長三角一次局地污染過程分析

何 濤 彭 燕 李 璐 徐圃青

(常州市環(huán)境監(jiān)測中心, 江蘇 常州 213001)

長三角一次局地污染過程分析

何 濤 彭 燕 李 璐 徐圃青

(常州市環(huán)境監(jiān)測中心, 江蘇 常州 213001)

本文利用常州市6個環(huán)境空氣質(zhì)量評價點和宋劍湖小學(xué)污染監(jiān)測點數(shù)據(jù)，以及混合層高度、OC/EC等數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象場、后向軌跡模型等手段，分析了2015年8月12日至13日常州市發(fā)生的一次大氣污染過程。結(jié)果表明，本地污染源是導(dǎo)致此次污染過程的主要原因之一，該污染過程在均壓場控制條件下，主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南風(fēng)后致使市區(qū)置于污染源下風(fēng)向，在大氣水平、垂直擴(kuò)散條件以及混合層高度的影響下，污染物在低層空間迅速堆積，從而導(dǎo)致污染過程的發(fā)生。該研究說明工業(yè)布局對城市環(huán)境空氣質(zhì)量有著極為重要影響，在特殊時段管制本地重點污染源可能會對空氣質(zhì)量改善起到明顯效果。

大氣污染過程；后向軌跡；傳輸路徑；常州

近年來，環(huán)境空氣污染的形成機(jī)制，以及氣象條件對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響已受到廣泛關(guān)注。以細(xì)顆粒物PM2.5為首要污染物的灰霾現(xiàn)象時有發(fā)生，其在大氣中的滯留時間長、輸送距離遠(yuǎn)，導(dǎo)致大氣能見度下降、并可引發(fā)人體呼吸系統(tǒng)和心血管疾病，危害人體健康[1-4]。因此，研究空氣污染的來源，以及影響因素，對于改善空氣質(zhì)量以及科學(xué)制定大氣污染防治措施具有重要意義。

已有的大氣污染來源和源解析研究工作大多集中于大城市，在污染過程分析方面以大尺度的污染外來輸送等[5-7]研究為主，對于城市工業(yè)布局不合理和本地污染源導(dǎo)致的局地污染事件報道較少。常州市作為長江三角洲地區(qū)中心地帶城市，與上海南京等距相望，周邊區(qū)域是中國工業(yè)和交通最為集中的地區(qū)之一，本文以常州市為研究對象，通過分析2015年8月12-13日一次典型的局地大氣污染過程，結(jié)合后向軌跡、污染物濃度及OC/EC組分變化特征，來探討常州市工業(yè)布局對市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，以期為城市的大氣污染防治和空氣質(zhì)量改善提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

本文以常州市環(huán)境空氣質(zhì)量評價點(簡稱國控點)和宋劍湖小學(xué)污染監(jiān)測點數(shù)據(jù)作為研究依據(jù)。常州市現(xiàn)有6個國控點，由北向南依次為安家、常工院、潞城、城建學(xué)校、市監(jiān)測站和武進(jìn)監(jiān)測站，具體點位分布見圖1。宋劍湖小學(xué)為污染監(jiān)測點，采用的監(jiān)測設(shè)備和指標(biāo)與國控點相同，該點位于中天鋼鐵工業(yè)園區(qū)旁。后向軌跡采用NOAA(美國國家海洋大氣研究中心空氣資源實驗室)開發(fā)的HYSPLIT網(wǎng)頁版計算，該模式是歐拉和拉格朗日混合型擴(kuò)散模式，其平流和擴(kuò)散采用拉格朗日方法處理,濃度采用歐拉方法計算，選取常州市環(huán)境監(jiān)測中心(31.76°,119.95°)為后向軌跡起始點,起始高度分別為100米、500米和1000米，軌跡計算時長48小時。

圖1 常州市區(qū)空氣站及污染源點位分布圖

2 污染過程

2015年8月12-13日，常州市區(qū)空氣質(zhì)量出現(xiàn)由優(yōu)良轉(zhuǎn)為輕度污染的快速惡化過程。圖2為12日至13日常州市空氣質(zhì)量變化時序圖，從該圖看，8月12日0:00-13：00，常州市各國控點PM2.5濃度較低，平均值低于30μg/m3，空氣質(zhì)量為優(yōu)；14:00后PM2.5濃度逐漸升高，12日14:00-13日0:00，空氣質(zhì)量為良；13日凌晨1時起，市區(qū)空氣質(zhì)量達(dá)到輕度污染水平，首要污染物為PM2.5，輕度污染狀態(tài)持續(xù)7個小時。

圖2 2015年8月12 -13日常州市AQI與PM2.5數(shù)據(jù)時間序列

整個污染過程中，市區(qū)PM2.5平均濃度最高達(dá)到101μg/m3，AQI值為133。各國控點中，潞城空氣站數(shù)據(jù)最高，PM10最高值達(dá)262μg/m3，PM2.5最高值達(dá)160μg/m3；數(shù)據(jù)飆升最早出現(xiàn)在武進(jìn)監(jiān)測站和潞城空氣站，這兩個站點PM2.5濃度均在凌晨2時出現(xiàn)飆升，小時增幅分別達(dá)37.2%和73.8%；其次是凌晨4時出現(xiàn)在市監(jiān)測站、城建學(xué)校和常工院空氣站，濃度增幅分別為45.0%、28.1%和41.7%，但市區(qū)最北面的安家空氣站未出現(xiàn)PM2.5濃度飆升現(xiàn)象。

3 原因分析

3.1 氣象條件

12日前期，蘇南區(qū)域高層的引導(dǎo)氣流由西南偏西風(fēng)轉(zhuǎn)向一致的高空槽前西南氣流，更有利于高空污染物由內(nèi)陸向沿海傳輸；而同時段近地面也處于海上低壓環(huán)流底后部控制，江蘇全境為明顯的北風(fēng)，配合中層風(fēng)場，大氣條件非常有利于污染物的擴(kuò)散。隨著海上環(huán)流的遠(yuǎn)離，12日后期起，低層逐漸轉(zhuǎn)受內(nèi)陸弱高壓脊前部控制；至13日前期蘇南區(qū)域近地面風(fēng)場很弱，且大范圍都處于明顯的均壓場內(nèi)(見圖3)，導(dǎo)致近地面擴(kuò)散條件差，不利于污染物消散，易形成局地污染。

常州市近地面風(fēng)向在12日17:00前主導(dǎo)風(fēng)向為北風(fēng)(見圖4)。從12日18:00開始由北風(fēng)逐漸向東-東南風(fēng)轉(zhuǎn)變，13日0:00徹底轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南風(fēng)，且水平風(fēng)速小于1m/s。隨著風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，大氣逐漸趨于靜穩(wěn)狀態(tài)，混合層結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化，從市監(jiān)測站云高儀(VAISALA CL31，芬蘭)探空數(shù)據(jù)看，12日18:00前市區(qū)大氣混合層高度維持在900米左右，18:00后混合層高度迅速下降，至18:30混合層高度已下降至100米左右，并一直維持到13日的6:00。其后混合層高度隨著溫度升高逐漸抬升，至6:30抬升到220米左右，8:00至300米。由于風(fēng)速較小，且為東南風(fēng)，導(dǎo)致市區(qū)東南方向的污染物隨風(fēng)而入影響市區(qū)，在混合層高度較低情況下，污染物在低層空間堆積，導(dǎo)致市區(qū)空氣質(zhì)量迅速惡化。

圖3 2015年8月13日00時地面天氣形勢圖

圖4 2015年8月12-13日常州市風(fēng)速風(fēng)向圖

3.2 后向軌跡來源

根據(jù)后向軌跡模型計算結(jié)果顯示，常州市100米高度水平風(fēng)向從12日18:00開始由北風(fēng)向東-東南風(fēng)變化，13日0:00徹底轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，與近地面觀測風(fēng)向一致；從13日2:00常州市100米、500米和1000米三個高度的后向軌跡來源路徑的高度看(見圖5a)，三個高度層的氣流路徑高度很穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大幅度變化，說明大氣垂直對流很弱，污染物難以向上層空間擴(kuò)散。從長三角空氣質(zhì)量分布圖上看(見圖5b)，常州周邊城市空氣質(zhì)量整體較好，各項污染物濃度均較低，未出現(xiàn)污染現(xiàn)象，且在常州市后向軌跡路徑上的城市也未出現(xiàn)污染現(xiàn)象，說明本次污染過程受外來源的輸送影響較小，且近地面風(fēng)速較小，因此，判斷本次污染過程主要由本地污染源導(dǎo)致。

3.3 污染源分析

圖6為市監(jiān)測站監(jiān)測的OC(有機(jī)碳)與EC(元素碳)結(jié)果，該圖表明，市區(qū)空氣中的OC與EC變化趨勢一致性較好，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95，說明OC與EC具有相似的來源。一般認(rèn)為OC/EC比值為2可以作為是否有二次污染的一個臨界值[8]。在此次污染過程中市區(qū)OC/EC比值平均為1.6，且在OC、EC濃度快速上升的過程中，OC/EC比值未出現(xiàn)明顯波動，說明本次污染主要來源于一次源，二次有機(jī)污染特征不明顯，從側(cè)面說明本次污染過程是由近距離的污染源導(dǎo)致。

圖5 2015年8月13日后向軌跡和長三角PM2.5濃度分布圖

在市區(qū)的東南上方向存在著以中天鋼鐵為代表的大型重點污染源，該工業(yè)園區(qū)煙囪排放高度大多在100米以下，導(dǎo)致污染物排放后直接進(jìn)入大氣混合層內(nèi)，影響市區(qū)空氣質(zhì)量。從圖1的點位分布圖上看，中天鋼鐵與潞城相距約7km，宋劍湖小學(xué)與中天鋼鐵距離約1.5km，宋劍湖小學(xué)與潞城相距約6km。市監(jiān)測站與中天鋼鐵相距約13km、與宋劍湖小學(xué)相距約11.5km。

圖6 8月12日-13日常州市OC/EC時序圖

從圖2c的PM2.5分布圖上看，宋劍湖小學(xué)PM2.5濃度最大值出現(xiàn)在13日凌晨2:00，為170μg/m3；潞城PM2.5在13日4：00達(dá)到最大值，為160μg/m3；市監(jiān)測站PM2.5峰值出現(xiàn)在6:00，125μg/m3。從PM2.5濃度上看，宋劍湖小學(xué)>潞城>市監(jiān)測站；從峰值出現(xiàn)的時間上看，同樣是宋劍湖小學(xué)最早出現(xiàn)，市監(jiān)測站出現(xiàn)較晚，與三者和中天鋼鐵的距離正好一致。按照13日凌晨2:00-4:00的平均風(fēng)速0.9m/s(風(fēng)向為東風(fēng))測算，經(jīng)過2小時污染物可擴(kuò)散到6.48km的范圍，可從宋劍湖小學(xué)覆蓋到潞城，與宋劍湖小學(xué)和潞城的PM2.5峰值出現(xiàn)的時差相吻合。市監(jiān)測站與宋劍湖小學(xué)的PM2.5峰值出現(xiàn)時間相距4小時，按照13日2:00-6:00的平均風(fēng)速0.8m/s計算，4小時污染物可以擴(kuò)散到11.5km的范圍。說明潞城、市監(jiān)測站等空氣站與宋劍湖小學(xué)的PM2.5峰值均是受中天鋼鐵方向的污染源影響。

4 結(jié)論

(1)2015年8月12-13日，常州市空氣質(zhì)量快速惡化，一天之內(nèi)空氣質(zhì)量由優(yōu)到良，最后變?yōu)檩p度污染，首要污染物為PM2.5，PM2.5濃度從19μg/m3升高到101μg/m3，輕度污染持續(xù)7個小時。各空氣子站監(jiān)測數(shù)據(jù)從東南向西北方向依次升高，PM2.5濃度飆升時段小時增幅高達(dá)70%；而最北面的安家未出現(xiàn)明顯的PM2.5濃度飆升現(xiàn)象。

(2)受均壓氣象場影響，蘇南區(qū)域大氣擴(kuò)散條件不利，且主導(dǎo)風(fēng)向逐漸由北風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南風(fēng)，污染時段水平風(fēng)速小于1m/s，致使市區(qū)置于污染源下風(fēng)向?；旌蠈痈叨葟?2日18:00的900米左右迅速下降，至18:30已下降至100米左右，并一直維持到13日6:00；從后向軌跡判斷，100米、500米和1000米三個高度層的氣流路徑高度很穩(wěn)定，說明大氣垂直對流很弱，污染物難以向上層空間擴(kuò)散。在大氣水平和垂直擴(kuò)散條件較差，以及低混合層的影響下，污染物在低層空間迅速堆積，導(dǎo)致市區(qū)空氣質(zhì)量迅速惡化。

(3)從長三角空氣質(zhì)量分布圖上看，常州周邊城市空氣質(zhì)量整體較好，各項污染物濃度均較低，未出現(xiàn)污染現(xiàn)象，且在常州市后向軌跡氣團(tuán)來源方向上的城市也未出現(xiàn)污染現(xiàn)象，說明本次污染過程受外來源的輸送影響較??；從OC/EC比值看，其比值平均為1.6，且在OC、EC濃度快速上升的過程中，OC/EC比值未出現(xiàn)明顯波動，說明本次污染主要來源于一次源，二次有機(jī)污染特征不明顯。綜合判斷，本次污染過程主要由本地污染源導(dǎo)致。在市區(qū)的東南上方向存在著以中天鋼鐵為代表的大型重點污染源，該工業(yè)園區(qū)煙囪高度大多在100米以下，導(dǎo)致污染物排放后直接進(jìn)入大氣混合層內(nèi)，影響市區(qū)空氣質(zhì)量。

(4)通過空氣站濃度峰值時差、峰值大小與距污染源距離的關(guān)系分析得出，潞城、市監(jiān)測站與宋劍湖小學(xué)的PM2.5峰值均是受中天鋼鐵方向的污染源影響，說明中天鋼鐵等污染源對市區(qū)空氣質(zhì)量影響較大。

總體上，常州市由于工業(yè)布局不合理，主導(dǎo)風(fēng)向東南方向上污染源眾多，且污染排放總量很大，在不利氣象條件下，很容易導(dǎo)致輕度以上級別的污染過程發(fā)生，致使常州市空氣質(zhì)量在短時間內(nèi)迅速惡化。因此，工業(yè)布局對城市環(huán)境空氣質(zhì)量有著極為重要影響，在特殊時段管制本地重點污染源會對空氣質(zhì)量起到明顯改善效果。

致謝：感謝上海市環(huán)境監(jiān)測中心站提供的長三角PM2.5濃度分布圖資料。

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Analysis of a local air pollution event in Yangtze River Delta

He Tao, Peng Yan, Li Lu, Xu Puqing

(Changzhou Environmental Monitoring Center, Changzhou 213001,China)

In this paper, we collected data about air quality in 6 conventional monitoring spots and Songjianhu primary school in Changzhou City, height of mixed layer, OC/EC and meteorological field, and used backward trajectory model to interpret an air pollution event occurring in 12 - 13 of August 2015 in Changzhou City. The results show that the local pollution source is one of the main causes of the pollution event. Under the effect of the uniform pressure field, the dominant wind direction turned into southeastern and made the urban area exposed to the source of pollution. Under the influence of horizontal and vertical atmospheric diffusion and height of mixed layer, pollutants would quickly deposit in the low-level space, resulting in the occurrence of pollution. The study shows that industrial layout has a very important impact on urban ambient air quality, and that control for local key pollution sources at specific times may have a significant effect on air quality improvement.

air pollution process; back trajectory; transport pathways; Changzhou

江蘇省環(huán)境監(jiān)測科研基金項目(1603)

2017-02-23;2017-03-20修回

何濤(1983-),男,工程師,主要從事大氣污染研究。E-mail:hetaok2008@163.com

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