長沙市2019年12月一次重污染過程細顆粒物組分特征及成因分析

金紅紅，肖童覺，黃河仙，陳 陽，郭 倩

(1.湖南省環境監測中心站，410019，長沙；2.國家環境保護重金屬污染監測重點實驗室，410019，長沙)

0 引言

2019年，長沙市僅在冬季出現了4次重污染過程，重污染天數共8 d。本研究選取了長沙市2019年12月的一次持續污染天氣過程作為分析對象，對PM2.5的顆粒進行組分分析，了解該時段長沙市大氣顆粒物的污染特征及氣象成因，為政府制定重污染天條件下污染源減排削峰措施提供科學支撐。

1 研究方法

采用長沙市芙蓉區馬坡嶺組分站的環境空氣自動監測獲得的小時數據，PM2.5質量濃度、PM2.5中水溶性離子及碳分碳的質量濃度數據均來自力合科技(湖南)公司生產的監測儀，顆粒物雷達數據為安徽藍盾生產的雙鏡微脈沖激光雷達。儀器的規格、維護、標定及數據處理質控方法均按照中國環境監測總站要求執行。

2 重污染過程特征分析及成因分析

2.1 重污染過程分析

重污染天氣是指根據《環境空氣質量指數( AQI) 技術規定( 試行) 》( HJ633—2012)[9]，空氣質量指數(AQI)級別達到五級( 重度污染) 及以上污染程度的大氣污染。2019年12月13—16日，長沙市經歷一次灰霾由產生到消退的過程，近地面空氣質量經歷了一次持續50 h達到重度污染。以長沙市馬坡嶺站點為例，其中12月13日，空氣質量指數(AQI)為143，14日上升至234，達到重度污染，15日持續重度，AQI為251，16日17：00開始迅速下降轉好，詳見圖1。此次重污染期間，PM2.5和PM10均出現不同程度超標，首要污染物為 PM2.5。

圖1 2019年12月13—16日馬坡嶺站點PM2.5質量濃度與AQI的小時變化

2.2 PM2.5中化學組分特征分析

圖2 2019年12月13—16日馬坡嶺站點PM2.5中水溶性離子的小時濃度分布

水溶性 K+可作為生物質燃燒的標識物，Ca2+可作為建筑塵的標識物[10]。由圖3可見，此次重污染期間，K+質量濃度峰值多在夜間出現，K+質量濃度從12月14日凌晨開始濃度呈上升的趨勢，在12月15日03：00達到最大小時值，濃度為3.01 μg /m3，之后呈降低的趨勢。K+質量濃度升高可能與上游污染氣團輸送中夾雜秸稈焚燒物質有關，再加靜穩天氣不利于大氣擴散；而K+質量濃度在達到高值后下降，與地面風速加大、擴散條件轉好有關。Ca2+質量濃度從 12 月 14 日開始呈明顯下降，這可能與長沙市啟動預警后大部分工地停止作業、道路清掃沖洗次數增加、渣土運輸減少等管控措施的實施、減少了建筑塵污染貢獻有關。

圖3 2019年12月13日—16日馬坡嶺站點PM2.5中Ca2+和 K+質量濃度變化

2.2.2 PM2.5中碳組分特征分析 從圖4可知，EC質量濃度變化幅度總體較小，OC 濃度隨著污染程度加劇而顯著增大，隨污染程度降低而又逐漸減低。一般認為當 OC/EC的比值超過2.0時，即表明二次有機污染的存在[11]。長沙市馬坡嶺站點12月13—16日PM2.5中的OC/EC小時比值在2.5～9.5之間，而OC/EC日比值在3.7～6.2之間，呈現逐日下降的趨勢，OC/EC比值均高于二次污染的判斷標準，說明長沙市二次有機碳污染較為嚴重，同時表明政府啟動車輛限行、企業限產等預警措施，在一定程度上降低了二次有機碳的占比。

圖4 12月13—16日馬坡嶺站點PM2.5中OC、EC質量濃度以及 OC/EC比值分布

2.3 重污染過程成因分析

2.3.1 氣象條件分析 通過對12月13—16日馬坡嶺站點的相關性進行分析，結果見圖5，可知馬坡嶺站點PM2.5與風速、風向、相對濕度呈正相關。

圖5 12月13日—16日馬坡嶺站點PM2.5濃度值與氣象條件之間的相關性分析

由圖6中13日全國地面天氣形勢來看，京津冀地區有一個冷高壓中心，四川盆地地區有一個低壓中心，湖南長沙位于兩者之間，處于均壓場形勢控制，風速比較小，風向容易受到地形的影響，水平擴散條件較差，有利于顆粒物的本地生成累積。此為污染開始階段。

由圖6中14日地面形勢來看，京津冀地區冷高壓中心逐漸向東南移動，四川盆地地區有一個低壓中心，湖南長沙地區位于兩者之間，處于均壓場形勢控制，風速比較小，風向容易受到地形的影響。14日整個湖南長沙地區的近地層相對濕度增加明顯，濕度增加利于污染物2次轉化，地面靜風形勢也有利于顆粒物的本地累積。

由圖6中15日地面形勢來看，隨著陸面高壓南移，湖南長沙地區處在偏北風控制下，風力有所增加，上游輸送的情況下加劇了本地污染。特別是長沙市地形為東、西、南三面環山，北面開口，地形條件不利于大氣污染物的擴散。

由圖6中16日地面形勢來看，冷空氣自外蒙地區逐漸南下，經內蒙古、陜西、湖北影響湖南長沙地區，地面北風風速逐漸增大，降溫明顯，擴散條件逐漸轉好。但是受到北方污染地區污染傳輸影響，湖南長沙地區污染物濃度出現傳輸峰值，隨后逐漸下降。整個污染過程逐漸結束。

圖6 12月13日—16日全國地面天氣形勢分布(13日08:00、13日20:00、14日08:00、14日20:00、15日08:00、16日08:00、16日20:00)

2.3.2 污染氣團來源分析 采用LPDM拉格朗日溯源模型對長沙市12月13—16日重污染天氣的污染氣團來源進行溯源分析，結果如圖7所示。13—14日，長沙市的氣團主要來自東北方向和東北偏東方向，氣團貢獻均以本地為主，安徽、江西等有少量貢獻；15—16日，長沙市的氣團來自東南方向和偏南方向，氣團貢獻以本地貢獻為主，廣西、湖北和貴州有少量貢獻。由此可知，長沙市此次重污染天氣主要是因為本地污染排放疊加為主，外加少量的外來輸送影響。

圖7 長沙市13—16日氣團溯源分析

3 結論

1)2019年12月13—16 日，長沙市空氣質量連續達50 h重度污染，其中12月15日污染最嚴重，PM2.5日均質量濃度高達203 μg /m3，超標1.7倍。此次持續重污染天氣的形成主要是以本地污染排放疊加為主，外加少量的外來輸送影響。

3)從氣象條件分析，此次持續重污染期間，首先受大氣靜穩、高濕等不利氣象條件影響，污染物濃度開始上升。高壓和低壓的共同作用，偏南風和偏北風匯合，形成準靜止結構。再加長沙市地形為東、西、南三面環山，北面開口，地形條件不利于大氣污染物的擴散，均是導致持續重污染的重要客觀條件。后地面北風風速逐漸增大，擴散條件逐漸轉好，空氣質量轉好。