2016年冬季烏昌石區(qū)域大氣重污染過程分析

谷超　郭宇宏　鄧婉月

摘 要：針對2016年11月23日-12月9日新疆烏昌石區(qū)域出現(xiàn)的一次長達(dá)18天的重污染天氣過程，詳細(xì)分析了各項(xiàng)污染物濃度水平及時(shí)空分布特征。監(jiān)測結(jié)果顯示，顆粒物濃度超標(biāo)嚴(yán)重，PM2.5、PM10最高日均濃度達(dá)287μg/m3、384μg/m3，分別超標(biāo)2.8倍、1.5倍，比污染前分別上升2.8倍、2.4倍；整個(gè)污染過程中各城首要污染物均為PM2.5，且PM2.5/PM10均在70%以上；PM2.5、PM10與氣態(tài)污染物SO2、NO2濃度波動(dòng)同步、稍有滯后，雖然4項(xiàng)氣態(tài)污染物日均濃度均未超標(biāo)，但SO2、NO2同比增幅顯著，二次顆粒如硫酸鹽、硝酸鹽加倍生成；烏昌石5個(gè)城市污染物濃度變化規(guī)律一致，體現(xiàn)典型的區(qū)域性污染特征。本次重污染過程出現(xiàn)得比往年早，持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣且污染程度重，由于污染物濃度易受環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向等氣象參數(shù)的影響，本研究結(jié)合氣象背景及氣象條件變化分析發(fā)現(xiàn)，地面高壓控制，風(fēng)速小、逆溫層低，污染擴(kuò)散不利，加之氣溫降、濕度增，易形成二次氣溶膠顆粒，污染持續(xù)累積，是此次重污染過程形成的重要原因。

關(guān)鍵詞：烏昌石區(qū)域；持續(xù)重污染；顆粒物濃度；風(fēng)、溫、濕變化

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、機(jī)動(dòng)車數(shù)量的迅猛增加及城市化進(jìn)程的加快，霧霾天氣呈現(xiàn)明顯的增加趨勢（賀克斌等，2011；曹軍驥，2012；Jiang et al.， 2014）。霾污染不僅導(dǎo)致大氣能見度降低，嚴(yán)重影響交通運(yùn)輸和人們的正常生活，而且由于污染物載帶大量有毒有害物質(zhì)，對人體健康產(chǎn)生急慢性危害（Dockery et al.， 1992；白志鵬等，2006）。作為遠(yuǎn)離海洋、腹地沙漠的內(nèi)陸省份，新疆有其獨(dú)特的地理位置和氣候條件（梁瓊等，2005；徐峰，2012），尤其秋冬季節(jié)容易出現(xiàn)水平方向靜穩(wěn)、垂直方向逆溫等氣象條件，不利于大氣污染物的擴(kuò)散，采暖期長、污染排放大和氣象要素共同作用極易形成重污染天氣（祝煦等，2005；Pu et al.， 2011）。

2016年冬季，新疆烏昌石區(qū)域經(jīng)歷了一次持續(xù)時(shí)間長達(dá)18天的重污染，此次重污染天氣過程，比往年出現(xiàn)更早、持續(xù)時(shí)間更長、污染程度更重，引發(fā)公眾廣泛關(guān)注。為有效控制大氣污染、及時(shí)制定冬季強(qiáng)化措施，亟需針對污染類型、污染物濃度水平和氣象條件等，開展系統(tǒng)監(jiān)測和成因研究工作，為區(qū)域大氣污染防治提供技術(shù)支撐。

1 重污染過程分析

受持續(xù)大霧影響，自2016年11月23日起到12月10日，新疆烏昌石區(qū)域（國家重點(diǎn)建設(shè)的10個(gè)城市群之一，具體包括烏魯木齊市、石河子市、昌吉市、阜康市、五家渠市及呼圖壁縣、瑪納斯縣和沙灣縣等5市3縣）出現(xiàn)一次連續(xù)重污染天氣過程，比2015年12月14日的首次重污染過程提前了21天。11月24日五家渠、阜康、石河子先后出現(xiàn)重度污染，11月25日阜康達(dá)到嚴(yán)重污染，12月2日整個(gè)烏昌石區(qū)域達(dá)到重度污染級別，重污染天氣一直持續(xù)到12月11號西伯利亞的冷空氣入侵后重污染才有所緩解。此次重污染過程中，五家渠、阜康、烏魯木齊、石河子、昌吉分別出現(xiàn)11天、10天、10天、8天、6天重污染天氣。

1.1 顆粒物濃度水平

基于烏昌石區(qū)域5城市的空氣自動(dòng)站實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析各項(xiàng)污染物濃度水平及氣溫、氣壓、相對濕度、風(fēng)速風(fēng)向等。監(jiān)測結(jié)果顯示，此次重污染期間各城市PM2.5平均濃度在146μg/m3-171μg/m3之間，比污染前期濃度水平高出1.2倍-4.3倍，其中烏魯木齊市PM2.5最高日均濃度出現(xiàn)在12月2日，高達(dá)271μg/m3，超《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）中PM2.5日均濃度二級標(biāo)準(zhǔn)（75μg/m3）2.6倍，小時(shí)最高濃度甚至達(dá)到414μg/m3，超標(biāo)4.5倍。各城市PM10平均濃度在203μg/m3-240μg/m3之間，比污染前期濃度水平高出1.5倍-3.3倍，PM10最高日均濃度出現(xiàn)在五家渠，高達(dá)384μg/m3，超PM10日均濃度二級標(biāo)準(zhǔn)（150μg/m3）1.5倍。

重污染過程中烏昌石區(qū)域內(nèi)各城市污染物濃度變化規(guī)律一致，在11月25和12月1日各城市均出現(xiàn)PM2.5和PM10濃度峰值，反映本次污染的區(qū)域性特征；各城市PM2.5、PM10日均濃度變化非常同步，相關(guān)系數(shù)為0.98；在整個(gè)重污染過程中，各城市首要污染物均為PM2.5，且PM2.5占PM10比重很高，均在70%以上，其中烏魯木齊市PM2.5/PM10最高達(dá)87.7%，高出全年平均水平37個(gè)百分點(diǎn)，反映本次污染以細(xì)顆粒為主，可能受二次生成貢獻(xiàn)較大（Wang et al.， 2012； Wang et al.， 2014）。

1.2 氣態(tài)污染物濃度水平

本次重污染期間，SO2、NO2、CO日均濃度比污染前顯著升高，分別上升95%、98%、111%，O3日均濃度下降36%；通過比對SO2、NO2與PM2.5、PM10濃度時(shí)間變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)顆粒物濃度與氣態(tài)污染物濃度波動(dòng)同步、稍有滯后，反映氣態(tài)污染物作為前體物對顆粒物濃度的影響，因此，雖然4項(xiàng)氣態(tài)污染物日均濃度均未超標(biāo)，但SO2、NO2同比增幅如此顯著，可能導(dǎo)致二次顆粒如硫酸鹽、硝酸鹽的加倍生成（Wang et al.， 2012）。

1.3 全國排名

此次重污染過程，盡管烏昌石區(qū)域5城市優(yōu)良天數(shù)比例同比減少20個(gè)百分點(diǎn)以上，但在11月-12月全國城市空氣質(zhì)量排名中（空氣質(zhì)量狀況報(bào)告），烏魯木齊基本處于中等偏下水平，但未進(jìn)入空氣質(zhì)量相對較差的十個(gè)城市名單，說明在全球氣候變動(dòng)和全國大氣污染形勢嚴(yán)峻情況下，新疆烏昌石城市群大氣污染同防同治工作取得一定成效。

2 氣象背景分析

2.1 大氣環(huán)流形勢

2016年10月，高壓還未移動(dòng)到新疆北部，空氣活動(dòng)較為活躍，大氣相對濕度較低，總體氣象條件較利于污染物的擴(kuò)散。11月-12月，新疆北部一直受高壓控制，冷空氣活動(dòng)偏北、次數(shù)減少，導(dǎo)致烏昌石區(qū)域的高空擴(kuò)散能力整體變差。從圖4和圖5可以看出，此次重污染過程期間北疆地區(qū)的高壓明顯比去年同期強(qiáng)，高空暖脊也更突出，位置更靠近烏昌石區(qū)域，擴(kuò)散條件明顯比去年同期差。

2.2 溫度變化分析

2016年9月以來烏昌石區(qū)域日均氣溫的方差為2015年同期的1.2倍，說明氣溫波動(dòng)頻繁且變化劇烈。從圖6可以看出11月15日之后有一次明顯的降溫，隨即重污染天氣開始，氣溫保持在-5.5℃～-10.8℃之間，12月4日之后氣溫有明顯的回升，氣溫保持在-2.8℃～0.1℃之間，污染逐漸減輕。此次重污染過程，日均氣溫比去年同期偏低3.4℃，比污染前偏高0.4℃。

2.3 濕度變化分析

2016年9月相對濕度比上年同期平均偏低12%，10月相對濕度平均偏高19%，11月3-4日升溫過快導(dǎo)致空氣濕度劇減，比同期偏低20%，但隨著11月中下旬氣溫迅速降低，相對濕度回升顯著，同比偏高5%，11月18日后空氣濕度維持在80-90%，而后進(jìn)入重污染天氣，至12月8日空氣濕度躥升至90-100%接近飽和，比去年同期偏高6%，導(dǎo)致大霧天氣持續(xù)出現(xiàn)，直至12月10日重污染才逐漸緩解。

2.4 風(fēng)速

2016年烏昌石區(qū)域秋冬季的風(fēng)速基本小于1m/s，明顯小于2015年同期。從圖6可以看出，此次重污染過程前期風(fēng)速明顯降低，污染物逐漸累積，重污染期間日均風(fēng)速比污染前低0.2m/s（降幅25%），12月6日風(fēng)速增大，利于擴(kuò)散，此次重污染過程慢慢結(jié)束。

2.5 持續(xù)大霧天氣

2016年9月-12月烏魯木齊市風(fēng)速較小，平均偏低1.9m/s，不利于大氣污染物擴(kuò)散，逐漸形成大霧。尤其是12月1日-14日烏魯木齊每天都有大霧出現(xiàn)，12月大霧日數(shù)歷年值為8.4天，而2016年12月上旬霧日數(shù)就已超過全月平均值。持續(xù)大霧天氣的出現(xiàn)，主要原因是冷空氣缺失和逆溫層同時(shí)并存所致，11月下旬受冷空氣影響，平均氣溫較往年同期偏低，但12月上旬氣溫觸底反彈，較往年偏高，白天氣溫基本維持在0℃以上。氣溫回暖使得積雪加速融化，近地面的空氣濕度增加，到了午后，氣溫逐漸回落，空氣中水汽凝結(jié)成小霧滴，形成大霧天氣。而烏魯木齊上空穩(wěn)定的逆溫層，使得近地面空氣處于靜穩(wěn)狀態(tài)，霧氣不易消散。

3 結(jié)論

在2016年11月23日-12月9日期間，新疆烏昌石區(qū)域經(jīng)歷了一次長達(dá)18天的重污染天氣，此次重污染過程出現(xiàn)時(shí)間早、波及范圍廣、持續(xù)時(shí)間長，5個(gè)城市污染物濃度變化規(guī)律一致，體現(xiàn)典型的區(qū)域性污染特征。

此次重污染期間，PM2.5與PM10協(xié)同變化，日均濃度比污染前分別上升2.8倍、2.4倍，最高日均濃度達(dá)287μg/m3、384μg/m3，分別超標(biāo)2.8倍、1.5倍，其中PM2.5占PM10比重平均在70%以上，與首要污染物為PM2.5一致，反映本次污染以細(xì)顆粒為主；PM2.5、PM10與氣態(tài)污染物SO2、NO2濃度波動(dòng)同步、稍有滯后，雖然4項(xiàng)氣態(tài)污染物日均濃度均未超標(biāo)，但SO2、NO2同比增幅顯著，可能導(dǎo)致二次顆粒如硫酸鹽、硝酸鹽的加倍生成。

氣象要素分析表明，整個(gè)重污染期間烏昌石區(qū)域一直受高壓控制，地面風(fēng)速偏小、溫度偏低，冷空氣活動(dòng)偏北、次數(shù)較少，導(dǎo)致烏昌石區(qū)域的高空擴(kuò)散能力整體較差，結(jié)合高空的偏南風(fēng)容易造成較強(qiáng)的逆溫層。受以上不利的污染氣象條件影響，持續(xù)大霧天氣造成濕度持續(xù)高達(dá)90%，易形成二次氣溶膠顆粒，使得首要污染物PM2.5濃度迅速升高。加之總體風(fēng)速小，逆溫層低，污染物極其不易擴(kuò)散，大氣環(huán)境容量迅速變小，污染持續(xù)累積，AQI指數(shù)迅速升高。

應(yīng)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)重污染應(yīng)急響應(yīng)措施，合力削峰，有效降低重污染程度、縮減持續(xù)時(shí)間，最大限度減輕空氣重污染影響，以保障公眾健康，實(shí)現(xiàn)共同改善區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量的目標(biāo)。

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