成都大氣污染物在焚燒秸稈時(shí)的溯源初步探究

周 雯，陳建文，王 斌，劉培川

1．四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065

2．四川省環(huán)境監(jiān)測中心站，四川成都610041

近年來每當(dāng)春耕秋收時(shí)節(jié)，享有“天府之國”美譽(yù)的成都則會出現(xiàn)連續(xù)多日位居中國空氣污染指數(shù)城市排行榜前列的現(xiàn)象，究其原因主要是周邊地區(qū)焚燒秸稈所致。秸稈露天焚燒過程中釋放的各種氣態(tài)污染物和顆粒物，是中國大氣污染的重要來源之一。焚燒秸稈會排放大量的顆粒物、CO、VOC、SO2、NO2及 PAHs等有毒有害物質(zhì)［1-3］，嚴(yán)重污染環(huán)境，最終影響全球氣候［4-6］。且大范圍的秸稈焚燒可使大氣能見度急劇下降，危害身體健康，也威脅交通安全。

目前對成都的大氣污染物溯源研究多集中在無秸稈燃燒時(shí)，正常氣候下氣溶膠化學(xué)組成［7-8］、市區(qū)源解析［9-10］及方法［11-12］，該研究將衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的火點(diǎn)、云覆蓋信息與后向軌跡模擬結(jié)合，通過分析，總結(jié)了秸稈焚燒對城市空氣質(zhì)量的影響;秸稈焚燒期氣象條件對空氣污染事件形成的作用;以及有云時(shí)，根據(jù)部分火點(diǎn)和氣團(tuán)后向軌跡分析、上下風(fēng)城市的污染情況，大致推測重污染條件時(shí)大氣污染物來源地。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

Hysplit后向軌跡模式所需要的氣象場資料采用的是1*1NCEP GDAS的數(shù)據(jù)。MODIS火點(diǎn)圖來源于 TheFireInformationforResource Management System(FIRMS)的Web Fire Mapper網(wǎng)站［13］，該網(wǎng)站提供由 MODIS 1 km 火產(chǎn)品(MOD14)得到的火點(diǎn)位置文件。獲取日期是全球標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(UTC)時(shí)間，每顆星每天過境兩次。該網(wǎng)站的所有歷史火點(diǎn)數(shù)據(jù)均是用collection 5版本的算法得到，時(shí)間尺度上具有連貫性［14］。云圖資料來自ENVF網(wǎng)站的Satellite專欄，能見度來源于中國氣象信息中心，空氣污染指數(shù)(API)資料來源于中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部網(wǎng)站以及四川省環(huán)境監(jiān)測中心站發(fā)布結(jié)果，部分氣象資料來自MICAPS系統(tǒng)。

1.2 HYSPLIT模型簡介

HYSPLIT模型是美國國家海洋大氣總署(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)和澳大利亞氣象局(Australia’s Bureau of Meteorology，ABOM)的聯(lián)合研究成果，利用氣象場中的四維數(shù)據(jù)通過電腦計(jì)算簡單氣團(tuán)運(yùn)行的軌跡來模擬顆粒物復(fù)雜的運(yùn)移、擴(kuò)散與沉積過程。NOAA的空氣資源實(shí)驗(yàn)室(AirResources Laboratory)運(yùn)行的HYSPLIT模型所用數(shù)據(jù)主要來源于美國國家環(huán)保中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)，數(shù)據(jù)齊全并不斷更新，準(zhǔn)確度也相對較高，可以在線或單機(jī)使用。

1.3 衛(wèi)星遙感原理

MODIS火產(chǎn)品的算法原理是通過計(jì)算中心點(diǎn)像元與周圍像元溫度的統(tǒng)計(jì)特征，并設(shè)置若干判據(jù)和閾值來實(shí)現(xiàn)熱異常的探測［15］。根據(jù)斯蒂芬－波爾茲曼定律，只要黑體溫度有很小的變化，就會引起輻射的很大變化。而林火、地表火等高溫?zé)嵩茨繕?biāo)則會引起輻射的急劇變化，這種變化有利于高溫?zé)嵩吹呐凶R。根據(jù)維恩位移定律，黑體溫度和輻射峰值波長呈反比，即溫度越高，輻射峰值波長越小。常溫下地表輻射峰值波長在10 μm左右，而火焰溫度一般在227～427℃以上，其輻射峰值波長在3～5 μm，物體的溫度越高，輻射能力越強(qiáng)，反應(yīng)在遙感圖像上是溫度越高顏色越深［16］。秸稈焚燒的衛(wèi)星遙感監(jiān)測傳感器是Terra和Aqua衛(wèi)星的MODIS，MODIS是 NASA的EOS系列衛(wèi)星的主要探測儀器，探測器每天覆蓋全球1次，具有36個(gè)光譜通道，分布在0.4～14 μm波譜范圍內(nèi)，MODIS遙感器的儀器特征參數(shù)從設(shè)計(jì)上考慮到了火災(zāi)監(jiān)測。相對 AVHRR，MODIS的儀器專門對高溫敏感的波段做了優(yōu)化，使其監(jiān)測火災(zāi)能力提高，能確切反映秸稈焚燒的現(xiàn)狀［17］。

1.4 MICAPS系統(tǒng)

氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)，即MICAPS系統(tǒng)(Meteorological Information Combine and Analysis System)，是一款基于氣象資料的分析處理系統(tǒng)，同時(shí)也是對業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)員日常工作提供全程支持的自動化系統(tǒng)。它以WIN-DOWS95作為操作平臺，數(shù)據(jù)組織層次清晰、檢索方便、圖形操作和編輯便捷、可利用數(shù)據(jù)資源豐富，并提供了多種數(shù)據(jù)檢索方式和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理和系統(tǒng)處理功能［18］。

2 部分秸稈焚燒時(shí)成都及周邊城市空氣質(zhì)量

圖1中，有污染日的首要污染物均為可吸入顆粒物。

圖1 2009、2010、2011、2012年部分時(shí)段成都空氣質(zhì)量日報(bào)

5—6月正值小麥、油菜成熟期，為不耽誤耕種，許多農(nóng)民將收割下來的秸稈就地焚燒，焚燒點(diǎn)多面廣。雖然近年國家發(fā)布了“禁燒令”，但是仍然有農(nóng)民在晚上大量焚燒秸稈。2009年5月18日的成都空氣質(zhì)量為輕微污染，API為104;2009年6月5日API為99;2010年5月中下旬成都被煙霧包圍，能見度低，空氣中彌漫著焚燒秸稈的嗆鼻味道，25日API為255，空氣質(zhì)量達(dá)到中度重污染［19］;2011年5月19—20日，空氣質(zhì)量均達(dá)到輕度污染，API分別為174、168;2012年5月16日開始，草堂寺與人民公園兩監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5日均濃度連續(xù)6天超標(biāo)，18日草堂寺監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)最高值0.227 mg/m3，超出了標(biāo)準(zhǔn)限值0.075 mg/m3的2.03倍。人民南路監(jiān)測點(diǎn)也在同日出現(xiàn)最高值0.261 mg/m3，超出了標(biāo)準(zhǔn)限值的 2.48 倍［20］。當(dāng)日的空氣質(zhì)量達(dá)到中度污染，API為213。2012年6月15日，API為126，空氣質(zhì)量屬輕微污染。當(dāng)成都空氣污染嚴(yán)重時(shí)，其周邊城市空氣質(zhì)量也不樂觀，部分城市一度出現(xiàn)重污染天氣，為結(jié)合后向軌跡分析，列出部分日期的API，見表1。

表1 成都周邊七城市歷史空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

由表1可見，2010年5月18日、2011年5月20日秸稈焚燒時(shí)，成都市污染物PM10、SO2、NO2濃度升高非常顯著(圖2)，尤其PM10數(shù)值波動大;從市環(huán)保局統(tǒng)計(jì)介紹，通常情況下，成都市PM2.5占PM10的濃度比例為50% ～80%，取一環(huán)路南一段的監(jiān)測點(diǎn)分析，在秸稈焚燒期間PM2.5占PM10的濃度比例為53% ～65%，變化不大且比較穩(wěn)定。

圖2 2010年5月、2011年5月成都市監(jiān)測點(diǎn)污染物濃度變化趨勢

3 氣象條件分析

由表2可見，氣象條件對氣溶膠質(zhì)量濃度作用顯著，大部分個(gè)例的平均風(fēng)速約為4 km/h，風(fēng)速小湍流弱，不利于污染物的擴(kuò)散稀釋，空氣濕度較高，相對濕度的增高易導(dǎo)致細(xì)粒子吸濕性增長［21］，大氣污染物和氣溶膠粒子堆積易形成霾。2009年5月18日8:00前有云有霧靄。2009年6月5日從中午開始霧靄消失放晴，濕度減小，污染物擴(kuò)散。2010年5月25日當(dāng)天冷鋒過境，小槽過境［22］，上午有下小陣雨，下雨前濕度達(dá)到73%，中度陰霾，此時(shí)空氣垂直速度小，低層切變產(chǎn)生的輻合使得污染從四周向污染區(qū)聚合，而在小的上升運(yùn)動中，大氣上下層之間的交換作用小，污染物在邊界層易堆積。2011年5月19日從地面圖上看到，成都地區(qū)受冷高壓控制，高層500 hPa受西風(fēng)控制，有霧靄。2012年5月18日地面無冷空氣，500 hPa有波動，有汽霧、煙霧、霧靄，多以霧靄為主。2012年6月15日無冷空氣活動，上午以汽霧為主，下午晴間多云。

表2 影響污染物擴(kuò)散的氣象條件

由圖3的露點(diǎn)溫度和溫度可以看出，溫度露點(diǎn)差小也是形成霾的有利條件。其中2009年6月5日的污染輕，差值最大，2010年5月25日達(dá)到了最小差值3℃。在污染事件日可以看到在不同高度出現(xiàn)了逆溫層。

圖3 溫度露點(diǎn)圖

圖4為探空斜溫圖(其他污染事件日略)。

當(dāng)溫度隨著高度的增高而增高則是出現(xiàn)了逆溫層。由此，可以總結(jié)出大氣污染物在一定的濕度條件下，當(dāng)氣象條件不利于擴(kuò)散時(shí)，易形成比較大的污染事件。

圖4 探空斜溫圖

4 重污染條件時(shí)大氣污染物溯源淺析

選取API相對較高，且有秸稈焚燒的2009年5月18日、2009年6月5日、2010年5月25日、2011年5月19日、2012年5月18日、2012年6月15日，運(yùn)用HYSPLIT模型模擬污染物后向軌跡，結(jié)合衛(wèi)星監(jiān)測的云圖(圖5)和火點(diǎn)圖(圖6)，對秸稈焚燒引發(fā)的成都空氣污染事件進(jìn)行分析，重點(diǎn)推測秸稈焚燒排放的大氣污染物來源。區(qū)域聚集、季節(jié)性變化明顯是秸稈焚燒火點(diǎn)的特點(diǎn)，在某一地區(qū)短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)成片火點(diǎn)，空氣中的首要污染物可吸入顆粒物明顯增多［23］。圖5中氣團(tuán)后向軌跡模擬以北緯30.65°、東經(jīng)104.06°為中心，計(jì)算了氣流48 h的后向軌跡。由圖5可見，秸稈焚燒面積與顆粒物濃度大致呈線性關(guān)系，在一般氣象條件下，成都受四川盆地特殊地形影響，秸稈焚燒的污染涉及范圍不大，主要集中在焚燒點(diǎn)局部區(qū)域附近。

以當(dāng)?shù)胤贌秊橹鞯奈廴緜€(gè)例，如2009年6月5日、2012年5月18日、2012年6月15日。2009年6月5日，由圖5(Ⅱ)可見，樂山、眉山等地有少許火點(diǎn)，在成都郊區(qū)監(jiān)測到大量的火點(diǎn)，這3個(gè)城市的空氣質(zhì)量級別是良，當(dāng)天多無云有利于秸稈焚燒污染物的擴(kuò)散，且由對應(yīng)的后向軌跡圖分析，風(fēng)向源多為污染較少的地方，避開了成都西北方向比較嚴(yán)重的污染地區(qū)，且3—5日這3天成都市的PM10均維持在0.142～0.147 mg/m3之間，見圖6(b)。但是當(dāng)天氣條件不樂觀時(shí)，如2012年5月16—18日，同樣也是成都當(dāng)?shù)乇O(jiān)測到大量的焚燒火點(diǎn)，軌跡的上方城市資陽、內(nèi)江有零星火點(diǎn)，但這兩城市的污染除了資陽在18日是輕微污染外，其他均是良，而成都污染卻相當(dāng)嚴(yán)重，達(dá)到中度污染，由于密云覆蓋不利于焚燒污染物擴(kuò)散，此時(shí)污染主要以本地焚燒為主。2012年6月15日，成都周邊縣級市監(jiān)測到大量火點(diǎn)，當(dāng)天在一環(huán)路南一段的監(jiān)測點(diǎn)有PM2.5最高值0.165 mg/m3，超出了標(biāo)準(zhǔn)限值的1.2倍。由后向軌跡圖看出，風(fēng)成旋流形式盤旋，在14日有少許云覆蓋，空氣濕度也較大，不利于污染物的擴(kuò)散，此時(shí)主要以本地污染為主。

當(dāng)?shù)睾蛥^(qū)域秸稈焚燒共同導(dǎo)致的污染事件，如2010年5月25日、2011年5月19日。在這兩個(gè)例子中，成都本地都存在大量的火點(diǎn)，秸稈焚燒面積是這六例中最大的，上風(fēng)城市污染程度也較高，所以判定為是局地和區(qū)域相結(jié)合的污染。2010年5月25日的后向軌跡經(jīng)過污染相當(dāng)嚴(yán)重的德陽，并向下沉降，污染物在邊界層內(nèi)輸送。加上24、25日區(qū)域內(nèi)有密云覆蓋，污染物較難散開，成都能見度極低，污染十分嚴(yán)重，市民能聞到嗆鼻氣味，部分能見度不到30 m［24］，當(dāng)天成都市PM10一度上升到0.388 mg/m3，超出了標(biāo)準(zhǔn)限值0.150 mg/m3的1.59倍，見圖6(c)。2011年5月17—19日，連續(xù)三天眉山均是輕度污染，樂山最后一天也有輕微污染，這兩地由于有云覆蓋監(jiān)測到的火點(diǎn)少(云圖略)，但是由后向軌跡圖看出，紅色線的高空軌跡下降陡峭，水平風(fēng)速很緩慢，污染物被迅速沉積在成都區(qū)域，19日成都市PM10達(dá)到0.297 mg/m3，超出了標(biāo)準(zhǔn)限值的0.98倍。成都污染監(jiān)測到的火點(diǎn)較多，且郊區(qū)比較密集，所以這次也是當(dāng)?shù)睾蛥^(qū)域秸稈焚燒共同導(dǎo)致。

圖5 衛(wèi)星云圖

以輸送影響為主的污染，如2009年5月18日。當(dāng)天有云覆蓋，在成都基本沒有監(jiān)測到火點(diǎn)，18日成都市PM10達(dá)到0.159 mg/m3，僅超出了標(biāo)準(zhǔn)限值的0.06倍，但在上風(fēng)城市德陽、綿陽均監(jiān)測到火點(diǎn)，兩地的API值均偏高，且綿陽API指數(shù)最先升高，隨后德陽也逐漸升高，兩城市PM10超標(biāo);從后向軌跡看來，成都的污染主要是上風(fēng)城市從綿陽一路往南傳輸過來，與后向軌跡模擬的氣團(tuán)源地相符合。

圖6 成都48小時(shí)后向軌跡與衛(wèi)星火點(diǎn)合成圖

5 結(jié)論

1)成都地處四川盆地，西依青藏高原和橫斷山脈，北近秦嶺，與黃土高原相望，東接湘鄂西山地，南連云貴高原。極大的地勢差包圍不利于污染物輸送，造成成都的秸稈焚燒污染事件受氣象條件與地形的影響大。部分時(shí)候伴隨有高空有槽，低空存在切變的天氣系統(tǒng)，使得氣流有周邊想中心輻合，不利于大氣污染物輸送。風(fēng)速較小或靜風(fēng)，污染物易堆積不易擴(kuò)散。逆溫層又將污染物控制在混合成下面，不利于垂直擴(kuò)散，再加上相對濕度較大，有利于霾的形成，使得空氣嚴(yán)重污染。

2)成都的環(huán)境空氣嚴(yán)重污染時(shí)，在沒有專業(yè)的OC、EC環(huán)境監(jiān)控儀器時(shí)，運(yùn)用遙感火點(diǎn)信息，后向軌跡模擬，上下風(fēng)地區(qū)空氣污染監(jiān)測資料，能在有云覆蓋時(shí)相對準(zhǔn)確地推斷出污染來源。

［1］Paul J Crutzen，Leroy E Heidt，Josefh P Krasnec．Biomass burning as a source of atmospheric gases CO，H2，N2O，NO，CH3Cl and COS［J］．Nature，1979，282(11):253-256．

［2］Kopomann R，Czapiewski K V，Reid J S．A review of biomass burning emissions，Part I:gaseous emissions of carbon monoxide，methane，volatile organic compounds，and nltrogen containing compounds［J］．Atmos．Chem，Phys．Discuss，2005，5(5):10 455-10 516．

［3］LI LingJun，WANG Ying，ZHANG Qiang，et al．Wheat straw burning and its associated impacts on Beijing air quality［J］．Science in China Series D:Earth Sciences，2008，51(3):403-414．

［4］Danutawat Tipayarom，Nguyen Thi Kim Oanh．Effects from Open Rice Straw Burning Emission on Air Quality in the Bangkok Metropolitan Region［J］．Science Asia，2007，33(3):339-345．

［5］戴樹貴．環(huán)境化學(xué)［M］．北京:高等教育出版社，1997．

［6］Paul C J，Meinrat O A．Biomass burning in the tropics:impact on atmospheric chemistry and biogeochemical cycles［J］．Science，1990，250(4 988):1 669-1 678．

［7］劉菁，張建強(qiáng)，吳香堯，等．成都市十里店地區(qū)大氣氣溶膠元素組成及來源解析［J］．成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33(1):99-103．

［8］尚英男，楊波，尹觀，等．成都市近地表大氣塵鉛分布特征及源解析［J］．物探與化探，2006，30(2):104-107．

［9］黃春鋒，翼東．成都理工大學(xué)校區(qū)大氣顆粒物污染研究［J］．黑龍江科技信息，2012(20):101．

［10］楊秋梅，趙國濤，張成江，等．成都城區(qū)近地表大氣塵源解析研究［J］．廣東微量元素科學(xué)，2007，14(9):32-39．

［11］鄒長武，印紅玲，劉盛宇，等．大氣顆粒物混合塵溯源解析新方法［J］．中國環(huán)境科學(xué)，2011，31(6):881-885．

［12］李祚泳，丁恒康，丁晶．大氣顆粒物源解析的BP網(wǎng)絡(luò)權(quán)重分析模型［J］．四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，41(5):1 026-1 029．

［13］FIRMS Web Fire Mapper［DB/OL］．(2010 －08 －30)［2012 － 05 － 18］．http://firms．modaps．eosdis．nasa．gov/firemap/．

［14］楊珊榮，李虎，余濤，等．基于MODIS的秸稈焚燒火點(diǎn)識別原理及算法IDL實(shí)現(xiàn)［J］．遙感應(yīng)用，2009，2:91-97．

［15］何立明，王文杰，王橋，等．中國秸稈焚燒的遙感監(jiān)測與分析［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2007，23(1):42-49．

［16］張樹譽(yù)，李登科，景毅剛．“3S”技術(shù)在關(guān)中地區(qū)秸稈焚燒遙感監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2005，17(2):17-20．

［17］Giglio L．MODIS collection 4 active fire product user’s guide［J］．Version，2005，2:2005．

［18］賈錫榮，錢平．MICAPS系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］．中國農(nóng)業(yè)氣象，1988，19(2):46-48．

［19］陳天．成都市區(qū)空氣:中重度污染［N］．天府早報(bào)，2010-05-26(23)．

［20］劉鵬．成都空氣連續(xù)5天污染今日轉(zhuǎn)優(yōu)［N］．華西都市報(bào)，2012-05-22(3)．

［21］姚青，蔡子穎，張長春，等．天津城區(qū)大氣氣溶膠質(zhì)量濃度分布特征與影響因素［J］．生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，19(9):2 225-2 231．

［22］Online MICAPS 天氣圖［DB/OL］．(2003-12-22)［2010-05-25］．http://218.94.36.199:5050/dmsg/map．htm．

［23］尹聰，朱彬，曹云昌，等．秸稈焚燒影響南京空氣質(zhì)量的成因探討［J］．中國環(huán)境科學(xué)，2011，31(2):207-213．

［24］曹峰．秸稈燒出個(gè)污染天［N］．華西都市報(bào)，2010-05-26(5)．