2016年冬季烏昌石區域大氣重污染過程分析

谷超　郭宇宏　鄧婉月

摘 要：針對2016年11月23日-12月9日新疆烏昌石區域出現的一次長達18天的重污染天氣過程，詳細分析了各項污染物濃度水平及時空分布特征。監測結果顯示，顆粒物濃度超標嚴重，PM2.5、PM10最高日均濃度達287μg/m3、384μg/m3，分別超標2.8倍、1.5倍，比污染前分別上升2.8倍、2.4倍；整個污染過程中各城首要污染物均為PM2.5，且PM2.5/PM10均在70%以上；PM2.5、PM10與氣態污染物SO2、NO2濃度波動同步、稍有滯后，雖然4項氣態污染物日均濃度均未超標，但SO2、NO2同比增幅顯著，二次顆粒如硫酸鹽、硝酸鹽加倍生成；烏昌石5個城市污染物濃度變化規律一致，體現典型的區域性污染特征。本次重污染過程出現得比往年早，持續時間長、影響范圍廣且污染程度重，由于污染物濃度易受環境溫度、濕度、風速風向等氣象參數的影響，本研究結合氣象背景及氣象條件變化分析發現，地面高壓控制，風速小、逆溫層低，污染擴散不利，加之氣溫降、濕度增，易形成二次氣溶膠顆粒，污染持續累積，是此次重污染過程形成的重要原因。

關鍵詞：烏昌石區域；持續重污染；顆粒物濃度；風、溫、濕變化

隨著經濟的高速發展、機動車數量的迅猛增加及城市化進程的加快，霧霾天氣呈現明顯的增加趨勢（賀克斌等，2011；曹軍驥，2012；Jiang et al.， 2014）。霾污染不僅導致大氣能見度降低，嚴重影響交通運輸和人們的正常生活，而且由于污染物載帶大量有毒有害物質，對人體健康產生急慢性危害（Dockery et al.， 1992；白志鵬等，2006）。作為遠離海洋、腹地沙漠的內陸省份，新疆有其獨特的地理位置和氣候條件（梁瓊等，2005；徐峰，2012），尤其秋冬季節容易出現水平方向靜穩、垂直方向逆溫等氣象條件，不利于大氣污染物的擴散，采暖期長、污染排放大和氣象要素共同作用極易形成重污染天氣（祝煦等，2005；Pu et al.， 2011）。

2016年冬季，新疆烏昌石區域經歷了一次持續時間長達18天的重污染，此次重污染天氣過程，比往年出現更早、持續時間更長、污染程度更重，引發公眾廣泛關注。為有效控制大氣污染、及時制定冬季強化措施，亟需針對污染類型、污染物濃度水平和氣象條件等，開展系統監測和成因研究工作，為區域大氣污染防治提供技術支撐。

1 重污染過程分析

受持續大霧影響，自2016年11月23日起到12月10日，新疆烏昌石區域（國家重點建設的10個城市群之一，具體包括烏魯木齊市、石河子市、昌吉市、阜康市、五家渠市及呼圖壁縣、瑪納斯縣和沙灣縣等5市3縣）出現一次連續重污染天氣過程，比2015年12月14日的首次重污染過程提前了21天。11月24日五家渠、阜康、石河子先后出現重度污染，11月25日阜康達到嚴重污染，12月2日整個烏昌石區域達到重度污染級別，重污染天氣一直持續到12月11號西伯利亞的冷空氣入侵后重污染才有所緩解。此次重污染過程中，五家渠、阜康、烏魯木齊、石河子、昌吉分別出現11天、10天、10天、8天、6天重污染天氣。

1.1 顆粒物濃度水平

基于烏昌石區域5城市的空氣自動站實時監測數據，分析各項污染物濃度水平及氣溫、氣壓、相對濕度、風速風向等。監測結果顯示，此次重污染期間各城市PM2.5平均濃度在146μg/m3-171μg/m3之間，比污染前期濃度水平高出1.2倍-4.3倍，其中烏魯木齊市PM2.5最高日均濃度出現在12月2日，高達271μg/m3，超《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）中PM2.5日均濃度二級標準（75μg/m3）2.6倍，小時最高濃度甚至達到414μg/m3，超標4.5倍。各城市PM10平均濃度在203μg/m3-240μg/m3之間，比污染前期濃度水平高出1.5倍-3.3倍，PM10最高日均濃度出現在五家渠，高達384μg/m3，超PM10日均濃度二級標準（150μg/m3）1.5倍。

重污染過程中烏昌石區域內各城市污染物濃度變化規律一致，在11月25和12月1日各城市均出現PM2.5和PM10濃度峰值，反映本次污染的區域性特征；各城市PM2.5、PM10日均濃度變化非常同步，相關系數為0.98；在整個重污染過程中，各城市首要污染物均為PM2.5，且PM2.5占PM10比重很高，均在70%以上，其中烏魯木齊市PM2.5/PM10最高達87.7%，高出全年平均水平37個百分點，反映本次污染以細顆粒為主，可能受二次生成貢獻較大（Wang et al.， 2012； Wang et al.， 2014）。

1.2 氣態污染物濃度水平

本次重污染期間，SO2、NO2、CO日均濃度比污染前顯著升高，分別上升95%、98%、111%，O3日均濃度下降36%；通過比對SO2、NO2與PM2.5、PM10濃度時間變化規律，發現顆粒物濃度與氣態污染物濃度波動同步、稍有滯后，反映氣態污染物作為前體物對顆粒物濃度的影響，因此，雖然4項氣態污染物日均濃度均未超標，但SO2、NO2同比增幅如此顯著，可能導致二次顆粒如硫酸鹽、硝酸鹽的加倍生成（Wang et al.， 2012）。

1.3 全國排名

此次重污染過程，盡管烏昌石區域5城市優良天數比例同比減少20個百分點以上，但在11月-12月全國城市空氣質量排名中（空氣質量狀況報告），烏魯木齊基本處于中等偏下水平，但未進入空氣質量相對較差的十個城市名單，說明在全球氣候變動和全國大氣污染形勢嚴峻情況下，新疆烏昌石城市群大氣污染同防同治工作取得一定成效。

2 氣象背景分析

2.1 大氣環流形勢

2016年10月，高壓還未移動到新疆北部，空氣活動較為活躍，大氣相對濕度較低，總體氣象條件較利于污染物的擴散。11月-12月，新疆北部一直受高壓控制，冷空氣活動偏北、次數減少，導致烏昌石區域的高空擴散能力整體變差。從圖4和圖5可以看出，此次重污染過程期間北疆地區的高壓明顯比去年同期強，高空暖脊也更突出，位置更靠近烏昌石區域，擴散條件明顯比去年同期差。

2.2 溫度變化分析

2016年9月以來烏昌石區域日均氣溫的方差為2015年同期的1.2倍，說明氣溫波動頻繁且變化劇烈。從圖6可以看出11月15日之后有一次明顯的降溫，隨即重污染天氣開始，氣溫保持在-5.5℃～-10.8℃之間，12月4日之后氣溫有明顯的回升，氣溫保持在-2.8℃～0.1℃之間，污染逐漸減輕。此次重污染過程，日均氣溫比去年同期偏低3.4℃，比污染前偏高0.4℃。

2.3 濕度變化分析

2016年9月相對濕度比上年同期平均偏低12%，10月相對濕度平均偏高19%，11月3-4日升溫過快導致空氣濕度劇減，比同期偏低20%，但隨著11月中下旬氣溫迅速降低，相對濕度回升顯著，同比偏高5%，11月18日后空氣濕度維持在80-90%，而后進入重污染天氣，至12月8日空氣濕度躥升至90-100%接近飽和，比去年同期偏高6%，導致大霧天氣持續出現，直至12月10日重污染才逐漸緩解。

2.4 風速

2016年烏昌石區域秋冬季的風速基本小于1m/s，明顯小于2015年同期。從圖6可以看出，此次重污染過程前期風速明顯降低，污染物逐漸累積，重污染期間日均風速比污染前低0.2m/s（降幅25%），12月6日風速增大，利于擴散，此次重污染過程慢慢結束。

2.5 持續大霧天氣

2016年9月-12月烏魯木齊市風速較小，平均偏低1.9m/s，不利于大氣污染物擴散，逐漸形成大霧。尤其是12月1日-14日烏魯木齊每天都有大霧出現，12月大霧日數歷年值為8.4天，而2016年12月上旬霧日數就已超過全月平均值。持續大霧天氣的出現，主要原因是冷空氣缺失和逆溫層同時并存所致，11月下旬受冷空氣影響，平均氣溫較往年同期偏低，但12月上旬氣溫觸底反彈，較往年偏高，白天氣溫基本維持在0℃以上。氣溫回暖使得積雪加速融化，近地面的空氣濕度增加，到了午后，氣溫逐漸回落，空氣中水汽凝結成小霧滴，形成大霧天氣。而烏魯木齊上空穩定的逆溫層，使得近地面空氣處于靜穩狀態，霧氣不易消散。

3 結論

在2016年11月23日-12月9日期間，新疆烏昌石區域經歷了一次長達18天的重污染天氣，此次重污染過程出現時間早、波及范圍廣、持續時間長，5個城市污染物濃度變化規律一致，體現典型的區域性污染特征。

此次重污染期間，PM2.5與PM10協同變化，日均濃度比污染前分別上升2.8倍、2.4倍，最高日均濃度達287μg/m3、384μg/m3，分別超標2.8倍、1.5倍，其中PM2.5占PM10比重平均在70%以上，與首要污染物為PM2.5一致，反映本次污染以細顆粒為主；PM2.5、PM10與氣態污染物SO2、NO2濃度波動同步、稍有滯后，雖然4項氣態污染物日均濃度均未超標，但SO2、NO2同比增幅顯著，可能導致二次顆粒如硫酸鹽、硝酸鹽的加倍生成。

氣象要素分析表明，整個重污染期間烏昌石區域一直受高壓控制，地面風速偏小、溫度偏低，冷空氣活動偏北、次數較少，導致烏昌石區域的高空擴散能力整體較差，結合高空的偏南風容易造成較強的逆溫層。受以上不利的污染氣象條件影響，持續大霧天氣造成濕度持續高達90%，易形成二次氣溶膠顆粒，使得首要污染物PM2.5濃度迅速升高。加之總體風速小，逆溫層低，污染物極其不易擴散，大氣環境容量迅速變小，污染持續累積，AQI指數迅速升高。

應協調聯動啟動重污染應急響應措施，合力削峰，有效降低重污染程度、縮減持續時間，最大限度減輕空氣重污染影響，以保障公眾健康，實現共同改善區域環境空氣質量的目標。

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