溫江區(qū)2021年環(huán)境空氣質(zhì)量典型污染過程分析研究

李 琳，賴瀚如，王 菲

（成都市污染源監(jiān)測中心溫江監(jiān)測站，四川 成都 611130）

自2013 年《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》發(fā)布以來，我國城市地區(qū)環(huán)境空氣污染狀況得到了較顯著的改善。2015～2019 年，我國337個(gè)地級(jí)及以上城市 PM2.5濃度顯著下降，臭氧濃度則呈波動(dòng)上升趨勢（夏季表現(xiàn)突出）[1－2]。目前，國內(nèi)對(duì)臭氧污染特征及氣象因素影響研究主要集中在京津冀[3－4]、長三角[5]、珠三角[6]及成渝地區(qū)[7－8]。

四川盆地是全國人口最集中且地理環(huán)境最復(fù)雜的區(qū)域之一，以細(xì)顆粒物（PM2.5）、臭氧污染為主要特征。郭曉梅[8]發(fā)現(xiàn)四川盆地存在特殊的大氣環(huán)境效應(yīng)，即盆地區(qū)域低空為弱風(fēng)區(qū)，高空為強(qiáng)風(fēng)區(qū)及下沉氣流，不利于污染物的擴(kuò)散和輸送，導(dǎo)致污染物堆積。溫江區(qū)地處成都市中心城區(qū)西北部，是成都中心城區(qū)的重要組成部分。2021年溫江區(qū)空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)為270天，超標(biāo)天數(shù)為95天，其中PM2.5超標(biāo)53天，主要出現(xiàn)在冬季；臭氧超標(biāo)40天，主要出現(xiàn)在夏季。本文選取的研究對(duì)象是溫江區(qū)2021冬、夏季中一次持續(xù)時(shí)間較長、污染程度較重的PM2.5和臭氧典型污染過程，通過研究分析污染過程中環(huán)境空氣質(zhì)量指標(biāo)污染物和氣象條件變化特征，提出溫江區(qū)大氣污染防控工作建議。

1 分析方法

1.1 HYSPLIT后向軌跡模型

一個(gè)地區(qū)或城市的臭氧污染不僅受本地污染源排放的影響，同時(shí)也受周邊地區(qū)外來輸送的影響，國內(nèi)外許多研究利用HYSPLIT后向軌跡模型來分析大氣污染物質(zhì)來源及其輸送路徑等[1－4]。本文采用的氣象資料為NCEP（美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心）提供的全球資料同化系統(tǒng)（GDAS）數(shù)據(jù)，使用HYSPLIT模型模擬500米高度每日氣團(tuán)移動(dòng)的24小時(shí)后向軌跡，反映溫江區(qū)典型污染過程期間氣流外來輸送方向。

1.2 CAMQ空氣質(zhì)量模型

CAMQ空氣質(zhì)量模型可以一次性系統(tǒng)模擬多種尺度、多種大氣污染問題，也適用于復(fù)合型大氣污染，如臭氧、PM2.5和NO2等污染物導(dǎo)致的大氣環(huán)境問題[6－7]。CMAQ模型是目前運(yùn)用較廣泛、理論較成熟的空氣質(zhì)量模型之一，模擬過程中需結(jié)合WRF中尺度氣象模式和SMOKE（Spare Matrix Operator Kerenl Emission）等源排放模型，將大氣污染物水平與垂直輸送、擴(kuò)散過程、源排放、化學(xué)反應(yīng)和去除過程等對(duì)污染物濃度的影響融為一體，將復(fù)雜的大氣污染情況進(jìn)行綜合處理[8－9]。本研究采用WRF－SMOKE－CMAQ空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)，其中WRF為SMOKE和CMAQ提供氣象背景場，SMOKE為CMAQ提供格點(diǎn)化的排放源數(shù)據(jù)，通過CMAQ模式中大氣污染擴(kuò)散及演變的一系列物理化學(xué)過程計(jì)算，得到模擬區(qū)域的污染物濃度分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 秋冬季典型污染過程分析

受持續(xù)性靜穩(wěn)高濕環(huán)境影響，四川盆地12月初出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣的顆粒物區(qū)域性污染過程，其中12月2～7日期間，污染過程出現(xiàn)兩天PM2.5重污染，對(duì)此污染過程進(jìn)行分析：從主要污染物濃度來看（圖1），污染前期NO2濃度持續(xù)超過60 μg/m3，在靜穩(wěn)高濕環(huán)境中二次反應(yīng)加劇導(dǎo)致顆粒物逐漸累積，是本次污染過程中PM2.5持續(xù)累積升高并出現(xiàn)重污染的主要原因。

圖1 2021年12月2～7日溫江區(qū)污染物濃度與風(fēng)速關(guān)系

從氣象條件來看，這次污染過程大氣層結(jié)穩(wěn)定，低層逆溫、多層逆溫頻發(fā)，邊界層高度在320～470 m之間波動(dòng)，高空無明顯打開現(xiàn)象，垂直擴(kuò)散條件極差。從氣象條件看，本次污染過程大氣層結(jié)穩(wěn)定，低層逆溫、多層逆溫頻發(fā)，邊界層高度在320～470 m之間波動(dòng)，垂直擴(kuò)散條件極差，且部分時(shí)段存在以溫江為中心的氣流弱輻合區(qū)，加重了污染程度。如圖2所示，從12月2～7日地面風(fēng)與PM2.5濃度來看，高濃度傳輸方向主要為東北、正南、東南方向，風(fēng)速約為1 m/s，東北方向貢獻(xiàn)尤為明顯。值得注意的是，在風(fēng)速約為0.5 m/s時(shí)，同樣出現(xiàn)較高濃度傳輸，由于風(fēng)速小傳輸距離有限，極有可能來自本地排放。因此，12月2～7日溫江區(qū)除本地排放性污染較為突出以外，受東北方向郫都區(qū)、彭州市等影響較大，其次為偏南區(qū)域的武侯區(qū)、雙流區(qū)、新津區(qū)等地造成的影響。綜合分析，西南—東北一線為邛崍—龍門山脈主要走向，PM2.5存在明顯的沿山傳輸現(xiàn)象，附近區(qū)域甚至更為偏南的雙流區(qū)、新津區(qū)PM2.5濃度均偏高；在偏東南風(fēng)時(shí)，PM2.5由市區(qū)傳輸至西部區(qū)域，受高大山脈阻擋在山前區(qū)域累積，導(dǎo)致溫江區(qū)、郫都區(qū)等地PM2.5濃度上升。

圖2 2021年12月2～7日重點(diǎn)時(shí)段溫江區(qū)地面風(fēng)速風(fēng)向與PM2.5濃度關(guān)系圖

結(jié)合自2021年12月8日100米和500米高度的24小時(shí)氣流后向軌跡圖（圖3）分析，100米高度氣流輸送路徑和500米高度大致相似，差別不大。2日500米高度的氣流軌跡為西北方向，3日主要為正東方向，4日為東北方向，5日由東南轉(zhuǎn)為東北方向，6～8日為東北方向。3～7日溫江區(qū)主要受東方、東北方向外來傳輸源的影響。3～5日氣流軌跡線明顯較短，污染物難擴(kuò)散，氣流軌跡在成都市內(nèi)，溫江區(qū)也可能受到成都市內(nèi)區(qū)（市）縣外來傳輸?shù)挠绊憽?日氣流軌跡線明顯變長，擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，因而8日成都市空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良。此次污染過程氣流輸送軌跡主要為東方和東北方向，溫江區(qū)主要受到東方和東北方向的外來傳輸影響，同時(shí)也受到成都市內(nèi)區(qū)（市）縣的傳輸影響。

圖3 2021年12月1-8日溫江區(qū)24小時(shí)后向軌跡圖

通過WRF－SMOKE－CMAQ空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)分析，12月2～7日PM2.5、PM10和NO2的本地污染源平均貢獻(xiàn)率分別為40%、36%和38%，外來傳輸源貢獻(xiàn)率分別為60%、64%和62%。此次污染過程溫江區(qū)顆粒物和NO2濃度受到本地污染源和外來傳輸源的疊加影響，外來傳輸源的貢獻(xiàn)率高于本地污染源。但12月4日本地污染源的貢獻(xiàn)率高于外來傳輸源，說明仍需加強(qiáng)本地污染源管控。

2.2 夏季典型污染過程分析

2021年7月末至8月初四川盆地出現(xiàn)時(shí)間長、范圍廣的高溫強(qiáng)輻射天氣。溫江區(qū)7月28至8月4日出現(xiàn)長達(dá)8天的臭氧污染過程，其中8月3日達(dá)到重度污染，對(duì)此污染過程進(jìn)行分析：如圖4所示，溫江區(qū)在7月28日出現(xiàn)污染，7月31日至8月3日西部彭州市、郫都區(qū)和溫江區(qū)先后出現(xiàn)重度污染。8月4日成都市部分區(qū)（市）縣空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良，溫江區(qū)仍為輕度污染。

圖4 成都市各區(qū)（市）縣8月1日和3日空氣質(zhì)量等級(jí)

從主要污染物濃度變化情況來看（圖5），前體物NO2濃度比污染前略有升高，漲幅在2～3 μg/m3，與臭氧濃度變化趨勢具有很高的一致性；相較于主城區(qū)和雙流站點(diǎn)，溫江區(qū)VOCs濃度處于低值，芳香烴與烯烴類物質(zhì)活性高，對(duì)臭氧貢獻(xiàn)也偏大。因此在高溫、無雨的氣象條件下，NO2濃度和反應(yīng)鏈長均增加，加之高活性的芳香烴和烯烴類物質(zhì)影響是臭氧濃度升高的重要原因。大氣氧化性增強(qiáng)，PM2.5濃度隨著臭氧濃度也有所增加，二者在8月3日同時(shí)達(dá)到峰值。8月4日出現(xiàn)陣雨天氣，平均風(fēng)速提升至2～3 m/s，各項(xiàng)污染物平均濃度大幅下降，在氣象條件轉(zhuǎn)好的過渡期溫江區(qū)仍出現(xiàn)一天臭氧污染。

圖5 2021年7月28日～8月4日溫江區(qū)主要污染物與氣象因子變化

從氣象條件看，7月28日起高溫基本維持在35℃左右，風(fēng)速處于1.2～1.4 m/s之間，高溫與強(qiáng)輻射導(dǎo)致溫江區(qū)光化學(xué)反應(yīng)劇烈，大氣層結(jié)穩(wěn)定、風(fēng)速小使得氣象擴(kuò)散受限，臭氧濃度節(jié)節(jié)攀高。從臭氧濃度與風(fēng)速風(fēng)向關(guān)系來看，雖然溫江區(qū)東風(fēng)與東南風(fēng)總風(fēng)頻僅在10%左右，但其對(duì)應(yīng)時(shí)段的臭氧濃度最高，特別是在東風(fēng)風(fēng)速為2 m/s、東南風(fēng)速為2.5 m/s左右、東北風(fēng)速為2 m/s時(shí)，溫江區(qū)臭氧小時(shí)濃度超過280 μg/m3。臭氧高值濃度傳輸方向主要為東北風(fēng)、東南風(fēng)、南風(fēng)和西南風(fēng)。從前體物NO2傳輸分析來看，西北風(fēng)與西風(fēng)對(duì)NO2濃度影響較大，尤其是在西風(fēng)風(fēng)速為2 m/s左右時(shí)，NO2小時(shí)濃度超過30 μg/m3。偏西風(fēng)主要發(fā)生在夜間，因此夜間NO2的傳輸可能是次日臭氧濃度升高的原因之一。溫江區(qū)主要受到東北方彭州市、郫都區(qū)和新都區(qū)，東南方雙流區(qū)和新津區(qū)，西南方崇州市的傳輸影響。

結(jié)合2021年8月4日100米和500米高度的24小時(shí)氣流后向軌跡圖（圖6）分析，100米高度和500米高度氣流輸送路徑相似。7月28日氣流軌跡線明顯較短，在成都市內(nèi)，7月29日至31日主要由西南轉(zhuǎn)南方，8月1日為東南方向，2日為由西南轉(zhuǎn)南方，3日和4為東北方向。7月29日至31日溫江區(qū)主要受西南和南方的外來傳輸影響。8月1日氣流軌跡線明顯較短，污染物難擴(kuò)散，軌跡線處于成都市內(nèi)，經(jīng)過簡陽市、雙流區(qū)和新津區(qū)。3日和4溫江區(qū)主要受東北方向外來傳輸?shù)挠绊懀?日氣流軌跡線明顯變長，污染物易擴(kuò)散，因而5日空氣質(zhì)量均轉(zhuǎn)為優(yōu)或良。此次污染過程氣流輸送軌跡主要為西南方、南方和東北方向。此外，溫江區(qū)不僅受到大尺度區(qū)域外來傳輸?shù)挠绊?，也?huì)受成都市內(nèi)區(qū)（市）縣的傳輸影響。

圖6 2021年7月28日～8月4日溫江區(qū)24小時(shí)后向軌跡圖

通過WRF－SMOKE－CMAQ空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)分析，7月28至8月4日臭氧和NO2的本地污染源平均貢獻(xiàn)率分別為22%和48%，外來傳輸源貢獻(xiàn)率分別為78%和52%。此次污染過程臭氧和NO2濃度受到本地污染源和外來傳輸源的疊加影響，但溫江區(qū)受外來傳輸源的影響更大。

3 大氣污染防控工作建議

3.1 加大預(yù)警期間大氣污染“治標(biāo)”工作

鑒于在氣象條件不利的情況下溫江區(qū)極易出現(xiàn)污染高值，本地排放問題仍然突出。應(yīng)進(jìn)一步加大工業(yè)源、移動(dòng)源、面源污染的治理力度，在預(yù)警期間嚴(yán)格落實(shí)重污染天氣應(yīng)急減排措施。

3.2 持續(xù)挖掘剛性減排潛力

從四大結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整入手，通過騰退低績效企業(yè)、幫扶企業(yè)提標(biāo)改造、引進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)等形式降低工業(yè)VOCs排放；加快新能源公車、公交車、出租車推廣力度，改善移動(dòng)源排放情況；同時(shí)提升施工工地精細(xì)化管控水平，合理規(guī)劃施工強(qiáng)度和施工進(jìn)度，降低污染物排放。

3.3 加強(qiáng)科技治氣能力建設(shè)，提升精細(xì)化管控水平

加強(qiáng)管控部門與大氣科研團(tuán)隊(duì)、氣象分析團(tuán)隊(duì)三方合作，深入研究顆粒物與臭氧濃度雙高的污染成因，針對(duì)性開展夏季臭氧污染防控行動(dòng)、藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)冬季戰(zhàn)役。

3.4 加強(qiáng)聯(lián)防聯(lián)控，構(gòu)建長效工作機(jī)制

溫江區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量受外來傳輸源影響約占55%～75%，個(gè)別時(shí)段高達(dá)82%，區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控亟待加強(qiáng)。完善聯(lián)合監(jiān)管機(jī)制，逐步協(xié)同污染源監(jiān)管體系，強(qiáng)化區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)測預(yù)報(bào)和聯(lián)防聯(lián)控，共同應(yīng)對(duì)重污染天氣。

4 結(jié)語

溫江區(qū)處于山前平壩區(qū)域，氣流易形成輻合，混合層厚度、地面風(fēng)速等氣象因素對(duì)空氣質(zhì)量有顯著影響。冬季早晚多逆溫、濕度較大，擴(kuò)散條件差，不利氣象條件導(dǎo)致區(qū)域PM2.5濃度快速累積，且污染持續(xù)時(shí)間長。夏季在高溫與強(qiáng)輻射條件下，區(qū)域光化學(xué)反應(yīng)劇烈，加之氣象擴(kuò)散受限導(dǎo)致臭氧濃度快速上升。PM2.5和臭氧濃度受到本地污染源和外來傳輸源的疊加影響，但溫江區(qū)受外來傳輸源的影響更大，大尺度外來傳輸影響的方向主要為東南方、東北方、東方和南方。在此分析研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)溫江區(qū)大氣污染特點(diǎn)，提出的防控工作建議具有較強(qiáng)的針對(duì)性和可操作性。