2020 年太原市一次空氣重污染過程分析

孫麗娟

（山西省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和應(yīng)急保障中心（山西省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院），山西 太原 030027）

PM2.5指空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于或等于2.5 μm的懸浮顆粒物，是環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）六參數(shù)之一。PM2.5易于吸附各種有毒的有機物和重金屬元素，且在大氣中滯留時間長，傳輸距離遠(yuǎn)，也更易于滯留在終末細(xì)支氣管和肺泡中，對人體健康的危害極大。

目前對PM2.5污染天氣的成因已有較多研究，梁曉宇等[1]對唐山市2017 年12 月27 至31 日的典型重污染過程研究表明，顆粒物二次反應(yīng)和有機物在此次污染過程有較大貢獻(xiàn)，是導(dǎo)致此次大氣重污染過程的重要影響因素；李義宇等[2]對太原市2016 年12 月29 日至2017 年1 月6 日的重污染過程分析表明，細(xì)粒子是污染過程的主要貢獻(xiàn)，穩(wěn)定的大氣環(huán)流背景場、高濕度低風(fēng)速的地面氣象條件也會在很大程度上影響細(xì)顆粒物等污染物的擴散，是重污染形成的必備條件；韓霄等[3]對2013 年1 月華北平原出現(xiàn)的罕見重污染天氣過程分析表明，本次污染過程期間大部分地區(qū)水平風(fēng)速較多年平均值偏小約20%，相對濕度則較多年平均值偏高達(dá)10%～40%，除本地源的積累和穩(wěn)定的氣象條件，多種氣流輸長/近距離輸送也是重污染天氣形成的主要原因之一。

多年來，因工業(yè)結(jié)構(gòu)及地形因素造成了太原市較為嚴(yán)重的大氣污染，為了扭轉(zhuǎn)太原市空氣質(zhì)量交叉的不利局面，雖然現(xiàn)階段的硬措施如遷移工廠、限制燃煤、機動車限行等對有效防治區(qū)域高PM2.5濃度事件發(fā)生起到一定的作用，但距離民眾所盼的目標(biāo)還有一定的差距，大氣質(zhì)量改善研究和改善工作任重而道遠(yuǎn)。

本研究選取2020 年11 月24 日至26 日太原市發(fā)生的一次的空氣質(zhì)量重污染過程，從周邊區(qū)域形勢，本地氣象條件、顆粒物組分分析等方面進(jìn)行綜合研究，分析此次重污染特征并探討其形成原因。

1 污染過程分析

2020 年11 月24 至26 日，太原市發(fā)生一次突發(fā)性重污染過程，從24 日13 時環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)到中度污染，15 時達(dá)到重度污染，4 h 后空氣質(zhì)量持續(xù)轉(zhuǎn)差為嚴(yán)重污染，AQI 最高達(dá)348，重度及以上污染過程持續(xù)了37 h，隨后環(huán)境空氣質(zhì)量迅速好轉(zhuǎn)，26 日4 時AQI 降為94，此次污染過程結(jié)束。太原市小時變化趨勢圖見圖1。

圖1 2020 年11 月24 日-26 日太原市AQI 值小時變化趨勢圖

2 污染成因分析

2.1 周邊地區(qū)形勢分析

太原市位于太原盆地的北端，西、北、東三面環(huán)山，中、南部為河谷平原，全市整個地形北高南低呈簸箕形。太原盆地包括包括迎澤區(qū)、萬柏林區(qū)、杏花嶺區(qū)、小店區(qū)、尖草坪區(qū)、晉源區(qū)、陽曲縣、清徐縣、榆次區(qū)、太谷縣、交城縣、祁縣、文水縣、平遙縣、汾陽市、介休市、孝義市、靈石縣等縣市區(qū)（見第267 頁圖2）。由第267 頁圖3 中可以看出，此次污染過程從23 日起在太原盆地由南向北逐步傳輸，11 月23 日11：00靈石達(dá)到中度污染，地面以偏南風(fēng)為主，污染物自西南向東北輸送，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，太原市區(qū)最南端的晉源點位在23 日15 時率先從良漲至輕度污染，小店、桃園和塢城點位有個別時段達(dá)到中度污染，24 日凌晨，太原市地面轉(zhuǎn)為弱西北風(fēng)，06：00 空氣質(zhì)量略有好轉(zhuǎn)，12：00，太原盆地南部縣區(qū)孝義、文水、交城、祁縣、太谷空氣質(zhì)量已達(dá)到重度及以上污染，太原市區(qū)南部塢城、小店和金勝點位都達(dá)到中度污染，15：00太原市達(dá)到重度污染，且呈持續(xù)上漲趨勢；截止26 日03：00，太原市區(qū)空氣質(zhì)量一直維持在重度及嚴(yán)重污染水平。26 日凌晨01：00 起，太原市由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，03：00 空氣質(zhì)量略有好轉(zhuǎn)，04：00 起下游地區(qū)污染傳輸減弱，PM2.5濃度逐步下降，05：00 降至良的水平（圖1），此次污染過程結(jié)束。9 個國控點位及太原盆地縣區(qū)PM2.5濃度小時圖見圖3 和圖4。

圖3 2020 年11 月24 日-26 日太原市9 個國控點位PM2.5 濃度小時變化情況

圖4 2020 年11 月23 日-26 日太原盆地部分縣區(qū)PM2.5 濃度小時圖

2.2 氣象條件分析

11 月23 日，太原盆地處于均壓場，靜穩(wěn)天氣下，污染物開始累積，南部縣區(qū)PM2.5濃度短時達(dá)到中度污染，夜間受偏南風(fēng)影響向東北方向傳輸。由850 kPa天氣系統(tǒng)圖可知，24 日太原盆地沒有明顯的冷暖平流，系統(tǒng)較穩(wěn)定（圖5），主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)，下游區(qū)域高污染氣團(tuán)在西南風(fēng)的作用下源源不斷的輸送而來，在這種氣象條件下，外來長/近距離輸送（輻合流場利于周邊污染物的匯聚）加之本地排放的共同作用，造成太原市空氣質(zhì)量迅速變差，15：00 達(dá)到重度污染。

24 日19 時至25 日03：00，太原近地面天氣系統(tǒng)為均壓場，天氣靜穩(wěn)（圖5），本地濕度較大（見第268頁圖6），加劇了PM2.5的污染累積和吸濕增長，此時段PM2.5濃度達(dá)到嚴(yán)重污染；26 日凌晨受冷空氣影響，風(fēng)力增大，污染物擴散條件逐步好轉(zhuǎn)，AQI 指數(shù)下降，污染過程結(jié)束。

圖5 太原市11 月23 日-25 日天氣圖

圖6 太原市11 月23 日-26 日PM2.5 濃度與濕度小時對比分析圖

2.3 顆粒物組分分析

從顆粒物離子色譜的變化來看（見第268 頁圖7），太原在23日15 時至24 日10：00 空氣質(zhì)量出現(xiàn)短時輕度污染后轉(zhuǎn)為良，24 日13：00 至26 日05：00 空氣質(zhì)量達(dá)到中至重度污染。太原的顆粒物組分濃度上升最顯著的為硫酸鹽，峰值質(zhì)量濃度上升184.19 μg/m3，且污染期間硫酸鹽占比最大，占比為57.8%；隨著污染逐漸加重，太原SO2向硫酸根離子的二次轉(zhuǎn)化是PM2.5質(zhì)量濃度上升的主要原因，這也體現(xiàn)了冬季采暖期燃煤作為太原市PM2.5主要來源對城市環(huán)境的巨大影響。

圖7 太原市11 月23 日至26 日離子色譜與PM2.5 濃度值變化

3 結(jié)論

1）此次太原市重污染過程是在區(qū)域性污染背景下形成的，23 日太原盆地處于均壓場，24 日下午PM2.5質(zhì)量濃度的迅速增長反映了在靜穩(wěn)態(tài)天氣條件下污染物累積增長及西南風(fēng)帶來的區(qū)域性污染傳輸。26日受冷空氣影響，風(fēng)力增大，污染物擴散條件逐步好轉(zhuǎn)，污染過程結(jié)束，體現(xiàn)了地面氣壓場及風(fēng)場對PM2.5濃度的重要影響。整個污染過程太原盆地處于均壓場，盆地縣區(qū)之間呈現(xiàn)區(qū)域性傳輸，因此各地在嚴(yán)格管控和治理本地污染源排放的基礎(chǔ)上，要加強與周邊區(qū)域的合作，聯(lián)防聯(lián)控，才能從根本上提高整體區(qū)域的空氣質(zhì)量。

2）穩(wěn)定的大尺度環(huán)流及較弱的天氣系統(tǒng)使得污染物不易擴散。均壓場、地面弱輻合有利于近地面污染物的輸送和聚集，持續(xù)出現(xiàn)的高濕度、較低的混合層厚度將污染物聚集于近地面層內(nèi)，引起污染的持續(xù)和加重。

3）通過對此次重污染過程顆粒物組分分析顯示，太原市SO2向硫酸根離子的二次轉(zhuǎn)化是PM2.5濃度上升的主要原因，這也體現(xiàn)了冬季采暖期燃煤作為太原市PM2.5主要來源對城市環(huán)境的巨大影響。