珠江三角洲高質(zhì)量濃度PM2.5和O3復(fù)合污染特征*

賴(lài)安琪，陳曉陽(yáng)，劉一鳴，江明，劉一謀，王雪梅，樊琦

(1.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院∥廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275;2.廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510335;3.暨南大學(xué)環(huán)境與氣候研究學(xué)院，廣東 廣州 510080)

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、能源消耗量的大幅增加和城市群的不斷發(fā)展，使區(qū)域性、復(fù)合型大氣污染成為我國(guó)當(dāng)前面臨的最主要的大氣污染問(wèn)題[1-3]。這種復(fù)合型空氣污染的一個(gè)突出特征即為以臭氧(O3)和PM2.5為代表的大氣氧化性物種和細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度增高[4]。近年來(lái)，隨著各種大氣治理措施的實(shí)行，珠三角地區(qū)的顆粒物污染得到了一定程度的緩解[5]，但由于政府對(duì)VOCs排放控制相對(duì)薄弱加上臭氧與其前體物間復(fù)雜的非線性關(guān)系，使得臭氧質(zhì)量濃度不降反升，并且已經(jīng)在2015年取代細(xì)顆粒物成為珠三角地區(qū)最主要的首要污染物[6]。細(xì)顆粒物問(wèn)題還未得到徹底解決，臭氧污染又在不斷加劇，導(dǎo)致PM2.5和O3復(fù)合型污染特征在珠三角地區(qū)愈發(fā)凸顯，整體環(huán)境形勢(shì)依然嚴(yán)峻。

目前，針對(duì)珠三角地區(qū)PM2.5和O3的污染特征、理化特征、高質(zhì)量濃度污染事件成因等方面的研究已取得了較多的成果[7-13]，但對(duì)高PM2.5質(zhì)量濃度和高臭氧質(zhì)量濃度復(fù)合型污染的關(guān)注較少。因此非常有必要對(duì)珠三角地區(qū)的大氣復(fù)合污染過(guò)程，尤其是臭氧與顆粒物兩者質(zhì)量濃度都超標(biāo)的復(fù)合污染過(guò)程進(jìn)行全面和系統(tǒng)的研究，以使得珠三角地區(qū)的大氣環(huán)境能夠更進(jìn)一步滿(mǎn)足人們對(duì)美好生活的需求。

本文利用2013年至2015年珠江三角洲地區(qū)56個(gè)環(huán)境保護(hù)空氣監(jiān)測(cè)站的逐小時(shí)污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，分析了珠三角地區(qū)PM2.5和O3在不同時(shí)間尺度上的相關(guān)性，然后篩選出PM2.5和O3質(zhì)量濃度同時(shí)超過(guò)國(guó)家大氣環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的“雙高”型復(fù)合污染日，以此分析珠三角區(qū)域復(fù)合污染的時(shí)空分布特征及影響的天氣形勢(shì)。

1 資料和方法

1.1 資料說(shuō)明

本研究所使用的資料包括:① 2013年至2015年珠江三角洲56個(gè)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的逐小時(shí)污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。主要的大氣污染物包括二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)和顆粒物(PM2.5、PM10)。② 香港科技大學(xué)環(huán)境中心大氣與環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站提供的東亞地面天氣圖。

1.2 研究方法

國(guó)家大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[14]規(guī)定，PM2.524 h平均質(zhì)量濃度的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為75 μg/m3，O3日最大8 h滑動(dòng)平均質(zhì)量濃度的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為160 μg/m3。本文以國(guó)家大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中污染物質(zhì)量濃度限值的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)判準(zhǔn)則，對(duì)2013-2015年珠三角地區(qū)56個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的O3和PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行篩選，定義區(qū)域內(nèi)有任意一個(gè)站點(diǎn)的PM2.5日均質(zhì)量濃度和O3最大8 h滑動(dòng)平均質(zhì)量濃度同時(shí)超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)即算為一個(gè)復(fù)合污染日。

2 珠三角復(fù)合污染的特征分析

2.1 PM2.5和O3質(zhì)量濃度的相關(guān)性研究

為了全面地了解珠三角地區(qū)PM2.5與O3日均質(zhì)量濃度的相關(guān)程度，本文選取廣州市監(jiān)測(cè)站、深圳鹽田站、東莞東城石井站、佛山華材職中站、江門(mén)東湖站、肇慶城中子站、惠州大亞灣站、中山長(zhǎng)江旅游區(qū)站和珠海吉大站等9個(gè)站點(diǎn)的污染物質(zhì)量濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并選取1、4、7和10月作為冬季、春季、夏季和秋季的典型代表月份，探究4個(gè)季節(jié)珠三角PM2.5與O3日均質(zhì)量質(zhì)量濃度的相關(guān)性。圖1為9個(gè)城市站點(diǎn)平均的各月份PM2.5與O3的日均質(zhì)量濃度變化情況。從變化趨勢(shì)來(lái)看，1、4、7和10月廣州市PM2.5和O3日均質(zhì)量濃度的變化非常同步，相關(guān)系數(shù)分別為0.75、0.86、0.69和0.92，表明PM2.5和O3的質(zhì)量濃度大小主要受大尺度的天氣系統(tǒng)影響，因此變化非常同步。在排放源和氣象條件的共同作用下，冬季PM2.5質(zhì)量濃度較高，但O3質(zhì)量濃度處于較低的水平；春季PM2.5和O3的質(zhì)量濃度均不易超過(guò)污染質(zhì)量濃度限值；夏季光化學(xué)反應(yīng)加強(qiáng)有利于O3生成，但PM2.5質(zhì)量濃度非常低；故冬、春、夏三季不易出現(xiàn)PM2.5和O3的疊加污染。秋季PM2.5與O3日均質(zhì)量濃度變化較為同步且都維持在一個(gè)較高的質(zhì)量濃度水平，表現(xiàn)出明顯的復(fù)合污染特征，極易出現(xiàn)二者質(zhì)量濃度同時(shí)超過(guò)污染限值的大氣復(fù)合污染事件。

圖1 珠三角9個(gè)城市站點(diǎn)平均的各月份PM2.5與O3質(zhì)量濃度月變化Fig.1 Temporal variation of daily averaged concentrations of PM2.5 and O3 in four months

9個(gè)城市站點(diǎn)平均的1月和10月PM2.5與O3質(zhì)量濃度的日變化情況見(jiàn)圖2。可以看到，不論是1月還是10月，PM2.5和O3質(zhì)量濃度的日變化趨勢(shì)均表現(xiàn)出明顯的反位相。O3質(zhì)量濃度的日變化均呈現(xiàn)明顯的單峰型特征，質(zhì)量濃度高值出現(xiàn)在光照強(qiáng)的時(shí)段，在午后達(dá)到峰值，夜間質(zhì)量濃度明顯減小。O3質(zhì)量濃度的日變化主要與光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，日出后太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，在有前體物的情況下對(duì)流層內(nèi)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成O3，區(qū)域內(nèi)臭氧質(zhì)量濃度得到補(bǔ)充并不斷積累，并在14:00左右達(dá)到峰值。日落后，由于沒(méi)有光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧加上耗氧反應(yīng)的作用及近地面的沉積作用，使得臭氧質(zhì)量濃度逐漸降低。日出后，大氣邊界層高度開(kāi)始上升，O3的垂直擴(kuò)散加強(qiáng)，因此在日出時(shí)近地面層O3質(zhì)量濃度降至全天最低。PM2.5的日變化則呈現(xiàn)出雙峰型特征，晚上和清晨出現(xiàn)高質(zhì)量濃度值，午后至傍晚質(zhì)量濃度較低。在早高峰期間交通尾氣排放以及低混合層高度共同影響下，早間PM2.5質(zhì)量濃度較高。白天隨著邊界層高度的上升，顆粒物質(zhì)量濃度逐漸下降。傍晚，晚高峰的來(lái)臨使得顆粒物質(zhì)量濃度再次上升。

圖2 珠三角9個(gè)城市站點(diǎn)1月和10月PM2.5與O3質(zhì)量濃度日變化Fig.2 Diurnal variation of PM2.5 and O3 concentrations in January and October

綜上所述，從日變化規(guī)律來(lái)看，受污染形成機(jī)理不同的影響，兩者以反位相為主，PM2.5與O3小時(shí)質(zhì)量濃度的峰值錯(cuò)時(shí)出現(xiàn)，即在一日之內(nèi)PM2.5與O3一般不會(huì)在同一時(shí)刻產(chǎn)生疊加污染。而從月變化規(guī)律來(lái)看，受到大氣環(huán)流形勢(shì)和氣象場(chǎng)影響，PM2.5與O3的日均質(zhì)量濃度變化較為同步。特別是秋季，珠三角地區(qū)PM2.5與O3質(zhì)量濃度都維持在較高的水平，極易出現(xiàn)二者質(zhì)量濃度同時(shí)超過(guò)污染限值的大氣復(fù)合污染事件。

2.2 復(fù)合污染的時(shí)空分布特征

2.2.1 復(fù)合污染的時(shí)間分布特征 根據(jù)定義，篩選出2013-2015年珠三角地區(qū)9個(gè)城市的復(fù)合污染日(圖3)。結(jié)果顯示珠三角共出現(xiàn)了161個(gè)復(fù)合污染日，其中肇慶的污染日數(shù)最多，其次是廣州和佛山。2013-2015年珠三角全區(qū)以及9個(gè)城市的污染日數(shù)都呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，全區(qū)的污染日數(shù)從2013年的67 d下降到了2015年的32 d。2015年，9個(gè)城市的復(fù)合污染日數(shù)都在15 d以?xún)?nèi)，其中惠州全年無(wú)一天超標(biāo)，空氣質(zhì)量改善明顯。這可能與政府加大控制空氣污染力度有關(guān)，在新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布之后，防治PM2.5污染成為了環(huán)保工作的重點(diǎn)，珠三角地區(qū)的PM2.5污染有所緩解，由此使復(fù)合污染得到了一定程度的控制。

圖3 2013-2015年珠三角復(fù)合污染日數(shù)Fig.3 Complex pollution days with high concentrations of PM2.5 and O3 in PRD region during 2013-2015

從圖4中可以看出，9個(gè)城市的復(fù)合污染日數(shù)均呈現(xiàn)出10月最多，1月次之，5月份最少的時(shí)間分布特征。這主要是受珠三角地區(qū)獨(dú)特的氣候影響所致，珠三角屬于季風(fēng)氣候，夏季盛行偏南風(fēng)，氣團(tuán)來(lái)自較為清潔的南海，攜帶的污染物較少。雖然夏季溫度達(dá)到一年最高值有利于光化學(xué)反應(yīng)，但是夏季風(fēng)速較大，對(duì)流活動(dòng)旺盛，不易形成逆溫天氣，污染物容易擴(kuò)散和輸送，且夏季雨水充足，能有效地沖刷懸浮在空氣中的PM2.5，從而顯著降低顆粒物質(zhì)量濃度，所以夏季O3和PM2.5同時(shí)出現(xiàn)高質(zhì)量濃度的空氣污染事件并不多。秋冬季節(jié)珠三角盛行偏北風(fēng)，氣團(tuán)來(lái)自污染相對(duì)嚴(yán)重的內(nèi)陸地區(qū)，上風(fēng)向的污染物易被輸送至珠三角。且秋季逆溫天氣發(fā)生頻率高，下沉氣流較強(qiáng)，地面風(fēng)速小，雨水開(kāi)始減弱，整體氣象條件不利于污染物被擴(kuò)散、輸送和沖刷。另加上秋季珠三角地區(qū)氣溫仍然較高，強(qiáng)的太陽(yáng)輻射有利于臭氧的生成，大氣氧化性強(qiáng)，又會(huì)促進(jìn)氣態(tài)前體物向PM2.5的二次轉(zhuǎn)化[15]，容易使PM2.5和O3同時(shí)產(chǎn)生高質(zhì)量濃度。值得注意的是，10月份為全年復(fù)合污染日數(shù)最多的月份，但與之臨近的9月及11月的污染日數(shù)則非常少。究其原因，可能是因?yàn)?0月份是珠三角地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向從夏季風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎撅L(fēng)的月份，此時(shí)珠三角地區(qū)可受副高、大陸冷高壓和熱帶氣旋3種天氣系統(tǒng)影響，靜穩(wěn)天氣形勢(shì)較多，所以10月的復(fù)合污染日數(shù)全年最多。

圖4 2013-2015年珠三角復(fù)合污染日數(shù)月際變化Fig.4 Inter-monthly variations of complex pollution days with high concentrations of PM2.5 and O3 in PRD region during 2013-2015

圖5 2013-2015年珠三角復(fù)合污染總?cè)諗?shù)的空間分布Fig.5 Distribution of complex pollution days with high concentrations of PM2.5 and O3 during 2013-2015

2.2.2 復(fù)合污染的空間分布特征 從2013-2015年珠三角復(fù)合污染總?cè)諗?shù)的空間分布來(lái)看，珠三角地區(qū)復(fù)合污染日數(shù)的空間分布有西部多于東部、內(nèi)陸多于沿海的特點(diǎn)，其中復(fù)合污染日數(shù)最多的站點(diǎn)為肇慶的七星巖子站，其次為廣州的花都師范站。這主要是受到地理特征、氣象條件和人為污染源分布等幾方面共同作用的結(jié)果。

從春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)復(fù)合污染日數(shù)的空間分布可以看出，受到不同氣候條件影響，各季節(jié)污染日數(shù)的空間分布有顯著差異。春季的復(fù)合污染事件則主要出現(xiàn)在廣州和東莞一帶；夏季的復(fù)合污染事件主要集中出現(xiàn)在佛山及其周邊；秋季，全區(qū)污染都較為嚴(yán)重，尤其以肇慶、佛山和江門(mén)的復(fù)合污染日數(shù)最多；到了冬季，廣州、東莞等東部城市的復(fù)合污染事件較多。可見(jiàn)，復(fù)合污染的空間分布特征復(fù)雜多樣，有必要針對(duì)性地開(kāi)展形成機(jī)制研究并探索不同區(qū)域的減排措施。

2.3 影響復(fù)合污染的主要天氣形勢(shì)

通過(guò)對(duì)高質(zhì)量濃度PM2.5和O3復(fù)合污染日出現(xiàn)時(shí)的地面天氣圖的歸納分析發(fā)現(xiàn)，造成珠三角地區(qū)復(fù)合污染的天氣形勢(shì)主要有5種類(lèi)型：大陸冷高壓型、熱帶氣旋型、變性高壓型、副熱帶高壓型和低壓槽型。5種天氣型復(fù)合污染的主要特征如表1所示。

圖6 2013-2015年四季珠三角復(fù)合污染日數(shù)的空間分布Fig.6 Distribution of complex pollution days with high concentrations of PM2.5 and O3 in different seasons during 2013-2015

表1 5種天氣型復(fù)合污染的主要特征 Table 1 Characteristics of five types of complex pollution with high concentrations of PM2.5 and O3

大陸冷高壓型復(fù)合污染發(fā)生時(shí)，珠三角地區(qū)受青藏高原地區(qū)或內(nèi)蒙古地區(qū)形成的冷高壓控制，下沉氣流強(qiáng)且穩(wěn)定，背景風(fēng)場(chǎng)多為偏北風(fēng)，風(fēng)速較小，易于污染物的積聚，導(dǎo)致污染質(zhì)量濃度迅速上升。由于此類(lèi)天氣形勢(shì)比較穩(wěn)定，所造成的空氣污染事件持續(xù)時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。

熱帶氣旋型復(fù)合污染發(fā)生時(shí)，珠三角地區(qū)受熱帶氣旋外圍下沉氣流影響，多為晴朗悶熱天氣，強(qiáng)太陽(yáng)輻射有利于光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧，且其外圍的下沉氣流不利于污染物的垂直輸送和擴(kuò)散，易導(dǎo)致污染事件的發(fā)生。

變性高壓型復(fù)合污染發(fā)生時(shí)，高壓主體已經(jīng)從大陸東移至海洋，高壓中心位于20°N以北、125°E以東的洋面上，珠三角地區(qū)處于高壓脊控制之下，一直為下沉區(qū)，近地面為弱的偏北氣流，風(fēng)速較小，容易造成污染物累積。

副熱帶高壓型復(fù)合污染事件發(fā)生時(shí)，珠三角受副高系統(tǒng)控制，天氣晴熱，下沉運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，污染物易在近地面堆積。

低壓槽型復(fù)合污染發(fā)生時(shí)，低壓槽自西向東通過(guò)珠三角地區(qū)，珠三角多受弱的偏北風(fēng)影響，天氣穩(wěn)定，污染物滯留在空氣中不易擴(kuò)散。由于低壓槽前對(duì)流不穩(wěn)定易產(chǎn)生降水，有利于污染物的沖刷和沉降，所以此類(lèi)天氣型造成的污染事件維持時(shí)間較短。

其中，受大陸冷高壓影響的復(fù)合污染日數(shù)最多，占了49.4%，其次是熱帶氣旋型和變性高壓型，分別占到了21.9%和20.7%，副熱帶高壓型和低壓槽型復(fù)合污染發(fā)生次數(shù)較少，僅占4.3%和3.7%。如圖7所示，各種類(lèi)型復(fù)合污染的季節(jié)性變化特征顯著。其中大陸冷高壓型和變性高壓型復(fù)合污染主要發(fā)生在8月至次年5月，夏季發(fā)生頻率比較低。熱帶氣旋型復(fù)合污染的季節(jié)變化則有著相反的特征，其在夏秋季出現(xiàn)頻率最高，春季最少。受副高脊線的季節(jié)性移動(dòng)影響，副熱帶高壓型復(fù)合污染主要出現(xiàn)在10月份，低壓槽型則主要出現(xiàn)在5-8月份。

圖7 5種天氣型復(fù)合污染日數(shù)的月際變化Fig.7 Inter-monthly variations of five types of complex pollution with high concentrations of PM2.5 and O3

3 結(jié) 論

本文利用2013-2015年珠三角56個(gè)環(huán)境保護(hù)空氣監(jiān)測(cè)站的逐日污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，分析了珠三角區(qū)域高質(zhì)量濃度PM2.5和O3復(fù)合污染的時(shí)空分布特征及主要影響天氣形勢(shì)，結(jié)論如下：

1)形成機(jī)制不同導(dǎo)致PM2.5和O3質(zhì)量濃度的日變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出明顯的反位相，即PM2.5與O3一般不會(huì)在同一時(shí)刻產(chǎn)生疊加污染。但從月變化規(guī)律來(lái)看，PM2.5與O3的日均質(zhì)量質(zhì)量濃度變化較為同步，特別是秋季，PM2.5與O3質(zhì)量濃度都維持在一個(gè)較高的質(zhì)量濃度水平，表現(xiàn)出明顯的復(fù)合污染特征。

2)2013-2015年珠三角共出現(xiàn)了161個(gè)復(fù)合污染日，9個(gè)城市中肇慶的污染日數(shù)最多，其次是廣州和佛山。受益于近年減排政策的制定和執(zhí)行，珠三角各城市的復(fù)合污染日數(shù)呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)。受珠三角氣候特征和地理位置影響，復(fù)合污染日數(shù)呈現(xiàn)出10月最多，1月次之，5月最少的時(shí)間分布特征以及西部多于東部、內(nèi)陸多于沿海的空間分布特點(diǎn)。

3)造成珠三角地區(qū)復(fù)合污染事件的天氣形勢(shì)主要有大陸冷高壓型、熱帶氣旋型、變性高壓型、副熱帶高壓型和低壓槽型。其中大陸冷高壓型最多，占49.4%，其次是熱帶氣旋型，占21.9%。