長沙市2019年12月一次重污染過程細顆粒物組分特征及成因分析

金紅紅，肖童覺，黃河仙，陳 陽，郭 倩

(1.湖南省環(huán)境監(jiān)測中心站，410019，長沙；2.國家環(huán)境保護重金屬污染監(jiān)測重點實驗室，410019，長沙)

0 引言

2019年，長沙市僅在冬季出現(xiàn)了4次重污染過程，重污染天數(shù)共8 d。本研究選取了長沙市2019年12月的一次持續(xù)污染天氣過程作為分析對象，對PM2.5的顆粒進行組分分析，了解該時段長沙市大氣顆粒物的污染特征及氣象成因，為政府制定重污染天條件下污染源減排削峰措施提供科學支撐。

1 研究方法

采用長沙市芙蓉區(qū)馬坡嶺組分站的環(huán)境空氣自動監(jiān)測獲得的小時數(shù)據(jù)，PM2.5質(zhì)量濃度、PM2.5中水溶性離子及碳分碳的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)均來自力合科技(湖南)公司生產(chǎn)的監(jiān)測儀，顆粒物雷達數(shù)據(jù)為安徽藍盾生產(chǎn)的雙鏡微脈沖激光雷達。儀器的規(guī)格、維護、標定及數(shù)據(jù)處理質(zhì)控方法均按照中國環(huán)境監(jiān)測總站要求執(zhí)行。

2 重污染過程特征分析及成因分析

2.1 重污染過程分析

重污染天氣是指根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)( AQI) 技術(shù)規(guī)定( 試行) 》( HJ633—2012)[9]，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)級別達到五級( 重度污染) 及以上污染程度的大氣污染。2019年12月13—16日，長沙市經(jīng)歷一次灰霾由產(chǎn)生到消退的過程，近地面空氣質(zhì)量經(jīng)歷了一次持續(xù)50 h達到重度污染。以長沙市馬坡嶺站點為例，其中12月13日，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)為143，14日上升至234，達到重度污染，15日持續(xù)重度，AQI為251，16日17：00開始迅速下降轉(zhuǎn)好，詳見圖1。此次重污染期間，PM2.5和PM10均出現(xiàn)不同程度超標，首要污染物為 PM2.5。

圖1 2019年12月13—16日馬坡嶺站點PM2.5質(zhì)量濃度與AQI的小時變化

2.2 PM2.5中化學組分特征分析

圖2 2019年12月13—16日馬坡嶺站點PM2.5中水溶性離子的小時濃度分布

水溶性 K+可作為生物質(zhì)燃燒的標識物，Ca2+可作為建筑塵的標識物[10]。由圖3可見，此次重污染期間，K+質(zhì)量濃度峰值多在夜間出現(xiàn)，K+質(zhì)量濃度從12月14日凌晨開始濃度呈上升的趨勢，在12月15日03：00達到最大小時值，濃度為3.01 μg /m3，之后呈降低的趨勢。K+質(zhì)量濃度升高可能與上游污染氣團輸送中夾雜秸稈焚燒物質(zhì)有關(guān)，再加靜穩(wěn)天氣不利于大氣擴散；而K+質(zhì)量濃度在達到高值后下降，與地面風速加大、擴散條件轉(zhuǎn)好有關(guān)。Ca2+質(zhì)量濃度從 12 月 14 日開始呈明顯下降，這可能與長沙市啟動預警后大部分工地停止作業(yè)、道路清掃沖洗次數(shù)增加、渣土運輸減少等管控措施的實施、減少了建筑塵污染貢獻有關(guān)。

圖3 2019年12月13日—16日馬坡嶺站點PM2.5中Ca2+和 K+質(zhì)量濃度變化

2.2.2 PM2.5中碳組分特征分析 從圖4可知，EC質(zhì)量濃度變化幅度總體較小，OC 濃度隨著污染程度加劇而顯著增大，隨污染程度降低而又逐漸減低。一般認為當 OC/EC的比值超過2.0時，即表明二次有機污染的存在[11]。長沙市馬坡嶺站點12月13—16日PM2.5中的OC/EC小時比值在2.5～9.5之間，而OC/EC日比值在3.7～6.2之間，呈現(xiàn)逐日下降的趨勢，OC/EC比值均高于二次污染的判斷標準，說明長沙市二次有機碳污染較為嚴重，同時表明政府啟動車輛限行、企業(yè)限產(chǎn)等預警措施，在一定程度上降低了二次有機碳的占比。

圖4 12月13—16日馬坡嶺站點PM2.5中OC、EC質(zhì)量濃度以及 OC/EC比值分布

2.3 重污染過程成因分析

2.3.1 氣象條件分析 通過對12月13—16日馬坡嶺站點的相關(guān)性進行分析，結(jié)果見圖5，可知馬坡嶺站點PM2.5與風速、風向、相對濕度呈正相關(guān)。

圖5 12月13日—16日馬坡嶺站點PM2.5濃度值與氣象條件之間的相關(guān)性分析

由圖6中13日全國地面天氣形勢來看，京津冀地區(qū)有一個冷高壓中心，四川盆地地區(qū)有一個低壓中心，湖南長沙位于兩者之間，處于均壓場形勢控制，風速比較小，風向容易受到地形的影響，水平擴散條件較差，有利于顆粒物的本地生成累積。此為污染開始階段。

由圖6中14日地面形勢來看，京津冀地區(qū)冷高壓中心逐漸向東南移動，四川盆地地區(qū)有一個低壓中心，湖南長沙地區(qū)位于兩者之間，處于均壓場形勢控制，風速比較小，風向容易受到地形的影響。14日整個湖南長沙地區(qū)的近地層相對濕度增加明顯，濕度增加利于污染物2次轉(zhuǎn)化，地面靜風形勢也有利于顆粒物的本地累積。

由圖6中15日地面形勢來看，隨著陸面高壓南移，湖南長沙地區(qū)處在偏北風控制下，風力有所增加，上游輸送的情況下加劇了本地污染。特別是長沙市地形為東、西、南三面環(huán)山，北面開口，地形條件不利于大氣污染物的擴散。

由圖6中16日地面形勢來看，冷空氣自外蒙地區(qū)逐漸南下，經(jīng)內(nèi)蒙古、陜西、湖北影響湖南長沙地區(qū)，地面北風風速逐漸增大，降溫明顯，擴散條件逐漸轉(zhuǎn)好。但是受到北方污染地區(qū)污染傳輸影響，湖南長沙地區(qū)污染物濃度出現(xiàn)傳輸峰值，隨后逐漸下降。整個污染過程逐漸結(jié)束。

圖6 12月13日—16日全國地面天氣形勢分布(13日08:00、13日20:00、14日08:00、14日20:00、15日08:00、16日08:00、16日20:00)

2.3.2 污染氣團來源分析 采用LPDM拉格朗日溯源模型對長沙市12月13—16日重污染天氣的污染氣團來源進行溯源分析，結(jié)果如圖7所示。13—14日，長沙市的氣團主要來自東北方向和東北偏東方向，氣團貢獻均以本地為主，安徽、江西等有少量貢獻；15—16日，長沙市的氣團來自東南方向和偏南方向，氣團貢獻以本地貢獻為主，廣西、湖北和貴州有少量貢獻。由此可知，長沙市此次重污染天氣主要是因為本地污染排放疊加為主，外加少量的外來輸送影響。

圖7 長沙市13—16日氣團溯源分析

3 結(jié)論

1)2019年12月13—16 日，長沙市空氣質(zhì)量連續(xù)達50 h重度污染，其中12月15日污染最嚴重，PM2.5日均質(zhì)量濃度高達203 μg /m3，超標1.7倍。此次持續(xù)重污染天氣的形成主要是以本地污染排放疊加為主，外加少量的外來輸送影響。

3)從氣象條件分析，此次持續(xù)重污染期間，首先受大氣靜穩(wěn)、高濕等不利氣象條件影響，污染物濃度開始上升。高壓和低壓的共同作用，偏南風和偏北風匯合，形成準靜止結(jié)構(gòu)。再加長沙市地形為東、西、南三面環(huán)山，北面開口，地形條件不利于大氣污染物的擴散，均是導致持續(xù)重污染的重要客觀條件。后地面北風風速逐漸增大，擴散條件逐漸轉(zhuǎn)好，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。