2015—2017年秋季東三省秸稈焚燒監(jiān)測及其空氣污染效應(yīng)分析*

呂 鑫 郭慶彪 姜傳禮 黃海虹

(1.安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院林業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000)

大氣環(huán)境質(zhì)量的惡化對公共衛(wèi)生和人類健康產(chǎn)生重大威脅，越來越受到關(guān)注[1-2]。露天生物質(zhì)燃燒會產(chǎn)生大量顆粒物和氣態(tài)污染物，從而影響空氣質(zhì)量和大氣化學(xué)過程。秸稈焚燒是中國露天生物質(zhì)燃燒的主要形式之一[3]。近年，秸稈焚燒導(dǎo)致的空氣污染事件時(shí)有發(fā)生，收獲季節(jié)秸稈集中焚燒已成為區(qū)域性空氣污染事件的重要原因[4-6]。

學(xué)者們基于遙感和統(tǒng)計(jì)手段對秸稈焚燒的空氣質(zhì)量影響效應(yīng)展開了一系列研究。厲青等[7]發(fā)現(xiàn)，一定范圍內(nèi)秸稈焚燒火點(diǎn)分布與空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)存在較好一致性。宋京京等[8]研究了山西省、河北省、河南省和山東省等華東農(nóng)田秸稈焚燒對江蘇省常州市大氣環(huán)境產(chǎn)生的影響。嚴(yán)文蓮等[9]對2012年6月中上旬江蘇省的持續(xù)霾天氣原因開展了研究，得出江蘇省及其周邊地區(qū)的秸稈焚燒是重要原因。周奕珂[10]對京津冀地區(qū)生物質(zhì)燃燒的源地、輸送路徑和燃燒生成的大氣污染物時(shí)空變化規(guī)律展開研究，得出2014年10月北京市及其周邊地區(qū)的嚴(yán)重空氣污染事件是由秸稈焚燒及大氣擴(kuò)散條件差導(dǎo)致的。目前，針對秸稈焚燒的空氣質(zhì)量影響效應(yīng)研究主要集中在華東、華中和京津冀地區(qū)，研究內(nèi)容大多是短時(shí)間內(nèi)大氣污染事件。東三省是我國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)，有著我國最大的商品糧基地，因而也是秸稈焚燒的重點(diǎn)區(qū)域，特別是收獲的秋季。

本研究首先利用2015—2017年秋季衛(wèi)星火點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)東三省的秸稈焚燒火點(diǎn)時(shí)空分布特點(diǎn)，而后利用HYSPLIT軌跡模型對東三省的氣團(tuán)進(jìn)行軌跡模擬，確定秸稈焚燒的影響區(qū)域，最后結(jié)合空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)對秸稈焚燒的空氣質(zhì)量影響效應(yīng)開展綜合分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

衛(wèi)星火點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于生態(tài)環(huán)境部。AQI、PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO和O3等監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于天氣后報(bào)網(wǎng)(http://www.tianqihoubao.com/)。日評價(jià)時(shí)O3用最大8 h平均濃度，其他空氣污染物用24 h平均濃度。用于HYSPLIT軌跡模型模擬計(jì)算的氣象數(shù)據(jù)來源于美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的再分析(FNL)資料。

1.2 研究方法

1.2.1 HYSPLIT軌跡模型及聚類分析

為分析東三省秸稈焚燒對區(qū)域空氣質(zhì)量產(chǎn)生的影響范圍，利用MeteoInfo軟件進(jìn)行HYSPLIT軌跡模型氣團(tuán)軌跡運(yùn)移研究。以500 m為起始高度，24 h為時(shí)間尺度，在東三省的近似中心(45°N，117°E)進(jìn)行2015—2017年10—11月的軌跡模擬計(jì)算。由于軌跡模擬時(shí)間跨度較大，軌跡條數(shù)繁多，因而對模擬的軌跡結(jié)果采用角距離方法進(jìn)行聚類分析，聚類數(shù)依時(shí)段內(nèi)軌跡數(shù)突變點(diǎn)而定。

1.2.2 函數(shù)型數(shù)據(jù)分析

利用MATLAB軟件對AQI進(jìn)行函數(shù)型數(shù)據(jù)分析。由于AQI常呈周期性變化，因而選擇傅立葉基函數(shù)對AQI進(jìn)行函數(shù)型數(shù)據(jù)分析[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈焚燒火點(diǎn)時(shí)空分布特征

2015—2017年秋季東三省秸稈焚燒火點(diǎn)空間分布情況見表1。由表1可知，2015—2017年東三省火點(diǎn)數(shù)逐年增多，特別是黑龍江省。黑龍江省不僅火點(diǎn)數(shù)多而且火點(diǎn)分布廣，除西北部的大興安嶺地區(qū)以外，幾乎全省都有分布。2016年黑龍江省的火點(diǎn)數(shù)更是占到了東三省火點(diǎn)總數(shù)的84%。查閱中國統(tǒng)計(jì)年鑒公布的數(shù)據(jù)可知，2015—2017年黑龍江省糧食作物播種面積在東三省中居首，吉林省次之，遼寧省最低。由此可以認(rèn)為，東三省的火點(diǎn)數(shù)差異除不同省份間的政策落實(shí)程度不同外，還與糧食播種面積存在關(guān)聯(lián)，這與WANG等[12]的研究結(jié)論一致。2015—2017年東三省火點(diǎn)聚集區(qū)有逐漸增多的趨勢，并且表現(xiàn)為逐年向西擴(kuò)展。3年內(nèi)以佳木斯市和雙鴨山市為中心的高密度火點(diǎn)聚集區(qū)穩(wěn)定出現(xiàn)，2016年增加了以哈爾濱市、齊齊哈爾市和綏化市為中心的高密度火點(diǎn)聚集區(qū)，2017年又增加了長春市、白城市和四平市為中心的高密度火點(diǎn)聚集區(qū)。

表1 東三省秸稈焚燒火點(diǎn)時(shí)空分布

2.2 秸稈焚燒空氣質(zhì)量影響效應(yīng)分析

由HYSPLIT軌跡聚類分析結(jié)果可知，2015—2017年秋季秸稈焚燒期間，東三省氣團(tuán)主要對東三省內(nèi)部產(chǎn)生影響，而對國內(nèi)其他地區(qū)的空氣質(zhì)量影響不大，有一部分氣團(tuán)向東運(yùn)移至俄羅斯境內(nèi)后，少量繼續(xù)向東輸送，下文只分析秸稈焚燒對東三省內(nèi)部地區(qū)的影響。

2.2.1 秸稈焚燒對AQI影響分析

由于黑龍江省不僅火點(diǎn)數(shù)多而且火點(diǎn)分布較廣泛，哈爾濱市又是黑龍江省的省會，而且2016、2017年又是高密度火點(diǎn)聚集區(qū)，因此將哈爾濱市作為東三省中典型的秸稈焚燒城市進(jìn)行深入分析，其2015—2017年10—11月AQI曲線及火點(diǎn)分布見圖1。3年的AQI曲線總體相似，可分成3個(gè)階段：平緩階段、上升階段和下降階段。10月20日至11月10日為火點(diǎn)集中期，與AQI曲線的集中期基本一致。

圖1 2015—2017年10—11月哈爾濱市AQI曲線和火點(diǎn)分布Fig.1 AQI curve and burning points distribution in Harbin in October and November from 2015 to 2017

分析AQI曲線的一階導(dǎo)數(shù)得到AQI的變化速率。2015年的AQI變化速率相對比較平緩；2016年的AQI變化速率波動較大；2017年的AQI變化速率也存在波動，但波動幅度較2016年小。從3年的平均值來看， AQI變化速率波動最大的時(shí)間為10月下旬至11月上旬，也就是哈爾濱市的火點(diǎn)集中期。

由此可見，秸稈燃燒對AQI有顯著影響，火點(diǎn)集中期AQI快速升高，導(dǎo)致空氣質(zhì)量明顯下降。

2.2.2 秸稈焚燒對各項(xiàng)空氣污染物影響分析

2.2.1節(jié)研究表明，AQI受秸稈焚燒影響明顯，而AQI 由PM10、PM2.5、NO2、CO、SO2和O3等空氣污染物綜合確定，為明確各項(xiàng)空氣污染物受秸稈焚燒的具體影響，進(jìn)一步選擇2017年11月對哈爾濱市開展研究。將火點(diǎn)數(shù)分布最集中的11月1—7日定義為時(shí)段1，11月8—30日定義為時(shí)段2，并將2017年空氣質(zhì)量最好的7月定義為時(shí)段3，作為本底進(jìn)行對比。

由表2可見：(1)3個(gè)時(shí)段的PM2.5質(zhì)量濃度均值依次為199、39、20 μg/m3，PM10依次為283、63、51 μg/m3，時(shí)段1的PM2.5和PM10濃度較時(shí)段2和時(shí)段3顯著升高。時(shí)段1的PM10質(zhì)量濃度最高值達(dá)到424 μg/m3，時(shí)段1的PM2.5質(zhì)量濃度最高值達(dá)到299 μg/m3。由此可見，秸稈焚燒會產(chǎn)生大量顆粒物，導(dǎo)致PM2.5和PM10濃度升高，從而對空氣質(zhì)量造成影響。(2)3個(gè)時(shí)段的NO2質(zhì)量濃度均值依次為60、31、35 μg/m3，CO依次為1.43、0.80、0.65 mg/m3，SO2依次為24、23、7 μg/m3，O3依次為53、43、79 μg/m3，NO2、CO和SO2濃度受秸稈焚燒的影響，而O3濃度相反，這與吳立新等[13]研究徐州市秸稈焚燒對空氣污染物產(chǎn)生的影響所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律一致。原因是近地面O3來自于空氣中的氮氧化物和有機(jī)物在強(qiáng)紫外線照射下的二次轉(zhuǎn)化，時(shí)段3處于日照強(qiáng)烈的夏季月份，因而O3容易形成，而此時(shí)段秸稈焚燒又比較少。除O3外，各項(xiàng)空氣污染物基本呈現(xiàn)時(shí)段1>時(shí)段2>時(shí)段3的特性，主要是由于空氣污染過程存在時(shí)間持續(xù)性，秋季秸稈集中焚燒產(chǎn)生的空氣污染物影響會持續(xù)一段時(shí)間，而7月為多雨的夏季，雨水沖刷及大氣氣象條件都有利于空氣污染物沉降和擴(kuò)散。

表2 不同時(shí)段各項(xiàng)空氣污染物質(zhì)量濃度均值

3 結(jié) 論

(1) 2015—2017年秋季東三省秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)逐年增多，特別是黑龍江省不僅火點(diǎn)數(shù)多而且火點(diǎn)分布廣，火點(diǎn)聚集區(qū)有逐年向西擴(kuò)展的趨勢。東三省的火點(diǎn)數(shù)差異除不同省份間的政策落實(shí)程度不同外，還與糧食播種面積存在關(guān)聯(lián)。

(2) 2015—2017年秋季秸稈焚燒期間東三省的氣團(tuán)主要對東三省內(nèi)部產(chǎn)生影響。秸稈焚燒對AQI的影響主要分成3個(gè)階段：平緩階段、上升階段和下降階段，說明秸稈焚燒對AQI有顯著影響。秸稈焚燒對PM2.5、PM10、NO2、CO和SO2有顯著影響，而O3由于來源不同，不受影響。