良等[12]發(fā)現(xiàn)長三角地區(qū)空氣質(zhì)量空間分布呈現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市臭氧質(zhì)量濃度較高的特征.徐鵬等[13]闡述了重慶北碚區(qū)的大氣污染狀況,發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)污染物和氣象要素相關(guān)性表現(xiàn)不同.王愛平等[14]討論了2020年疫情期間南京空氣質(zhì)量改善情況,指出人為減排對大氣污染有著明顯影響.由于環(huán)境空氣質(zhì)量的長期演變特征能夠反映出該地區(qū)大氣污染的特性,因此,分析大氣污染物長期特征以及潛在污染源有助于大氣環(huán)境治理.

南京市是長三角地區(qū)典型城市(2019年末南京的常住人口達(dá)到850萬人),城鎮(zhèn)化率為83.2%,聚集了南鋼和揚(yáng)子石化等重工業(yè)企業(yè),工業(yè)能源消費(fèi)仍然以煤炭為主[15-16].此外,南京屬北亞熱帶濕潤氣候,夏季悶熱多雨,而冬季干燥,容易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象[17],不利于大氣污染物沉降和擴(kuò)散.近年來南京市對大氣污染物加強(qiáng)管控[18],采取限制機(jī)動(dòng)車排放和改進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)工藝等措施,環(huán)境空氣質(zhì)量得到改善,但以臭氧為主要污染物的二次混合型污染問題日益突出[19-21].

本文利用2015年1月1日—2021年2月10日南京市空氣質(zhì)量國控站的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),分析南京市大氣污染物的質(zhì)量濃度水平和污染特征,以及氣象條件對大氣污染物的作用,研究南京市PM2.5的潛在污染源區(qū),并探討了2019、2020和2021年1—2月(2020年新冠疫情封控期)大氣污染物狀況,獲得人為活動(dòng)減少對大氣污染物改變的確切原因，以期為改善南京城市空氣質(zhì)量和制訂更為合理大氣污染控制措施提供科學(xué)依據(jù).

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取南京市環(huán)境空氣質(zhì)量國控站2015年1月1日—2021年2月10日的監(jiān)測資料,包括大氣環(huán)境主要污染物:CO、NO2、SO2、O3_8h(8 h平均臭氧質(zhì)量濃度)、PM10和PM2.5每日逐小時(shí)質(zhì)量濃度,數(shù)據(jù)來源于中國國家環(huán)境監(jiān)測中心網(wǎng)站(http:∥www.cnemc.cn/).南京市環(huán)境空氣質(zhì)量國控站和氣象觀測站位置和分布情況如圖1所示.同期南京市氣象觀測站地面觀測數(shù)據(jù)包括溫度(℃)、相對濕度(%)、風(fēng)速(m·s-1)、降水量(mm),來源于美國國家環(huán)境信息中心(https:∥www.ngdc.noaa.gov/)小時(shí)分辨率資料.

圖1 南京市空氣質(zhì)量監(jiān)測站及氣象觀測點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of air quality monitoring stations and a meteorological observation site in Nanjing

1.2 研究方法

1.2.1 潛在源分析

本研究潛在源分析主要采用潛在源貢獻(xiàn)分析法(Potential Source Contribution Function,PSCF)和質(zhì)量濃度權(quán)重分析法(Concentration Weighted Trajectory,CWT).PSCF是基于后向軌跡確定污染源區(qū)的一種方法,PCSFij值定義為在研究區(qū)域內(nèi),經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)超過質(zhì)量濃度閾值的軌跡數(shù)(mij)和經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)的軌跡總數(shù)(nij)之比,其公式為

(1)

鑒于PSCF是一個(gè)概率函數(shù)(fPSCF),若nij值較小會導(dǎo)致不確定性增大,為降低這種不確定性,引入權(quán)重函數(shù)Wij,其公式為

WPSCF=Wij×fPSCF.

(2)

PSCF方法只能反映污染軌跡經(jīng)過各網(wǎng)格的概率,CWT則可反映軌跡的污染程度.通過網(wǎng)格的平均權(quán)重質(zhì)量濃度來確定其對該網(wǎng)格的污染貢獻(xiàn),其公式為

(3)

式(3)中,Cij是網(wǎng)格(i,j)上的平均權(quán)重質(zhì)量濃度(μg·m-3),M是軌跡總數(shù)(條),Cl是軌跡l經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)時(shí)污染物質(zhì)量濃度(μg·m-3),Tijl是軌跡l在網(wǎng)格(i,j)的停留時(shí)間.CWT方法也需要使用權(quán)重函數(shù)Wij來消除不確定性,修正后的質(zhì)量濃度權(quán)重值為

WCWT=Wij×Cij.

(4)

1.2.2 疫情時(shí)間劃分

2020年春節(jié)前后爆發(fā)新型冠狀病毒(COVID-19)疫情,為了解南京實(shí)施疫情管控措施對空氣污染的影響,根據(jù)國務(wù)院發(fā)布的《國家突發(fā)公共事件應(yīng)急預(yù)案》和實(shí)際疫情發(fā)展情況,設(shè)1月10—24日共15 d為疫情封控前時(shí)期,1月25—2月10日共17 d為疫情封控期.封控期內(nèi)停止集市、集會等大型活動(dòng),公共場所市民人數(shù)顯著減少,工業(yè)企業(yè)、建筑工地、餐飲企業(yè)等大規(guī)模停工停業(yè).因此本文研究以2020年1月25日—2月10日作為疫情封控期,分析人為活動(dòng)改變對大氣污染狀況的影響.

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣污染總體情況

圖2展示了2015年1月1日—2021年2月10日南京市主要大氣污染物質(zhì)量濃度情況.CO、NO2、SO2、O3_8h、PM10和PM2.5平均質(zhì)量濃度分別為800、43.1、13.0、106.0、77.1和43.0 μg·m-3,最大值分別為2 200、126.2、71.6、280.0、381.1和256.1 μg·m-3,其中PM2.5質(zhì)量濃度最大值遠(yuǎn)高于國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度限值(一級標(biāo)準(zhǔn)35 μg·m-3和二級標(biāo)準(zhǔn)75 μg·m-3),表明研究期內(nèi)南京有極端顆粒物污染事件發(fā)生.

圖2 南京市主要污染物質(zhì)量濃度Fig.2 Concentration of major air pollutants in Nanjing

對比我國其他典型城市大氣污染物質(zhì)量濃度(表1).發(fā)現(xiàn)南京CO平均質(zhì)量濃度與廣州相當(dāng),高于上海(14.3%),低于其他典型城市.南京的工業(yè)總產(chǎn)值低于廣州和上海,意味著存在污染物輸送至南京的情況.南京NO2和SO2平均質(zhì)量濃度高于北京(69.7%和51.2%)、上海(112.3%和78.1%)、廣州(76.6%和80.6%)等一線城市,反映出南京氮氧化物排放較多,工業(yè)和汽車尾氣排放污染還有待減少.南京PM10平均質(zhì)量濃度僅高于廣州(6.3%),說明揚(yáng)塵控制較好,PM2.5低于所有參與對比城市.然而南京O3_8h平均質(zhì)量濃度高于其他典型城市,說明南京已經(jīng)從顆粒物污染轉(zhuǎn)換成臭氧污染為主的大氣復(fù)合污染.

表1 南京與中國其他典型城市大氣污染物平均質(zhì)量濃度對比

2.2 污染時(shí)間變化特征

南京市主要大氣污染物具有明顯的季節(jié)變化特征(圖3).CO、NO2、SO2、PM10和PM2.5質(zhì)量濃度均表現(xiàn)出冬高夏低的變化特征.顆粒物冬季污染最為嚴(yán)重(PM10:春(85.3±39.6) μg·m-3,夏 (50.8±23.3) μg·m-3,秋(69.2±39.8) μg·m-3,冬(103.3±54.0) μg·m-3;PM2.5:春(43.5±22.1) μg·m-3,夏(26.7±15.0) μg·m-3,秋(35.1±22.2) μg·m-3,冬(65.8±39.0) μg·m-3).冬季PM10和PM2.5質(zhì)量濃度均值分別是夏季的2.03和2.46倍,說明南京市細(xì)顆粒物的季節(jié)變化特征更加顯著.粗顆粒物冬季增加,可能是冬季植被覆蓋較少地表裸露,易產(chǎn)生揚(yáng)塵,同時(shí)受北方沙塵的輸送影響所致;細(xì)顆粒物的增加,與冬季邊界層較低且層結(jié)穩(wěn)定容易造成顆粒物累積,和周邊污染輸送相關(guān),這與賈夢唯等[26]結(jié)果一致.夏季降雨量大,濕沉降較強(qiáng),使得大氣污染物質(zhì)量濃度較低.O3_8h則呈現(xiàn)出相反的季節(jié)變化趨勢,夏季質(zhì)量濃度高,這是因?yàn)樘栞椛湓鰪?qiáng)和日照時(shí)間延長,光化學(xué)反應(yīng)加劇有利于臭氧生成[27].本研究期間O3_8h 夏季處于較高污染水平(6年夏季平均質(zhì)量濃度分別為131.3、132.2、135.7、144.4、148.7和122.7 μg·m-3),平均質(zhì)量濃度是冬季的1.8倍,可以看出O3_8h是夏季重要污染物.

圖3 2015—2020年南京市主要污染物質(zhì)量濃度季節(jié)變化Fig.3 Seasonal averaged concentration of major air pollutants in Nanjing during 2015-2020

參照國家環(huán)境質(zhì)量24 h平均二級標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)2015—2020年南京市主要污染物超標(biāo)天數(shù)及超標(biāo)率(圖4).本研究期間CO和SO2質(zhì)量濃度控制較好,沒有出現(xiàn)污染超標(biāo)情況,因此在圖4中不再列出.NO2超標(biāo)天數(shù)呈下降趨勢,平均減少29.1%.夏季O3_8h 質(zhì)量濃度超標(biāo)天數(shù)占全年超標(biāo)天數(shù)為41.7%～62.0%,成為該季節(jié)主要污染物.2015年南京市顆粒物污染最嚴(yán)重,冬季PM10和PM2.5超標(biāo)天數(shù)分別高達(dá)34和47 d,隨后呈現(xiàn)出逐年降低趨勢,平均分別降低38.1%和28.1%,至2020年僅有冬季發(fā)生顆粒物質(zhì)量濃度超標(biāo)事件.通過超標(biāo)率擬合曲線分析,發(fā)現(xiàn)PM10和PM2.5污染下降趨勢較為明顯(分別降低了38.9%和29.0%),但O3_8h沒有明顯下降趨勢.

圖4 2015—2020年南京市主要污染物超標(biāo)天數(shù)及超標(biāo)率Fig.4 The number of annual pollution days and their ratio for major air pollutants in Nanjing during 2015-2020

2.3 污染物空間分布特征

圖5顯示南京市大氣污染物空間分布.CO、NO2和SO2空間分布基本一致,城區(qū)(玄武區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)、鼓樓區(qū)和雨花臺區(qū))大氣污染物質(zhì)量濃度較高,不同季節(jié)高值區(qū)域變化不大.PM10和PM2.5春夏秋冬四季污染物質(zhì)量濃度較高區(qū)域出現(xiàn)在城區(qū),郊區(qū)大氣污染物質(zhì)量濃度較低.主要是因?yàn)槌鞘械貐^(qū)人口密度高和交通量大引起機(jī)動(dòng)車排放和家庭排放,產(chǎn)生較多的細(xì)顆粒物;同時(shí),市區(qū)植被覆蓋率較低,易產(chǎn)生揚(yáng)塵,尤其冬季靜穩(wěn)天氣增多不利于擴(kuò)散造成污染物積累,產(chǎn)生較高的顆粒物濃度,這與前人研究較為一致[28].而郊區(qū)人口密集程度和交通擁堵程度低,植被覆蓋面積較高,因此顆粒物質(zhì)量濃度相對較低.對O3_8h而言,春、夏季空間分布較為均一,秋、冬季城區(qū)質(zhì)量濃度低.

圖5 大氣污染物質(zhì)量濃度季節(jié)空間分布Fig.5 Seasonal spatial distribution of air pollutants in Nanjing

2.4 污染物與氣象要素相關(guān)性分析

表2展示了南京市主要大氣污染物與氣象要素的皮爾遜相關(guān)系數(shù).溫度與O3_8h呈顯著正相關(guān)性(R=0.65,P<0.01),這是因?yàn)闇囟葧绊懘髿馔牧骱痛髿饣瘜W(xué)反應(yīng)[29],溫度較高時(shí)大氣光化學(xué)反應(yīng)速率加快有利于臭氧生成.相對濕度與大氣污染物質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,跟降水量與大氣污染物質(zhì)量濃度(NO2、SO2、PM10和PM2.5)一致,因?yàn)槟暇┌l(fā)生高相對濕度情況時(shí),一般伴隨降水事件,因此濕沉降發(fā)生可以去除大氣污染物[30-31]；另外,降水發(fā)生時(shí)一般天空覆蓋云層,影響太陽輻射抑制臭氧生成,所以呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性.風(fēng)速與大氣污染物(CO、NO2、SO2、PM10和PM2.5)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,因?yàn)轱L(fēng)速高有利于大氣污染物擴(kuò)散和傳輸[32],從而降低污染物質(zhì)量濃度.顆粒物等污染物質(zhì)量濃度降低,又能增加大氣能見度,增強(qiáng)太陽輻射,有利于臭氧生成,使得風(fēng)速與O3_8h 呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性.

表2 主要大氣污染物質(zhì)量濃度與氣象條件皮爾遜相關(guān)系數(shù)

2.5 潛在源分析

從南京市大氣污染物季節(jié)變化分析,發(fā)現(xiàn)冬季時(shí)常爆發(fā)強(qiáng)度高、持續(xù)時(shí)間久的大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)重污染事件,而1月是PM2.5質(zhì)量濃度值最高月份.為了解污染物來源,選取2015—2020年1月,每日24時(shí)次的24 h后向氣團(tuán)所對應(yīng)的PM2.5質(zhì)量濃度分析,質(zhì)量濃度閾值均設(shè)為75 μg·m-3.軌跡計(jì)算起始點(diǎn)高度設(shè)為500 m,研究區(qū)域范圍選擇為(100°～130°E，25°～45°N),網(wǎng)格分辨率為0.5°×0.5°,對南京進(jìn)行潛在源與PM2.5質(zhì)量濃度權(quán)重分析(圖6和圖7).結(jié)果表明:南京市細(xì)顆粒物潛在區(qū)分布相對集中,主要來自于南京西南、西和北部,其中WPSCF值大于0.7的地區(qū)為安徽地區(qū),WPSCF值在0.6～0.7的地區(qū)為江蘇北部和山東地區(qū).圖7也表明,這些區(qū)域?qū)δ暇┦蠵M2.5的貢獻(xiàn)超過75 μg·m-3(高于國家年平均二級標(biāo)準(zhǔn)限值),其中安徽區(qū)域的貢獻(xiàn)在90 μg·m-3以上.這反映出近年來,隨著江蘇省(特別是蘇南地區(qū))經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,江蘇省加大排污限制和環(huán)境治理,大氣環(huán)境好于其他省份,所以安徽環(huán)境空氣污染開始影響江蘇;同時(shí),由于冬季植被枯萎地表裸露,北方氣團(tuán)會帶來顆粒物污染,江蘇北部和山東地區(qū)也成為潛在輸入源.

圖6 2015—2020年1月南京市PM2.5的WPSCF分布Fig.6 WPSCF distribution of PM2.5 in January of 2015-2020 in Nanjing

圖7 2015—2020年1月南京市PM2.5的WCWT分布Fig.7 WCWT distribution of PM2.5 in January of 2015-2020 in Nanjing

2.6 疫情影響

為確定疫情對南京環(huán)境空氣質(zhì)量的影響,選取2019—2021年(疫情封控期:2020年1月25日—2月10日)污染物和氣象條件進(jìn)行比較(表3).從溫度看,2019、2020、2021年1月25日—2月10日溫度分別為4.8、6.1和7.9 ℃,相差2 ℃以內(nèi).而降水量分別為35.4、18.6和12.6 mm,2019年降水量值最大,但大氣污染物數(shù)據(jù)未表現(xiàn)出明顯濕清除情況.2020年相對濕度和風(fēng)速分別為79.4%和2.5 m·s-1,與2019和2021年同期相比相差小于5%,這3年同期時(shí)間段,氣象要素總體上相差不多.

表3 1月25日—2月10日氣象要素對比

從圖8可看出,2020年疫情封控期5種大氣污染物(CO、NO2、SO2、PM10、PM2.5)質(zhì)量濃度低于2019年同期,分別降低了10.3%、35.9%、39.0%、38.8%、29.2%,與2021年同期相比,分別降低了24.7%、39.7%、3.0%、41.9%、16.2%.O3_8h在疫情封控期沒有下降趨勢,分別高于2019和2021年34.7%和31.6%,這可能是由于顆粒物的減少導(dǎo)致太陽輻射增強(qiáng),促進(jìn)了臭氧的增加.這說明南京環(huán)境空氣質(zhì)量受到了疫情影響[33],因此疫情期間工業(yè)停產(chǎn)和交通管制等措施導(dǎo)致人為排放減少,使得部分大氣污染物減少.人為排放污染物的減少,可短期內(nèi)引起氣態(tài)污染物(CO、NO2、SO2)和顆粒物質(zhì)量濃度快速下降,但造成O3污染的加重.杭州G20峰會嚴(yán)格管控時(shí)期[34]也出現(xiàn)這種情況,說明大氣污染物需要科學(xué)綜合治理,實(shí)施聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制.否則,會從一類大氣(如顆粒物)污染,轉(zhuǎn)換成另一類大氣(臭氧)污染,進(jìn)而影響治理效果.

圖8 2020年疫情封控前后污染物質(zhì)量濃度與前后年份同期對比Fig.8 Daily concentrations of air pollutants around Jan.25 from 2019 to 2021

3 結(jié)論

1)研究期間,CO、NO2、SO2、O3_8h、PM10和PM2.5平均質(zhì)量濃度分別為800、43.1、13.0、106.0、77.1和43.0 μg·m-3.與中國典型城市(北京、上海、廣州、成都、蘭州和武漢)相比,南京PM2.5平均質(zhì)量濃度最低,而O3_8h平均質(zhì)量濃度高于其他城市.

2)2015—2020年南京NO2、PM10和PM2.5超標(biāo)天數(shù)呈下降趨勢,平均減少率分別為29.1%、38.1%和28.1%,而臭氧超標(biāo)天數(shù)呈上升趨勢.臭氧質(zhì)量濃度夏季最高,平均值為135.8 μg·m-3,而其他5種污染物(CO、NO2、SO2、PM10和PM2.5)冬季質(zhì)量濃度最高,平均值分別為1 000、52.3、15.9、104.2和67.2 μg·m-3.

3)2015—2020年1月南京地區(qū)細(xì)顆粒物潛在源區(qū)分布相對集中,主要潛在源來自安徽省,WPSCF值大于0.7,江蘇北部和山東地區(qū)WPSCF值在0.6～0.7.在1月大氣污染物輸送影響著南京環(huán)境空氣質(zhì)量.

4)在氣象條件類似的狀態(tài)下,與2019年和2021年同期相比,2020年疫情封控期大氣污染物(CO、NO2、SO2、PM10和PM2.5)質(zhì)量濃度最低,說明疫情封控措施對南京環(huán)境空氣質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響.