佛山市PM2.5污染特征及誘發(fā)其高污染過程天氣系統(tǒng)分析

司徒淑娉，吳洛林，周柳藝，張毅強(qiáng)，鄧思欣，安麗娜，邵展奇，鄺敏兒

(1.佛山市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 佛山 528000； 2. 中山大學(xué)，廣東 廣州 510000；3. 華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510000)

·解析評價(jià)·

佛山市PM2.5污染特征及誘發(fā)其高污染過程天氣系統(tǒng)分析

司徒淑娉1，吳洛林2，周柳藝2，張毅強(qiáng)3，鄧思欣1，安麗娜1，邵展奇1，鄺敏兒1

(1.佛山市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 佛山 528000； 2. 中山大學(xué)，廣東 廣州 510000；3. 華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510000)

利用2013年佛山市8個(gè)國控大氣自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)ρ(PM2.5)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析佛山市PM2.5污染的時(shí)空分布特征，并診斷誘發(fā)PM2.5高污染過程的關(guān)鍵天氣類型。結(jié)果表明，佛山市2013年P(guān)M2.5年均值為53 μg/m3，高于國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，污染主要集中在三水區(qū)中部、南海區(qū)中部和禪城區(qū)北部。佛山市ρ(PM2.5)表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化和日變化特征，秋、冬季是PM2.5的高污染季節(jié)，其值夜間略高于白天，呈典型的雙峰型分布，08：00—09:00短暫出現(xiàn)一個(gè)濃度的小峰值，推測與上班交通高峰有關(guān)。對PM2.5持續(xù)高污染發(fā)生的地面天氣形勢分析表明，高壓出海是誘發(fā)佛山市PM2.5高污染事件最主要的天氣類型。

可入肺顆粒物；污染特征；天氣系統(tǒng)；佛山市

細(xì)顆粒物(PM2.5)成分復(fù)雜，甚至含有有毒有害物質(zhì)，嚴(yán)重影響居民身體健康、心理健康和交通安全等[1]，受到了社會(huì)各界、各級(jí)環(huán)保部門、政府管理者的重視。自2012年起，國家相繼出臺(tái)了新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)[2]和《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，對控制大氣污染、改善空氣質(zhì)量提出了更高更嚴(yán)的要求。廣東省人民政府也于2014年發(fā)布了《廣東省大氣污染防治行動(dòng)方案(2014—2017年)》，并與包括佛山市在內(nèi)的珠江三角洲(以下簡稱“珠三角”)9個(gè)城市簽訂了大氣污染防治目標(biāo)責(zé)任書，保障2017年珠三角PM2.5年均值在全國重點(diǎn)控制區(qū)域率先達(dá)標(biāo)。

佛山市位于廣東省中南部，地處珠三角腹地，工業(yè)化和城市化進(jìn)程發(fā)展迅猛。近年來，隨著機(jī)動(dòng)車保有量的迅速增加，房地產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，以及道路建設(shè)等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷加快，佛山市PM2.5污染問題凸顯，是珠三角及廣東省較為突出和污染負(fù)荷較重的城市之一[3]。自2013年環(huán)境空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來，佛山市空氣質(zhì)量在珠三角排名始終在靠后位置徘徊，PM2.5始終是影響佛山市城市空氣質(zhì)量排名最主要的因子。PM2.5高污染事件頻發(fā)，高濃度持續(xù)天數(shù)較長，PM2.5污染問題已經(jīng)成為損害佛山民生、影響佛山城市形象、危害佛山公眾健康的重要問題。

除了污染源排放外，氣象因素是誘發(fā)PM2.5高污染事件的重要因素[4]。結(jié)合氣象要素預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確預(yù)警未來可能發(fā)生的高污染事件，提前啟動(dòng)相應(yīng)的污染控制措施，有助于佛山市削減高污染濃度峰值和縮短高污染持續(xù)的時(shí)間。因此，佛山市迫切需要理清轄區(qū)內(nèi)PM2.5污染特征及誘發(fā)PM2.5高污染的天氣系統(tǒng)類型，以期為轄區(qū)內(nèi)PM2.5污染防治和預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)

佛山市國控大氣自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)位8個(gè)，分別為：灣梁、華材職中、南海氣象局、順德蘇崗、容桂街道辦、高明孔堂、三水監(jiān)測站和三水云東海，分布在佛山市5個(gè)轄區(qū)內(nèi)，見圖1。

圖1 佛山市2013年P(guān)M2.5年均值和國控大氣自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)

1.2 監(jiān)測參數(shù)

監(jiān)測項(xiàng)目包括PM2.5在內(nèi)的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[2]要求的6項(xiàng)基本污染物。

1.3 采樣時(shí)段

2013年1月1日—12月31日，24 h連續(xù)采樣。

2 結(jié)果分析

2.1 時(shí)空分布特征

2013年佛山市國控大氣自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)PM2.5年均值見圖2。 由圖2可見，2013 年佛山市 PM2.5年均值為53 μg/m3，超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)18 μg/m3。其中華材職中、三水監(jiān)測站和三水云東海的 PM2.5年均值超出全市平均值。三水區(qū)中部、南海區(qū)中部和禪城區(qū)北部形成一條明顯的PM2.5污染帶，是佛山市PM2.5的污染中心，順德區(qū)南部的ρ(PM2.5)相對較低(圖1)。受氣象條件和人為活動(dòng)時(shí)間變化的影響，佛山市ρ(PM2.5)表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，見圖3。

圖2 2013年佛山市國控大氣自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)PM2.5年均值

圖3 2013年佛山市ρ(PM2.5)季節(jié)變化

由圖3可見，高ρ(PM2.5)主要出現(xiàn)在秋、冬季。受季風(fēng)轉(zhuǎn)換的影響，春季總體擴(kuò)散條件好[5]，ρ(PM2.5)總春季較秋冬季低；夏季受降雨、邊界層較高等因素影響，佛山市ρ(PM2.5)普遍較低，但夏季也是臺(tái)風(fēng)高發(fā)季節(jié)，受臺(tái)風(fēng)外圍氣流影響，ρ(PM2.5)偶爾也會(huì)較高。

2013年佛山市ρ(PM2.5)日變化特征見圖4。由圖4可見，在午夜至次日10：00較高，且在08：00—09：00上班出行高峰時(shí)段出現(xiàn)一個(gè)小小的峰值，后ρ(PM2.5)開始下降；17：00出現(xiàn)日最低值，傍晚18:00開始ρ(PM2.5)逐步升高。

圖4 2013年佛山市ρ(PM2.5)日變化特征

2.2 PM2.5高污染天氣類型診斷

2.2.1 高污染過程篩選

根據(jù)文獻(xiàn)[6]對2013年全市ρ(PM2.5)日均污染進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，PM2.5輕度或以上污染主要發(fā)生在冬季，春季偶有發(fā)生但占比較小。

現(xiàn)定義 PM2.5日均值超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(即>75 μg/m3)并且持續(xù)天數(shù)達(dá)2 d或以上統(tǒng)稱為一次高污染過程。據(jù)此統(tǒng)計(jì)佛山市2013年共發(fā)生 9 次PM2.5高污染過程。

2.2.2 高污染過程天氣類型診斷

結(jié)合香港天文臺(tái)的地面天氣圖，對9次PM2.5持續(xù)高污染過程進(jìn)行氣象特征的分析，并診斷誘發(fā)高污染過程的主要天氣類型。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2013年誘發(fā)佛山市PM2.5高污染過程天氣類型主要有高壓出海型(占44.4%)、熱帶低壓型(占22.2%)、高壓控制型(占22.2%)和鋒面影響型(占11.1%)，88.9%發(fā)生在秋冬季。誘發(fā)佛山市出現(xiàn)PM2.5高污染過程的典型地面天氣類型特征見表1。

表1 誘發(fā)佛山市PM2.5高污染過程的典型地面天氣類型特征

春、夏2季高污染過程主要受高壓控制和熱帶低壓外圍影響。秋季的高污染過程誘因較復(fù)雜，主要受熱帶低壓外圍和高壓出海影響，偶爾受鋒面影響。冬季的高污染過程主要受高壓出海影響。

2.3 典型PM2.5高污染過程天氣形勢分析

高壓出海型是誘發(fā)佛山市ρ(PM2.5)高污染過程最主要的天氣類型。選擇該類型影響下，PM2.5監(jiān)測值最高的一次過程(2013年12月1—14日)作為典型高污染過程，對其天氣形勢變化進(jìn)行分析，見圖5。該次高污染過程持續(xù)合計(jì)14 d，PM2.5日均值為128 μg/m3。其中，12月8日的PM2.5日均值最高，為180 μg/m3。

高污染發(fā)生前和發(fā)生時(shí)地面天氣圖見圖6(a)(b)。由圖6可見，在污染過程發(fā)生之前，從西伯利亞高壓分裂出來的冷高壓一路南下，在浙江、江蘇一帶附近移入東海。受其出海變性的影響，廣東

圖5 2013年佛山市ρ(PM2.5)典型高污染過程日均值變化

地區(qū)處于其自東向西延伸的高壓脊線的控制之下，暖濕氣流強(qiáng)度增加，與北方而來的冷空氣在該地區(qū)發(fā)生對峙，處于靜風(fēng)或弱風(fēng)狀態(tài)，通風(fēng)系數(shù)非常小，不利于空氣中污染物的遷移和擴(kuò)散。同時(shí)，在該天氣形勢的影響下，廣東地區(qū)地面附近大氣以高壓環(huán)流為主，垂直方向上空氣運(yùn)動(dòng)以下沉為主，不利于污染物的擴(kuò)散[7]。

圖6 高污染發(fā)生前和發(fā)生時(shí)地面天氣圖

佛山市PM2.5典型高污染過程溫度、相對濕度、降雨量和風(fēng)速的逐日變化見圖7。由圖7可見，本次高污染過程，中佛山市本地的風(fēng)速非常弱，平均風(fēng)速為1.3 m/s。因此，污染物一旦產(chǎn)生，極不容易通過空氣平流進(jìn)行傳輸擴(kuò)散[8-10]。溫度和大氣濕度逐日變化相對平穩(wěn)，平均溫度和相對濕度分別為17℃和52%。12月5—8日，溫度逐日略有上升，本地逐漸被低壓系統(tǒng)控制，導(dǎo)致這幾天本地的ρ(PM2.5)逐日加劇。14日開始本地有比較明顯的降水，該次高污染過程結(jié)束。

圖7 2013年佛山市PM2.5典型高污染過程溫度、相對濕度、降雨量和風(fēng)速的逐日變化

12月8日出現(xiàn)本次PM2.5高污染過程的污染峰值。結(jié)合行星邊界層高度圖[圖9(a)](數(shù)據(jù)采用8日08：00的全球1°×1°NCEP再分析資料后繪制)，當(dāng)日廣東地區(qū)的邊界層高度在 200 m以下，大氣層結(jié)穩(wěn)定，垂直對流不旺盛，大氣垂直運(yùn)動(dòng)較弱，污染物難以擴(kuò)散。由圖9(b)可見，8日佛山市地面到 900 m 附近高度存在逆溫層，大氣層結(jié)穩(wěn)定，對流有效位能為零，大氣垂直對流運(yùn)動(dòng)較弱，污染物不容易通過對流作用進(jìn)行擴(kuò)散。加上水平風(fēng)速較小、無降水等因素，導(dǎo)致8日PM2.5污染峰值的發(fā)生。

圖9 行星邊界層高度圖和 Skew- T 圖

3 結(jié)論

(1) 2013年佛山市PM2.5年均值為53 μg/m3，超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)18 μg/m3，三水區(qū)中部、南海區(qū)中部和禪城區(qū)北部為佛山市PM2.5主要的污染帶；

(2) 受氣象條件和人為活動(dòng)的時(shí)間變化影響，佛山市ρ(PM2.5)表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，高濃度主要出現(xiàn)在秋冬季。ρ(PM2.5)日變化特征明顯，呈現(xiàn)雙峰型日變化特征，早晚值較高，白天值較低，同時(shí)在早上08：00—09：00短暫出現(xiàn)一個(gè)峰值；

(3) 2013年佛山市PM2.5持續(xù)高污染發(fā)生累計(jì)有9次，其中88.9%發(fā)生在秋冬季；

(4) 通過對2013年佛山市PM2.5持續(xù)高污染發(fā)生的地面天氣形勢進(jìn)行分析，將佛山市PM2.5持續(xù)高污染的地面天氣形勢分為高壓出海型、熱帶低壓型、高壓控制型和鋒面影響型，各占44.4%、22.2%、22.2%和11.1%。

[1] 謝元博，陳娟，李巍.霧霾重污染期間北京居民對高濃度PM2.5持續(xù)暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)及其損害價(jià)值評估[J]. 環(huán)境科學(xué)，2014,35(1):1-8.

[2] 環(huán)境保護(hù)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：GB 3095—2012[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

[3] 徐偉嘉，何芳芳，李紅霞，等.珠三角區(qū)域PM2.5時(shí)空變異特征[J].環(huán)境科學(xué)研究，2014,27(9)：951-957.

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[5] 程念亮，李云婷，孫峰，等.北京市空氣重污染天氣類型分析及預(yù)報(bào)方法簡介[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015,38(5)：189-194.

[6] 環(huán)境保護(hù)部. 環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行):HJ 633—2012[S]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

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Analysis on Pollution Properties of PM2.5in Foshan City and the Inducing Weather Systems

SITU Shu- ping1, WU Luo- lin2, ZHOU Liu- yi2, ZHANG Yi- qiang3, DENG Si- xin1, AN Li- na1, SHAO Zhan- qi1, KUANG Min- er1

(1. Foshan Environmental Monitoring Central Station, Foshan, Guangdong 528000, China; 2. Sun Yat- sen University, Guangzhou, Guangdong 510000, China; 3. South China Institute of Environmental Science. MEP, Guangzhou,Guangdong 510000, China)

Based on the concentrations ofρ(PM2.5) automatically measured at the 8 national air quality automatic measuring sites, the properties of PM2.5spatial and temporal distributions were analyzed, and the key weather systems inducing the high PM2.5episodes were diagnosed. The results showed that the annual average concentration of PM2.5was high, which was 53 μg/m3，exceeding the second grade limit of the national standards. The obvious pollution zone ofρ(PM2.5) was in the middle of Sanshui, the middle of Nanhai and the north of Chancheng. The varies of PM2.5in Foshan show distinct seasonal and diurnal variation. Episodes usually happened in autumn and winter, while the concentration at night usually higher than that in daytime. A remarkable concentration peak was observed at 08：00—09:00 am, which may related to the traffic. Meanwhile, the results indicated that most of the PM2.5episodes were induced by the movement of a degraded cold high pressure system.

PM2.5; Pollution properties; Weather systems; Foshan

10.3969/j.issn.1674-6732.2017.04.011

2017-02-14；

2017-03-15

佛山市科學(xué)技術(shù)局基金資助項(xiàng)目(2015AB004371)

司徒淑娉(1984—)，女，工程師，博士，從事大氣環(huán)境預(yù)警預(yù)報(bào)，大氣環(huán)境模擬工作。

X513

B

1674- 6732(2017)04- 0040- 05