秸稈焚燒導致南京及周邊地區(qū)一次嚴重空氣污染過程的分析

朱 彬,蘇繼鋒,韓志偉,尹 聰,王體健(.南京信息工程大學中國氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點開放實驗室,江蘇 南京 0044；.中國科學院大氣物理研究所,北京 0009；.南京大學大氣科學學院,江蘇 南京009)

秸稈焚燒導致南京及周邊地區(qū)一次嚴重空氣污染過程的分析

朱 彬1*,蘇繼鋒1,韓志偉2,尹 聰1,王體健3(1.南京信息工程大學中國氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點開放實驗室,江蘇 南京 210044；2.中國科學院大氣物理研究所,北京 100029；3.南京大學大氣科學學院,江蘇 南京210093)

2008年10月28～29日南京及周邊地區(qū)發(fā)生了一次嚴重的空氣污染事件,PM10、CO、SO2等大氣污染物濃度急劇增高.本文綜合利用地面空氣污染監(jiān)測資料、衛(wèi)星遙感火點監(jiān)測資料、氣象觀測和NCAR/NCEP再分析資料及氣流后向軌跡模擬,分析了該次污染事件發(fā)生的天氣條件和大氣邊界層特征以及大氣污染物的來源、輸送路徑.結果表明,蘇中、蘇北地區(qū)秸稈焚燒產(chǎn)生的大氣污染物向南京及周邊地區(qū)輸送,并結合不利于污染物擴散的天氣形勢和邊界層條件,即:均壓場結構、500hPa以下弱的垂直速度、渦度和散度、較低的邊界層高度及逆溫層的存在,以及地形因素是導致這次大氣污染事件的主要原因.

秸稈焚燒；衛(wèi)星遙感；后向軌跡；大氣擴散條件

Abstract：During the time period between Oct.28 to Oct.29, 2008, a serious air pollution event took place in Nanjing and surrounding regions, accompanying with sharply increasing of PM10, CO and SO2in the air. Satellite remote sensing data, surface meteorological observations, air pollution index and the NCEP reanalysis data were used to investigate the atmospheric conditions and planetary boundary layer (PBL) features. Air mass backward trajectory simulation method was employed to analyze the air pollutants sources and transport paths of this event. The results showed that the transport of gas pollutants releasing from crop residue burning in the central and north parts of Jiangsu Province, combining with unfavorable weather condition, which was the dominating reason of this air pollution episode. It was found there was a high-pressure system with relative uniform pressure pattern, weak vertical velocity, vorticity and divergence below 500hPa, which prevented atmospheric ventilation. The inversion temperature, low mixing height and topographical forcing winds in the PBL was also not favor for the air pollutants diffusion.

Key words：crop residue burning；satellite remote sensing；back-trajectory；atmospheric diffusion

生物質燃燒已成為全球重要的大氣微痕量成分排放源,其排放及二次形成的氣溶膠顆粒物、污染氣體(CO、SO2、NOx、O3等)對區(qū)域和局地空氣質量、大氣化學過程乃至氣候變化產(chǎn)生重要影響[1-2],據(jù)估算全球每年約有8700Tg干物質來自生物質燃燒排放,其中90%的生物質燃燒與人類活動有關[3].我國是一個農(nóng)業(yè)大國,每年的農(nóng)業(yè)秸稈產(chǎn)生量約6×108t/a,而農(nóng)業(yè)秸稈被露天焚燒的比例根據(jù)不同省份具體情況各有差異,江蘇、浙江等地由于經(jīng)濟發(fā)達,秸稈利用率較低,焚燒的比例約為30%～40%[4].近年來國內外針對生物質燃燒(包括秸稈焚燒)的衛(wèi)星遙感監(jiān)測[5-6]及其造成的空氣污染等環(huán)境效應開展了較多研究[7-9],探討了衛(wèi)星遙感生物質燃燒火點和過火區(qū)的方法和應用,對其造成的污染物輸送和空氣質量的影響進行了觀測和評估.

長江三角洲地區(qū)是我國近年來霾的多發(fā)區(qū)[10],其中由于秸稈焚燒引起的霾天氣和空氣污染事件占有重要比例,具有季節(jié)高發(fā)性.該地每年春、秋收期間,農(nóng)民因為搶收搶種、保持土壤肥力、減輕病蟲害等原因往往就地焚燒農(nóng)作物秸稈.焚燒排放大量的顆粒物、CO、VOC、SO2、NO2以及PAHs等有毒有害物質,在不利大氣擴散條件下,造成長江三角洲城市大氣環(huán)境顯著惡化.目前,針對長江三角洲地區(qū)秸稈焚燒造成的空氣污染及其產(chǎn)生的氣象條件、輸送路徑的研究還不夠深入,特別是針對長江三角洲城市空氣質量受秸稈焚燒影響的綜合研究還不多.

本文針對2008年10月28、29日秸稈焚燒導致南京及周邊地區(qū)一次嚴重空氣污染過程進行分析,從衛(wèi)星遙感監(jiān)測的火點出發(fā),配合后向軌跡分析,研究南京周邊地區(qū)的地形條件和污染期間氣象條件,探討此次大氣污染過程污染物的分布和變化規(guī)律、輸送路徑以及空氣污染發(fā)生的氣象條件(天氣形勢和大氣邊界層).

1 資料與研究方法

空氣污染指數(shù)資料來源于中國環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)[11], SO2、NO2數(shù)據(jù)由瑞典OPSIS AB公司生產(chǎn)的雙光路DOAS差分吸收光譜儀觀測,儀器安裝在南京信息工程大學氣象樓樓頂,海拔高度62m.CO和PM10數(shù)據(jù)取自南京大學浦口校區(qū)觀測站,該觀測點距南京信息工程大學觀測點南側約2km,中間為一近百米高的小山相隔.

用于軌跡計算的氣象場資料為美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的全球同化系統(tǒng)(GDAS)數(shù)據(jù).軌跡計算采用美國NOAA研制的軌跡模式HYSPLIT4[12],用來分析大氣輸送情況.物理量診斷分析采用NCEP2.5°×2.5°再分析資料.常規(guī)氣象觀測資料來源于江蘇省氣象局和南京信息工程大學自動氣象觀測站.

本文以南京地區(qū)為研究對象,主要從天氣環(huán)流背景、后向軌跡分析、大氣溫度層結、混合層高度、污染區(qū)域的物理量診斷分析和風場的地形強迫等方面分析著手,側重天氣學分析,探討秸稈焚燒導致的區(qū)域性空氣污染過程生消的原因.

2 空氣污染事件過程描述

從2008年10月28日起南京天空黯淡而且空氣中飄著淡淡的焦糊味,整個城市被煙霧所籠罩.10月27日國家衛(wèi)星氣象中心衛(wèi)星遙感監(jiān)測到江蘇有38處秸稈焚燒點(圖1).其中連云港8處,宿遷2處,其余的都在泰州附近.28、29日由于有云覆蓋沒能監(jiān)測到火點,10月28日晚上,江蘇省各地的環(huán)境監(jiān)察大隊,發(fā)現(xiàn)沿途一些農(nóng)民在燒秸稈,這些著火點主要集中在蘇中、蘇南等沿江各縣[13].

圖1 2008年10月27日 13:08 NOAA-18氣象衛(wèi)星觀測到的安徽省、江蘇中西部地區(qū)火情監(jiān)測圖像Fig.1 NOAA-18 satellite image of fire spots (red points)over Anhui and the central and west of Jiangsu province at 13:08 Oct. 27,2008

10月28日12:00～22:00南京可吸入顆粒物平均濃度0.352mg/m3,空氣污染指數(shù)203,達到中度污染水平.全市可吸入顆粒物最大小時濃度為0.955mg/m3.截至22:00,全市9個國控點中有7個測點可吸入顆粒物實時濃度超過1.0mg/m3,達到重度污染水平.草場門、中華門、仙林大學城測點PM2.5濃度出現(xiàn)異常偏高,最大瞬時濃度為0.994mg/m3[14].

圖2 2008年10月29日南京周邊地區(qū)空氣質量指數(shù)分布Fig.2 The air quality index distribution over Nanjing and surrounding regions on Oct. 29, 2008

中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的重點城市空氣質量日報[11]顯示南京28日空氣污染指數(shù)126為輕微污染,29日達199為輕度污染.而29日揚州空氣污染指數(shù)達255為中度污染,鎮(zhèn)江空氣污染甚至指數(shù)達412,為重度污染.空氣質量日報是根據(jù)1d天中午12:00到次日12:00做出的,所以污染的峰值出現(xiàn)在29日凌晨左右,這跟儀器測出的污染氣體峰值時間相符合.另外,29日當天,南通、泰州、常州、合肥等地均有不同程度的污染(圖2).由此可見這是一次大范圍的、性質嚴重的區(qū)域性空氣污染過程.至30日,除揚州和合肥外,各地空氣污染指數(shù)恢復正常.

圖3為江蘇省部分氣象站記錄的能見度變化,可見除了江蘇東部城市南通和張家港外,其他地區(qū)能見度在28～29日均在10km以下,其中揚州、泰州和江寧站尤其偏低,江寧站出現(xiàn)了能見度1.2km的極值,而揚州站在29日08:00的能見度僅為0.8km.

圖3 2008年10月28日08:00～29日14:00,南京及其周邊地區(qū)觀測站能見度的分布和變化Fig.3 Meteorological visibility distribution and variationin Nanjing and surrounding sites from 8:00 Oct. 28 to 14:00 Oct. 29, 2008

結合國家空氣質量標準[15]中污染物的選取和秸稈焚燒產(chǎn)物成分的比例[4,7,16].圖4給出了10月27～30日,SO2、NO2、CO和PM10質量濃度隨時間變化的觀測結果.從27日20:00開始NO2、CO、SO2的濃度均顯著增長,NO2在28日00:00就先于其他污染氣體顯著增高,其原因可能是觀測點靠近高速公路,汽車尾氣排放的NOx(汽車尾氣排放NOx的主要組成是NO,NO在臭氧存在下可快速轉化為NO2)在不利擴散的條件下率先造成局地污染.而秸稈焚燒主要污染物PM10、CO、SO2的濃度在28日后半夜至29日凌晨之間由于周邊污染源輸送到達觀測點,最大值達0.55,2.57,0.57mg/m3.29日凌晨的弱降水導致SO2、NO2和PM10質量濃度略有降低,但并未緩解南京及其附近地區(qū)的污染狀況,29日白天的污染依然嚴重.

圖4 空氣污染事件期間,南京PM10、SO2、NO2和CO隨時間變化Fig.4 Time series of PM10, SO2, NO2and CO observed in Nanjing during the air pollution event

3 空氣污染氣象條件和氣流軌跡分析

3.1大氣環(huán)流特征

天氣尺度的穩(wěn)定的高壓均壓場和穩(wěn)定的低壓均壓場是形成我國中尺度乃至大尺度重污染的主要天氣系統(tǒng)[17-19].從10月下旬500hPa平均環(huán)流形勢可知,歐亞大陸中高緯環(huán)流為“兩槽一脊”型,兩槽之間為弱脊,環(huán)流的經(jīng)向度不大,南京為緯向性的西風氣流控制.26日開始,副熱帶高壓加強北抬,與水汽充足的西南氣流在長江中下游相遇,并形成大片的強降雨區(qū).但位于偏東的南京地區(qū),因為沒有冷空氣影響等觸發(fā)條件,難以形成降水,而一直維持高濕狀態(tài).劉興中等[18]對南京地區(qū)SO2、NOx和水汽壓的研究表明二者有正相關關系.

10月28日08:00,500hPa在黃河上游有一淺槽,700hPa黃河中游有切變,均快速向東南方向移動;850hPa整個長江中下游處于弱脊控制,在黃河中游至四川盆地有一切變線快速東南移動;28日地面場南京處于弱高壓底部.28日20:00, 850hPa以下為弱脊控制.29日08:00,500hPa蘇北徐州和鹽城站已由西南偏西風完全轉為西北偏北風,說明高空槽已過蘇北;850hPa山東半島和浙江東部小高壓(中心最大值分別為1018.2hPa和1019.0hPa)之間的東西走向的弱切變位于信陽-南京-上海一線.

29日凌晨開始南京及其周邊地區(qū)開始產(chǎn)生降水,但是降水量很小,降水導致了秸稈的不完全燃燒,小的降水量并不能對污染物起到明顯的清除作用,污染反而更為嚴重.南京江寧站、鎮(zhèn)江29日20:00之前總降水量才3.3mm,揚州為2.3mm,且每小時降水量都未能超過1mm.縱觀大氣環(huán)流,南京及其周邊地區(qū)在28、29日地面處于高壓均壓場控制,風速較小,一般維持在2～3m/s左右,低層有弱切變,弱輻合,近地層相對濕度較大,非常有利于水汽和污染物在其上空聚集,極不容易擴散.

3.2地面氣象要素和邊界層特征

由地面氣壓、相對濕度和風速時間圖(圖5)看出,海平面氣壓在1014～1019hPa的范圍內變化,48h變壓只有5hPa,溫度、氣壓梯度小,決定了水平風速很小.28、29日2d的風速最大值只有3m/s,不利于污染物特別是低排放源污染物的水平擴散.秸稈焚燒產(chǎn)生的污染物在27日夜間和28日全天的積累和滯留,造成了29日南京及周邊地區(qū)嚴重的污染天氣.28日地面相對濕度為60%左右,29日02:00相對濕度上升至80%且一直維持在80%～90%之間,可見水汽在近地層也在不斷積聚.

近地層出現(xiàn)逆溫不利于污染物的擴散[20-21],逆溫層持續(xù)的時間、強度和逆溫層厚度與污染物擴散有直接關系.取南京地區(qū)為研究對象,由圖6可見,28日08:00近地面1000hPa到986hPa存在明顯的逆溫,逆溫層頂在986hPa,雖然強度不大,但是逆溫層底部高度非常低.986hPa以上處于中性層結,直到640hPa又有一逆溫層.整個大氣層結相對穩(wěn)定,對秸稈燃燒產(chǎn)生的顆粒物及氣體污染物的垂直擴散非常不利.28日20:00,750hPa以下是中性層結,750hPa、850hPa有逆溫,整層大氣上下溫差小,大氣湍流和熱力對流弱.

圖5 2008年10月28～31日南京地區(qū)氣壓、溫度相對濕度、風速和風向的時間變化Fig.5 Time series of pressure, temperature, relative humidity, wind speed and wind direction observed in Nanjing from Oct. 28 to Oct. 31, 2008

29日08:00,850hPa以下屬中性層結,850hPa至790hPa有逆溫.29日20:00,925hPa以下是中性層結,925hPa至820hPa是逆溫層,無論是水平方向還是垂直方向,大氣輸送都很弱.所以污染物在長江中下游地區(qū)堆積,造成能見度下降、空氣質量惡化.從圖6的露點曲線和溫度曲線還可以看出,28～29日溫度-露點差不斷減小,水汽不斷在邊界層內積累.

大氣混合層高度是污染物在垂直方向上擴散的上限,是污染物擴散的重要參數(shù).當混合層高度較低時,污染物垂直方向得不到很好的擴散,易造成局地的高濃度污染.本文用探空資料使用干絕熱法來求混合層高度[22].計算得到10月28、29和30日最大混合層高度分別為847m、460m和1669m.中緯度陸地上的混合層典型厚度為1～2km.這樣低的混合層高度使污染物被壓制在邊界層低層得不到擴散,而水平方向的風速又較小,污染物只能在邊界層低層緩慢輸送、擴散、積累、滯留,造成了整體的區(qū)域污染和局地的高濃度污染.到30日,混合層高度上升為1669m,污染物在垂直方向上充分混合稀釋.所以到30日除揚州和合肥外,大部分城市空氣污染指數(shù)回到正常水平.

圖6 2008年10月28日～29日溫度、露點溫度隨高度變化曲線Fig.6 Profiles of temperature and dew point temperature from Oct. 28 to Oct. 29, 2008

3.3物理量分析

利用10月27日00:00至29日12:00的NCEP再分析資料,對污染區(qū)(117.5°～122.5°E,30°～32.5°N)做區(qū)域平均的垂直速度、渦度和散度的垂直剖面時間變化圖(圖7a).從圖7a中可以看到污染區(qū)28日00:00之前500hPa為下沉運動,28日00:00以后上下層垂直速度都很弱,介于0～±0.1Pa/s之間,垂直方向交換很弱.29日00:00以后為上升運動,但是垂直速度依然很小,850hPa高度附近中心的最大負值為-0.15,可以定義為弱的上升運動.

污染區(qū)的渦度垂直剖面圖(圖7b)顯示,500hPa以下27日08:00至29日00:00為負渦度,中心最大值為2×10-5s-1.29日00:00之后為正的渦度,中心最大值為1×10-5s-1.無論渦度正負, 500hPa以下渦度絕對值都很小.

圖7 2008年10月27日00:00(UTC)到29日12:00污染區(qū)(117.5°～122.5°E,30°～32.5°N)區(qū)域平均的垂直速度(Pa/s)、渦度(10-5s-1)和散度(10-6s-1)的垂直剖面Fig.7 Cross sections of vertical velocity (Pa/s), vorticity (10-5s-1) and divergence (10-6s-1) in the pollution region (117.5°～122.5°E, 30°～32.5°N) from 0:00(UTC) Oct. 27 to 12:00(UTC) Oct. 29, 2008

圖7c的散度垂直剖面圖顯示500hPa以下28日00:00之前為正的散度,有弱的輻射運動;28日00:00到29日00:00底層(900hPa以下)為正的散度,900hPa以上為負的散度.29日00:00之后800hPa以下為負的散度,中心值為-0.1× 10-6s-1,弱輻合上升運動.500hPa以下散度的絕對值仍然很小,最大值為-0.1×10-6s-1.劉興中等[18]和楊德保等[17]的研究都認為,當垂直速度較小時,底層大氣有輻合時的污染更加嚴重,這也是本次污染過程出現(xiàn)局地高濃度污染的一個原因.正是29日00:00以后底層的切變產(chǎn)生的輻合(正渦度和負散度)使得污染從四周向污染區(qū)匯合,而小的垂直速度使得大氣上下層之間的交換又很小,造成了28、29日南京附近區(qū)域的局地高濃度污染.

3.4風場和地形

地形對風場的強迫在此次污染天氣過程中也起到一定作用.南京周邊地區(qū)包括杭州、合肥在內,南面是浙閔丘陵和黃山,西南面是大別山山脈.含有污染物的氣流在由北向南移動過程中遇到地形的阻擋,被迫向西輸送(圖2),加上風速小、氣壓場弱、湍流不旺盛等原因,污染物在南京及其周邊地區(qū)堆積滯留.

3.5后向軌跡模擬

不利的空氣污染氣象條件和地形是造成這次區(qū)域性嚴重的空氣污染事件的主要原因.應用后向軌跡模式可以反推污染氣團來源.考慮到區(qū)域尺度或中尺度的輸送一般小于1000km,在邊界層內的輸送的傳輸時間約需2～3d[23],應用軌跡模式HYSPLIT4.8對南京10月28、29日出現(xiàn)的污染分別進行48、60h后向軌跡模擬.后向軌跡模式主要輸入?yún)?shù):軌跡的終點設為南京,設了3個終點高度,100m、500m和800m.100m代表邊界層低層氣團的走向,29日的混合層高度只有500m左右,所以取800m為模擬層的最高高度.

2008年10月28日20:00的模擬結果(圖8a):氣團48h內移動緩慢,低層的100m高度氣團由蘇北連云港地區(qū)經(jīng)南通向南到蘇州,轉向西北方向經(jīng)常州、鎮(zhèn)江向北至泰州、揚州附近再向西南到南京;500m高度來源從連云港地區(qū)經(jīng)鹽城、南通到達杭州灣,再轉向西北至南京;800m高度由泰州興化地區(qū)經(jīng)揚州、鎮(zhèn)江、無錫和蘇州等地區(qū)直至杭州灣,再向北到達南京.3個高度層的模擬路徑較為相似.

圖8 到達南京的后向氣流軌跡模擬Fig.8 The simulation of back-trajectories which arrived in Nanjing

2008年10月29日08:00(圖8b)模擬結果:100m高度氣團由連云港向南經(jīng)南通到達無錫,向北轉至興化經(jīng)泰州、揚州附近,再向西南至南京.

模擬發(fā)現(xiàn)南京2008年10月28、29日2d污染物的源均來自南京東北方向(蘇中、蘇北)和揚州附近的沿江一帶.污染物路徑大致都是由蘇北向南到達杭州地區(qū),再折向北到達南京地區(qū).100m高度的氣團軌跡精確地顯示了氣團在火點附近(圖1)的走勢:從8個火點的連云港地區(qū)經(jīng)南通到達無錫、蘇州地區(qū),向北轉至衛(wèi)星顯示28個火點的泰州和興化地區(qū),再向西南經(jīng)揚州、鎮(zhèn)江到達南京.由此可見,這次區(qū)域性的污染是由蘇中、蘇北地區(qū)秸稈焚燒導致的一次嚴重的區(qū)域性空氣污染過程.

4 結論

4.1地面空氣污染監(jiān)測資料、衛(wèi)星遙感火點監(jiān)測資料及后向氣流軌跡模擬表明,蘇中、蘇北地區(qū)秸稈焚燒是導致2008年10月28～29日南京及周邊地區(qū)大氣污染事件的主要起因.

4.2從天氣形勢看,弱的高壓均壓場結構、低層大氣的弱切變、小風速和小且不連續(xù)的降水等天氣條件不利于污染物水平擴散.500hPa以下較小的垂直速度和負散度加劇了污染物的積累.風場和地形強迫導致的近地層切變和弱輻合使污染物在長江中下游地區(qū)堆積滯留.

4.3從邊界層特征看,逆溫層、相對穩(wěn)定的中性層結和低的混合層高度不利于污染物垂直方向的湍流擴散,穩(wěn)定的溫度層結和小風速使動力湍流不能發(fā)展,水汽、秸稈焚燒產(chǎn)生的污染物在混合層內積聚.

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Analysis of a serious air pollution event resulting from crop residue burning over Nanjing and surrounding regions.

ZHU Bin1*, SU Ji-feng1, HAN Zhi-wei2, YIN Cong1,WANG Ti-jian3(1.Laboratory of Atmospheric Physics and Environment of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2.Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 3.School of Atmospheric Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China). China Environmental Science, 2010,30(5)：585～592

X703.5

A

1000-6923(2010)05-0585-08

朱 彬(1969-),男,江蘇姜堰人,教授,博士,主要從事大氣化學和大氣環(huán)境研究.發(fā)表論文30余篇.

2009-10-05

國家“973”項目(2009CB426313);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY200806001-1-1);中國科學院東亞區(qū)域氣候―環(huán)境重點實驗室開放課題;國家自然科學基金資助項目(40875078)

* 責任作者, 教授, binzhu@nuist.edu.cn