綿陽(yáng)重污染天氣機(jī)動(dòng)車限行對(duì)空氣質(zhì)量的影響研究*

杜筱筱 廖婷婷 范江琳 楊寅山

(1.四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，四川 成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610072；3.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225；4.四川省氣象臺(tái)，四川 成都 610072)

大氣污染對(duì)人體健康和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等都有重大影響，甚至影響全球的氣候變化[1]。四川盆地是我國(guó)主要的大氣污染區(qū)域之一。曾勝蘭等[2]發(fā)現(xiàn)，天氣對(duì)空氣質(zhì)量影響較大。郭倩等[3]對(duì)成都2015年的一次重污染天氣研究發(fā)現(xiàn)，輻射逆溫對(duì)污染物濃度增長(zhǎng)有促進(jìn)作用，東北向的綿陽(yáng)等地區(qū)是此次過(guò)程主要的潛在來(lái)源區(qū)，可見(jiàn)綿陽(yáng)對(duì)四川盆地大氣污染有重要影響。由于四川的機(jī)動(dòng)車保有量逐年增加，使其大氣污染類型由原來(lái)的煤煙型向煤煙-機(jī)動(dòng)車尾氣復(fù)合型轉(zhuǎn)變[4]。根據(jù)綿陽(yáng)市公安局交警支隊(duì)車管所提供的數(shù)據(jù)顯示，綿陽(yáng)機(jī)動(dòng)車保有量近幾年顯著增長(zhǎng)，2015年首次超過(guò)百萬(wàn)輛，2017年又達(dá)到了150.8萬(wàn)輛。由此可見(jiàn)，機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)綿羊空氣質(zhì)量的影響越來(lái)越大，如果碰到重污染天氣可能更是雪上加霜。

2017年12月19日綿陽(yáng)出現(xiàn)空氣污染(空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)為112)并持續(xù)加重，23日達(dá)到重度污染(AQI為204)。為應(yīng)對(duì)此次重污染天氣，綿陽(yáng)政府于12月25日0時(shí)至29日12時(shí)首次實(shí)行機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行措施(綿重污染天氣應(yīng)急辦〔2017〕16號(hào))。本研究對(duì)此次實(shí)行機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行措施前后綿陽(yáng)大氣污染物濃度變化特征進(jìn)行分析，為綿陽(yáng)今后決策大氣污染治理措施提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

為了對(duì)比分析機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行措施前后大氣污染物濃度的變化特征，定義2017年12月20日0時(shí)至24日24時(shí)為限行前，2017年12月25日0時(shí)至29日12時(shí)為限行期，2017年12月29日12時(shí)至2018年1月2日24時(shí)為限行后，限行前和限行后統(tǒng)稱為非限行期。大氣污染物數(shù)據(jù)來(lái)自富樂(lè)山、市人大、三水廠、自來(lái)水公司4個(gè)國(guó)控環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。地面氣象數(shù)據(jù)(風(fēng)速、日降水量、相對(duì)濕度、云量)來(lái)自綿陽(yáng)56196國(guó)家自動(dòng)氣象觀測(cè)站，其中混合層高度參考文獻(xiàn)[5]的方法計(jì)算得到，由于日降水量均為0 mm，下文將不再具體討論。計(jì)算后向軌跡、進(jìn)行潛在源區(qū)貢獻(xiàn)(PSCF)分析和濃度權(quán)重軌跡(CWT)分析所需的其他氣象數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的全球資料同化系統(tǒng)(http：//www.rl.noaa.gov/ss/transport/archives.html)。

1.2 后向軌跡的聚類分析方法

采用Meteoinfo的后向軌跡模式模擬限行前、限行期、限行后到達(dá)綿陽(yáng)的氣流軌跡。模擬高度選擇500 m，每隔1 h計(jì)算一條后向72 h的軌跡，使用angle distance算法進(jìn)行聚類分析。

1.3 PSCF分析方法

PSCF是經(jīng)過(guò)污染源的污染軌跡數(shù)與所有軌跡數(shù)的比值[6-7]。為了降低PSCF計(jì)算的不確定性，引入權(quán)重因子，當(dāng)所有軌跡數(shù)大于80時(shí)，權(quán)重因子取1.00；當(dāng)所有軌跡數(shù)大于20且小于等于80時(shí)取0.70；當(dāng)所有軌跡數(shù)大于10且小于等于20時(shí)取0.42；當(dāng)所有軌跡數(shù)小于等于10時(shí)取0.05[8-9]。PSCF越大，表明該污染源對(duì)觀測(cè)點(diǎn)污染物的影響越大。

1.4 CWT分析方法

CWT包含了污染源氣團(tuán)軌跡的濃度，反映了不同軌跡的污染程度[10]，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：cij為網(wǎng)格(經(jīng)度i，緯度j)上的污染物加權(quán)平均質(zhì)量濃度，μg/m3；ck為第k條軌跡經(jīng)過(guò)網(wǎng)格(經(jīng)度i，緯度j)時(shí)的污染物質(zhì)量濃度，μg/m3；τijk為第k條軌跡在網(wǎng)格(經(jīng)度i，緯度j)上的停留時(shí)間，s；wij為權(quán)重因子；M為經(jīng)過(guò)網(wǎng)格(經(jīng)度i，緯度j)的軌跡總數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 限行前后大氣污染物濃度變化特征

圖1為綿陽(yáng)限行前、限行期、限行后富樂(lè)山、市人大、三水廠、自來(lái)水公司4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的污染物濃度變化曲線。從圖1可見(jiàn)，每種污染物的4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的變化趨勢(shì)基本一致。CO的限行前、限行期和限行后平均質(zhì)量濃度分別為1.4、1.5、1.1 μg/m3；NO2的限行前、限行期和限行后平均質(zhì)量濃度分別為65.2、42.8、50.6 μg/m3；O3的限行前、限行期和限行后平均質(zhì)量濃度分別為27.8、15.8、26.2 μg/m3；SO2的限行前、限行期和限行后平均質(zhì)量濃度分別為12.1、8.2、9.6 μg/m3；PM2.5的限行前、限行期和限行后平均質(zhì)量濃度分別為139.2、133.3、118.5 μg/m3；PM10的限行前、限行期和限行后平均質(zhì)量濃度分別為189.3、171.8、323.5 μg/m3?？梢?jiàn)，機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行措施對(duì)NO2、O3、SO2具有明顯的減排效果，而對(duì)CO幾乎沒(méi)有減排效果。大氣顆粒物PM2.5和PM10是整個(gè)觀測(cè)期間的首要污染物，機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行措施對(duì)PM2.5和PM10雖有一定減排效果，但限行后PM2.5、PM10的濃度存在顯著差異，限行后PM2.5變化不大，但PM10大幅上升。因此，后面將重點(diǎn)研究PM2.5、PM10的污染成因。

2.2 PM2.5/PM10分析

PM2.5/PM10往往能反映城市大氣顆粒物的來(lái)源性質(zhì)。當(dāng)PM2.5/PM10大于0.6時(shí)，大氣顆粒物主要來(lái)源于化學(xué)轉(zhuǎn)化形成的二次顆粒物，而當(dāng)PM2.5/PM10小于0.6時(shí)，則主要來(lái)源于沙塵、揚(yáng)塵等一次顆粒物[11-12]。此次重污染天氣觀測(cè)期間，限行前PM2.5/PM10平均為0.74，限行期為0.78，限行后為0.37，表明限行前和限行期大氣顆粒物主要來(lái)源于化學(xué)轉(zhuǎn)化形成的二次顆粒物，而限行后則轉(zhuǎn)為沙塵、揚(yáng)塵等一次顆粒物。

注：個(gè)別數(shù)據(jù)缺失，但不影響整體變化趨勢(shì)分析。圖1 觀測(cè)期間各污染物質(zhì)量濃度變化曲線Fig.1 The variation of pollutants mass concentrations in research period

2.3 氣象條件分析

一般地，風(fēng)速與顆粒物濃度呈負(fù)相關(guān)[13],[14]58；一定相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度越大顆粒物濃度越高，但相對(duì)濕度超過(guò)80%時(shí)，易發(fā)生降雨，導(dǎo)致PM2.5和PM10濃度降低[14]57-58；混合層高度可以表征顆粒物被熱力對(duì)流與動(dòng)力湍流在垂直方向上輸送的高度[15]。各階段相對(duì)濕度、風(fēng)速、混合層高度如表1所示。限行期相對(duì)濕度超過(guò)80%，有利于顆粒物的沉降，風(fēng)速相對(duì)限行前也有所增大，亦有利于降低顆粒物濃度，而混合層高度略有降低；限行后相對(duì)濕度明顯降低，混合層高度明顯升高，但風(fēng)速進(jìn)一步增大，這可能也是小顆粒的PM2.5濃度繼續(xù)降低，而大顆粒的PM10升高的原因。

表1 各階段氣象數(shù)據(jù)

2.4 后向軌跡聚類分析

氣流后向軌跡聚類分析結(jié)果如表2所示。

限行前軌跡聚為3類，其中來(lái)自平武南部和江油方向的氣流出現(xiàn)頻率達(dá)到55.17%，其PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度相對(duì)較高，分別為137.0、185.6 μg/m3，由于平武空氣較為清潔，所以本研究認(rèn)為該類氣流主要來(lái)自江油。來(lái)自汶川、什邡、綿竹、安州方向的氣流出現(xiàn)頻率為25.86%，但其PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度最高，分別達(dá)到145.2、199.2 μg/m3。雖然彭州、新都、德陽(yáng)城區(qū)有較強(qiáng)的污染源，但來(lái)自青海南部、阿壩、彭州、新都、德陽(yáng)城區(qū)方向的氣流出現(xiàn)頻率僅為18.97%，其PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度也并不是很高，分別為112.4、162.6 μg/m3，可能與風(fēng)向有關(guān)。

限行期軌跡聚為4類，其中來(lái)自廣安、南充、鹽亭、三臺(tái)的氣流出現(xiàn)頻率最高，為33.03%，其PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度分別為131.2、164.2 μg/m3；其次是來(lái)自南充北部、廣元的氣流，出現(xiàn)頻率為28.44%，PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度分別為113.4、144.8 μg/m3；來(lái)自青海南部、甘肅南部與四川交界處、廣元西北部、江油和廣元西北部、江油的氣流出現(xiàn)頻率均較小，分別為21.10%、17.43%，但對(duì)應(yīng)的PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度卻較高，第3類分別為141.8、190.0 μg/m3，第4類分別為139.3、175.9 μg/m3，這兩股氣流都途經(jīng)江油，說(shuō)明顆粒物主要來(lái)自江油。

限行后軌跡聚為3類，出現(xiàn)頻率大致相當(dāng)。來(lái)自甘肅、陜西、廣元、南充北部的西北方向氣流對(duì)應(yīng)的PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度最低，分別為110.1、294.9 μg/m3。來(lái)自西藏西部、甘孜、雅安北部、都江堰北部、彭州、什邡、綿竹、德陽(yáng)城區(qū)的氣流PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度最高，分別為149.5、467.6 μg/m3。

綜上可知，江油對(duì)綿陽(yáng)大氣顆粒物影響很大，氣流軌跡出現(xiàn)頻率高，顆粒物濃度也高，因此有必要考慮進(jìn)行區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。

2.5 PSCF分析和CWT分析

由于限行前和限行期PM2.5污染相對(duì)突出，是這次重污染天氣的最主要污染物，因此進(jìn)一步對(duì)限行期與非限行期的PM2.5進(jìn)行PSCF分析和CWT分析，格點(diǎn)設(shè)置為0.25°×0.25°，PM2.5閾值根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為75 μg/m3。

表2 各階段后向軌跡聚類結(jié)果

圖2 PSCF分布Fig.2 PSCF maps

圖3 CWT分布Fig.3 CWT maps

從圖2可見(jiàn)，PM2.5在限行期和非限行期的PSCF大值區(qū)主要都在綿陽(yáng)本地，區(qū)別在于限行期其他大值區(qū)主要在遂寧北部、南充西部和廣元中部，而非限行期主要在雅安北部、成都北部和和德陽(yáng)中部。

由圖3可知，CWT分布與FSCF較為接近，從總體上來(lái)說(shuō)，限行期和非限行期PM2.5的PSCF與CWT濃度是基本一致的。

3 結(jié) 論

(1) 大氣顆粒物PM2.5和PM10是此次重污染天氣的首要污染物，機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行措施對(duì)PM2.5和PM10有一定的減排效果。機(jī)動(dòng)車尾號(hào)限行措施對(duì)NO2、SO2、O3具有明顯的減排效果，而對(duì)CO幾乎沒(méi)有減排效果。

(2) 限行前和限行期大氣顆粒物主要來(lái)源于化學(xué)轉(zhuǎn)化形成的二次顆粒物，而限行后則轉(zhuǎn)為沙塵、揚(yáng)塵等一次顆粒物。限行后相對(duì)濕度降至80%以下，混合層高度升高，但風(fēng)速進(jìn)一步增大，可能是小顆粒的PM2.5濃度降低，而大顆粒的PM10升高的原因。

(3) 江油對(duì)綿陽(yáng)大氣顆粒物PM2.5、PM10影響很大，氣流軌跡出現(xiàn)頻率高，大氣顆粒物濃度也高，有必要考慮進(jìn)行區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。限行期和非限行期PM2.5的PSCF與CWT基本一致。