大連市冬季一次典型大氣重污染過程的成因分析

包艷英，紀(jì)德鈺，徐 潔

（大連市環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116023）

大連市冬季一次典型大氣重污染過程的成因分析

包艷英，紀(jì)德鈺，徐 潔

（大連市環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116023）

從污染過程演變、天氣條件分析、顆粒物組分變化、污染輸送分析、后向軌跡分析等幾方面，對大連市2014年12月28～29日發(fā)生的一次典型大氣重污染過程的成因展開分析。分析結(jié)果表明：穩(wěn)定的大氣環(huán)流形勢、地面風(fēng)速小、濕度大，為此次污染的累積提供了有利氣象條件；京津冀地區(qū)污染物的持續(xù)輸送是此次重污染過程形成的主要原因。

重污染；成因；氣象條件；污染傳輸

大連市三面環(huán)海，擁有得天獨(dú)厚的自然環(huán)境，近年來大連市環(huán)境空氣質(zhì)量在全國15個(gè)副省級城市和4個(gè)直轄市中一直處于前列。作為東北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)中心，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大連市及周邊城市群大氣污染問題也日益嚴(yán)重，并呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性和復(fù)合型特征。2014年，大連市優(yōu)良天數(shù)282 d，達(dá)標(biāo)率僅為77.3%，分別出現(xiàn)6 d重度污染和1 d嚴(yán)重污染，且重污染日首要污染物均為PM2.5（細(xì)顆粒物）。目前，國內(nèi)研究者對重污染過程及影響因素開展了較多研究，主要集中在京津冀、長三角和珠三角[1-10]地區(qū)，但對大連市重污染過程分析及區(qū)域污染傳輸?shù)难芯亢庇袌?bào)道。本研究選取2014年12月28～29日大連市一次重污染過程，從污染過程演變、天氣條件、顆粒物組分變化、污染輸送、后向軌跡等方面進(jìn)行綜合性分析，探討此次污染形成的原因。

1 數(shù)據(jù)來源

主要污染物濃度數(shù)據(jù)來源于大連市環(huán)境監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫10個(gè)國控監(jiān)測點(diǎn)位的常規(guī)觀測，監(jiān)測項(xiàng)目為SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5；氣象要素資料來源于大連市大氣復(fù)合污染綜合觀測站氣象監(jiān)測儀，監(jiān)測項(xiàng)目包括風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度和氣壓；研究中還對大氣復(fù)合污染綜合觀測站中顆粒物粒徑分布儀、大氣氣溶膠有機(jī)碳/元素碳（EC/OC）在線分析儀、可溶性陰陽離子在線分析儀等設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

大連市大氣復(fù)合污染綜合觀測站位于大連市環(huán)境監(jiān)測中心五樓，建筑面積近100 m2，毗鄰星海三站，周圍有學(xué)校、幼兒園、菜市場、多個(gè)居民小區(qū)以及諸多餐飲店，臨近中山路、連山街等交通干線，是大連城區(qū)內(nèi)典型的人口聚集地。

2 污染過程分析

2.1 污染過程演變

12月28～29日的重污染是2014年大連市經(jīng)歷的最嚴(yán)重的一次污染，直接導(dǎo)致12月份PM10濃度升高16 μg/m3，PM2.5濃度升高14 μg/m3，優(yōu)良率下降6.0個(gè)百分點(diǎn)。本次重污染過程的首要污染物為PM2.5，在污染過程到達(dá)的前幾日，大連市空氣質(zhì)量一直處于良好的狀況，重污染前一日為輕度污染，28日直接從輕度污染連跳三級達(dá)到嚴(yán)重污染，29日污染略有緩解，但仍維持在重度污染，30日轉(zhuǎn)為良，污染過程結(jié)束。

從圖1可以看出，大連市區(qū)從27日18:00達(dá)到重度污染，污染一直持續(xù)上升，至28日9:00達(dá)到嚴(yán)重污染，28日22:00 PM2.5達(dá)到最高值469 μg/m3，28日23:00～29日10:00污染逐漸減輕，由于前期污染累積的濃度非常高，雖處于下降趨勢，但仍處于重度污染，29日10:00～22:00，維持在中度污染，30日夜間污染進(jìn)一步得到緩解，5:00空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良，污染過程結(jié)束。此次污染過程空氣質(zhì)量累計(jì)連續(xù)41 h達(dá)到重度及以上污染，連續(xù)18 h達(dá)到嚴(yán)重污染。綜合以上分析，此次重污染過程強(qiáng)度較大，持續(xù)時(shí)間不長，污染累積的速度較快，消散的速度也較快。

圖1 污染過程PM2.5小時(shí)濃度的時(shí)間變化序列

2.2 氣象條件分析

氣象條件決定著氣象要素的分布和變化，在污染源變化不大的情況下，氣象條件在一定程度上決定區(qū)域污染物濃度的分布和變化。

2.2.1 天氣形勢分析

本研究從500 hpa高度場和地面兩層高度分析天氣形勢，探討天氣形勢對此次污染過程的影響。27日夜間，大連地區(qū)500 hpa高度場處于槽后的西北弱氣流控制，而從27日夜間海平面氣壓場可以看出，大連處于低壓均壓帶，地面風(fēng)速較小，不利于污染物擴(kuò)散，周邊污染物易在此匯聚累積。28～29日，大連地區(qū)高空一直受弱槽后部西北氣流控制，地面一直處于低壓均壓帶，地面為弱的西南風(fēng)和西風(fēng)，擴(kuò)散條件持續(xù)較差。污染過程期間，雖然500 hpa為西北氣流，但系統(tǒng)較弱，風(fēng)速不大，同時(shí)地面氣壓低、持續(xù)為弱西南風(fēng)和偏西風(fēng)，高低空系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定使得邊界層內(nèi)的污染始終無法有效清除，為污染物的累積增長提供了穩(wěn)定的氣象條件。

2.2.2 氣象要素分析

此次重污染期間，地面平均氣溫6.5℃，相對濕度54.1%，地面氣壓101.1 kPa，地面風(fēng)速1.2 m/s，具有高溫、高濕、低氣壓、弱風(fēng)速的氣象特點(diǎn)。從圖2可以看出，27日14:00～28日22:00是污染快速積累升高的時(shí)段，在此時(shí)段對應(yīng)著穩(wěn)定的高濕度和溫度的下降，同時(shí)地面氣壓一直處于持續(xù)降壓的過程，風(fēng)速也一直降低。28日22:00 PM2.5濃度達(dá)到最高，而此時(shí)相對濕度最大、地面基本處于靜風(fēng)，氣壓持續(xù)下降。29日凌晨開始受冷空氣影響，隨著濕度的下降和風(fēng)速的逐漸增大，污染也隨之緩慢減輕。

2.3 本地污染影響分析

2.3.1 氣態(tài)污染物分析

從圖3可以看出，這次污染期間，NO2與PM2.5變化趨勢具有較好的一致性，而SO2則存在6:00～9:00和18:00～20:00的雙峰特征，這與冬季采暖期燃煤污染規(guī)律一致。由于NO2相對于SO2在冬季采暖期時(shí)日變化規(guī)律并不明顯，濃度基本維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，因此在氣象擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差時(shí)濃度升高，在氣象擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好時(shí)濃度降低，與PM2.5變化趨勢一致，說明本地?cái)U(kuò)散條件不利也是引起本次重污染的原因之一。

圖2 大連市12月27～30日污染時(shí)段溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速時(shí)間變化序列

2.3.2 硫酸根離子分析

28日由于大霧及灰霾污染造成近地面太陽總輻射相對較少，降低了光化學(xué)煙霧的出現(xiàn)率，污染過程前后空氣中硫酸根數(shù)據(jù)并未出現(xiàn)明顯變化，如圖4所示，說明本地氣態(tài)污染物的二次轉(zhuǎn)化率較低，本地污染并不是造成這次污染的主要因素。

2.3.3 碳組分分析

從這次污染期間OC和EC濃度的時(shí)間序列（圖5）可以看出，隨著污染的加重，OC和EC的濃度顯著升高，且OC占TC的百分比變化不大。顆粒物中不同組分來源相同時(shí)一般具有很好的相關(guān)性。12月25～31日，OC和EC的相關(guān)性為0.949，說明本次污染過程OC和EC的來源相似，由于EC大多來自一次排放，因此可以推斷本地污染過程OC也大多來自一次排放，本地排放二次轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)較小。

圖3 大連市12月27～30日污染時(shí)段SO2、NO2和PM2.5時(shí)間變化序列

圖4 SO42-和PM2.5時(shí)間變化序列

圖5 OC、EC和OC/TC時(shí)間變化序列

2.4 污染輸送分析

2.4.1 區(qū)域性污染背景

大連市處于華北三大空氣質(zhì)量污染重災(zāi)區(qū)，北面是遼寧中部城市群，南面是山東半島城市群，西面是京津冀城市群，大連市受這三個(gè)城市群污染影響較重，此次重污染過程就是在京津冀及山東半島大范圍污染的背景下形成的。27日9:00京津冀及山東半島已出現(xiàn)大范圍重度至嚴(yán)重污染，大連市當(dāng)時(shí)空氣質(zhì)量還處于良的狀況；28日8:00京津冀區(qū)域污染逐步加重，且包括大連在內(nèi)的遼寧省大部分地區(qū)也已達(dá)到中度至重度污染；29日，京津冀南部污染有所減輕，遼寧南部污染仍持續(xù)；30日，華北地區(qū)污染由西北方向開始逐漸好轉(zhuǎn)。

2.4.2 顆粒物粒徑分布分析

大連市西和西南方向本地工業(yè)污染源較少，北向本地污染源相對較多。本研究統(tǒng)計(jì)了此次污染過程期間各個(gè)風(fēng)向上的不同粒徑顆粒物的濃度分布情況，顆粒物粒徑分布儀位于大連市西南方向的超級站中。由圖6可以看出，此次污染過程，大粒徑顆粒物數(shù)量較少，主要來自于西北方向，小粒徑顆粒物數(shù)量較多，主要來自北、西和西南方向。結(jié)合本地工業(yè)污染源分布情況可以判斷，北向的小粒徑顆粒物應(yīng)為本地工業(yè)污染源貢獻(xiàn)，西和西南方向的小粒徑顆粒物應(yīng)主要為外來輸送。

圖7為本次污染過程不同粒徑顆粒物的增長比例曲線，可以看出顆粒物的增長主要集中在粒徑0.3～0.6 μm之間。根據(jù)上文分析，大連地區(qū)出現(xiàn)光化學(xué)煙霧產(chǎn)生小粒徑顆粒物的可能性很小，說明粒徑0.3～0.6 μm的顆粒物主要是來自外來輸送。

圖6 粒徑分布風(fēng)玫瑰圖

圖7 不同粒徑顆粒物的增長比例

圖8 12月28日22:00大連地區(qū)48 h后向氣團(tuán)軌跡與12月29日24:00大連地區(qū)24 h后向氣團(tuán)軌跡

2.4.3 后向軌跡分析

利用美國國家海洋大氣局（NOAA）的后向軌跡模式HYSPLIT4，分析此次重污染過程的氣團(tuán)來源及移動(dòng)軌跡。起點(diǎn)為大連市（121.563 8 E，38.885 N），高度分100 m、500 m和1 000 m三層，氣象資料采用美國NCEP GDAS資料，模擬污染最重時(shí)刻48 h后向氣流軌跡和污染減弱時(shí)刻24 h后向氣流軌跡。由圖8a可以看出，大連市污染最重時(shí)段的低空氣團(tuán)來自京津冀南部的邯鄲、邢臺和滄州等城市，經(jīng)由天津，跨越渤海灣到達(dá)大連地區(qū)。27日京津冀南部已出現(xiàn)重度污染，可以推斷此次污染可能由京津冀地區(qū)污染傳輸影響，中、高空氣團(tuán)主要來自高層，起源于內(nèi)蒙古，空氣較潔凈，對大連地區(qū)污染貢獻(xiàn)較小。由圖8b可以看出，29日24:00到達(dá)大連的氣流主要來自高層，起源于蒙古國，經(jīng)內(nèi)蒙古和河北北部到達(dá)大連地區(qū)，由于高緯度地區(qū)空氣較潔凈，且風(fēng)速較大，有利于污染物的水平擴(kuò)散，因此大連地區(qū)的污染在此時(shí)顯著改善。

3 結(jié)論

對大連市2014年12月28～29日的一次重污染過程從污染過程演變、天氣條件分析、區(qū)域性污染背景、污染物傳輸、后向軌跡分析等多個(gè)方面對此次重污染過程進(jìn)行了剖析，探究了此次重污染形成的原因：

（1）從天氣條件上看，穩(wěn)定的大氣環(huán)流形勢、地面風(fēng)速小、濕度大，為此次污染的累積提供了有利氣象條件。

（2）此次污染過程發(fā)生在京津冀和山東半島大范圍污染的背景下，污染期間，大連市本地變化不明顯，OC和EC來源相同，粒徑增長主要集中在0.3～0.6 μm，且主要來自西和西南方向，從而得出此次污染過程中本地二次粒子轉(zhuǎn)化的可能性較小。

（3）后向軌跡分析表明，低空西南氣流攜帶大量污染由河北南部的邯鄲、邢臺、衡水，經(jīng)過滄州、天津，跨越渤海灣到達(dá)大連地區(qū)，對大連市空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。因此，京津冀地區(qū)污染物的持續(xù)輸送是此次重污染過程形成的主要原因。

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（編輯：程 ?。?/p>

Analysis on The Contributing Factors of A Typical Serious Air Pollution Episode in Winter of Dalian

Bao Yanying,Ji Deyu,Xu Jie
（Dalian Environmental Monitoring Center,Dalian Liaoning 116023,China）

The causes of a typical serious air pollution episode occurred in Dalian city on December 28～29,2014 was studied in term of the evolution of pollution process,the evolution of weather conditions,the change of particle composition,pollution transportation analysis,and backward trajectory analysis.The major results were as follows:(a)the stable atmospheric circulation,small wind speed and high humidity in surface provided favorable meteorological conditions for the accumulation of serious pollution.(b)the continuously pollution transmission from Beijing,Tianjin and Hebei region was the main reasons for the formation of the serious air pollution episode.

serious pollution episode,contributing factors,meteorological conditions,pollution transmission

X511

A

1008-813X（2017）01-0085-06

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.01.22

2016-12-23

包艷英（1970-），女，遼寧阜新人，畢業(yè)于天津大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系電化學(xué)生產(chǎn)工藝專業(yè)，副高級工程師，主要從事環(huán)境空氣質(zhì)量研究。