大連市冬季一次傳輸回流型空氣重污染過(guò)程分析

徐 潔

(遼寧省大連生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023)

2016年12月31日—2017年1月4日，大連市經(jīng)歷了2輪西南方向污染輸送和東北方向污染回流輸送導(dǎo)致的空氣重污染過(guò)程。本研究利用地面觀測(cè)數(shù)據(jù)、3D可視激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)、在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀在線解析數(shù)據(jù)，結(jié)合后向軌跡模型分析氣流來(lái)源，對(duì)此次空氣重污染過(guò)程進(jìn)行多維度的分析，為空氣質(zhì)量污染原因解析及空氣質(zhì)量重污染預(yù)報(bào)預(yù)警提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

PM2.5濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于大連市10個(gè)國(guó)控空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)自大連市大氣復(fù)合污染綜合觀測(cè)站的激光雷達(dá)，在線源解析數(shù)據(jù)來(lái)自在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀。大連市大氣復(fù)合污染綜合觀測(cè)站及在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀均布設(shè)于遼寧省大連生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，位于大連市主城區(qū)，周?chē)袑W(xué)校、幼兒園、菜市場(chǎng)、多個(gè)居民小區(qū)以及諸多餐飲店，臨近交通干線，無(wú)工業(yè)污染源，是大連城區(qū)內(nèi)典型的人口聚集地，一定程度上能夠代表大連市大氣污染狀況。

后向軌跡模型采用由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的HYSPLIT-4模型，該模型是一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專(zhuān)業(yè)模型，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種污染物在各個(gè)地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散的研究中。本研究中，后向軌跡模擬采用的氣象數(shù)據(jù)為來(lái)自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的GDAS數(shù)據(jù)，氣流高度選取100m、500m和1500m，模擬氣團(tuán)48h后向軌跡。

2 污染狀況

2016年12月31日—2017年1月4日，大連市出現(xiàn)一次空氣重污染過(guò)程，首要污染物為PM2.5，此次污染過(guò)程累計(jì)55h空氣質(zhì)量達(dá)到重度及以上污染。此次污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間5d，此次污染峰值出現(xiàn)在1月2日3∶00，PM2.5濃度達(dá)235μg·m-3。污染日空氣質(zhì)量變化情況及重污染時(shí)段詳見(jiàn)表1。

表1 2016年12月31日—2017年1月4日大連市空氣質(zhì)量及重污染時(shí)段統(tǒng)計(jì)

3 污染成因分析

3.1 周邊污染形勢(shì)

2016年12月31日—2017年1月4日，京津冀南部、山東中西部城市空氣質(zhì)量達(dá)到中度到重度污染，個(gè)別城市達(dá)到嚴(yán)重污染。2016年12月31日—2017年1月1日，受偏西流場(chǎng)影響，污染向東北方向傳輸，污染范圍擴(kuò)大至渤海灣多個(gè)城市，遼寧西部為重度污染，環(huán)渤海城市為中度至重度污染。1月2日，受偏北風(fēng)影響，遼寧中東部地區(qū)污染物逐漸清除，西部個(gè)別城市為中度至重度污染，最南端的大連受污染回流影響為中度污染。1月3日，遼寧以良至輕度污染為主，遼寧西部個(gè)別城市為中度污染。1月4日，遼寧以良至輕度污染為主，個(gè)別城市為中度至重度污染。

3.2 區(qū)域輸送回流分析

2016年12月31日—2017年1月4日，大連市經(jīng)歷了2次西南方向污染輸送、1次西北方向回流輸送和1次東北方向污染回流輸送。后向軌跡分析顯示，氣流運(yùn)動(dòng)軌跡與污染過(guò)程較為一致，2017年1月1日24∶00大連市高低空的氣流均來(lái)自西南方向的京津冀中南部和山東中西部，近地面100m的氣流以平流為主，500m和1500m高空的氣流先下沉后上升，京津冀中南部和山東西部區(qū)域近地面的高污染氣團(tuán)隨上升氣流到達(dá)高空，經(jīng)過(guò)平流運(yùn)動(dòng)到達(dá)大連的高空，導(dǎo)致1日大連市空氣質(zhì)量達(dá)到重污染。1月2日12∶00大連市高低空均是來(lái)自西北方向的下沉氣流，經(jīng)由遼寧中西部城市到達(dá)大連，遼寧西部城市的高污染氣團(tuán)隨下沉氣流輸送至大連，導(dǎo)致2日1∶00—12∶00出現(xiàn)重污染時(shí)段。1月3日8∶00大連市高低空氣流均來(lái)自西南或西方向的京津冀和山東中西部，該區(qū)域的高污染氣團(tuán)隨水平氣流傳輸至大連，導(dǎo)致3日8∶00左右出現(xiàn)1個(gè)PM2.5污染的小峰值；1月4日3∶00大連市高低空均是來(lái)自西北方向的下沉氣流，經(jīng)由遼寧中西部城市到達(dá)大連，遼寧中西部城市的高污染氣團(tuán)隨下沉氣流輸送至大連，導(dǎo)致4日1∶00—12∶00出現(xiàn)重污染時(shí)段。2016年12月31日—2017年1月4日大連市區(qū)PM2.5濃度變化見(jiàn)圖1，2017年1月1日24∶00、2日12∶00、3日8∶00和4日3∶00后向軌跡分析見(jiàn)圖2。

圖1 2016年12月31日—2017年1月4日大連市區(qū)PM2.5濃度變化

圖2 2017年1日24∶00、2日12∶00、3日8∶00和4日3∶00后向軌跡分析

3.3 激光雷達(dá)垂直傳輸分析

利用3D可視激光雷達(dá)對(duì)此次污染過(guò)程進(jìn)行了連續(xù)實(shí)時(shí)垂直觀測(cè)(圖3)。結(jié)果表明，本次污染過(guò)程存在4次垂直傳輸過(guò)程。通過(guò)2016年12月30日—2017年1月5日的邊界層數(shù)據(jù)可以看出，本周邊界層整體變化較大。2016年12月30日，邊界層在1000m左右，垂直擴(kuò)散能力較好，氣溶膠團(tuán)擴(kuò)散在高空；31日8∶00起邊界層呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，1000m高空出現(xiàn)污染氣團(tuán)，隨著邊界層逐漸降低出現(xiàn)第一次污染物的沉降。2017年1月2日凌晨前后，邊界層降至最低，高度僅有300m左右，出現(xiàn)第2次污染物沉降，這與2日2∶00—6∶00出現(xiàn)的第1個(gè)重污染峰值相吻合；2日8∶00受大風(fēng)及擴(kuò)散氣流影響，整體邊界層升高，擴(kuò)散條件較好，污染顯著改善；3日15∶00起邊界層逐漸降低，從1000m高度持續(xù)有外來(lái)污染沉降地面，出現(xiàn)第3次污染物沉降，到4日5∶00邊界層降至400m，出現(xiàn)第4次污染物沉降，這與3日18∶00—4日1∶00出現(xiàn)的第2個(gè)重污染峰值相吻合。4日10∶00后空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，邊界層升高到1000m以上，垂直擴(kuò)散能力較好。綜上所述，幾次污染峰值都對(duì)應(yīng)著高空污染氣團(tuán)的沉降，4次沉降與傳輸和回流的時(shí)間節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，從污染物垂直分布上印證了此次污染過(guò)程的傳輸和回流特征。

圖3 2016年12月30日—2017年1月5日大氣復(fù)合污染綜合觀測(cè)站激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果

3.4 在線源解析

利用在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀對(duì)本次污染過(guò)程開(kāi)展了PM2.5快速源解析監(jiān)測(cè)，PM2.5小時(shí)均值選擇位于遼寧省大連生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心的星海三站點(diǎn)位。在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀解析結(jié)果顯示，在污染來(lái)臨前，PM2.5來(lái)源以燃煤源(41%)、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣(26%)以及生物質(zhì)燃燒源(19%)為主，工業(yè)源占比僅為3%(圖4)；2016年12月31日5∶00—2017年1月2日0∶00風(fēng)向轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，大連市PM2.5各來(lái)源占比被重構(gòu)，工業(yè)源占比增加至38%，取代燃煤源成為PM2.5的首要來(lái)源(圖5)，說(shuō)明來(lái)自西南方向的污染輸送主要來(lái)自工業(yè)源排放；2日1∶00—3日1∶00風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，大連市PM2.5各來(lái)源占比變化不大，燃煤源略有增加，由25%增加至27%(圖6)，此段短暫的西北風(fēng)對(duì)于大連市PM2.5各類(lèi)來(lái)源的影響并不大；3日2∶00—12∶00風(fēng)向再次轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，大連市PM2.5各來(lái)源占比再次被重構(gòu)，燃煤源再次成為PM2.5的首要來(lái)源，占比達(dá)51%(圖7)，此時(shí)大連市PM2.5各類(lèi)來(lái)源占比與污染前類(lèi)似，為燃煤源占主導(dǎo)，說(shuō)明這一時(shí)段的PM2.5污染應(yīng)該是以本地污染為主，外來(lái)輸送為輔；3日13∶00開(kāi)始風(fēng)向轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，大連市PM2.5各來(lái)源占比中，燃煤源占比由51%降低至41%，工業(yè)源占比由10%增加至16%(圖8)，說(shuō)明東北方向的污染傳輸以燃煤和機(jī)動(dòng)車(chē)復(fù)合排放為主。燃煤源在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀PM2.5來(lái)源解析時(shí)間序列見(jiàn)圖9。

圖4 污染前大連市PM2.5來(lái)源解析

圖5 污染中第1次西南方向傳輸時(shí)大連市PM2.5來(lái)源解析

圖6 污染中西北回流時(shí)大連市PM2.5來(lái)源解析

圖7 污染中第2次西南方向傳輸時(shí)大連市PM2.5來(lái)源解析

圖8 污染中東北方向傳輸時(shí)大連市PM2.5來(lái)源解析

圖9 在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀PM2.5來(lái)源解析時(shí)間序列

4 結(jié)論

2016年12月31日—2017年1月4日，大連市出現(xiàn)的空氣重污染過(guò)程是在周邊出現(xiàn)連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間、區(qū)域性重度污染的大環(huán)境背景下產(chǎn)生的。在此次污染過(guò)程中，大連市經(jīng)歷了2次西南方向的傳輸、1次西北方向的污染回流傳輸和1次東北方向污染回流的傳輸，是一次典型傳輸回流型重污染過(guò)程。在風(fēng)向的轉(zhuǎn)換中伴隨著高空污染氣團(tuán)的沉降，導(dǎo)致大連市近地面PM2.5濃度達(dá)到峰值。在線來(lái)源解析結(jié)果表明，第1次西南方向傳輸時(shí)，大連市受到西南方向的污染輸送主要來(lái)自工業(yè)源排放；西北風(fēng)方向污染回流時(shí)，大連市PM2.5各來(lái)源的比例變化并不大，說(shuō)明前一時(shí)段西南方向的傳輸與這次西北方向的傳輸很可能來(lái)源相同；第2次短暫的西南方向傳輸時(shí)，大連市PM2.5恢復(fù)污染前的來(lái)源占比，說(shuō)明此時(shí)PM2.5污染以本地污染為主，外來(lái)傳輸為輔；東北方向污染回流傳輸時(shí)，大連市PM2.5燃煤源占比降低，機(jī)動(dòng)車(chē)源占比增加，說(shuō)明大連市受到東北方向的污染輸送以燃煤源和工業(yè)源復(fù)合排放為主。