济南市冬季大气污染时空分布特征及潜在污染源区分析.pdf

山 东 科 学 第 卷 第 期 年 月出版.:./.【环境与生态】收稿日期:基金项目:山东省重点研发计划()泉城产业领军人才支持计划(创新团队)作者简介:王治非()男工程师硕士研究方向为环境监测和大气预报:.通信作者王在峰()男高工硕士研究方向为环境监测和大气预报:.济南市冬季大气污染时空分布特征及潜在污染源区分析王治非王在峰吕晨付华轩边萌孙凤娟张文娟(山东省济南生态环境监测中心山东 济南)摘要:利用 年冬季济南市大气主要污染物和气象监测数据对大气污染特征及潜在源区进行分析 结果表明:年冬季济南市环境空气中可吸入颗粒物 和细颗粒物.分别占首要污染物的.和.轻度污染以上天数占总天数的.冬季高质量浓度.导致年均值增加./从空间分布来看 与.空间分布为天桥区、槐荫区及平阴县质量浓度较高则为商河县和济阳区质量浓度偏高和 为济阳区、天桥区和槐荫区质量浓度较高研究期间、.的质量浓度呈正相关性相关系数均在.以上推断交通源、工业燃烧源、燃煤是颗粒物的主要来源济南市冬季的气团输送为偏南、西北、偏北和偏东 个方向偏南和偏东气团为影响济南市冬季大气污染主要输送路径 进一步研究潜在源区贡献及浓度权重表明济南地区大气污染物主要受本地及周边区域影响当前大气污染呈现跨区域交叉污染特征应建立区域联防机制统筹研究解决区域大气环境污染突出问题关键词:大气污染物污染特征潜在源区贡献浓度权重轨迹济南市中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标志码():()./.第 期王治非等:济南市冬季大气污染时空分布特征及潜在污染源区分析 .()()()(.).随着我国城市化进程持续加快大气污染已成为严重影响人类健康和生存环境的重要因素 研究表明当前以、等主要一次污染物和 为代表的二次污染所造成的大气污染问题突出以细颗粒物.污染为特征的区域性大气污染明显区域间的相互传输影响凸显大气污染总体呈现了区域性和复杂性日趋显著的特征 济南市是山东省省会地势南高北低呈浅碟状容易导致污染物的集聚和积累 近年来针对济南市大气污染开展了大量研究主要包括大气污染区域性特征、与气象要素关系、污染物组分分析及来源解析等方面 邱粲等、张亚茹等研究了济南市空气质量监测数据与气象因素关系 魏小锋等分析了济南市重污染天气的颗粒物化学组分特征指出、质量浓度及百分占比与颗粒物质量浓度同步增加二次无机离子和二次有机碳是导致重污染的主因 等、等研究得出机动车尾气、燃煤和二次污染是济南地区大气颗粒物的主要来源 大气污染具有区域性不仅受本地污染排放影响还在一定程度上受区域传输的影响以往研究在分析济南市区域间污染传输影响时仅简单基于局地观测的风速风向等缺乏评估污染物外来传输源区有效手段 因此本研究利用相关性分析、后向轨迹聚类和潜在源区贡献等方法结合 年冬季的污染物监测数据以及美国国家环境预报中心()全球再分析资料研究济南市冬季大气污染特征、与气象因子关系、主要气团传输路径识别出对冬季大气污染贡献突出的潜在污染源区以期为济南市大气污染防治提供科学依据 资料与方法.资料来源空气质量分析所用数据采用从山东省济南生态环境监测中心获得的 年冬季(月、月和 月)空气站(个国控、个省控、个区县见表)监测结果监测设备为美国 颗粒物(、.)监测仪美国 气态污染物(、)监测仪时间分辨率为 后向轨迹气象资料采用 提供的全球资料同化系统()数据通过:/./网站获得表 济南市空气站点分布情况 序号站点区县点位属性序号站点区县点位属性机床二厂槐荫区国控点位淮海御墅平阴县区县点位农科所槐荫区国控点位平阴城区平阴县区县点位济阳城区济阳区区县点位商河城区商河县区县点位济阳区政府济阳区区县点位油区管委会商河县区县点位建工学院历城区省控点位科干所市中区国控点位省种子仓库历城区国控点位山东鲁能市中区省控点位山 东 科 学 年表(续)序号站点区县点位属性序号站点区县点位属性东城逸家小学历下区省控点位北园社区天桥区省控点位开发区历下区国控点位济南四建天桥区国控点位经济学院历下区省控点位东山小学章丘区区县点位泉城广场历下区省控点位章丘开发区章丘区区县点位商职学院历下区省控点位长清大学城长清区省控点位市监测站历下区国控点位长清党校长清区国控点位.分析方法.后向轨迹及聚类分析后向轨迹使用美国国家海洋和大气管理局()共同研发的 模型开展气团来源和轨迹变化分析 选取济南市监测站(.)为起始点逐小时模拟结合大气污染物(、.、)的大气化学寿命计算时长 高度设为 利用基于 模型的 软件建立污染轨迹区域网格网格大小设置为.采用角距离分类算法作为聚类分析的方法.潜在源区贡献法和浓度权重轨迹分析法潜在源区贡献法()是一种通过条件概率函数为基本理论来识别可能污染源位置的方法该方法将气团轨迹与污染物浓度结合通过在研究区域构建一定分辨率的网格()利用设置浓度阈值对超过阈值的轨迹定义为污染轨迹可以一定程度识别污染源区对受体污染贡献 浓度权重轨迹分析法()则是一种定量计算潜在源区气团轨迹权重浓度的方法突破了 不能区分相同网络对受体点影响程度的缺点可以分析出不同轨迹和潜在污染源区的污染程度 结果与分析.冬季大气污染物浓度变化特征 年冬季济南市、.、(臭氧最大 平均)质量浓度平均值分别、.、/其中、.、的质量浓度分别超过国家二级标准的.、.、.倍其他污染物未超标轻度污染以上天数为 占总天数的.大气污染严重 如图 所示 年冬季环境空气首要污染为颗粒物和 其中 和.分别占.和.污染天数逐年下降污染天数逐年上升这是因为伴随济南钢铁集团搬迁、煤改气/电等大气污染整治措施的持续开展济南市产业结构产生变化导致 年济南市、.、的质量浓度月均值呈 型变化(图)表现为夏季浓度较低冬季浓度较高质量浓度在春季也较高与邱粲研究结果相同这是因为一方面济南市冬季属采暖季本地燃煤排放量增大另一方面逆温和静稳等不利气象条件频发污染物易于累积 质量浓度则呈现出相反的月变化特征这是由于 的产生与太阳光照强度、气温等因素有关冬季太阳辐射较弱气温低抑制了光化学反应 经计算 年济南市冬季.质量浓度平均值对.质量浓度年均值的贡献为.使得年均值增加./将 年济南市冬季污染物小时质量浓度进行统计(图)发现、.、质量浓度日变化整体呈双峰型分布:呈现质量浓度上升然后逐渐下降至:达到最低值随后逐步上升日变化特征主要原因是大气层结变化和人为活动 冬季日出前气温较低大气层结较为稳定易出现逆温边界层高度较低污染物质量浓度偏高随着气温缓慢回升空气对流加快边界层高度增加污染第 期王治非等:济南市冬季大气污染时空分布特征及潜在污染源区分析物质量浓度开始下降在:左右出现低值随后伴随上班交通早高峰人为源排放增多污染物质量浓度在:左右达到第一个峰值接着大气持续回温大气对流和湍流活动增强扩散条件好转导致污染物质量浓度逐渐下降:开始由于下班交通晚高峰到来气温逐步下降边界层高度降低污染物质量浓度逐步升高 质量浓度日变化与其他污染物为负相关呈单峰分布:质量浓度持续较高最高值出现在:左右与之前研究结果相同 此外 年冬季 质量浓度(/)明显高于、年(、/)这是因为在 年起济南市逐步开展了“煤改气/电”、“煤炭清洁利用”和“电厂深度治理”等煤炭管控措施使得 质量浓度逐年下降明显 由于 年 月 日起济南市正式实施济南市禁止燃放烟花爆竹的规定 年春节期间(月 日)比 年(月 日)、年(月 日 月 日)污染物质量有所降低图 年冬季首要污染物分布情况.图 年六项主要空气污染物平均质量浓度月变化特征曲线.图 年济南市冬季污染物时序变化.统计研究期间济南市各区县污染物质量浓度均值(表)各项污染物质量浓度呈现不同的分布特征空间分布为天桥区、槐荫区及平阴县 质量浓度较高这可能是研究期间天桥区、槐荫区及平阴县辖区内建筑工地、道路密集施工有关.质量浓度分布整体与 相似其中平阴县.最高为 /这与当地碳素产业园区和钢铁企业等排放较大的产业布局有很大关系 则是商河县、济阳区质量浓度较高冬季多以燃煤取暖方式散煤燃烧导致 较高 和 分布较为一致为济阳区、天桥区和槐荫山 东 科 学 年区质量浓度较高这可能是由于济南西部人口较为密集交通流量大也与电力、热力供应分布特征有关受“滴定作用”影响空间分布与 相反呈“西低东高”趋势表 济南市各区县 年冬季各项污染物质量浓度均值 区县()/()(.)/()()/()()/()()/()()/()槐荫区.济阳区.历城区.历下区.平阴县.商河县.市中区.天桥区.章丘区.长清区.污染期各污染物质量浓度、气象因素的相关性分析图 为研究期间各项污染物质量浓度及气象因子之间相关性分析结果表明:()、(.)相关性好相关系数高达.()与()、()、(.)为正相关性相关系数均在.以上具有一定的同源性 主要源自燃料的不完全燃烧主要来源于机动车尾气及工业生产推断交通源、工业燃烧源、燃煤是颗粒物的主要来源丁淑琴等的研究结果相似 与其他污染物相关性最弱主要来自燃煤源与其他污染物均呈负相关且与 相关性最强这是由于 是二次污染物为其主要前体物之一图 研究期间各项污染物及气象因子之间相关性.第 期王治非等:济南市冬季大气污染时空分布特征及潜在污染源区分析 相对湿度、风速风向及温度等气象因子对空气质量有较为明显的影响 由图 可见相对湿度()与 呈负相关无明显相关性与其他污染物均呈正相关相对湿度对大气中物理化学反应产生影响使得颗粒物吸湿增长导致颗粒物等污染物的累积 风速()与 正相关与其他污染物负相关风速主要通过污染物的水平传输和稀释扩散影响空气质量风速增大到一定程度后有利于大气污染物浓度下降而济南市冬季风速对 前体物混合作用大于扩散稀释作用呈现弱正相关 温度与 呈显著正相关与其他污染物相关性较弱因为气温是光化学反应的重要影响因素温度较高时有利于 的产生.后项轨迹聚类分析分析 年济南市冬季逐小时气团后向轨迹聚类分析结果及对应污染物小时平均质量浓度(表)冬季的气团输送分为偏南、西北、偏北和偏东 个方向分别占.、.、.和.其中偏南方向途径江苏、安徽、河南三省交界处经过山东南部此类气团虽然占比较低但污染物平均质量浓度较高路径最短对应风速最小气团移动速度较慢容易将沿途污染物传输至济南而难以扩散导致污染积累西北气团途径相对湿度最低途径区域(山西、河北南部)重工业较为发达()平均值较高对济南市影响较为明显 偏北气团源自蒙古途径内蒙古、河北、北京、天津等地占比最高风速最大常伴随冷空气南下传输距离较长扩散条件较好(.)/()最低说明气团影响下颗粒物中粗离子占比较大各污染物平均质量浓度最低 偏东气团由河北东部途径渤海海域经过山东东北部潍坊、淄博等地抵达济南由于经过海洋洋面湿度最大有利于污染物二次生成(.)/()最高各项污染物平均质量浓度最高综合分析偏南和偏东气团因沿途区域人口密集、污染排放较重相对湿度大、风速较小各项污染物平均质量浓度相对较高成为影响济南市冬季大气污染的主要输送路径 西北、偏北气团占比较高但因移动速度快湿度较小常伴随冷空气影响对应污染物平均质量浓度较低表 各类轨迹区域特征及对应污染物平均质量浓度 聚类途径区域方向占比/()/()(.)/()()/()()/()()/()()/()(.)/()风速/()相对湿度/山东西南部、安徽北部、江苏西北部及河南东北部偏南.蒙古、山西、河北南部、山东西部西北.蒙古、河北、北京、天津、山东北部偏北.河北东部、渤海、山东东部偏东.污染物潜在源区及污染权重分析为识别济南市冬季大气污染物、.、潜在源区分布状况(、.阈值质量浓度为国家二级日均质量浓度限值、/、质量浓度阈值为对应时段平均质量浓度、/和./)通过 法计算表明济南市冬季、.潜在源区分布位置和形态极为相似 高值区(.)主要分布在山东东部及南部、江苏北部、安徽北部、河南东部和湖北部分地区这些潜在源区气团主要通过聚类 和 轨迹到达济南此外山东北部、河北南部、河南西部及山西陕西蒙古狭长地带等部分地区 值较高在.之间、潜在源区分布特征则有不同的污染潜在贡献较高区域呈东西两侧分布主要为山东的中东部、河北南部、河南北部及山西省、潜在源区多以区域团状分布污染潜在贡献较高区域主要分布在山东、河北南部、河南北部及山西中部等其中济南本地及东山 东 科 学 年部区域淄博、潍坊、滨州等地污染贡献明显(值.以上)总体来看相比气态污染物颗粒物潜在贡献源区分布广泛贡献高值区范围大侧面反映济南市冬季颗粒物污染主要为区域性污染 济南市本地及临近城市尤其是东部区域对济南市污染贡献较高运用 分析法进一步量化污染网格对受体区域济南市的污染程度 结果表明:研究期间各项污染物 值较高且贡献区域较为集中主要分布在山东本地及其周边区域(河北南部、河南省、江苏北部、安徽北部及山西中部等)临近城市(如淄博、泰安、滨州、潍坊等地)存在 极大值区贡献值多超过国家二级空气质量标准相对而言京津冀地区贡献值偏低 此外 值较高地区多位于聚类 和 轨迹途径区域可见短距离传输的 值要高于长距离传输综上所述 分析结果与 分析结果基本一致济南地区大气污染物主要受本地及周边区域影响主要潜在源区分布在山东本地如淄博、泰安、滨州、潍坊及其周边的河南、河北南部、安徽北部、江苏北部、山西中部等地 郭蒙蒙等、邱坚等分别研究了郑州市、镇江市.污染潜在源区结果显示济南市也是其他地区大气污染潜在源区之一 因此大气污染呈现跨区域交叉污染特征应建立区域联防机制统筹研究解决区域大气环境污染突出问题空气质量才能够有效改善 结论与讨论()年冬季济南市环境空气首要污染为颗粒物和 其中、.占首要污染物的.和.冬季.质量浓度平均值对.的质量浓度年均值的贡献为.高质量浓度.促使年均值增加./研究期间()/()为.()/()为.表明相对于点源济南市交通源对大气污染贡献较大 各项污染物空间分布呈现出不同特点与济南市各区县人口、交通、产业结构有关()研究期间、.的质量浓度均为正相关性相关系数均在.以上推断交通源、工业燃烧源、燃煤是颗粒物的主要来源六项污染物与相对湿度、风速及温度呈现一定相关性且 与其他污染物相关性不同()通过后项轨迹聚类分析表明济南市冬季的气团输送分为偏南、西北、偏北和偏东 个方向分别占.、.、.和.偏南和偏东气团虽然占比较低但因沿途区域人口密集、污染排放较重对应相对湿度大、风速较小各项污染物平均质量浓度相对较高成为影响济南市冬季大气污染主要输送路径 西北、偏北气团占比较高但因移动速度快湿度较小常伴随冷空气影响对应污染物平均质量浓度较低()潜在源区贡献及质量浓度权重结果表明 分析结果与 分析结果基本一致济南地区大气污染物主要受本地及周边区域影响 当前大气污染呈现跨区域交叉污染特征应建立区域联防机制统筹研究解决区域大气环境污染突出问题空气质量才能够有效改善参考文献:.:.(:):.:./.:.():.:././:.:./.吴兑.近十年中国灰霾天气研究综述.环境科学学报 ():.:./.:第 期王治非等:济南市冬季大气污染时空分布特征及潜在污染源区分析.:.:./.沈劲 陈多宏 汪宇 等.基于情景分析的珠三角臭氧与前体物排放关系研究.生态环境学报 ():.:./.:.:.:./.邱粲 曹洁 王静 等.济南市空气质量状况与气象条件关系分析.中国环境监测 ():.:./.张亚茹 陈永金 郭庆春 等.济南市大气污染物时空变化及预测分析.环境工程 ():.:./.魏小锋 刘光辉 闫学军 等.济南市冬季大气重污染过程.数浓度谱和组分分布特征.生态环境学报 ():.:./.:.():.:./.:.:./.苏彬彬 许椐洋 张若宇 等.区域传输对华东森林及高山背景点位大气污染物浓度的影响.环境科学 ():.:./.():.:./.邱坚 霍玉玲 万学平 等.镇江市四季.污染特征与潜在源区分析.环境工程 ():.:./.王治非.济南市能见度与大气污染物的关系研究.济南:山东大学:.丁淑琴 吴家平 万学平 等.常熟市秋冬季典型大气重污染过程中.及其主要化学组分分析.环境工程():.:./.郭雯雯 陈永金 刘阁 等.年长江中游城市群空气质量时空变化特征及影响因素分析.生态环境学报():.:./.:.():.:./.()():.:./.郭蒙蒙 姜楠 王申博 等.郑州市 年大气污染特征及气象条件影响分析.环境科学 ():.:./.