2013年6月江蘇一次大氣污染過程分析

丁 銘，朱玉奇，牛志春，葛 順，姜 晟

1．江蘇省環境監測中心，江蘇 南京 210036

2．南京科技職業學院，江蘇 南京 210048

隨著江蘇省農業生產的發展，農作物面積產量不斷提高，秸稈資源也越來越豐富，根據2013年江蘇省統計年鑒，2012年江蘇農作物播種面積達7 651.57千公頃，稻子、谷子、小麥等糧食播種面積為5 336.57千公頃，年秸稈產量約在4 000萬噸左右，但與此同時煤、氣、電等能源已取代秸稈成為農村地區的主要能源，每年大面積秸稈被露天焚燒已成為普遍現象，短時間大量污染物排放到大氣中，極易導致區域性的顆粒物重污染過程，進而使空氣中懸浮顆粒濃度明顯升高，對人體健康產生嚴重危害［1-4］;能見度下降，對交通安全也構成威脅，有時甚至會影響民航、鐵路、高速公路的正常運營，因此秸稈焚燒已嚴重影響區域性環境空氣質量。依據大量文獻調研，目前在臺灣臺中［2］、北京［5］、鄭州［6］、上海［7-8］、南京［9-11］等城市已經開展了秸稈焚燒引起的“霾”天氣的研究。但由于測量手段的限制，這些研究往往局限于在某一個觀測點進行離線的膜采樣及組分分析，時間分辨率和空間代表性不高，無法對秸稈焚燒這類區域性、時段性的污染過程進行全面和深入的觀測研究。筆者耦合了江蘇全省環境觀測網的顆粒物質量濃度在線監測和南京超級站的顆粒物化學組分在線觀測，結合衛星遙感資料和后向軌跡模型，對2013年秸稈焚燒頻發的6月發生的一次典型秸稈焚燒引起的重污染過程進行深入分析，以期為江蘇省及長三角地區的秸稈焚燒控制提供決策支持。

1 數據來源

數據來自江蘇省內72個國控大氣監測站測點與17個國控降水測點，對環境空氣中的PM10、PM2.5質量濃度進行測量;對大氣降水中的離子濃度進行分析;深度分析測點位于南京市江蘇省環境監測中心 6 樓樓頂(32°04'N，118°75'E)，該點位距離地面約18 m，周圍無建筑遮擋，視野較為開闊，觀測結果一定程度上可以代表南京市典型的商住混合區域大氣污染水平。使用Marga 1S在線監測儀對 PM2.5中鉀離子 (K+)、鈣離子(Ca2+)、鈉離子(Na+)、鎂離子(Mg2+)、銨根離子()、硫酸根離子()、硝酸根離子()、氯離子(CL－)等8種水溶性離子進行濃度監測;使用Sunset熱－光法對有機碳、元素碳進行監測;使用TH-300B大氣揮發性有機物在線監測系統測量環境空氣中揮發性有機物含量。

2 結果與分析

2.1 PM2.5日均質量濃度變化

2013年6月共發生2次污染過程(圖1)，6月10—22日的污染過程最為明顯，自10日起，部分城市PM2.5濃度開始升高，南京、徐州、淮安、宿遷4市達到輕度污染;13日，徐州、淮安、揚州、鎮江、泰州5市達到中度污染;16日，徐州市達到嚴重污染，PM2.524 h平均質量濃度為284 μg/m3;之后，PM2.5濃度有所下降，大部分城市空氣質量轉為良－輕度污染之間。

圖1 6月份江蘇省空氣PM2.5日均質量濃度變化

2.2 氣象情況

6月10—22日氣象變化情況見表1。

表1 6月10—22日天氣形勢變化情況

由表1可見，全省以多云到陰的天氣為主，有時有小雨;高空500 hpa有低槽過境，致使高空云系增加，14—16、21日受副熱帶高壓(簡稱副高)增強影響，西南水汽北上，同時近地面處于高壓后邊或低壓帶的均勻場內，風力較小，污染物不容易擴散，有利于顆粒物的吸濕增長及污染積累。

2.3 單站點污染物小時濃度變化

南京市多參數站6月10—11日對多種污染物小時濃度進行了監測，具體情況見圖2。

圖2 南京市省級多參數站6月10—11日監測結果

由圖2可見，自10日21:00起，PM2.5濃度突然升高，至11日00:00 PM2.5小時濃度最高，達164 μg/m3;氣溶膠顆粒物中黑碳和K+(生物質焚燒的指示物［11-12］)伴隨著PM2.5濃度異常升高。K+濃度21:00起突然上升，濃度最高達18 μg/m3，超過6月平均濃度(0.48 μg/m3)37倍;同時黑碳濃度出現峰值，最高濃度達30.4 μg/m3，超過6月平均濃度(12 μg/m3)2.5倍。在這次污染過程期間，地面以北風為主，且風速較小，僅1 m/s左右，濕度與能見度指標與PM2.5分別呈現明顯的正相關與負相關性，Pearson相關系數分別為0.530和－0.839。由此可見，在靜小風的污染天氣里，隨著地面濕度增加，PM2.5濃度持續攀升，能見度則迅速減小，其中能見度指標與濕度的相關性較好，說明在近地面濕度較大，有利于顆粒物的形成。

VOCs小時濃度均值變化見圖3。

圖3 揮發性有機物1-已烯、乙炔、乙醛變化情況

由圖3可見，6月10日16:00—11日20:00的PM2.5污染過程中，1-已烯、乙炔、乙醛3種揮發性有機物均出現較高的峰值，最高濃度分別高達36.56、11.47、37.7 μg/m3;1-已烯、乙炔、乙醛相關性比較情況顯示，污染期間，乙炔與1-已烯小時濃度Pearson相關系數達到了0.808，乙炔與乙醛小時濃度Pearson相關系數達到了0.640，乙醛與1-已烯小時濃度Pearson相關系數則達到了0.808。由此可見，在本次污染過程中，1-已烯、乙炔、乙醛3種揮發性有機物之間存在較好的正相關性，根據李錦菊等［13-14］對秸稈燃燒過程中VOCs排放分析，乙醛、1-己烯和乙炔是來自秸稈焚燒的主要成分，可見此次污染過程可能與秸稈焚燒有關。

OC(有機碳)、EC(元素碳)日均質量濃度變化見圖4。

圖4 OC、EC日均質量濃度變化

由圖4可見，6月10—11日 OC與 EC質量濃度均出現一次上升過程，OC濃度最高達到14 μg/m3，EC 濃 度 為 4 μg/m3，OC/EC 為3～4。根據相關文獻研究［15-16］，秸稈焚燒排放大氣顆粒物的主要組分為碳質顆粒與無機水溶性離子，碳質顆粒主要為OC和EC組成，石化燃燒(煤、石油、天然氣)排放顆粒物中OC/EC值小于0.4，生物質燃放中OC/EC較高，范圍為 3～78［15］，因此進一步說明，此次污染過程與靜穩的不利氣象條件下周邊的生物質燃燒有關。

2.4 遙感監測及后項軌跡計算

TERRA/MODIS(過境時間每日上午10:30左右)和AQUA/MODIS(過境時間每日下午1:30左右)數據與環保部發布的“全國秸稈焚燒分布遙感監測結果”見圖5。

圖5 遙感監測與后項軌跡計算結果

由圖5可見，6月10—11日，由于天氣多云有陣雨，江蘇省大部分地區被云層覆蓋，衛星無法有效獲取地面信息，從6月12—22日監測結果來看，安徽、山東、河北、江蘇均發現了大量火點，其中以12—17日較多，每日發現火點數均達到140個左右，利用TrajStat軌跡模式［17］選取時間為6月16日后向48 h，地點分別選在徐州(34°12'N，117°15'E)、連云港(34°35'N，119°10'E)、南京(32°04'N，118°75'E)和蘇州(31°10'N，E120°33'E)4個城市，起始高度為 100、500、1 500 m(AGL)高度氣團進行跟蹤，3條軌跡線主要來自安徽，可見在6月10—22日污染過程的后期，區域傳輸性復合污染已較為明顯。

2.5 5、6月降雨中水溶性離子變化

5、6月江蘇省17個國控點降水中離子占比情況(圖6)顯示，6月份K+和NO－3占比明顯高于5月，分別增加了0.7和2.3個百分點，Mg2+和Cl－則有所下降，其余指標則未見明顯變化。

圖6 5、6月污染濃度占比變化

5月未發現火點，而6月累計發現火點達160多處，5、6月省內降水中K+和NO3－質量濃度變化情況見圖7。由圖7可見，6月份K+月均質量濃度為3.15 mg/L，與5月份相比，高出19.1倍;NO3－月均質量濃度為4.93 mg/L，與5月相比，高出0.5倍，由此可見，大量的秸稈焚燒可能是降水中K+和NO3－升高的原因之一。

4 小結

此次江蘇省污染天氣過程總體呈現3個特點:一是氣象條件不利于污染物擴散。12—22日江蘇省處于高壓后邊或低壓帶均勻場內，風力較小，擴散條件較差，加之副熱帶高壓的增強，地面水汽增大，加劇了內源性排放污染物的生成;二是秸稈焚燒使得空氣污染加劇，根據江蘇省環境監測中心多參數觀測站在線離子監測結果與全省降水離子監測情況來看，秸稈焚燒指示物K+質量濃度明顯較高;從污染后期，加之周邊省份(如山東、河北和安徽)發現的大量火點情況來看，區域性的秸稈焚燒污染是空氣污染加重的主要原因之一;三是本地污染源的排放促進二次氣溶膠的形成。根據黑碳監測指標和NO－3占比的結果顯示，2項污染物作為內源排放的黑碳、NO－3均有明顯上升。

此外，需要進一步探討的問題如下:一是遙感與傳統的污染監測方式不足以及時跟蹤區域秸稈焚燒的污染過程。以此次江蘇污染過程為例，利用遙感對區域范圍的秸稈焚燒監測，由于受地面云層干擾與衛星過境時間的限制，地面火點發現情況存在滯后性，而傳統的顆粒物監測雖然能及時反映污染過程，但并不能確定污染來源的情況，在此次監測過程中，僅憑南京市內一個多參數監測站點并不能完全描述江蘇受秸稈焚燒污染的整個過程，因此今后在較大區域敏感范圍內，增加環境空氣離子在線監測和VOCs監測等地面深度監測分析設備，密切關注秸稈焚燒動態，對防控秸稈焚燒污染將大有裨益。

二是在秸稈焚燒期間，不利氣象擴散條件與本地工業排放是造成區域重污染的原因之一。從觀測結果看，在秸稈焚燒高發的季節，本地污染物的排放，靜穩及高濕氣象條件下污染物的混合造成的二次污染，是形成區域重污染天氣的原因。

三是要根本解決農作物秸稈焚燒問題，應加大高科技投入以及技術推廣工作，搞好農作物秸稈的綜合利用，從源頭上解決農作物秸稈問題。

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