武汉市大气NO2污染特征及影响因素分析

I 武汉市大气武汉市大气 NO2污染特征及影响因素分析污染特征及影响因素分析 The Analysis of NO2 Pollution Feature and Affecting Factors in Wuhan 目录目录 摘摘 要要 I 关键词 关键词 I 1 1 引引 言言 1 2 2 资料来源及处理方法资料来源及处理方法 1 2 12 1 资料来源资料来源 1 2 22 2 资料处理方法资料处理方法 1 3 3 武汉市大气武汉市大气 NO2污染特征及影响因素污染特征及影响因素 2 3 13 1 大气大气 NO2污染年际变化及其影响因素污染年际变化及其影响因素 2 3 1 1 污染特征 2 3 1 2 影响因素 3 3 23 2 大气大气 NO2污染月 季变化及其影响因素污染月 季变化及其影响因素 4 3 2 1 大气 NO2污染月变化情况 4 3 2 2 大气 NO2污染季变化情况 5 3 2 3 影响因素 6 3 33 3 大气大气 NO2污染逐日变化及其影响因素污染逐日变化及其影响因素 6 3 3 1 大气 NO2污染逐日变化情况 6 3 3 2 影响因素分析 7 3 3 2 1 降水对大气中 NO2浓度的影响 7 3 3 2 2 风速对大气中 NO2浓度的影响 8 4 4 结论结论 9 参考文献参考文献 10 致致谢谢 12 I 摘摘 要要 NO2作为导致城市大气环境污染的重要根源 对人类乃至整个生物圈都有极大 危害 本文通过对 2005 2011 年武汉市环境空气质量资料做统计分析 评价了近几 年来武汉市区的大气 NO2污染状况 并分析了武汉市大气污染的主要特征及其影 响因素 总体来说 2005 2011 年 武汉市区大气 NO2绝对浓度呈缓慢上升趋势 但是市区大气 NO2浓度相对于武汉市 GDP 有所下降 空气质量呈良性发展趋势 十二五 期间 NO2总量减排 10 的目标有望达成 武汉市区大气 NO2污染具有 明显的月 季变化 一年之中 以夏季大气 NO2浓度最低 冬季最高 各月中以 7 8 月大气 NO2浓度最低 11 月和 12 月最高 武汉市大气 NO2污染物的分布规 律是气象条件和污染源排放综合作用的结果 其环境空气污染特征正在由煤烟型污 染向煤烟 机动车尾气混合型污染过渡 呈现典型的复合型污染特征 影响武汉市 大气污染的主要因素是工业污染 能源结构 机动车尾气污染 气象因素 风速 降水量等 关键词关键词 武汉市 NO2 污染特征 影响因素 I Abstract The nitrogen oxide one of the important pollutants that leads to the urban atmospheric environment pollution poses great harm to human beings and the whole biosphere In this paper based on the statistical analysis of ambient air quality data from 2005 to 2011 in Wuhan City the urban atmospheric pollution for recent years was evaluated The feature of atmospheric pollution and affecting factors were analyzed In general from 2005 to 2011 the urban NO2 concentration is slightly increasing in Wuhan However with respect to the Wuhan s GDP the concentration is decreasing The ambient air quality tends to benign development During the Twelfth Five Year Plan the mission that cut 10 of NO2 concentration is expected to be realized In Wuhan urban air NO2 pollution shows the obvious monthly and seasonally variations In summer atmospheric concentration of NO2 is the lowest in winter is the highest During July and August atmospheric NO2 gas concentration exhibits the minimum values and peak concentration appears during November and December In Wuhan weather conditions and pollution emission affect atmospheric NO2 concentration The environmental air pollution is transiting from the MeiYanXing pollution to mixed soot the motor vehicle exhaust pollution It presents the typical complex pollution characteristics The main factors that affect air pollution in Wuhan include industrial pollution energy structure the motor vehicle exhaust pollution and meteorological factors wind speed precipitation etc And according to the corresponding pollution characters and influence factors some suggestions were proposed Key words Wuhan Nitrogen Oxide pollution feature influencing factors 武汉市大气 NO2污染特征及影响因素分析 1 1 引引 言言 NO2是主要的大气物质之一 本来就存在于环境中 但当其在大气中的浓度超 过一定值时就成为了一种污染 对人类乃至整个生物圈都有极大危害 雪英和李战 隆 1995 环境中的NO2来源于天然排放和人为活动排放 天然排放的NO2 主要 来自土壤和海洋中有机物的分解 属于自然界的氮循环过程 何息忠 1996 人 为活动排放的NO2 大部分来自化石燃料的燃烧过程 如汽车 飞机 内燃机及工 业窑炉的燃烧过程 也来自于生产和使用硝酸的过程 如氮肥厂 有机中间体厂 有色及黑色金属冶炼厂等 据统计 全世界由于自然界细菌作用生成的NO2每年约 为50 107 t 人类活动所产生的NO2每年约为5 107 t 田贺忠等 2001 NO2是形成光化学烟雾的重要原因 光化学烟雾可以刺激人和动物的呼吸系统 和眼睛 损伤植物的茎叶 Bobbink R 2001 NO2可以造成酸沉降形成酸雨 同 时 NO2会破坏臭氧层 致使过量的太阳紫外线到达地球 钟政林等 2006 随 着经济和城市化不断发展 大气NO2污染已成为全球最为关注的环境问题之一 国 家环境保护总局污染控制司 2000 目前国内外城市环境研究中 多是针对短期数据 非连续观测数据 对于长期 变化趋势探讨较少 最近有文献通过检测站数据分析了长期变化趋势 发现了大气 NO2污染特征及其相关的影响因素 但有关武汉市的分析研究较少 本文对2005 2011年武汉市9个监测站的NO2污染指数 API 进行了分析 以找出武汉市大气NO2 污染特征及其影响因素 更长远的目标是为制定治理武汉市城市污染政策和法规提 供科学依据 2 资料来源及处理方法资料来源及处理方法 2 1 资料来源资料来源 环境空气质量资料 武汉市环境监测中心提供的2005 2011年武汉市沌口新区 吴家山 汉阳月湖 汉口花桥 青山钢花 东湖梨园 武昌紫阳 东湖高新 汉口 江滩共九区9个监测站的NO2污染指数 API 气象资料 由中国气象科学数据共享网 中国地面国际交换站气候资料日值数 据集 提供的2005 2011年武汉常规气象观测资料 2 2 资料处理方法资料处理方法 华中农业大学 2012 届本科毕业论文 2 根据 2005 2011 年武汉市空气质量监测结果 将用污染指数 API 表示的二氧化 氮 NO2 的污染情况转换为质量浓度值 转化方式按表 1 Bix Feng Y and Wu J 2007 进行线性插值 具体转换公式如下 徐媛婧和孙昊 2010 当某种污染物浓度Ci j Ci Ci j 1时 其污染分指数 Ii Ci Ci j Ci j 1 Ci j Ii j 1 Ii j Ii j 1 式中 Ii为第i种污染物的污染分指数 Ci为第i种污染物的浓度值 Ii j为第i种污 染物j转折点的污染分项指数值 Ii j 1为第i种污染物在j 1转折点的污染分项指数值 Ci j为第j转折点上i种污染物 对应于Ii j 的浓度值 Ci j 1为第j 1转折点上i种污染物 对应于Ii j 1 浓度值 各种污染参数的污染分指数中取最大者为该区域或城市的空 气污染指数API API max I1 I2 I3 Ii In 2 表表1 大气污染物污染指数与浓度的对应关系大气污染物污染指数与浓度的对应关系 Tab 1 Air Pollution Index API and Corresponding Mass Concentration NO2污染指 数 API 50100200300400500 日均浓度 mg m3 0 0800 1200 2800 5650 7500 940 3 武汉市大气武汉市大气 NO2污染特征及影响因素污染特征及影响因素 3 1 大气大气 NO2污染年际变化及其影响因素污染年际变化及其影响因素 3 1 1 污染特征污染特征 NO2空气质量二级标准值为0 04 mg m3 三级标准为0 08 mg m3 环境空气质量 标准GB3095 1996 2005 2011年武汉市NO2质量浓度年均值为0 051 mg m3 0 067 mg m3 年均增长率为4 6 均超过NO2环境空气质量二级标准 大气NO2浓度年 际变化情况如图1 武汉市大气 NO2污染特征及影响因素分析 3 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 2005年2006年2007年2008年2009年2010年2011年 浓度 mg m 3 年均值 二级标准 三级标准 图图1 2005 2011年武汉市年武汉市N02年均值年均值 Fig 1 Annual mean mass concentrations of N02 in Wuhan from 2005 to 2011 从年变化看 武汉市2005 2011年NO2浓度年均值在2008年前呈上升趋势 2008 年有所下滑 尔后浓度又增加 但是浓度增加速率明显减慢 即从整体上看大气 NO2浓度上升 但上升趋势不显著 3 1 2 影响因素影响因素 NO2的人为来源主要是燃料的燃烧 一般 2 3 来自汽车等流动源的排放 剩下 的 1 3 来自工业燃烧源和民用燃烧源 Fenn ME 2006 流动源以全市机动车辆 拥有数为主要指标 工业燃烧源和民用燃烧源以全市耗煤量为主要指标 武汉市机 动车辆拥有量逐年增加 2005 至 2009 年武汉市机动车辆拥有数分别为 65 3 70 3 75 9 81 9 90 8 万辆 中国交通年鉴 2005 2009 2005 至 2009 年 武汉市能源消费总量分别为 3078 6 3416 98 3787 49 4090 1 4221 1 万吨标准 煤 武汉市统计信息网 统计年鉴 2005 2009 能源消费逐年攀升 年均增长 9 1 华中农业大学 2012 届本科毕业论文 4 40 50 60 70 80 90 100 2005年2006年2007年2008年2009年 武汉市机动车辆拥有数 万辆 2000 2500 3000 3500 4000 4500 能源消耗量 万吨 年 武汉市机动车辆拥有数 万辆 武汉市能源消耗辆 标准煤万吨 图图2 2005 2009年武汉市机动车辆拥有数和能源消耗量年武汉市机动车辆拥有数和能源消耗量 Fig 2 2005 2009 Annual number of motor vehicle ownership and energy consumption in Wuhan from 2005 to 2011 图2反映了2005 2009年武汉市机动车辆拥有数和能源消耗的增加趋势 从图中 可以看出 2005 2009年武汉市机动车辆拥有数和能源消耗量大幅度提升 其中机 动车辆拥有数年增长率达16 以上 而能源消耗量年增长率达9 1 在机动车辆拥 有数和能源消耗持续显著增加的大前提下 NO2质量浓度上升趋势不明显 这可能 得益于近年武汉市出台的 碧水蓝天 工程 其中 蓝天 工程的工作重心在于紧抓汽 车尾气治理并逐步提高上路机动车辆尾气排放标准 加快燃煤锅炉改造等 从NO2 浓度年变化看 武汉市的大气污染控制治理措施取得了一定的成效 但是距大气环 境质量二级标准还有一定的差距 3 2 大气大气 NO2污染月 季变化及其影响因素污染月 季变化及其影响因素 3 2 1 大气大气 NO2污染月变化情况污染月变化情况 可根据武汉市 NO2日浓度求出 2005 2011 年武汉市 NO2月平均浓度 图 3 为 2005 2011 年 7 年间每月大气 NO2污染月变化情况 武汉市大气 NO2污染特征及影响因素分析 5 二级标准 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 1 0 12 0 14 0 16 1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月 11月 12月 时间 月 浓度 mg m 3 2005年 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 2011年 二级标准 图图3 2005 2011年武汉市年武汉市NO2浓度月平均值曲线浓度月平均值曲线 Fig 3 Monthly mean mass concentrations of N02 in Wuhan from 2005 to 2011 从图 3 所示的污染物月均值可见 2005 至 2011 年 7 年间 1 9 月份 NO2月均 质量浓度均达到了月二级标准 而 10 12 月这段时间中 2006 年 12 月 2007 年 11 月 2009 年 10 月和 11 月 2010 年 11 月和 12 月这几个月份超过了二级标准 总 的来说 NO2质量浓度 11 12 月份最高 7 8 月份 NO2质量浓度最低 3 2 2 大气大气 NO2污染季变化情况污染季变化情况 为了便于分析研究 根据武汉市的气候特征 将春季定为3 5月 夏季定为6 8 月 秋季定为9 11月份 冬季定为当年12月至来年2月 图4给出了2005 2011年各 个季节武汉市NO2浓度的季平均值 从图4可以得出结论 四个季节中 武汉市大 气NO2质量浓度秋冬两季最高 春季较低 夏季最低 华中农业大学 2012 届本科毕业论文 6 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 1 2005年2006年2007年2008年2009年2010年2011年 浓度 mg m 3 春 夏 秋 冬 图图4 2005 2011年武汉市年武汉市NO2浓度季度平均值曲线浓度季度平均值曲线 Fig 4 Quarterly mean mass concentrations of N02 in Wuhan from 2005 to 2011 3 2 3 影响因素影响因素 这种季节性的空气污染变化主要是由武汉市大气层稳定度和降水的季节性变化 所造成的 武汉市夏季大气对流发展强烈 多降雨过程 张意林等 2008 这种 气候特征利于NO2污染物的扩散和湿沉降作用 因此NO2浓度最小 而冬季由于大 气层结较稳定且降雨较少 不利于与NO2的扩散和沉降 因此NO2浓度最高 NO2 秋季稍多 这与郊区大量焚烧秸秆有关 薛志钢等 2003 3 3 大气大气 NO2污染逐日变化及其影响因素污染逐日变化及其影响因素 3 3 1 大气大气 NO2污染逐日变化情况污染逐日变化情况 图 4 为 2005 2011 年武汉市 NO2日平均浓度变化曲线 从中可看出武汉市大气 NO2污染逐日变化情况 从日平均浓度变化曲线可看出 2005 2011 年武汉市 N02 浓度最小 最大值分别为 0 0152 mg m3 0 408mg m3 最大值是最小值的 26 8 倍 其中的重污染现象主要受气象因素的影响 因为污染源不会在 1 天内突然增加或者 消失 在 2009 年 11 月 23 日 NO2浓度达到 0 408 mg m3 API 指数为 121 这与当 日的低温 弱太阳辐射及高大气稳定度有关 7 年间 N02日平均浓度超标率略有 增加 但增大趋势不明显 武汉市大气 NO2污染特征及影响因素分析 7 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 0 45 2005年1月1日2006年1月1日2007年1月1日2008年1月1日2009年1月1日2010年1月1日2011年1月1日 浓度 mg m 3 武汉市NO2浓度日变化 浓度 mg m3 二级标准 2 图图4 2005 2011年武汉市年武汉市NO2日平均浓度变化曲线日平均浓度变化曲线 Fig 4 Daily mean mass concentrations of N02 in Wuhan from 2007 to 2011 3 3 2 影响因素分析影响因素分析 不同的年份 季度 月份武汉市 NO2浓度不同 又呈现出一定的变化趋势 但是同季度 月份 NO2日平均浓度亦完全不相同 气象条件的好坏对 NO2日平均 浓度有十分重要的影响 气象因素中对大气 NO2浓度影响最大的为降水量 风速 等 蒋维楣 2003 3 3 2 1 降水对大气中降水对大气中 NO2浓度的影响浓度的影响 NO2溶于水生成HNO3和HNO2 并随雨滴沉降到地面 因而降水对清除大气中 NO2污染起着重要作用 蒋维楣等 2004 首先 降水影响污染物浓度的季节性 变化 武汉市的降水量季节分布不均匀 在2005 2011年7年间 降水量以夏季最多 平均为为397 6 mm 冬季最少为263 3 mm 春 秋季分别为331 8 mm 295 3 mm 1905 1994年武汉市降雨量平均资料也显示 夏季降雨量最多 春秋季次之 冬季降雨量最少 张意林等 2008 即夏季降水对污染物的湿沉降作用明显 空 气相对清洁 而秋冬两季NO2可有更长的积累时间 污染较重 其次 在任何季节 雨雪天大气中NO2浓度都会降低 由于降水的清洁 使得降水日的污染物浓度始终 低于非降水日 表2 中国气象科学数据共享网 中国地面国际交换站气候资料 日值数据集 华中农业大学 2012 届本科毕业论文 8 表表 2 2008 年武汉市各季节降水日与非降水日年武汉市各季节降水日与非降水日 NO2平均浓度平均浓度 Tab 2 A comparison of the seasonal mean mass concentrations of NO2 in precipitation and non precipitation days in Wuhan in 2008 春季 3 5 月 夏季 6 8 月 秋季 9 11 月 冬季 12 2 月 污染物浓度 mg m3 降水日 非降 水日 降水日 非降 水日 降水日 非降 水日 降水日 非降 水日 NO20 040 0450 0320 0360 0430 0450 0450 048 3 3 2 2 风速对大气中风速对大气中 NO2浓度的影响浓度的影响 风速是影响大气扩散条件的重要因素 对2005至2011年武汉市日平均风速和 NO2日平均浓度 中国气象科学数据共享网 中国地面国际交换站气候资料日值 数据集 进行统计分析 得出武汉市日平均风速与NO2日平均浓度的关系 表表3 2005 2011年武汉市日平均风速与年武汉市日平均风速与NO2平均浓度关系平均浓度关系 Tab 3 The relationship between mass concentrations of NO2 and wind speed from 2005 to 2011 风速 m s 1 0 WS 1 51 5 WS 2 52 5 WS 3 5 NO2浓度 mg m3 0 0600 0510 047 风速 m s 1 3 5 WS 4 54 5 WS 5 5WS 5 5 NO2浓度 mg m3 0 0400 0370 031 从表2可见 随着风速的增大 NO2的日平均浓度单调减小 这是因为风有利 于污染物的扩散 风速越大 单位时间内污染物被输送的距离就越远 与空气的混 合也越充分 单位体积空气中污染物的含量就越低 即质量浓度越低 蒋维楣 2003 武汉市大气 NO2污染特征及影响因素分析 9 4 结论结论 1 2005 2011年 武汉市区大气NO2绝对浓度呈缓慢上升趋势 当前 武汉市环境 形势还相当严峻 必须充分认识大气NO2问题的极端重要性和紧迫性 增强忧患意 识 危机意识和责任意识 加强节能减排工作 2 武汉市区大气NO2污染具有明显的月 季变化 一年之中 以夏季大气NO2浓度 最低 冬季最高 各月中以7 8月大气NO2浓度最低 11月和12月最高 3 武汉市大气NO2污染物的分布规律是气象条件和污染源排放综合作用的结果 4 影响武汉市大气污染的主要因素是工业污染 能源结构 机动车尾气污染 气 象因素 风速 降水量等 工业污染源越多 能源消耗越大 机动车尾气排放量 越大武汉市NO2污染越严重 风速小大气稳定 降水量少的天气状况大气NO2污染 较严重 华中农业大学 2012 届本科毕业论文 10 参考文献 1 曹凤中 周国梅 对中国环境污染损失估算的评估与建议 J 环境科学与技术 2001 4 1 4 2 国家环境保护总局污染控制司 城市固体废物管理与处置技术 北京 中国石化 出版社 2000 3 国家环境保护局 中国环境科学院 城市大气污染物总量控制方法手册 M 北 京 中国环境科学出版社 1991 105 106 4 国家环境保护厅 环境空气质量标准 GB3095 1996 5 何息忠 氮氧化物危害及其防治措施初探 云南环境化学 1996 40 42 50 6 蒋维楣 空气污染气象学 M 南京 南京大学出版社 2003 9 10 7 蒋维楣 孙鉴泞 曹文俊等 空气污染气象学教程 M 北京 气象出版 社 2004 8 宋清翠 马文彦 武汉市暴雨气候特征分析 湖北气象 1997 03 42 50 9 田贺忠 中国氮氧化物排放清单及分布特征 J