常州一次重污染過程氣象條件及PM2.5組分特征分析

趙亞芳， 何 濤， 葉 香， 余益軍

(江蘇省常州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 常州 213000)

引 言

2018年1月14-23日江蘇區(qū)域出現(xiàn)大范圍持續(xù)性霧霾天氣，細(xì)顆粒物(PM2.5)污染嚴(yán)重，多數(shù)城市空氣質(zhì)量持續(xù)重度或嚴(yán)重污染，導(dǎo)致航班延誤、碼頭停運(yùn)，嚴(yán)重影響居民生活并危害人體健康，受到了政府和公眾廣泛關(guān)注。

在區(qū)域污染源排放相對(duì)穩(wěn)定的情況下，污染過程主要與氣象條件有關(guān)，大氣擴(kuò)散條件和輸送效應(yīng)是決定污染物濃度的關(guān)鍵因素[1-3]，而如何依據(jù)復(fù)雜多變的氣象參數(shù)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)重污染過程是亟待解決的難題。目前的研究主要是從天氣形勢(shì)、邊界層特征、大氣傳輸、化學(xué)生成等角度，分析環(huán)流形勢(shì)或局地氣象條件對(duì)重污染天氣形成和演變的影響[4-6]。有關(guān)研究表明,均壓場(chǎng)為重污染天氣提供了有利的氣象條件，地面風(fēng)向、風(fēng)速、近地逆溫層等氣象條件對(duì)空氣污染物的傳輸與擴(kuò)散等起著決定性的作用。此外，周邊區(qū)域污染輸送過程對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的京津冀、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲等城市群影響也不可小覷，強(qiáng)冷空氣推動(dòng)污染物傳輸可類似沙塵暴現(xiàn)象，呈跨境和跨省、市、地區(qū)遠(yuǎn)距離輸送特征[7-9]。Xu等[10]的研究結(jié)果顯示，本地?cái)U(kuò)散條件差和上游輸送疊加是形成2013年1月上海持續(xù)性大氣污染的重要條件。

本研究基于氣象資料、污染物監(jiān)測(cè)資料和離子組分等數(shù)據(jù)，對(duì)2018年1月14-23日常州PM2.5質(zhì)量濃度演變規(guī)律進(jìn)行分析，研究重污染發(fā)生、發(fā)展、消散對(duì)應(yīng)的天氣形勢(shì)、氣象要素和污染特征因子變化情況，并結(jié)合南京、蘇州的PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探究城市間污染特征差異，從而為PM2.5重污染事件預(yù)報(bào)、預(yù)警等提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 常規(guī)觀測(cè)資料

氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、水平能見度和降水量等氣象要素為江蘇省常州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。南京、常州、蘇州PM2.5質(zhì)量濃度來自中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站公布的逐小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(https://air.cnemc.cn:18007/)，三座城市PM2.5設(shè)備均嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范[17]要求進(jìn)行運(yùn)維和質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)時(shí)段為2018年1月14—23日。江蘇省城市地理位置如圖1。

圖1 江蘇省城市地理位置

1.2 PM2.5組分資料

1.3 硫氧化率和氮氧化率計(jì)算

(1)

(2)

1.4 HYSPLIT后向軌跡模型

混合單粒子拉格朗日綜合軌跡模型(HYSPLIT-4)[18]是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。為研究污染期間氣溶膠的來源地和擴(kuò)散路徑，利用HYSPLIT-4計(jì)算了不同高度氣團(tuán)的后向軌跡。模式所用的初始?xì)庀髨?chǎng)資料選取GDAS數(shù)據(jù)庫，空間水平分辨率為1°×1°，軌跡起始高度分別為500 m、1000 m和1500 m，受體點(diǎn)坐標(biāo)為江蘇省常州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心所在的經(jīng)緯度(31.80°N、119.95°E)。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染過程分析

2.1.1 污染過程概述

2018年1月14—23日，江蘇受高壓場(chǎng)、鞍型場(chǎng)和強(qiáng)冷空氣等多種氣象條件影響，空氣質(zhì)量反復(fù)惡化，長(zhǎng)時(shí)間維持重度或嚴(yán)重污染水平。常州于15日09:00、17日05:00、19日10:00和23日02:00出現(xiàn)4次 PM2.5質(zhì)量濃度峰值，濃度峰值分別達(dá)到159 μg·m-3、206 μg·m-3、261 μg·m-3和210 μg·m-3。結(jié)合氣象條件和PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，此次污染可大致分為三個(gè)階段:14-17日為靜穩(wěn)天氣初期引起的污染積蓄階段，18-20日為靜穩(wěn)天氣持續(xù)影響下的污染發(fā)展階段，22-23日為強(qiáng)冷空氣帶來的污染暴發(fā)和消散階段。

2.1.2 氣象條件分析

從高低空天氣形勢(shì)(圖略)及氣象要素變化(圖2)可知，14—17日為污染第一階段，常州500 hPa高空由偏西氣流轉(zhuǎn)為西南氣流，地面由高壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)為鞍型場(chǎng)，風(fēng)速由2.0 m·s-1進(jìn)一步減小到1.5 m·s-1以下，相對(duì)濕度增加至85%以上并伴有陣性弱降水。此階段常州PM2.5質(zhì)量濃度呈逐漸升高趨勢(shì)，弱降水期間PM2.5質(zhì)量濃度維持，濕清除作用不明顯；降水過后溫度升高，在高濕和低風(fēng)速條件下，PM2.5質(zhì)量濃度快速上升，于16日18時(shí)起持續(xù)19 h重度污染，能見度最低只有0.8 km。17日04時(shí)的后向軌跡資料顯示(圖3a)，氣團(tuán)由安徽到達(dá)江蘇，高低空氣團(tuán)來向較為一致。氣溶膠激光雷達(dá)資料顯示(圖4a)，17日常州氣溶膠層的高度在1 km以下，邊界層上空未出現(xiàn)明顯污染帶，表明此階段沒有垂直方向的污染傳輸。

圖2 2018年1月14-23日污染期間常州PM2.5質(zhì)量濃度和氣象參數(shù)變化

18-20日為第二階段。500 hPa高空為西北氣流，伴隨冷高壓入海，地面轉(zhuǎn)為均壓場(chǎng)，常州重污染持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)56 h，PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)一步升高，峰值濃度達(dá)261 μg·m-3，其間能見度約1～2 km，最低只有0.9 km。后向軌跡資料顯示(圖3b),19日04時(shí)江蘇邊界層500 m內(nèi)的污染氣團(tuán)來自東部海域。19日凌晨,常州邊界層上空出現(xiàn)強(qiáng)污染帶(圖4b)。由此可知，海上高壓將滯留于山東境內(nèi)的污染物向常州輸送，在下沉氣流作用下將高空污染物輸送至近地面，加劇污染程度。

圖3 各污染階段常州500 m、1000 m、1500 m高度氣團(tuán)的36 h后向軌跡(a)1月17日04時(shí)(第一階段)，(b)1月19日04時(shí)(第二階段)，(c)1月23日04時(shí)(第三階段)

圖4 各污染階段常州雷達(dá)觀測(cè)(a)1月17日(第一階段)，(b)1月19日(第二階段)，(c)1月23日(第三階段)

22-23日為第三階段。從全國(guó)PM2.5質(zhì)量濃度空間分布圖看(圖略)，受冷鋒南下影響，氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速變化大，強(qiáng)偏北氣流推動(dòng)污染物整體向南輸送，常州PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)驟升驟降的特征。其間雖有短時(shí)降水，但小時(shí)降水量不足1 mm，降水期間濕度增加、氣溫降低，PM2.5質(zhì)量濃度有所升高。冷鋒鋒面到達(dá)常州前10 h，氣溶膠激光雷達(dá)資料顯示(圖4c)，近地面垂直方向有明顯的污染傳輸。后向軌跡資料同樣顯示(圖3c)，污染氣團(tuán)來自北方遠(yuǎn)距離傳輸。受傳輸影響，22日19時(shí)起PM2.5質(zhì)量濃度以每小時(shí)30 μg·m-3速度上升至重度污染。污染氣團(tuán)主力過境后，近地面PM2.5質(zhì)量濃度在4 h內(nèi)下降了100 μg·m-3，空氣質(zhì)量由重度污染迅速轉(zhuǎn)為優(yōu)，能見度由1.6 km回升至15 km，持續(xù)性污染過程消散。

2.2 PM2.5化學(xué)組分分析

OC/EC值是目前常用來判斷二次生成的簡(jiǎn)便方法。通常認(rèn)為，當(dāng)OC/EC值大于2時(shí)，大氣中有二次有機(jī)氣溶膠生成[19]。柴油和汽油車尾氣排放的OC/EC值為1.0～4.2，燃煤排放的為2.5～10.5，生物質(zhì)的燃燒排放為16.8～40.0[20]。14-23日OC/EC值為3.2，表明有明顯的二次有機(jī)氣溶膠生成，且主要來自機(jī)動(dòng)車尾氣和燃煤共同排放。

14-23日常州SOR和NOR分別為0.38和0.25，均高于0.1，表明大氣中SO2和NO2的二次轉(zhuǎn)化過程較明顯。從SOR和NOR的變化趨勢(shì)看出(圖5)，SOR整體高于NOR，表明在同樣的大氣背景下，常州SO2轉(zhuǎn)化為二次污染物的效率更高。

圖5 2018年1月14-23日污染期間常州SOR和NOR變化

表1 PM2.5及化學(xué)組分濃度 μg·m-3

2.3 不同污染階段城市間PM2.5質(zhì)量濃度差異

圖6和圖7給出南京、常州和蘇州PM2.5質(zhì)量濃度和風(fēng)速變化趨勢(shì)。三座城市PM2.5質(zhì)量濃度和風(fēng)速均有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中常州PM2.5質(zhì)量濃度與風(fēng)速的負(fù)相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為-0.57。各污染階段城市間PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)不同。第一階段，常州與蘇州PM2.5濃度變化一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.87。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此階段風(fēng)速對(duì)污染影響較大，其間常州擴(kuò)散條件總體較差，16日常州風(fēng)速1.3 m/s，南京和蘇州風(fēng)速均在2.0 m/s以上，17日區(qū)域靜穩(wěn)條件下，常州風(fēng)速仍保持最低，低風(fēng)速使常州污染更容易累積，PM2.5質(zhì)量濃度最高，蘇州風(fēng)速大，擴(kuò)散條件相對(duì)較好，PM2.5質(zhì)量濃度最低。第二階段，高壓入海前期，三座城市PM2.5質(zhì)量濃度均略有下降，海上污染氣團(tuán)最先影響南京和常州，常州PM2.5質(zhì)量濃度上升速率最快。由于南京與常州PM2.5質(zhì)量濃度峰值同時(shí)出現(xiàn)在午后，垂直擴(kuò)散條件相對(duì)較好，PM2.5質(zhì)量濃度逐漸下降。蘇州PM2.5質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在夜間，邊界層高度降低且風(fēng)速最小，使PM2.5質(zhì)量濃度增加，導(dǎo)致蘇州PM2.5質(zhì)量濃度峰值最高。此階段三座城市PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)存在較大差異。第三階段，三座城市風(fēng)速均增加至3 m/s以上，PM2.5上升和下降速率接近。南京位于上風(fēng)向，PM2.5質(zhì)量濃度最先升高，常州最先達(dá)到濃度峰值，且峰值最高，蘇州比常州晚2 h達(dá)到濃度峰值。

圖6 2018年1月14-23日南京、常州、蘇州PM2.5質(zhì)量濃度變化

圖7 2018年1月14-23日南京、常州、蘇州風(fēng)速變化

3 結(jié)論與討論

結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、污染物監(jiān)測(cè)資料、顆粒物化學(xué)組分等多種實(shí)測(cè)資料,分析了常州一次持續(xù)重污染過程演變特征，探討了不同污染階段城市間PM2.5質(zhì)量濃度變化差異。

(1)結(jié)合氣象觀測(cè)資料及PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)，可將污染大致分為三個(gè)階段:第一階段在靜穩(wěn)天氣初期，本地污染排放對(duì)空氣質(zhì)量影響較大，區(qū)域內(nèi)局地差異較明顯。第二階段在持續(xù)靜穩(wěn)天氣條件下，受本地污染累積與海上污染輸送共同影響，常州重污染持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)56 h，PM2.5質(zhì)量濃度峰值達(dá)261 μg·m-3。第三階段在強(qiáng)冷空氣南下過程中遠(yuǎn)距離輸送造成了暴發(fā)式重污染，PM2.5質(zhì)量濃度約以每小時(shí)30 μg·m-3速度呈現(xiàn)驟升驟降的變化特征。

(3)各污染階段城市間PM2.5質(zhì)量濃度變化存在差異。靜穩(wěn)天氣階段，南京、常州和蘇州PM2.5變化趨勢(shì)較為一致，常州風(fēng)速最低、PM2.5質(zhì)量濃度最高，蘇州相反。整體上三座城市PM2.5質(zhì)量濃度與風(fēng)速呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中常州PM2.5質(zhì)量濃度與風(fēng)速的負(fù)相關(guān)性最強(qiáng)。