綿陽重污染天氣機動車限行對空氣質量的影響研究*

杜筱筱 廖婷婷 范江琳 楊寅山

(1.四川省氣象災害防御技術中心，四川 成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；3.成都信息工程大學大氣科學學院，高原大氣與環境四川省重點實驗室，四川 成都 610225；4.四川省氣象臺，四川 成都 610072)

大氣污染對人體健康和農業生產等都有重大影響，甚至影響全球的氣候變化[1]。四川盆地是我國主要的大氣污染區域之一。曾勝蘭等[2]發現，天氣對空氣質量影響較大。郭倩等[3]對成都2015年的一次重污染天氣研究發現，輻射逆溫對污染物濃度增長有促進作用，東北向的綿陽等地區是此次過程主要的潛在來源區，可見綿陽對四川盆地大氣污染有重要影響。由于四川的機動車保有量逐年增加，使其大氣污染類型由原來的煤煙型向煤煙-機動車尾氣復合型轉變[4]。根據綿陽市公安局交警支隊車管所提供的數據顯示，綿陽機動車保有量近幾年顯著增長，2015年首次超過百萬輛，2017年又達到了150.8萬輛。由此可見，機動車尾氣排放對綿羊空氣質量的影響越來越大，如果碰到重污染天氣可能更是雪上加霜。

2017年12月19日綿陽出現空氣污染(空氣質量指數(AQI)為112)并持續加重，23日達到重度污染(AQI為204)。為應對此次重污染天氣，綿陽政府于12月25日0時至29日12時首次實行機動車尾號限行措施(綿重污染天氣應急辦〔2017〕16號)。本研究對此次實行機動車尾號限行措施前后綿陽大氣污染物濃度變化特征進行分析，為綿陽今后決策大氣污染治理措施提供參考。

1 數據與方法

1.1 數據來源

為了對比分析機動車尾號限行措施前后大氣污染物濃度的變化特征，定義2017年12月20日0時至24日24時為限行前，2017年12月25日0時至29日12時為限行期，2017年12月29日12時至2018年1月2日24時為限行后，限行前和限行后統稱為非限行期。大氣污染物數據來自富樂山、市人大、三水廠、自來水公司4個國控環境質量監測站點。地面氣象數據(風速、日降水量、相對濕度、云量)來自綿陽56196國家自動氣象觀測站，其中混合層高度參考文獻[5]的方法計算得到，由于日降水量均為0 mm，下文將不再具體討論。計算后向軌跡、進行潛在源區貢獻(PSCF)分析和濃度權重軌跡(CWT)分析所需的其他氣象數據來自美國國家環境預報中心(NCEP)的全球資料同化系統(http：//www.rl.noaa.gov/ss/transport/archives.html)。

1.2 后向軌跡的聚類分析方法

采用Meteoinfo的后向軌跡模式模擬限行前、限行期、限行后到達綿陽的氣流軌跡。模擬高度選擇500 m，每隔1 h計算一條后向72 h的軌跡，使用angle distance算法進行聚類分析。

1.3 PSCF分析方法

PSCF是經過污染源的污染軌跡數與所有軌跡數的比值[6-7]。為了降低PSCF計算的不確定性，引入權重因子，當所有軌跡數大于80時，權重因子取1.00；當所有軌跡數大于20且小于等于80時取0.70；當所有軌跡數大于10且小于等于20時取0.42；當所有軌跡數小于等于10時取0.05[8-9]。PSCF越大，表明該污染源對觀測點污染物的影響越大。

1.4 CWT分析方法

CWT包含了污染源氣團軌跡的濃度，反映了不同軌跡的污染程度[10]，計算公式如下：

(1)

式中：cij為網格(經度i，緯度j)上的污染物加權平均質量濃度，μg/m3；ck為第k條軌跡經過網格(經度i，緯度j)時的污染物質量濃度，μg/m3；τijk為第k條軌跡在網格(經度i，緯度j)上的停留時間，s；wij為權重因子；M為經過網格(經度i，緯度j)的軌跡總數。

2 結果與討論

2.1 限行前后大氣污染物濃度變化特征

圖1為綿陽限行前、限行期、限行后富樂山、市人大、三水廠、自來水公司4個監測站點的污染物濃度變化曲線。從圖1可見，每種污染物的4個監測站點的變化趨勢基本一致。CO的限行前、限行期和限行后平均質量濃度分別為1.4、1.5、1.1 μg/m3；NO2的限行前、限行期和限行后平均質量濃度分別為65.2、42.8、50.6 μg/m3；O3的限行前、限行期和限行后平均質量濃度分別為27.8、15.8、26.2 μg/m3；SO2的限行前、限行期和限行后平均質量濃度分別為12.1、8.2、9.6 μg/m3；PM2.5的限行前、限行期和限行后平均質量濃度分別為139.2、133.3、118.5 μg/m3；PM10的限行前、限行期和限行后平均質量濃度分別為189.3、171.8、323.5 μg/m3。可見，機動車尾號限行措施對NO2、O3、SO2具有明顯的減排效果，而對CO幾乎沒有減排效果。大氣顆粒物PM2.5和PM10是整個觀測期間的首要污染物，機動車尾號限行措施對PM2.5和PM10雖有一定減排效果，但限行后PM2.5、PM10的濃度存在顯著差異，限行后PM2.5變化不大，但PM10大幅上升。因此，后面將重點研究PM2.5、PM10的污染成因。

2.2 PM2.5/PM10分析

PM2.5/PM10往往能反映城市大氣顆粒物的來源性質。當PM2.5/PM10大于0.6時，大氣顆粒物主要來源于化學轉化形成的二次顆粒物，而當PM2.5/PM10小于0.6時，則主要來源于沙塵、揚塵等一次顆粒物[11-12]。此次重污染天氣觀測期間，限行前PM2.5/PM10平均為0.74，限行期為0.78，限行后為0.37，表明限行前和限行期大氣顆粒物主要來源于化學轉化形成的二次顆粒物，而限行后則轉為沙塵、揚塵等一次顆粒物。

注：個別數據缺失，但不影響整體變化趨勢分析。圖1 觀測期間各污染物質量濃度變化曲線Fig.1 The variation of pollutants mass concentrations in research period

2.3 氣象條件分析

一般地，風速與顆粒物濃度呈負相關[13],[14]58；一定相對濕度范圍內，相對濕度越大顆粒物濃度越高，但相對濕度超過80%時，易發生降雨，導致PM2.5和PM10濃度降低[14]57-58；混合層高度可以表征顆粒物被熱力對流與動力湍流在垂直方向上輸送的高度[15]。各階段相對濕度、風速、混合層高度如表1所示。限行期相對濕度超過80%，有利于顆粒物的沉降，風速相對限行前也有所增大，亦有利于降低顆粒物濃度，而混合層高度略有降低；限行后相對濕度明顯降低，混合層高度明顯升高，但風速進一步增大，這可能也是小顆粒的PM2.5濃度繼續降低，而大顆粒的PM10升高的原因。

表1 各階段氣象數據

2.4 后向軌跡聚類分析

氣流后向軌跡聚類分析結果如表2所示。

限行前軌跡聚為3類，其中來自平武南部和江油方向的氣流出現頻率達到55.17%，其PM2.5、PM10平均質量濃度相對較高，分別為137.0、185.6 μg/m3，由于平武空氣較為清潔，所以本研究認為該類氣流主要來自江油。來自汶川、什邡、綿竹、安州方向的氣流出現頻率為25.86%，但其PM2.5、PM10平均質量濃度最高，分別達到145.2、199.2 μg/m3。雖然彭州、新都、德陽城區有較強的污染源，但來自青海南部、阿壩、彭州、新都、德陽城區方向的氣流出現頻率僅為18.97%，其PM2.5、PM10平均質量濃度也并不是很高，分別為112.4、162.6 μg/m3，可能與風向有關。

限行期軌跡聚為4類，其中來自廣安、南充、鹽亭、三臺的氣流出現頻率最高，為33.03%，其PM2.5、PM10平均質量濃度分別為131.2、164.2 μg/m3；其次是來自南充北部、廣元的氣流，出現頻率為28.44%，PM2.5、PM10平均質量濃度分別為113.4、144.8 μg/m3；來自青海南部、甘肅南部與四川交界處、廣元西北部、江油和廣元西北部、江油的氣流出現頻率均較小，分別為21.10%、17.43%，但對應的PM2.5、PM10平均質量濃度卻較高，第3類分別為141.8、190.0 μg/m3，第4類分別為139.3、175.9 μg/m3，這兩股氣流都途經江油，說明顆粒物主要來自江油。

限行后軌跡聚為3類，出現頻率大致相當。來自甘肅、陜西、廣元、南充北部的西北方向氣流對應的PM2.5、PM10平均質量濃度最低，分別為110.1、294.9 μg/m3。來自西藏西部、甘孜、雅安北部、都江堰北部、彭州、什邡、綿竹、德陽城區的氣流PM2.5、PM10平均質量濃度最高，分別為149.5、467.6 μg/m3。

綜上可知，江油對綿陽大氣顆粒物影響很大，氣流軌跡出現頻率高，顆粒物濃度也高，因此有必要考慮進行區域聯防聯控。

2.5 PSCF分析和CWT分析

由于限行前和限行期PM2.5污染相對突出，是這次重污染天氣的最主要污染物，因此進一步對限行期與非限行期的PM2.5進行PSCF分析和CWT分析，格點設置為0.25°×0.25°，PM2.5閾值根據《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)二級標準設為75 μg/m3。

表2 各階段后向軌跡聚類結果

圖2 PSCF分布Fig.2 PSCF maps

圖3 CWT分布Fig.3 CWT maps

從圖2可見，PM2.5在限行期和非限行期的PSCF大值區主要都在綿陽本地，區別在于限行期其他大值區主要在遂寧北部、南充西部和廣元中部，而非限行期主要在雅安北部、成都北部和和德陽中部。

由圖3可知，CWT分布與FSCF較為接近，從總體上來說，限行期和非限行期PM2.5的PSCF與CWT濃度是基本一致的。

3 結 論

(1) 大氣顆粒物PM2.5和PM10是此次重污染天氣的首要污染物，機動車尾號限行措施對PM2.5和PM10有一定的減排效果。機動車尾號限行措施對NO2、SO2、O3具有明顯的減排效果，而對CO幾乎沒有減排效果。

(2) 限行前和限行期大氣顆粒物主要來源于化學轉化形成的二次顆粒物，而限行后則轉為沙塵、揚塵等一次顆粒物。限行后相對濕度降至80%以下，混合層高度升高，但風速進一步增大，可能是小顆粒的PM2.5濃度降低，而大顆粒的PM10升高的原因。

(3) 江油對綿陽大氣顆粒物PM2.5、PM10影響很大，氣流軌跡出現頻率高，大氣顆粒物濃度也高，有必要考慮進行區域聯防聯控。限行期和非限行期PM2.5的PSCF與CWT基本一致。