南通市一次典型重污染過程成因及特征探究

蔣榮 錢震 陳帥

摘要：結(jié)合南通市空氣自動站、大氣超級站、氣象臺的多種在線儀器設(shè)備逐時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對南通市冬季一次典型重污染過程成因及特征進行了分析。結(jié)果表明，外來輸入和本地聚集的污染物，在高壓控制、大氣靜穩(wěn)的天氣形勢下，難以擴散，導(dǎo)致了本次重污染過程。本次污染以細小顆粒物為主，粒徑小于2.5μm的顆粒物占總和的99.99%。首要污染物PM2.5中總碳（TC）濃度占9%～21%，TC/ PM2.5濃度占比與PM2.5濃度變化趨勢一致。有機碳/元素碳（OC/EC）的比值表明，此次重污染過程存在二次有機碳污染，污染物主要來源于柴油和汽油車尾氣排放以及燃煤排放。

關(guān)鍵詞：重污染;粒徑分布;有機碳/元素碳;PM2.5

中圖分類號：X831? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-672X（2021）01-0083-05

DOI.10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2021.01.013

Study on the causes and characteristics of a typical heavy air pollution process in Nantong

Jiang Rong， Qian Zhen，Chen Shuai

（Nantong Environmental Monitoring Center，Nantong Jiangsu 226006，China）

Abstract：The causes and characteristics of a typical heavy air pollution process in winter in Nantong were analyzed based on the hourly monitoring data of various On-line monitoring instrument from air automatic station， atmospheric super station and meteorological observatory. Results showed that the heavy air pollution process was the result of the fact that imported and locally gathered pollutants difficult to diffuse under the weather conditions of high pressure control and stable atmosphere. The pollution was dominated by fine particles with particle size less than 2.5 um accounting for 99.99% of the total. In PM2.5， the total carbon （TC） concentration accounts for 9%～21%， and the proportion of TC/ PM2.5 is consistent with the change trend of PM2.5 concentration. The OC/EC ratio indicated that there was secondary organic carbon pollution in this heavy air pollution process. The pollutants mainly came from diesel and gasoline vehicle exhaust emissions and coal burning emissions.

Key words：Heavy air pollution; Particle size distribution; Organic Carbon（OC）/Elemental Carbon（EC）; PM2.5

自“霧霾”一詞成為2013年度關(guān)鍵詞以來，重污染天氣一直備受領(lǐng)導(dǎo)及市民的高度關(guān)注。雖然已有大量人力物力財力的投入，我國大氣污染防治形勢依然非常嚴峻，2016年東北10城AQI值爆表事件，又一次將重污染天氣話題推向風(fēng)口浪尖。重污染天氣不僅會導(dǎo)致高速公路封閉、航班延誤等，還危害公眾健康。因此，開展重污染天氣研究對經(jīng)濟和社會發(fā)展、氣候與環(huán)境變化、人體健康和區(qū)域和諧發(fā)展等具有重要的現(xiàn)實意義[1]。

針對我國近年頻發(fā)的重污染天氣，諸多學(xué)者已從多角度開展了相關(guān)研究。周敏等[2]研究了重污染期間上海市細顆粒物化學(xué)組分特征及污染來源類型。喻義勇等[3]對南京市一次持續(xù)重污染天氣特征及成因進行了分析。徐曼等[4]分析了石家莊市冬季典型重污染天氣演變過程。程念亮等[5]對北京市4 次典型空氣重污染過程成因進行了對比分析。

南通市位于江蘇省東南部，瀕江臨海，稀釋擴散條件相對較好，但受大尺度區(qū)域污染物傳輸影響，冬季仍不間斷有重污染天氣發(fā)生。本文挑選南通市2016年12月份發(fā)生的一次典型重污染過程，對其成因和特征進行分析探究，以期能逐步掌握以南通為代表的沿海城市重污染天氣的發(fā)生規(guī)律，提高重污染天氣預(yù)報預(yù)警的能力，便于提前采取相應(yīng)的防治和保護措施，盡量將污染對市民及經(jīng)濟的危害降至最低。

1? ? 資料來源

1.1? ? 研究區(qū)概況

南通市地處31°1'～32°43'N、120°12'～121°55'E，位于江蘇省東南部，東臨黃海，南臨長江。年平均氣溫在15℃左右，年平均降水量1000～1100mm，屬北亞熱帶和暖溫帶季風(fēng)氣候，雨熱同季，夏季雨量約占全年雨量的40%～50%。

1.2? ? 數(shù)據(jù)來源

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于南通市區(qū)4個國控空氣自動子站逐時數(shù)據(jù)，氣象資料來源于南通市氣象臺同步監(jiān)測數(shù)據(jù)，消光圖和邊界層高度曲線來自于藍盾光電子的LGJ-01型氣溶膠激光雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)，污染物顆粒物分布數(shù)據(jù)為GRIMM 180型顆粒物粒徑譜分析儀監(jiān)測數(shù)據(jù)，OC/EC采用美國Sunset Lab 公司生產(chǎn)的Model-4 EC/OC在線分析儀監(jiān)測數(shù)據(jù)。氣溶膠激光雷達、顆粒物粒徑譜分析儀、EC/OC在線分析儀均布設(shè)于南通市大氣多參數(shù)站（超級站），位于南通市環(huán)保局大樓頂，距離地面20m左右，均為24h連續(xù)在線采樣分析。

2? ? 重污染過程分析

南通市濱江沿海，大氣稀釋擴散條件相對較好，重度污染天氣一般不會持續(xù)太長時間，出現(xiàn)中度污染天氣即會引起市民及領(lǐng)導(dǎo)的高度重視。為保持與市民及領(lǐng)導(dǎo)關(guān)注度的一致性，同時獲取更多的分析樣本，本文將中度污染 一并納入重度污染過程分析。

2.1? ? 重污染過程及原因分析

如圖1所示，2016年12月15日22時-17日11時，南通市發(fā)生了一次持續(xù)38小時的重污染天氣（AQI值>150），首要污染物均為PM2.5。15日22時-16日20時，AQI值穩(wěn)定在150～200之間，為中度污染;16日21時-17日6時，AQI值突破200，達重度污染;17日7時-11時，空氣質(zhì)量降回中度污染級別。

激光雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示（圖2），15日開始南通地區(qū)邊界層總體呈降低趨勢，使污染物逐漸向地面聚集。15日夜間邊界層高度降至低值，16日白天略有抬升后再次降低。同時在15日22時左右南通上空觀測到明顯的外來源污染，且該污染氣團逐漸向地面匯集。本地污染物的逐漸聚集、外來污染物的輸送，為本次污染過程提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

15日22時-17日11時，南通境內(nèi)地面受高壓控制，大氣靜穩(wěn)，污染物擴散條件較差，導(dǎo)致污染物長期聚集，持續(xù)重污染天氣。15日22時-16日20時，風(fēng)速0～2.7 m/s，平均風(fēng)速1.7 m/s，風(fēng)速較小;16日21時-17日6時，風(fēng)速0.4～1.1 m/s，平均風(fēng)速0.7 m/s，風(fēng)速進一步減小;17日7時-11時，風(fēng)速0.3～6.2 m/s，平均風(fēng)速3.4 m/s，風(fēng)速逐漸升高。由此可見，在其他條件相對穩(wěn)定的情況下，污染物濃度與風(fēng)速相關(guān)性明顯，風(fēng)速越小，污染物濃度越高，反之亦然。16日10時左右，AQI值出現(xiàn)短期小幅下降，未發(fā)現(xiàn)其他有利于污染物濃度降低的因素，因此判定為白天氣溫上升，大氣邊界層抬升，污染物向高空轉(zhuǎn)移所致，但污染物總量并沒有減少，隨著大氣邊界層下降，污染物濃度再次升高。

2.2? ? 顆粒物粒徑分布

采用顆粒物粒徑譜分析儀連續(xù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對本次重污染過程顆粒物粒徑分布進行分析，結(jié)果如圖3。本次重污染過程中，0～0.25μm、0.25～0.28μm、0.28～0.3μm、0.3～0.35μm、0.35～0.4μm、0.4～0.5μm、0.5～2.5μm、2.5～3.0μm粒徑段內(nèi)的顆粒物數(shù)濃度占比分別為24.20%、25.01%、23.11%、15.88%、6.35%、4.45%、1.01%、0.01%，0.25～0.28μm粒徑段的顆粒物數(shù)濃度占比最高。本次主要以細小顆粒物污染為主，粒徑小于0.30μm的顆粒物占總和的70%以上，粒徑小于2.5μm的顆粒物占總和的99.99%，這與空氣自動站監(jiān)測結(jié)果首要污染物為PM2.5一致。細小顆粒物表面吸附大量的重金屬和有機污染物等，在呼吸過程中能深人到細胞而長期存儲在人體中，嚴重危害人體健康。因此必須提高重污染天氣，尤其是以細顆粒物為首要污染物的重污染天氣的預(yù)報預(yù)警能力，以便提前采取相應(yīng)的防治和保護措施，盡量將污染的危害降至最低。

2.3? ? PM2.5中EC、OC特征分析

因本次重污染過程首要污染物均為PM2.5，根據(jù)已掌握的資料對PM2.5組分之一的EC（元素碳）、OC（有機碳）進行分析。如圖4所示，EC 和OC之和，即TC，在PM2.5中的占比介于9%-21%之間，且TC/ PM2.5濃度占比與PM2.5濃度變化趨勢基本一致，TC/ PM2.5濃度占比隨PM2.5濃度的升高而升高，隨其降低而降低。

OC/EC的比值通常被用來判斷是否有二次有機污染的產(chǎn)生，以及定性分析污染物的來源。一般認為，當(dāng)OC/EC比值>2.0時，存在二次有機碳（SOC）。當(dāng)OC/EC比值為1.0～4.2時，有柴油和汽油車尾氣排放;當(dāng)其比值為2.5～10.5時，有燃煤排放;當(dāng)OC/EC比值為16.8～40.0時，有生物質(zhì)燃燒排放;當(dāng)OC/EC比值為32.9～81.6時，有烹調(diào)排放[6-9]。南通市此次重污染過程期間OC/EC的比值為2.16～3.30，比值均大于2.0，且介于1.0～4.2、2.5～10.5之間，表明此次重污染過程存在二次有機碳污染，污染物主要來源于柴油和汽油車尾氣排放以及燃煤排放，這與冬季污染物的來源實際情況相吻合。

為進一步證實二次有機污染的存在，采用葉堤等[10]人論文中提出的修正過的SOC經(jīng)驗計算公式：SOC=OC-EC*1.5，計算了該次污染過程中SOC濃度及其在PM2.5濃度中的占比，得SOC濃度均值為5μg/m?，SOC/PM2.5濃度占比為4%。表明，二次有機碳污染是南通市PM2.5 濃度超標的重要原因之一。

3? ? 小結(jié)

（1）大氣污染物的聚集和擴散兩方面決定了空氣污染的程度。本地污染物的逐漸聚集、外來污染物的輸送，為本次重污染過程提供了物質(zhì)基礎(chǔ);同時南通境內(nèi)地面受高壓控制，大氣靜穩(wěn)，風(fēng)速持續(xù)較小，污染物稀釋擴散條件較差，導(dǎo)致污染物長期聚集。即污染物聚集條件好、擴散條件差，導(dǎo)致了本次持續(xù)38小時的重污染過程。

（2）本次污染主要以細小顆粒物污染為主，粒徑小于2.5μm的顆粒物占總和的99.99%。

（3）進一步對PM2.5中的EC、OC分析表明，TC/PM2.5的濃度占比介于9%～21%之間，且其變化趨勢與PM2.5濃度變化趨勢一致。OC/EC比值顯示本次重污染過程存在二次有機碳（SOC）污染，SOC/PM2.5濃度占比為4%，污染物主要來源于柴油和汽油車尾氣排放以及燃煤排放。

參考文獻

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收稿日期：2020-09-18

項目基金：江蘇省環(huán)保專項資金資助項目（PM2.5、臭氧及其前體物監(jiān)測體系、質(zhì)控質(zhì)保體系研究及示范應(yīng)用）。

作者簡介：蔣榮（1987-），女，碩士研究生，工程師。研究方向：環(huán)境科學(xué)。