江蘇省一次重霾污染天氣的特征和機理分析

朱佳雷,王體健,邢 莉,穆 青,周德榮 (南京大學大氣科學學院,江蘇 南京 210093)

霾是一種由于空氣中大量微小氣溶膠粒子的存在,使得空氣變渾濁,致使水平能見度下降至10km以下的一種天氣現象[1].霾對人體健康、城市大氣環境都會造成嚴重的影響.近年來,隨著國民經濟和城市化進程的快速發展,工業耗煤量、機動車擁有量以及農作物秸稈燃燒量等不斷增加,都市霾天氣急劇增多[2],在經濟快速發展的長三角、珠三角地區尤為常見.霾天氣已成為典型的城市“氣象病”之一,引起公眾和學者的廣泛關注.國外學者對霾的研究較早, Andreae等[3]1988年在亞馬遜盆地利用多次飛機對該區域1000m到4000m的霾層結構進行了綜合觀測,發現霾層中 CO、CO2、O3和 NO 濃度明顯升高等.Okada[4]認為導致霾現象的是大氣中的氣溶膠顆粒,而顆粒物在大氣中的滯留時間與粒子半徑大小有關.Whiteaker等[5]綜合分析了各種氣象條件下氣溶膠的組成和混合機制,認為霾事件過程中組成粒子成分的變化很大程度影響氣溶膠的混合狀態.Baik等[6]利用化學成分與顆粒物的散射消光系數的對應關系,認為細小顆粒物污染容易導致霾的發生.我國學者在霾的天氣氣候特征、霾與霧的區分等方面也取得了一些研究成果[2,7].陳訓來等[8]利用數值模式研究發現,污染物分布以城市為中心具有區域性,并且主要積聚在大氣邊界層內,形成近地面高濃度.吳兌等[9]研究指出,廣州地區能見度的惡化主要與細粒子有關,PM2.5占PM10的比例可達62%～69%.從文獻報道來看,針對長三角地區,從天氣形勢和氣象條件等方面對于霾天氣污染過程的詳細分析研究較少.本針對2008年10月27日～29日發生在江蘇全境的一次重霾污染天氣過程,結合污染物濃度、氣象要素、天氣形勢、氣流軌跡分析,綜合探討此次霾天氣的形成機理和可能來源,以期對霾的預報和控制提供參考.

1 污染過程概述

2008年10月27～29日,江蘇省全境經歷了一次大范圍的重霾污染天氣過程,全省各市API值均接近或超過100的污染限值,首要污染物均為PM10.從27日開始,江蘇省13市的API值均呈快速上升趨勢,到28日包括南京在內的5市API值已超過100,達到Ⅲ1輕微污染級別.29日,南京API值已達到199,為Ⅲ2輕度污染級別,而鎮江市API值躍升至429,達到了Ⅴ重度污染級別(圖 1).至此全省處于污染物濃度極高的灰霾籠罩之中.隨著 29日午后沿江沿海地區開始的一次弱降水過程,對污染物產生濕清除作用,全省的污染指數開始逐步下降,到 31日基本結束污染過程.

圖1 2008年10月26～31日江蘇省部分市API值變化Fig.1 API variation from October 26th to 31th in Jiangsu Province

2 污染物濃度特征分析

2.1 大氣污染物濃度變化特征

圖2是在南京大學浦口氣象觀測站(該站位于南京市西北郊,受周邊排放源影響較小)采集的PM10,SO2,O3,NH3,NOx,CO 6種大氣成分濃度的逐時變化情況,可以發現除了NH3變化幅度不明顯外(原因可能是受局地源影響),其他 5種成分濃度都有不同程度的上升過程出現.O3是一個雙峰型變化過程,峰值主要出現在污染過程的前期,分別在27日15時和28日12:00,最高值達到0.442mg/m3,之后開始下降,主要原因可能是 O3生成與前體物NOx和 VOC有關,而當某些還原性污染物如 NOx濃度較大時,O3易與其發生反應,導致其濃度在霾過程中有所下降.SO2濃度值沒有出現明顯的峰值,27日早晨上升后在整個霾天氣過程中一直處于高值小幅波動過程.而 PM10,NOx,CO3種大氣成分變化過程較相似,有較好的相關性.這3種成分都是從27日16:00左右開始逐步累積,隨著霾天氣的出現,濃度持續升高,并都在霾污染最嚴重的 28日下午到 29日早晨之間達到濃度的峰值(PM10為0.553mg/m3,NOx為0.170mg/m3,CO為2.738mg/m3),之后隨著霾天氣的減弱,此3種成分濃度明顯下降.經過計算, NOx、CO濃度在此過程中與PM10濃度的相關系數分別為0.6329,0.7517,都達到了較高水平,可以認為此3種物質的濃度之間存在很好的正相關性.而 NH3與 NOx、CO、PM10的相關性則不太明顯.

圖2 2008年10月27日0:00～30日12:00南京大學浦口觀測站大氣成分濃度變化Fig.2 Variations in the concentration of air pollutants during 0 a.m.on October 27th to 12 a.m.on October 30th for Nanjing University Pukou Campus

2.2 污染特征的城郊對比

南京大學浦口觀測站地處南京市西北郊,受城市內環境影響較小.草場門觀測站位于南京市主城區西部,代表典型的城市環境.由圖 3可見,霾天氣過程中城郊兩地 5種成分濃度變化趨勢總體基本一致,峰值出現時間也基本一致.從圖3e SO2的濃度變化分析,明顯發現城區內的 SO2濃度大幅低于郊區,這可能與源的差異有關.圖3d顯示 O3濃度城郊基本一致,而浦口地區出現的 2次峰值都明顯高于城區,這可能是由于城區機動車排放大量 NOx與 O3反應導致 O3在城區不容易積聚出現高峰值.而 PM10,CO,NOx則恰好相反,除了 PM10的濃度水平基本一致外,其他 2種都明顯高于郊區.從峰值的情況看,城郊差距則更為明顯.CO和 NOx的濃度偏大主要原因可能是城區內大量機動車尾氣排放所致.而此 3類成分峰值出現的時間都在夜間,主要是由于夜間邊界層高度較白天低,不利于污染物擴散,而城區的熱島環流效應進一步導致了污染物的積聚,因此會出現比郊區高得多的濃度峰值.

圖3 2008年10月27日0:00～30日12:005種大氣成分南京浦口和草場門濃度對比Fig.3 Variations in the concentration of PM10, CO, NOx, O3, SO2 during 0 a.m.on October 27th to 12 a.m.on October 30th for Nanjing University Pukou Campus and Caochangmen

3 氣象條件特征分析

3.1 高空環流形勢

由2008年10月28日08:00500hPa平均高度場和溫度場(圖略)可以看出,歐亞大陸整體主要受霍爾木茲海地區低壓氣旋和東西伯利亞低槽影響.我國上空環流形勢比較平穩,江蘇全省位于槽后西北氣流控制,水汽不足不會產生大強度降水,有助于污染持續.同時,暖脊持續東移,受脊前暖平流影響江蘇中層大氣增溫明顯,對大氣穩定層結創造了良好的條件.由此可見大尺度上穩定少變的天氣形勢是大范圍持續污染的重要天氣背景.

3.2 地面形勢

分析此次霾天氣出現前10月26日～28日的地面氣壓場(圖略),江蘇省大部持續處于弱高壓中心控制.由地面垂直向上為一致的下沉氣流,從而混合層發展受到抑制,限制了污染物的向上輸送.同時由于高壓較弱,周邊氣壓場分布比較稀疏,氣壓梯度力小,導致地面和低空的風速較小,一定程度上影響了大氣水平擴散能力.

3.3 大氣層結

圖4 2008年10月26日～28日08時南京溫度探空曲線Fig.4 Temperature profiles at 08 a.m.on October 26th,October 27th, October 28th

大量研究結果表明,近地層出現穩定層結有利于霧霾的形成[10].圖4為南京26日～28日3d 08:00的溫度探空曲線.由圖 4可以看出,霾天氣前夕南京上空雖然沒有出現明顯的逆溫結構,但是隨高度增加溫度變化相當平緩,特別是 925hPa以下的低空均為中性或近中性層結結構.比較穩定的大氣垂直結構,減弱了大氣湍流交換和熱力對流,阻礙了污染物質向上擴散稀釋,導致在低空污染物不斷積累,造成污染濃度的持續升高.

3.4 能見度

圖5 2008年10月27日0時～30日12時南京大學浦口觀測場能見度與PM10濃度觀測值相關性Fig.5 Variations in the concentration of PM10 and visibility during 0 a.m.on October 27th to 12 a.m.on October 30th for Nanjing University Pukou Campus

圖6 2008年10月27～29日草場門站PM2.5/PM10值變化Fig.6 Variations in the rate of PM2.5 and PM10 in Caochangmen

能見度的降低是霾天氣出現的最主要特征之一.圖5表示了2008年10月27日0:00至30日12:00南京大學浦口觀測場能見度與PM10觀測值相關性,可以明顯看出,從27日夜間開始隨著PM10濃度的逐步升高,能見度由之前最高的7km大幅下降到2km左右,并在之后霾天氣持續的40h左右時間里基本維持在1km以下.而圖6顯示在此次霾發生過程中草場門站PM2.5占PM10比例基本保持在60%以上,其中污染最嚴重時細粒子比例達到 90%以上,由于細粒子具有較強的散射和吸收能力,從而導致能見度明顯下降.

3.5 地面風場

從圖7給出的27日0:00～30日12:00南京地面風速與PM10濃度的相關性分析,在PM10濃度出現逐步升高出現峰值的時間段內,也就是霾發展期間,地面風速基本保持在≤2m/s,屬于典型的靜小風條件.而從表1的霾發生的3日風向統計分析,霾發生前期以靜風為主,整個過程中地面主導風向是一個從北風向東北風、偏東風轉變的過程.在氣象條件中,靜小風是造成污染物高濃度的最重要條件之一.近地面風向風速決定了污染物的水平方向擴散能力,風速很小時,不利于污染物的水平輸送,易造成局部地區濃度的顯著升高,從而為霾的發生提供了有利條件.

圖7 2008年10月27日0:00至30日12:00南京大學浦口觀測場地面風速與PM10濃度觀測值相關性Fig.7 Variations in the concentration of PM10 and surface wind speed during 0 a.m.on October 27th to 12 a.m.on October 30th for Nanjing University Pukou Campus

表1 2008年10月27～29日南京地面風頻統計Table 1 The distribution of wind directions during October 27th to October 29th in Nanjing

3.6 地面濕度

通常溫度露點差在 6℃以上就可認為空氣中的水汽飽和度較低.而由圖8可見,霾發生前的25日和 26日白天溫度露點差都較高,且呈上升趨勢,而到 27日則直接躍升至 24℃的極大值,27～28日正是霾發生的最嚴重時期,溫度露點差均保持在髙值,空氣十分干燥.直到 29日該值開始明顯回落至3℃左右,也正是29日的降水引起空氣濕度上升,結束了此次霾污染過程.

低濕度的環境不利于塵埃、煙粒、鹽粒這些形成霾天氣的干顆粒沉降,從而大量干塵粒浮游在近地面.有研究表明,在江淮地區出現霾天氣的相對濕度通常在45%左右[10].

圖8 2008年10月25日2:00至29日23:00每3h南京溫度露點差變化Fig.8 Variations in the dew point depression during 02 a.m.on October 25th to 23 p.m.on October 29th for Nanjing (every 3 hours)

4 氣流軌跡分析

此次霾天氣過程給生態環境、人體健康、城市交通都帶來了重大影響,其污染來源引起了人們的關注.采用美國 NOAA研制的軌跡模式HYSPLIT4分析此次霾天氣污染物的輸送過程.HYSPLIT4是一種歐拉和拉格朗日混合型的計算模式,包含多種物理過程,可以針對不同類型排放源,進行較完整的輸送擴散和沉降過程模擬,并能夠處理多種氣象輸入場,被廣泛應用于大氣污染物輸送研究[10].模式的詳細介紹參看文獻[11].

圖9 南京市2008年10月28日20時(世界時)氣團后向軌跡Fig.9 Backward trajectories ending at 20:00 UTC 28 October 2008 for Nanjing

圖10 2008年10月16日～27日NOAA-18監測豫、皖、蘇3省火點統計分布Fig.10 Fire pots in Eastern China during October 16th to 27th 2008 monitored by NOAA-18

利用軌跡模式HYSPLIT4,結合NCEP氣象再分析資料,計算南京霾天氣時(2008年10月28日20:00)氣團的72h后向輸送軌跡(圖9).軌跡a(綠色)和軌跡b(藍色)分別為500m高空和300m高空氣團軌跡,污染物25日從河南省中東部地區出發,經過蘇北徐州、宿遷、泰州等地,27日到達蘇南浙北地區,繼而轉向北上,28日夜間到達南京.而軌跡c(紅色)為低空氣團輸送軌跡,主要來源于安徽北部地區.3條軌跡均可以清楚地顯示來源于河南中東部、蘇北地區、皖北地區的污染物氣團在 28日、29日自南向北經過江蘇全境,很可能是此次霾天氣的最終來源.這 3大區域均為我國的產糧基地.10月末正好是秋收時節,產生了大量作物秸稈.利用NOAA-18衛星遙感監測資料(圖10),發現此次霾污染天氣發生前安徽六安、滁州以及蘇北泰州地區監測到大量秸稈燃燒火點,而氣團后向軌跡又正好進過此區域.研究已證明了,秸稈燃燒會放出大量污染物,如CO、NOx、顆粒物等[12-14].25日前后恰逢我國中東部無雨晴好的天氣,造成了糧產區秸稈大面積集中燃燒,大量污染物進入大氣,再結合前述分析的合適氣象條件,二者是導致此次江蘇省重霾污染天氣發生的主要原因.

5 討論

由上述分析可知,此次霾的形成中大面積的秸稈燃燒是罪魁禍首.而此類由秸稈燃燒引起的霾并不是偶然的,特別是近年來隨著農村生活水平的普遍提高,秸稈已不再作為農村的生活燃料,作物秸稈成為了多余的副產品,秸稈燃燒事件頻發,造成江蘇省及周邊地區夏收秋收時期霾日出現幾率顯著變大.

為防此類霾污染天氣的頻繁發生,秸稈禁燒刻不容緩,而秸稈禁燒必須疏堵結合,以疏為主;要建立秸稈禁燒的長效機制,綜合利用是關鍵.而要推動這項工作的順利開展,國家應該出臺相應的經濟政策對秸稈綜合利用產業予以扶持.科技部門和科技工作者則應加快推進秸稈綜合利用技術的開發與推廣,如秸稈飼料加工技術,沼氣制造技術,氣化發電技術等.讓秸稈有出路可尋,一方面變廢為寶,一方面有效減少因秸稈集中燃燒造成的霾污染[15-19].

6 結論

6.1 霾過程中PM10、CO、NOx3種大氣成分濃度明顯持續偏高,最大地面濃度分別達到0.553,0.170,2.738mg/m3此三者濃度的變化與霾的發生發展的有直接相關性.SO2濃度在霾過程中也有所升高.

6.2 在霾天氣中,城區各相關大氣成分濃度變化趨勢與郊區基本相同,但受城市復雜下墊面影響,城郊源排放差別,城區污染物會出現更高的峰值,霾天氣污染較郊區更嚴重.

6.3 高空平穩的大尺度環流形勢和暖平流輸送,地面弱高壓中心的控制和稀疏的氣壓場分布為污染物的積聚和持續提供了有利的天氣條件.

6.4 穩定的低空大氣層結,地面的靜小風,低濕環境相結合嚴重阻礙了大氣污染物的沉降和擴散,為霾天氣的發生積聚了大量污染源.霾過程中PM10的升高造成了能見度的明顯下降.

6.5 利用軌跡模式 HYSPLIT4計算了霾天氣氣團的 72h后向軌跡,結合衛星火點資料和實際情況分析得出此次霾天氣的污染源很可能是河南、安徽、蘇北地區的秋收秸稈集中大面積燃燒.

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