大連市冬季一次傳輸回流型空氣重污染過程分析

徐 潔

(遼寧省大連生態環境監測中心，遼寧 大連 116023)

2016年12月31日—2017年1月4日，大連市經歷了2輪西南方向污染輸送和東北方向污染回流輸送導致的空氣重污染過程。本研究利用地面觀測數據、3D可視激光雷達觀測數據、在線單顆粒氣溶膠質譜儀在線解析數據，結合后向軌跡模型分析氣流來源，對此次空氣重污染過程進行多維度的分析，為空氣質量污染原因解析及空氣質量重污染預報預警提供經驗參考。

1 數據來源及研究方法

PM2.5濃度數據來源于大連市10個國控空氣自動監測站，激光雷達數據來自大連市大氣復合污染綜合觀測站的激光雷達，在線源解析數據來自在線單顆粒氣溶膠質譜儀。大連市大氣復合污染綜合觀測站及在線單顆粒氣溶膠質譜儀均布設于遼寧省大連生態環境監測中心，位于大連市主城區，周圍有學校、幼兒園、菜市場、多個居民小區以及諸多餐飲店，臨近交通干線，無工業污染源，是大連城區內典型的人口聚集地，一定程度上能夠代表大連市大氣污染狀況。

后向軌跡模型采用由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯合研發的HYSPLIT-4模型，該模型是一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業模型，已經被廣泛應用于多種污染物在各個地區的傳輸和擴散的研究中。本研究中，后向軌跡模擬采用的氣象數據為來自美國國家環境預報中心(NCEP)的GDAS數據，氣流高度選取100m、500m和1500m，模擬氣團48h后向軌跡。

2 污染狀況

2016年12月31日—2017年1月4日，大連市出現一次空氣重污染過程，首要污染物為PM2.5，此次污染過程累計55h空氣質量達到重度及以上污染。此次污染過程持續時間5d，此次污染峰值出現在1月2日3∶00，PM2.5濃度達235μg·m-3。污染日空氣質量變化情況及重污染時段詳見表1。

表1 2016年12月31日—2017年1月4日大連市空氣質量及重污染時段統計

3 污染成因分析

3.1 周邊污染形勢

2016年12月31日—2017年1月4日，京津冀南部、山東中西部城市空氣質量達到中度到重度污染，個別城市達到嚴重污染。2016年12月31日—2017年1月1日，受偏西流場影響，污染向東北方向傳輸，污染范圍擴大至渤海灣多個城市，遼寧西部為重度污染，環渤海城市為中度至重度污染。1月2日，受偏北風影響，遼寧中東部地區污染物逐漸清除，西部個別城市為中度至重度污染，最南端的大連受污染回流影響為中度污染。1月3日，遼寧以良至輕度污染為主，遼寧西部個別城市為中度污染。1月4日，遼寧以良至輕度污染為主，個別城市為中度至重度污染。

3.2 區域輸送回流分析

2016年12月31日—2017年1月4日，大連市經歷了2次西南方向污染輸送、1次西北方向回流輸送和1次東北方向污染回流輸送。后向軌跡分析顯示，氣流運動軌跡與污染過程較為一致，2017年1月1日24∶00大連市高低空的氣流均來自西南方向的京津冀中南部和山東中西部，近地面100m的氣流以平流為主，500m和1500m高空的氣流先下沉后上升，京津冀中南部和山東西部區域近地面的高污染氣團隨上升氣流到達高空，經過平流運動到達大連的高空，導致1日大連市空氣質量達到重污染。1月2日12∶00大連市高低空均是來自西北方向的下沉氣流，經由遼寧中西部城市到達大連，遼寧西部城市的高污染氣團隨下沉氣流輸送至大連，導致2日1∶00—12∶00出現重污染時段。1月3日8∶00大連市高低空氣流均來自西南或西方向的京津冀和山東中西部，該區域的高污染氣團隨水平氣流傳輸至大連，導致3日8∶00左右出現1個PM2.5污染的小峰值；1月4日3∶00大連市高低空均是來自西北方向的下沉氣流，經由遼寧中西部城市到達大連，遼寧中西部城市的高污染氣團隨下沉氣流輸送至大連，導致4日1∶00—12∶00出現重污染時段。2016年12月31日—2017年1月4日大連市區PM2.5濃度變化見圖1，2017年1月1日24∶00、2日12∶00、3日8∶00和4日3∶00后向軌跡分析見圖2。

圖1 2016年12月31日—2017年1月4日大連市區PM2.5濃度變化

圖2 2017年1日24∶00、2日12∶00、3日8∶00和4日3∶00后向軌跡分析

3.3 激光雷達垂直傳輸分析

利用3D可視激光雷達對此次污染過程進行了連續實時垂直觀測(圖3)。結果表明，本次污染過程存在4次垂直傳輸過程。通過2016年12月30日—2017年1月5日的邊界層數據可以看出，本周邊界層整體變化較大。2016年12月30日，邊界層在1000m左右，垂直擴散能力較好，氣溶膠團擴散在高空；31日8∶00起邊界層呈現降低趨勢，1000m高空出現污染氣團，隨著邊界層逐漸降低出現第一次污染物的沉降。2017年1月2日凌晨前后，邊界層降至最低，高度僅有300m左右，出現第2次污染物沉降，這與2日2∶00—6∶00出現的第1個重污染峰值相吻合；2日8∶00受大風及擴散氣流影響，整體邊界層升高，擴散條件較好，污染顯著改善；3日15∶00起邊界層逐漸降低，從1000m高度持續有外來污染沉降地面，出現第3次污染物沉降，到4日5∶00邊界層降至400m，出現第4次污染物沉降，這與3日18∶00—4日1∶00出現的第2個重污染峰值相吻合。4日10∶00后空氣質量明顯好轉，邊界層升高到1000m以上，垂直擴散能力較好。綜上所述，幾次污染峰值都對應著高空污染氣團的沉降，4次沉降與傳輸和回流的時間節點一一對應，從污染物垂直分布上印證了此次污染過程的傳輸和回流特征。

圖3 2016年12月30日—2017年1月5日大氣復合污染綜合觀測站激光雷達觀測結果

3.4 在線源解析

利用在線單顆粒氣溶膠質譜儀對本次污染過程開展了PM2.5快速源解析監測，PM2.5小時均值選擇位于遼寧省大連生態環境監測中心的星海三站點位。在線單顆粒氣溶膠質譜儀解析結果顯示，在污染來臨前，PM2.5來源以燃煤源(41%)、機動車尾氣(26%)以及生物質燃燒源(19%)為主，工業源占比僅為3%(圖4)；2016年12月31日5∶00—2017年1月2日0∶00風向轉為西南風，大連市PM2.5各來源占比被重構，工業源占比增加至38%，取代燃煤源成為PM2.5的首要來源(圖5)，說明來自西南方向的污染輸送主要來自工業源排放；2日1∶00—3日1∶00風向轉為西北風，大連市PM2.5各來源占比變化不大，燃煤源略有增加，由25%增加至27%(圖6)，此段短暫的西北風對于大連市PM2.5各類來源的影響并不大；3日2∶00—12∶00風向再次轉為西南風，大連市PM2.5各來源占比再次被重構，燃煤源再次成為PM2.5的首要來源，占比達51%(圖7)，此時大連市PM2.5各類來源占比與污染前類似，為燃煤源占主導，說明這一時段的PM2.5污染應該是以本地污染為主，外來輸送為輔；3日13∶00開始風向轉為東北風，大連市PM2.5各來源占比中，燃煤源占比由51%降低至41%，工業源占比由10%增加至16%(圖8)，說明東北方向的污染傳輸以燃煤和機動車復合排放為主。燃煤源在線單顆粒氣溶膠質譜儀PM2.5來源解析時間序列見圖9。

圖4 污染前大連市PM2.5來源解析

圖5 污染中第1次西南方向傳輸時大連市PM2.5來源解析

圖6 污染中西北回流時大連市PM2.5來源解析

圖7 污染中第2次西南方向傳輸時大連市PM2.5來源解析

圖8 污染中東北方向傳輸時大連市PM2.5來源解析

圖9 在線單顆粒氣溶膠質譜儀PM2.5來源解析時間序列

4 結論

2016年12月31日—2017年1月4日，大連市出現的空氣重污染過程是在周邊出現連續長時間、區域性重度污染的大環境背景下產生的。在此次污染過程中，大連市經歷了2次西南方向的傳輸、1次西北方向的污染回流傳輸和1次東北方向污染回流的傳輸，是一次典型傳輸回流型重污染過程。在風向的轉換中伴隨著高空污染氣團的沉降，導致大連市近地面PM2.5濃度達到峰值。在線來源解析結果表明，第1次西南方向傳輸時，大連市受到西南方向的污染輸送主要來自工業源排放；西北風方向污染回流時，大連市PM2.5各來源的比例變化并不大，說明前一時段西南方向的傳輸與這次西北方向的傳輸很可能來源相同；第2次短暫的西南方向傳輸時，大連市PM2.5恢復污染前的來源占比，說明此時PM2.5污染以本地污染為主，外來傳輸為輔；東北方向污染回流傳輸時，大連市PM2.5燃煤源占比降低，機動車源占比增加，說明大連市受到東北方向的污染輸送以燃煤源和工業源復合排放為主。