2015-2020年湖北省PM_(2.5)和臭氧复合污染特征演变分析

为揭示湖北省PM_(2.5)和臭氧(O_(3))复合污染演变特征,基于湖北省17个地市的空气质量国控点和武汉市大气超级站组分监测数据,全面分析湖北省17个地市2015—2020年PM_(2.5)和O_(3)的时空变化特征及相关关系,探讨PM_(2.5)和O_(3)协同效应的成因机理.结果表明:①2015—2020年,湖北省PM_(2.5)显著改善,平均降幅为4.7μg/(m^(3)·a),但冬季负荷仍较高,主要集中于中部地区;O_(3)污染凸显,平均增幅为3.8μg/(m^(3)·a),污染集中在4—10月的暖季,东部地区最严重,近两年超标天数已与PM_(2.5)相当.②湖北省PM_(2.5)和O_(3)关联日趋密切,协同效应显著,日评价指标显示夏季二者呈显著正相关(相关系数为0.57),近两年当PM_(2.5)浓度≤50μg/m^(3)时,相关系数高达0.63;冬季PM_(2.5)浓度与Ox(O_(3)+NO_(2))浓度呈正相关,尤其2020年东部城市二者相关性高达0.46,显示大气氧化性对PM_(2.5)二次污染的重要性.③以武汉市为例,归纳PM_(2.5)和O_(3)复合污染的成因,暖季低PM_(2.5)背景下,高温、中等湿度和弱风速的气象条件以及VOCs和NO_(x)等前体物的高浓度排放,使得受VOCs主控的光化学反应加剧,易造成O_(3)污染,从而加强PM_(2.5)二次生成;冬季高的大气氧化性,叠加不利气象条件,促进颗粒物的二次生成,导致重污染时PM_(2.5)组分以硝酸盐等二次无机组分为主.研究显示,湖北省PM_(2.5)和O_(3)协同控制重点为,在保持现有NO_(x)控制力度基础上强化VOCs控制,遏制暖季和东部区域O_(3)浓度上升,加强冬季和中部PM_(2.5)治理.

基于PMF的武汉市大气细颗粒物消光来源解析

利用武汉2020年7月(夏季)和10月(秋季)的在线观测数据,同时将颗粒物的光学参数和化学组分数据输入正定矩阵因子分解(PMF)源解析模型,对PM2.5消光系数的源贡献进行定量解析.研究发现,对吸收系数贡献较大的源为机动车(66.3%)和工业源(14.2%),对散射系数贡献较大的源为以硝酸盐为主的二次无机盐Ⅰ(38.4%)和机动车(27.0%),光散射的源贡献率呈现出明显的季节变化,二次无机盐Ⅰ在夏季(14.6%)的贡献较秋季(47.4%)显著降低.消光系数源贡献方面,夏季机动车(37.2%)和以硫酸盐为主的二次无机盐Ⅱ(21.2%)对消光的贡献较大,而秋季主要的消光源为二次无机盐Ⅰ(44.7%)和机动车(26.7%).最后,还获取了几个重要源的波长吸收指数(AAE)值:机动车(0.96)、工业源(1.04)、扬尘(1.39)、生物质燃烧(2.24).

机动车禁行区街区尺度污染物时空分布——基于自行车车载走航

以武汉第七届世界军人运动会期间为研究时段,以机动车辆管控的东湖风景区为研究区域,开展基于自行车车载走航形式的大气污染物浓度实时观测,填补该区域空气质量监测数据空白,为管控措施的效果评估和街区尺度健康风险评估提供精细数据.结果表明,走航观测所测得的ρ(CO)、ρ(NO_(2))、ρ(PM2.5)和ρ(O_(3))平均值均高于监测站点,平均超过2.1倍.管控期机动车禁行区ρ(CO)、ρ(BC)、ρ(NO_(2))、ρ(PM_(2.5))和ρ(O_(3))的平均值分别为0.97mg/m^(3),5.6μg/m^(3),57.8μg/m^(3),76.3μg/m^(3)和208.3μg/m^(3),非禁行区分别为1.1mg/m^(3),4.7μg/m^(3),60.9μg/m^(3),72.2μg/m^(3)和197.7μg/m^(3).车群行驶缓慢的地方如路口和信号灯处容易出现高值,ρ(BC)、ρ(CO)、ρ(O_(3))和ρ(PM2.5)可分别高达20.1μg/m^(3),1.8mg/m^(3),282.9μg/m^(3)和106.3μg/m^(3).对应时间省控站点所测得的ρ(CO)、ρ(O_(3))和ρ(PM_(2.5))分别为0.73mg/m^(3),128.0μg/m^(3)和31.0μg/m^(3),明显低估街区尺度上人群污染物暴露浓度.基于TPRS法计算背景浓度,发现管控期CO、NO_(2)、PM1、PM2.5、PM10、O_(3)和BC的背景浓度占比分别为75.9%,63.2%,77.6%,77.5%,78.8%,80.7%和37.4%,在管控后均有所上升.

武汉地区疫情管控期间空气质量变化及改善措施研究

2020年1月23日起,武汉地区施行了严格的交通管控措施,对当地的人为活动产生了重大影响。本文基于地面监测站网和卫星遥感分析了管控期间武汉地区的主要大气成分的变化,并研究了人为排放下降对O3和细颗粒物(PM2.5)污染的影响。研究发现,由于管控期间施行机动车禁行政策,武汉地区的NO2浓度与2019年同期相比下降53.2%,挥发性有机物(VOCs)下降了25.1%;与NO2和VOCs的显著下降不同,O3日最大8小时滑动平均第90百分位浓度平均值与去年同期相比上升16.5%,尤其是2月温度同比增高超过5℃,紫外辐射增长超过100%,O3浓度显著高于去年同期,说明应基于O3前体物NOx和VOCs活性种类的非线性定量关系加强协同减排;同时,管控期间PM2.5浓度与去年同期相比下降了35.6%,但是PM2.5浓度低值主要集中在风速较大、扩散较好的2月,其他时段PM2.5浓度下降并不明显;值得注意的是,与2月的显著下降不同,3月硝酸盐的浓度同比变化不大,说明导致NOx转化为硝酸盐的大气氧化能力并未受到较大削减,武汉地区颗粒物减排应基于颗粒物不同组分的形成机理,加强颗粒物一次排放源和关键前体物控制。

排放和气象对疫情前后武汉不同类型点位大气污染物的影响

采用随机森林算法剥离了排放和气象对6种大气污染物(SO_(2)、 NO_(2)、 CO、 PM_(10)、 PM_(2.5)和O_(3))浓度的贡献,识别了疫情前后武汉市中心城区、郊区、工业区、三环线交通点和城市背景点这5种类型点位的大气污染物浓度变化.结果表明,与管控前相比,管控期间PM_(2.5)/CO、 PM_(10)/CO和NO_(2)/CO分别减小了10.8~21.7、 9.34~24.7和14.4~22.1倍,表明排放对PM_(2.5)、 PM_(10)和NO_(2)贡献减小;O_(3)/CO增加了50.1~61.5倍,表明二次生成增加明显.解除管控后排放对各类污染物的贡献均增加.管控期间,受一些不可间断工序的运行影响,工业区PM_(2.5)降幅最小(20.5%).与管控期间相比,解除管控后居民生活、交通出行和工业生产等基本恢复,使5种类型站点PM_(2.5)排放贡献量的降低值减小.管控期间O_(3)排放贡献量的升高与NO和颗粒物浓度降低有关,O_(3)升高部分抵消了NO_(2)和PM_(2.5)浓度降低带来的空气质量改善效果.解除管控后郊区和城市背景点气象贡献的ρ(O_(3))分别升高了16.2μg·m^(-3)和16.1μg·m^(-3),与气温升高和相对湿度降低有关.三环线交通点和中心城区交通、工业减排导致的PM_(2.5)浓度降低及O_(3)浓度增加,可为当前开展分区域PM_(2.5)和O_(3)协同精准管控提供参考.

武汉军运会前后臭氧及其前体物的特征和来源

利用湖北省超级站2019年10~11月的臭氧、NO_(x)(=NO+NO_(2))和102种VOCs物质的小时数据分析了军运会期间臭氧污染变化;基于DSMACC箱型模式模拟不同VOCs和NO_(x)浓度下臭氧的光化学生成敏感性;采用PMF模型对前体物VOCs进行源解析,并估算不同源类的臭氧生成潜势.结果显示,军运会保障前臭氧日最大8小时浓度(最大MDA8:219.51μg/m^(3))超过国家二级标准,保障期臭氧MDA8浓度(135.11μg/m^(3))明显下降,保障后浓度回升(140.98μg/m^(3)).军运会保障前中期臭氧浓度的差异受气象条件影响更明显,而保障后臭氧浓度的上升主要是因为前体物浓度的大幅增加.根据DSMACC模拟的EKMA曲线,武汉市军运会期间臭氧的光化学生成主要受VOCs浓度变化的影响.进一步对VOCs进行源解析,结果显示,保障前VOCs对臭氧生成贡献较大的源类是燃烧源、石油化工和机动车,分别占23.0%、22.8%和22.5%;保障期间VOCs的主要来源是机动车(38.4%)和燃烧源(25.5%);保障后则主要是石油化工(32.6%)和燃料挥发(25.7%).三个阶段对比发现,军运会的保障方案对石油化工源减排效果明显,但对机动车和燃烧源排放的限制效果并不显著.武汉市应该更注重对燃烧、燃料挥发和机动车排放的治理.

地壳元素铁的吸光贡献对黑碳吸光增强估算的影响——以武汉为例

传统方法使用固定的波长吸收指数来估算地壳元素或棕碳吸光,但该方法只能处理仅存在两种组分的情形(黑碳/棕碳,或黑碳/地壳元素)的吸光贡献,存在较大不确定性.为此,本文提出一种新的方法,利用武汉在线观测数据(2021年2、3、8、9月),采用铁作为地壳元素的示踪物,利用最小相关系数法(MRS)得出地壳元素的吸光贡献,在扣除地壳元素吸光之后,再得到黑碳吸光增强系数(E_(abs)).结果显示观测期间370nm波段地壳元素吸光贡献均值为12.3%,月均值范围5.7%~15.5%,且波长吸收指数与铁的浓度正相关,表明地壳元素吸光贡献不可忽视.地壳元素吸光贡献呈现出显著的季节特征,呈现出冬季低,春季高的特点.地壳元素吸光的分离前后计算的E_(abs)存在一定的差异,受到了黑碳和铁的相关性的影响.观测期间扣除地壳元素吸光后,E_(abs)均值为1.43±0.53,在季节性上呈现春夏高,秋冬低的特性,春季较高E_(abs)值与春季黑碳较高的老化程度有关.E_(abs)对无机盐和有机物的含量存在正的依赖关系,证明了这些包裹物质对吸光增强的影响.

典型工业过程一次颗粒物实时排放特征

工业过程是我国大气颗粒物的主要来源之一。为满足当前高精度排放清单的构建,亟需对其污染物排放质量浓度的动态变化和排放因子开展实测。基于稀释通道采样系统,对水泥生产、医药制造、玻璃制造、纺织(燃煤锅炉)和钢铁烧结5类典型工业过程颗粒物进行测试,获得可吸入颗粒物(PM_(10))、细颗粒物(PM_(2.5))、亚微米颗粒物(PM_(1.0))和黑碳(BC)的实时排放量,对PM_(1.0)/PM_(2.5),PM_(2.5)/PM_(10)和BC/PM_(2.5)(质量浓度比)的日变化进行分析,更新各类一次颗粒物的排放因子。上述5类典型工业过程的PM_(2.5)和BC平均日排放质量浓度分别为(1.60±1.13),(5.08±3.29),(0.14±0.12),(0.87±0.42)和(0.79±0.30) mg/m^(3),以及(24.03±16.40),(40.38±20.47),(2.59±1.64),(11.44±10.02)和(5.98±4.33)μg/m^(3),具有明显的日变化,高值时段分别为低值时段的1.16~2.53倍和1.57~2.40倍。这可能与不同时间段内燃料添加改变燃烧状态和污染控制设备效率波动有关,因此高时间分辨率污染物排放清单的构建需考虑这些日变化特征。水泥生产行业的BC/PM_(2.5)为清单编制技术手册中推荐值(0.002)的7.5倍,钢铁烧结行业为推荐值(0.001)的8.6倍,且其BC排放因子分别为0.11和0.02 mg/kg,远低于技术手册中的230和2.52 mg/kg,若以技术手册中推荐的BC排放系数建立排放清单会高估BC的排放量。制药、玻璃制造、纺织(燃煤锅炉)的BC/PM_(2.5)分别为(0.009 5±0.005 0),(0.030 3±0.026 9)和(0.010 2±0.008 0),BC排放因子分别为0.43,0.29和0.68 mg/kg,技术手册中并未给出BC参考排放系数。研究数据可为更新清单编制技术手册和建立BC排放清单提供实测数据支撑。

武汉军运会前后大气PM2.5化学组分和来源

基于第七届世界军人运动会前后武汉大气细颗粒物(PM_(2.5))及其化学组分的在线监测数据,分析了管控前、管控期和管控后PM_(2.5)的质量浓度和化学组分,并通过PMF结合后向轨迹的聚类分析和浓度权重轨迹开展来源解析.研究揭示了军运会前后武汉市PM_(2.5)对本地和周边区域管控措施的响应,可为PM_(2.5)的区域精准防控提供依据.在减排措施影响下,管控期间ρ(PM_(2.5))为(31.3±12.0)μg·m^(-3),比管控前降低14.7%;而二次组分有明显生成,其中硫酸盐、硝酸盐和铵盐(SNA)质量浓度升高25.6%.管控后由于湿度降低和西北气团的影响,SNA的质量浓度降低36.9%,矿质元素的质量浓度升高4.7倍.源解析表明管控前后机动车尾气的整体贡献率变化不显著(P<0.05).管控期工业排放和燃煤贡献分别较非管控期降低68.1%和43.7%,二次源贡献上升89.5%.由于并未针对机动车尾气采取大规模控制,管控期NO_(3)^(-)和NO_(x)的质量浓度分别升高了6.13μg·m^(-3)和3.56μg·m^(-3),机动车尾气的峰值[(10.9±3.67)μg·m^(-3)]出现在21:00,与管控期间货运车辆仅在夜间被允许通行有关.长江武汉段的禁航导致长江中下游航道船舶排放降低48.8%.长江安徽段附近存在开放源和工业排放的高值区域,反映了沿江密集分布的工业活动和道路运输.管控后开放源贡献量升高6.6倍,源区主要分布在襄阳和荆门.

武汉冬季大气 PM_(2.5)小时分辨率源贡献识别及潜在影响域分析

冬季是我国大气细颗粒物(PM_(2.5))污染较为严重的时段,武汉市PM_(2.5)受到明显的区域传输影响.本研究基于小时分辨率PM_(2.5)组分观测数据,采用受体模型,解析武汉冬季大气PM_(2.5)各类源的实时贡献.结合轨迹聚类和浓度权重,识别影响各类源的传输路径和潜在源区.武汉冬季大气平均ρ(PM_(2.5))为(75.1±29.2)μg·m^(-3).观测期间共有两次污染过程,第一次污染过程主要受西北方向气团影响,水溶性离子升高是PM_(2.5)呈现高值的主要原因,ρ(NH^(+)_(4))、ρ(NO^(-)_(3))和ρ(SO^(2-)_(4))分别是清洁时段的1.6、1.7和2.1倍;第二次污染过程则以正东方向气团为主,二次有机组分有明显的生成.对武汉冬季大气PM_(2.5)贡献最大的是二次源(34.1%),其次是机动车尾气(23.7%)、燃煤(11.5%)、道路尘(10.9%)、钢铁冶炼(8.7%)和烟花爆竹燃放(5.7%),贡献最小的是生物质燃烧(5.3%).钢铁冶炼贡献量的日变化最高值出现在08:00[(17.5±18.8)μg·m^(-3)],最低值出现在01:00[(10.4±10.9)μg·m^(-3)],呈现白天贡献量高和夜晚贡献量低的现象;机动车尾气的贡献量在上午09:00[(42.1±24.8)μg·m^(-3)]和晚上20:00[(41.6±19.5)μg·m^(-3)]出现明显峰值.第一次污染过程中,二次源贡献率明显升高,表明西北来向气团的长距离传输有利于二次组分的生成和老化;第二次污染过程中,机动车尾气、燃煤、钢铁冶炼和道路尘的贡献率升高,其源区主要分布在本地、江西西北部和安徽南部的长江沿线,反映出沿江密集分布的工业过程、工业原料和产品运输导致的尾气排放和运输扰动产生的道路尘等对于武汉市冬季大气PM_(2.5)的影响.生物质燃烧的源区主要集中在河南、安徽、江苏、河北南部和山西西南部,冬季华北平原地区生物质燃烧排放的污染物经区域传输会对武汉产生影响.本研究可为识别武汉市冬季大气颗粒物来源和区域联防联控提供参考.

武汉市夏季大气挥发性有机物实时组成及来源

利用在线监测仪器获取了武汉市2019年6~7月环境大气中102种挥发性有机物(VOCs)小时浓度数据.观测期间ρ(VOCs)范围为24.9~254μg·m^(-3),平均值为(67.7±32.2)μg·m^(-3).依据臭氧浓度标准,将观测期间划分为清洁日和污染日,对比分析清洁日和污染日气象条件、VOCs浓度、组成、臭氧生成潜势和来源差异.污染日NOx、CO和VOCs的平均值分别超出清洁日34.9%、25.0%和27.8%.污染日烷烃、烯烃、芳香烃和含氧VOCs分别比清洁日高40.7%、39.5%、26.9%和21.5%.污染日总臭氧生成潜势为(102±69.6)μg·m^(-3),超出清洁天33.5%.污染日液化石油气燃烧、工业排放、机动车排放、天然源和溶剂使用的平均贡献率分别比清洁日低3.4%、2.5%、0.2%、1.3%和1.4%,油气挥发源平均贡献率比清洁日高8.8%.机动车排放源和油气挥发源的日变化均呈现早晚高、午后低的特征,与早晚高峰排放有关;LPG燃烧的日变化与餐饮油烟排放变化一致.浓度权重轨迹表明武汉市污染日VOCs来源主要为本地排放和东北方向传输.O_(3)污染日,油气挥发源和LPG燃烧源应作为武汉市夏季O_(3)污染防控的重点.