刘一铭
中交铁道设计研究总院有限公司 北京市 100089
摘要：近年来，随着国家大气污染治理成果逐渐显现，京津冀中南部空气污染情况有所改善，但大气污染物排放量仍居于高值，空气污染局势依然严峻。其中，细颗粒物PM2.5是大气污染的主要污染物之一，也是衡量空气质量的主要标准。因此，PM2.5污染变化分析对于有效控制大气污染，改善空气质量有着重要的意义。本文以京津冀中南部某城市近几年PM2.5浓度变化为例，深入分析研究了其变化规律和影响因素，为该城市强化PM2.5排放管控，空气质量改善提供了科学参考。
关键词：京津冀中南部；大气污染；PM2.5；相关性
Abstract：In recent years, as the national air pollution control results have gradually emerged, the air pollution situation in the central and southern Beijing-Tianjin-Hebei Province has improved, but the amount of air pollutant emissions is still high, and the air pollution situation is still severe. Among them, fine particulate matter PM2.5 is one of the main pollutants of air pollution, and it is also the main standard for measuring air quality. Therefore, the analysis of PM2.5 pollution changes is of great significance to effectively control air pollution and improve air quality. This article takes the change of PM2.5 concentration in a city in central and southern Beijing-Tianjin-Hebei as an example in recent years, and deeply analyzes its changing laws and influencing factors, which provides a scientific reference for the city to strengthen PM2.5 emission control and improve air quality.
Key Words：Central and southern Beijing-Tianjin-Hebei Province；Air pollution；PM2.5；Correlation
大气环境保护事关人民群众根本利益，事关经济持续健康发展，为了解决以PM2.5污染为特征的区域性突出大气环境问题，2013年9月，国务院出台了《大气污染防治行动计划》；2018年6月发布《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》，实施打赢蓝天保卫战三年行动计划，以京津冀及周边、长三角、汾渭平原等重点区域为主战场，进一步明显降低PM2.5浓度，明显减少重污染天数，明显改善大气环境质量，明显增强人民的蓝天幸福感[1]。
京津冀地区作为大气污染防治的重点区域之一，空气质量改善受到了全国人民的关注。近年来，该地区空气质量有明显改善，但PM2.5污染程度与全国其他地区相比仍较为严重。因此，了解PM2.5污染变化规律，对于有效缓解PM2.5污染，改善空气质量有积极意义。本文以2017年~2019年京津冀中南部某城市PM2.5浓度为例，深入解析PM2.5污染变化趋势，为PM2.5减排提供科学依据。
1、2017~2019年该城市PM2.5污染月变化趋势
连续分析2017~2019年该城市PM2.5浓度变化数据发现，PM2.5浓度峰值逐年呈现下降状态，证明大气污染治理取得一定成效。同时，在一年中PM2.5浓度变化规律明显：浓度变化呈现显著的季节性相关，冬季PM2.5浓度普遍偏高，夏季浓度偏低。PM2.5以硫酸盐、硝酸盐以及铵盐构成的无机盐类与有机物以及粉尘为主要成分。其中扬尘、工业及燃煤粉尘、汽车尾气、生物质燃烧等污染物的直接排放是PM2.5主要的一次来源。而SO2、NOx以及VOCs经过化学转化形成的二次气溶胶是PM2.5的另一重要成分。
图 1 2017~2019年PM2.5浓度变化趋势
结合四季的气候特点以及PM2.5成因分析，春季干燥多风，水平扩散条件有利，但春季风力普遍较强，该城市正处于快速建设过程中，道路及建筑施工工地较多，施工扬尘等成为PM2.5的主要一次来源。夏季气温较高，大气对流作用增强，有利于污染物的垂直扩散；且夏季是全年中降水量最多的季节，污染物在雨水作用下发生沉降。进入秋季后，大气层结构相对趋于稳定，扩散条件转差；且清晨与夜间部分时段湿度较大，PM2.5吸湿增长明显，同时气态污染物易二次转化进一步推高PM2.5浓度。冬季易发生静稳、逆温天气，扩散条件不利；同时冬季取暖燃煤数量增多，本地污染排放加剧，污染物易在本地累积升高[2]。
2、2019年PM2.5污染变化情况分析
从2019年全年PM2.5浓度变化情况看，该城市全年PM2.5浓度超过优良天浓度限值的天数为94天，其中1月、2月及12月超标天数最多，分别为27天、20天和17天，占总污染天数的28.7%、21.3%和18.1%。同时，1月、2月和12月也是PM2.5浓度高值出现频率最多的月份，存在单日峰值超过250μg/m3的情况。
图 2 2019年全年PM2.5浓度变化趋势
1月、2月及12月是冬季天气最寒冷的月份，该城市冬季采取集中供暖，本地颗粒物排放量增多。此外，该城市部分郊区及农村地区清洁取暖仍未全面覆盖，存在自燃煤取暖情况。该城市由于地处平原，背靠山脉，大气扩散条件较差，且冬季夜间辐射降温明显，近地面的大气温度比上层大气温度低，造成大气层结稳定，空气无法上下对流，污染物积聚就很难扩散，本地排放叠加扩散不利，造成PM2.5浓度增加，空气污染较重。
夏季则相反，大气垂直运动活跃，加上气旋活动频繁，水汽输送好，利于产生降水，较频繁的降雨及大风天气，有利于PM2.5的扩散和清除，因此6月~8月是一年中PM2.5浓度最低的月份。
3、PM2.5与其他污染因子的相关性分析
PM2.5浓度变化趋势除与本地排放、气候条件等因素关系密切之外，还有其他污染因子存在一定的相关性。通过对PM2.5与PM10、O3等污染因子的相关性分析，能进一步掌握PM2.5污染成因，对于多因子协同控制有重要意义。
1）PM2.5与PM10相关分析
分析2019年PM2.5与PM10日浓度变化数据发现，PM2.5和PM10日浓度变化变化趋势一致，呈现较高的正相关性，相关系数为0.92。这与颗粒物PM2.5、PM10的本质是相符的，PM2.5是PM10中粒径小于2.5μm的部分，其浓度与PM10浓度有直接联系。另外，在分析中还发现PM2.5与PM10的比例不同，造成的空气污染程度也不同[3][4]。当某天的首要污染物为颗粒物时，PM2.5占比越大，空气污染程度越重。在2019年，PM2.5/PM10比例超过70%的天数中，有76.5%的天气为污染天气，其中，64%的污染为重度以及严重污染天气。
图 3 2019年全年PM2.5与PM10日浓度关系折线图
该城市正处于快速发展建设期，城区内存在大量建筑、道路、市政管道、绿化等工程的施工作业，施工过程中土石方作业、车辆机械尾气排放、电气焊作业等均会产生颗粒物，本地污染排放量大，期间存在污染排放管控不到位情况，会直接导致颗粒物浓度的升高。
2）PM2.5与O3相关分析
PM2.5与O3浓度变化呈现一定的相关性。表面上看，冬季PM2.5浓度升高，O3浓度降低；夏季O3浓度升高，PM2.5浓度降低。然而PM2.5与O3之间存在着复杂的相互影响关系，并不是简单的正相关或负相关。
首先，O3和PM2.5中的二次成分都是通过大气化学反应产生，前体物类似，都包含NOx和VOCs，臭氧与二次颗粒物生成呈现一定的正相关关系。其次，多种因素影响臭氧与PM2.5的关联性，臭氧是由光化学反应生成，光的通量直接决定了臭氧生成的能力。PM2.5的存在增加了气溶胶光学厚度，削弱了达到近地面的光量，减少了光解反应速率，削弱了O3生成。再次，高臭氧浓度导致大气氧化性增强，有利于二次颗粒物的生成，从而加剧PM2.5污染[5][6]。
图 4 2019年全年PM2.5与O3日浓度关系折线图
3）PM2.5与NO2、SO2相关分析
PM2.5二次转化微观机理十分复杂，硝酸盐、硫酸盐、铵盐以及二次有机物等组分都会快速助推PM2.5爆发式增长，不同时段、不同城市和不同气象条件下，各二次组分增长的贡献不同。
图 5 2019年全年PM2.5与NO2、SO2日浓度关系折线图
通过对该城市2019年PM2.5与NO2、SO2浓度的变化分析，NO2和SO2浓度变化趋势与PM2.5浓度存在一定的相关性。有研究表明，硝酸盐主要受NOx的气相氧化驱动，日间羟基自由基氧化贡献约70%–90%，夜间硝基自由基氧化贡献约10%–30%。而硫酸盐主要通过二氧化硫（SO2）的多相化学反应生成，其生成速率与颗粒物的酸碱度密切相关，在偏酸性条件下，过渡金属催化氧化占90%以上；在近中性条件下，过氧化氢（H2O2）和二氧化氮（NO2）的氧化各占50%[7][8]。
通过分析，该城市在秋季PM2.5与NO2、SO2浓度相关性比较明显。秋季的清晨空气湿度较大，早高峰时车辆拥堵路段NO2浓度明显增高后，PM2.5浓度会相继出现升高；而后NO2浓度开始下降，浓度升高的先后顺序存在一定规律，这种现象印证了NO2在高湿度下发生二次转化推高PM2.5浓度的结论[9]。
结论
本文通过对京津冀中南部某城市近三年的PM2.5浓度变化进行梳理分析，得出了PM2.5浓度在冬季偏高，夏季偏低的季节性变化规律。这种浓度变化与本地污染物排放量差异、不同季节气候条件不同均有着密切的关系。除此之外，通过比较PM2.5与其他污染因子PM10、O3以及NO2、SO2的浓度变化，发现PM2.5与其他因子存在一定的相关性，为多种污染因子协同管控提供了科学依据。其中，PM2.5与PM10的浓度关系存在较明显的正相关，而与O3、NO2、SO2浓度的相关性比较复杂，受到多种因素如光照、湿度等影响，需做进一步的深入研究。
参考文献
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