河源市城區(qū)春季PM2.5典型污染過程案例分析

林小平，巫楚，曾樹森，鐘流舉，葉斯琪，張輝*

(1. 河源市環(huán)境監(jiān)測站，廣東 河源 517000；2. 暨南大學(xué)，廣東 廣州 510632；3. 廣東省環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 廣州 510220)

河源市城區(qū)春季PM2.5典型污染過程案例分析

林小平1，巫楚1，曾樹森1，鐘流舉2，葉斯琪3，張輝1*

(1. 河源市環(huán)境監(jiān)測站，廣東 河源 517000；2. 暨南大學(xué)，廣東 廣州 510632；3. 廣東省環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 廣州 510220)

以河源市區(qū)2016年3月27日—4月4日污染過程為研究對象，基于同期氣象條件與空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了PM2.5與氣象因子間的相關(guān)性，探究河源市區(qū)PM2.5污染變化特征。結(jié)果表明，3月30日河源市ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(PM2.5)/ρ(CO)分別為0.87和0.08，明顯高于其他時段，說明當(dāng)天細(xì)顆粒物污染老化和二次轉(zhuǎn)化程度突出。在此次污染過程的2個不同階段，河源市ρ(PM2.5)波動受到多項氣象要素共同影響，其中與氣壓先后呈現(xiàn)較強負(fù)相關(guān)(R2=0.646 2)和不明顯正相關(guān)(R2=0.006 5)，與氣溫呈現(xiàn)不明顯正相關(guān)(R2=0.008 4，R2=0.033 9)，與風(fēng)速先后呈現(xiàn)弱負(fù)相關(guān)(R2=0.105 2)和不明顯正相關(guān)(R2=0.072 9)，與相對濕度先后呈現(xiàn)弱正相關(guān)(R2=0.391 3)和弱負(fù)相關(guān)(R2=0.176 9)。通過比較該時段河源市與周邊城市的ρ(PM2.5)變化趨勢及后向軌跡分析，發(fā)現(xiàn)河源市與周邊城市在相似的氣象背景條件下，PM2.5污染主要來源于本地源排放和珠三角區(qū)域傳輸。

可入肺顆粒物；可吸入顆粒物；一氧化碳；污染過程；氣象因素；相關(guān)性；河源

河源市位于廣東省東北部，屬粵北山區(qū)，地形以山地丘陵為主，亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，水系發(fā)達(dá)，其位于東江干流與新豐江交匯處，具有重要的地域生態(tài)環(huán)境地位[1]。廣東省城市環(huán)境空氣質(zhì)量狀況公報顯示河源市空氣質(zhì)量在廣東省地區(qū)處于較好的水平，空氣污染物年均值逐年下降，空氣質(zhì)量明顯改善[2]。但受不利氣象條件和周邊污染傳輸影響，偶爾也會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的污染現(xiàn)象，這種少數(shù)的污染時段拉高了河源市年均污染物濃度及空氣質(zhì)量指數(shù)?，F(xiàn)以2016年3月27日—4月4日河源市發(fā)生的一次高ρ(PM2.5)污染過程為例，分析春夏之交天氣形勢及周邊城市污染輸送對河源市空氣質(zhì)量的影響。

1 研究方法

環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于河源市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的2016年3月27日—4月4日逐日和逐小時監(jiān)測數(shù)據(jù)，周邊城市PM2.5逐日和逐小時數(shù)據(jù)來源于全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺[3]，氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心[4-5]。采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計方式分析環(huán)境空氣質(zhì)量和氣象因素變化特征，利用HYSPLIT軌跡模式進行氣團軌跡繪制[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染過程空氣質(zhì)量變化特征

2.1.1 污染概況

2016年3月27日—4月4日，河源市區(qū)出現(xiàn)以ρ(PM2.5)大幅增長為特征的污染過程，監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 污染過程主要污染物日均值及空氣質(zhì)量級別統(tǒng)計

由表1可見，3月27日起河源市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)逐漸升高，污染逐步加強，AQI在3月30日達(dá)到此次污染過程的第一個峰值118，出現(xiàn)輕度污染，超標(biāo)污染物為PM2.5；31日短暫回落后， 4月1日又重新上升達(dá)到次高值113，超標(biāo)污染物為PM2.5和O3，2日起AQI逐日回落，至4月4日恢復(fù)到優(yōu)的水平，此次污染過程基本結(jié)束。

本次污染過程分為3個階段：3月27—29日為污染累積階段，PM2.5日均值由35 μg/m3上升至71 μg/m3；3月30日—4月1日維持在較高水平(72～89 μg/m3)； 4月2—4日為污染消除階段，空氣質(zhì)量開始好轉(zhuǎn)，日均值降至30 μg/m3。

2.1.2 不同站點PM2.5小時值變化

污染過程中河源市區(qū)3個環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測子站(源西、東埔、老城)的ρ(PM2.5)小時監(jiān)測結(jié)果變化趨勢基本一致(見圖1)，小時值從3月28日

圖1 河源市不同站點ρ小時(PM2.5)變化趨勢

傍晚最低28μg/m3逐步上升，在29日上午和下午分別達(dá)到當(dāng)日階段峰值。3月30日維持污染期間規(guī)律，31日污染物濃度略有降低且全天無明顯波動。

4月1日從上午08:00左右開始，各站點PM2.5小時值迅速升高，達(dá)到重度污染水平，在13：00達(dá)到峰值(源西站165 μg/m3、東埔站171 μg/m3、老城站182 μg/m3)，隨后污染物值迅速回落。4月2—3日ρ(PM2.5)波動下降至優(yōu)良水平。

2.1.3ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(PM2.5)/ρ(CO)

河源市污染時段ρ(PM2.5)和ρ(PM10)及其比值的日變化規(guī)律見圖2，河源市污染時段ρ(PM2.5)/ρ(CO)及其比值的日變化規(guī)律見圖3。

圖2 污染時段河源市ρ(PM2.5)和ρ(PM10)及其比值的日變化規(guī)律

圖3 污染時段河源市ρ(PM2.5)和ρ(CO)及其比值的日變化規(guī)律

一般情況下，PM10和CO主要來源于一次污染物排放，而PM2.5則包含了一次排放和二次生成的污染物，借助于ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(PM2.5)/ρ(CO)可以粗略地判斷PM2.5的二次轉(zhuǎn)化強度[7-9]。由表1、圖2、圖3可見，3月27日—4月4日，ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(PM2.5)/ρ(CO)呈現(xiàn)出較為一致的變化趨勢，但3月30日和4月1日的ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(PM2.5)/ρ(CO)差異明顯，其中3月30日的ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(PM2.5)/ρ(CO)分別為0.87和0.08，高于4月1日的0.78和0.07，老化程度和二次轉(zhuǎn)化程度都更為突出。

2.2 污染過程氣象條件分析

2.2.1 總體天氣形勢分析

2016年3月29日—4月1日地面天氣形勢圖見圖4 。由圖4可見，在污染較嚴(yán)重時段，廣東省主要受高壓邊緣控制，且處于低壓頂部，在高壓與低壓系統(tǒng)之間，以東北偏東風(fēng)和西南風(fēng)為主，氣壓梯度小，無持續(xù)風(fēng)向，風(fēng)速較小。在污染較嚴(yán)重時段，風(fēng)場不穩(wěn)定，風(fēng)向轉(zhuǎn)變快，風(fēng)速小，在這種靜穩(wěn)的氣象場下，空氣污染物不易擴散，容易導(dǎo)致污染物的累積和區(qū)域間相互傳輸。結(jié)合中央氣象臺天氣實況小時數(shù)據(jù)和天氣分析形勢圖[4]，4月2日開始，全省范圍整體受加強的西南風(fēng)場影響，污染氣團容易迅速向東北方向遷移擴散，伴隨3日開始短時降雨，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。

2.2.2 PM2.5與氣象因子的相關(guān)性

2016年3月27日—4月4日河源市小時氣象狀況變化見圖5，河源市2016年3月27日—4月4日氣象概況見表2。ρ(PM2.5)與風(fēng)速、氣溫、氣壓及相對濕度的相關(guān)性見圖6(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)。

由表2、圖5、圖6可見，3月27日—3月30日，氣壓相對較高，呈逐日降低趨勢，ρ(PM2.5)與氣壓呈現(xiàn)較強負(fù)相關(guān)性(R2=0.646 2)。氣溫基本維持在15～18℃左右，呈緩慢上升趨勢，ρ(PM2.5)與氣溫呈現(xiàn)不明顯的正相關(guān)性(R2=0.008 4)。風(fēng)向整體以偏北氣流為主，期間存在南北氣流切變，風(fēng)速從3.6 m/s降低至30日1.5 m/s，ρ(PM2.5)與風(fēng)速呈弱負(fù)相關(guān)(R2=0.105 2)。相對濕度逐日升高，但總體處于較低水平，ρ(PM2.5)與濕度呈弱正相關(guān)(R2=0.391 3)。天氣晴朗，降雨量極少，僅29和30日出現(xiàn)零星小雨，ρ(PM2.5)未受到明顯影響。

圖4 2016年3月29日—4月1日地面天氣形勢圖

圖5 2016年3月27日-4月4日河源市小時氣象狀況變化

日期平均海平面氣壓/hpa最大風(fēng)頻風(fēng)向最大風(fēng)頻風(fēng)向平均風(fēng)速/(m·s-1)平均氣溫/℃平均相對濕度/%24h累積降雨量/mm3月27日1024.9NE3.615.346.803月28日1023.5SW1.517.450.003月29日1020.8ENE1.718.168.40.13月30日1017.8NW1.518.391.30.83月31日1014.5ENE1.221.583.104月1日1014.2SW2.123.675.304月2日1014.9SW2.023.379.904月3日1013.4NE0.922.790.64.54月4日1012.6ENE1.121.393.28.3

圖6 ρ(PM2.5)與風(fēng)速、氣溫、氣壓及相對濕度的相關(guān)性

3月31日— 4月4日氣壓相對較低，呈波動下降趨勢，ρ(PM2.5)與氣壓呈現(xiàn)不明顯的正相關(guān)(R2=0.006 5)。氣溫在21～23℃，呈先升后降的規(guī)律，ρ(PM2.5)與氣溫呈現(xiàn)不明顯的正相關(guān)(R2=0.033 9)。

風(fēng)向整體以中等西南氣流和弱偏北氣流為主，存在南北氣流對峙過程，風(fēng)速為1～2 m/s，PM2.5與風(fēng)速呈不明顯正相關(guān)(R2=0.072 9)。相對濕度逐日升高至較高水平，ρ(PM2.5)與濕度呈弱負(fù)相關(guān)(R2=0.176 9)。

前期天氣晴朗，無降雨， 3日起有明顯的降雨， 3日和4日2天累積降雨量達(dá)到12.8 mm，ρ(PM2.5)有明顯下降。

在不同污染階段，ρ(PM2.5)與氣象因子的關(guān)系呈現(xiàn)不同程度的關(guān)聯(lián)性，ρ(PM2.5)與單一的氣象因子未呈現(xiàn)簡單的一次線性關(guān)系，是多種因素共同作用的結(jié)果。從每天平均氣象場看，相對濕度、氣壓、風(fēng)速及降水是影響ρ(PM2.5)的重要因素。在該次污染過程中，氣壓梯度較小，風(fēng)速偏低，南北氣流對峙等不利擴散條件在很大程度上促使了污染過程前期ρ(PM2.5)迅速積累和升高。

2.3 污染過程PM2.5來源分析

從氣象觀測結(jié)果來看，3月27—29日河源地區(qū)近地面主導(dǎo)風(fēng)向為東北偏東風(fēng)，且風(fēng)速較小，在較為靜穩(wěn)的天氣條件下，來自偏東北方向的干性大陸氣團容易在河源地區(qū)停滯并積累，加上3月30日的短時降小雨導(dǎo)致相對濕度驟增，PM2.5吸濕增長，從而在3月30日出現(xiàn)首個PM2.5峰值。3月31日—4月4日，西南風(fēng)增強，全省范圍自南向北開始受西南風(fēng)切變影響，南北氣流對峙區(qū)域逐步北移，造成珠三角大部分城市和河源市污染物濃度分別在3月31日和4月1日達(dá)到頂峰。

2016年3月27日—4月4日河源市及周邊城市PM2.5日均值變化見圖7。由圖7可見，3月27日—4月4日，粵北地區(qū)的河源市和清遠(yuǎn)市PM2.5日均值呈現(xiàn)上升-下降-上升-下降的規(guī)律，2次高值分別出現(xiàn)在3月30日和4月1日；珠三角大部分城市ρ(PM2.5)(包括廣州、東莞、惠州等)均呈現(xiàn)出先升后降的規(guī)律，峰值出現(xiàn)在3月31日。從發(fā)生污染的先后時間來看，全省大部分城市于3月29日開始出現(xiàn)ρ(PM2.5)急劇上升情況，河源、清遠(yuǎn)、韶關(guān)等在3月30日出現(xiàn)污染峰值，隨后3月31日珠三角城市也出現(xiàn)峰值，4月1日河源、清遠(yuǎn)、梅州再次出現(xiàn)峰值。

為驗證此次污染天氣過程中污染物的可能來源，以河源(23°43′24″N，114°41′21″E)為參考點，選取近地面層100，500，1 000 m 3個高度，利用HYSPLIT-4模型分別計算3月30日和4月1日UTC 4時氣團的72 h后向輸送軌跡[圖8(a)(b)]。后向軌跡顯示3月30日河源市低空氣團來源于東北部大陸干性氣流，中高空氣團來源于東北向海洋氣流輸送。4月1日來源于東南海洋暖濕氣團，經(jīng)過珠三角地市，攜帶污染物共同促進了河源市上空ρ(PM2.5)增長。

圖7 2016年3月27日—4月4日河源市及周邊城市PM2.5日均值變化

圖8 3月30日和4月1日河源市不同高度氣團來源

綜上所述，3月30日，河源地區(qū)的PM2.5污染主要受東北部大陸氣團傳輸影響，可能以本地源排放累積為主；而4月1日，可能是受暖濕海洋氣團途經(jīng)珠三角城市后輸送影響，疊加本地源排放，導(dǎo)致4月1日出現(xiàn)ρ(PM2.5)大幅升高的污染現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1) 3月27日—4月4日期間，ρ(PM2.5)峰值出現(xiàn)在3月30日和4月1日，PM2.5與PM10、CO呈現(xiàn)出較為一致的濃度變化趨勢，但3月30日和4月1日的ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(PM2.5)/ρ(CO)差異明顯，是2種性質(zhì)不同的污染過程;

(2)在不同天氣形勢下，ρ(PM2.5)與氣象因子呈現(xiàn)不同程度的關(guān)聯(lián)性，ρ(PM2.5)與單一的氣象因子未呈現(xiàn)簡單的一次線性關(guān)系。相對濕度、氣壓、風(fēng)速及降水是影響ρ(PM2.5)的重要因素。在本次污染過程中，氣壓梯度較小，風(fēng)速穩(wěn)定，南北氣流對峙，在這種相對靜穩(wěn)的氣象條件下，污染物擴散條件不利，容易導(dǎo)致ρ(PM2.5)的急速升高;

(3)后向軌跡等綜合分析表明，3月30日氣團來源于東北部大陸氣流，4月1日來源于東南海洋暖濕氣流。3月30日是弱冷高壓脊控制下，南北氣流對峙和大陸氣團傳輸導(dǎo)致的細(xì)顆粒物累積過程，4月1受暖濕海洋氣團途經(jīng)珠三角城市后輸送影響，疊加本地源排放，導(dǎo)致出現(xiàn)ρ(PM2.5)大幅升高的污染現(xiàn)象。3月27日—4月4日PM2.5污染是本地源排放累積和區(qū)域傳輸共同疊加的結(jié)果。

[1] 車秀珍. 河源市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的思路與對策探討[J]. 熱帶地理, 2004, 24(2):182-186.

[2] 廣東省環(huán)境保護公眾網(wǎng). 廣東省城市環(huán)境空氣質(zhì)量狀況 [EB/OL]. (2016-07-14)[2016-12-08].http://www.gdep.gov.cn/.

[3] 全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺.城市空氣質(zhì)量AQI日報 [EB/OL]. (2016-03-27—2016-04-04)[2016-12-08].http://106.37.208.233:20035/.

[4] 中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng).地面氣象資料[EB/OL]. (2016-03-27—2016-04-04)[2016-12-08]. http://data.cma.cn/.

[5] 中央氣象臺.天氣分析[EB/OL]. (2016-03-272016-04-04)[2016-12-08].http://www.nmc.cn/.

[6] DRAXLER R, STUNDER B, ROLPH G, et al. HYSPLIT 4 user’sguide.(2014-06-21)[2016-12-08].http：//www. arl. noaa. gov/documents/reports/hysplit_ userguide. pdf, 2014.

[7] 岳玎利, 鐘流舉, 張濤,等. 珠三角地區(qū)大氣PM2.5理化特性季節(jié)規(guī)律與成因[J]. 環(huán)境污染與防治, 2015, 37(4):1-6.

[8] 王瑋，蘇宏智.睢寧地區(qū)大氣PM2.5及氣態(tài)污染物季節(jié)性變化特征[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2016,8(6)：57-62.

[9] 黃深，潘要武，劉國盛，等.茂名市大氣PM2.5在線源解析[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2015,7(4)：37-42.

欄目編輯 李文峻

Case Study of PM2.5Pollution Episode in Spring of Heyuan City

LIN Xiao- ping1, WU Chu1, ZENG Shu- sen1, ZHONG Liu- ju2, YE Si- qi3, ZHANG Hui1*

(1.Heyuan Environmental Monitoring Station, Heyuan，Guangdong 517000, China； 2.Jinan University, Guangzhou, Guangdong 510632, China; 3.Guangdong Environmental Monitoring Center, Guangzhou, Guangdong 510220, China)

During March 27th to April 4th, 2016, Heyuan experienced a pollution episode. The pollution process was studied based on the meteorological data and air quality monitoring data during this period. The results showed that,ρ(PM2.5)/ρ(PM10) andρ(PM2.5)/ρ(CO) in Heyuan on March 30th were 0.87 and 0.08 respectively, apparently higher than those on other days, implying the remarkable aging and secondary transformation characteristics. In the two different periods of the episode, PM2.5concentration fluctuations in Heyuan were affected by various meteorological factors, among which, PM2.5concentrations were apparently negatively correlated (R2=0.646 2)and inapparently positively correlated (R2=0.006 5) with air pressure succesively, inapparently positively correlated with temperature(R2was 0.008 4 and 0.033 9 respectively), weakly negatively correlated (R2=0.105 2)and inapparently positively correlated (R2=0.072 9) with wind speed succesively, and weakly positively correlated (R2=0.391 3) and weakly negatively correlated (R2= 0.176 9) with relate humidity succesuvely. Besides, comparisons of PM2.5concentration variation trends between Heyuan and surrounding cities together with the backward trajectory analysis showed that, the pollution episode in Heyuan was resulted from both local source emissions and PRD regional air pollution transmission.

PM2.5；PM10；CO；Pollution episode; Meteorological factor; Correlation; Heyuan

10.3969/j.issn.1674-6732.2017.04.013

2016-12-08；

2016-12-25

林小平(1971—)，女，高級工程師，本科，從事環(huán)境監(jiān)測與污染防治研究工作。

*通訊作者：張輝 E-mail:zhanghui380822@163.com

X513

B

1674- 6732(2017)04- 0049- 06