安陽(yáng)市2017-02 一次重污染過(guò)程成因分析

陳旭華，劉志光，李六一，李曉軍，王 穎，張 亮，和暐杰

（1.河南省安陽(yáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河南 安陽(yáng) 455000；2.河南省安陽(yáng)市城市管理局，河南 安陽(yáng) 455000）

近年來(lái)，中國(guó)主要城市發(fā)生多次區(qū)域性灰霾污染事件[1-5]，河南省是中國(guó)大氣污染最為嚴(yán)重的省份之一，近年來(lái)已有不少學(xué)者針對(duì)其污染特征、成因和來(lái)源開展研究[6-8]。2017-02安陽(yáng)市出現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的污染過(guò)程，本研究重點(diǎn)分析了此次重污染期間的成因，針對(duì)安陽(yáng)市秋冬季典型重污染過(guò)程，綜合運(yùn)用化學(xué)組分分析、模型來(lái)源解析和氣象要素分析等方法，深入研究重污染過(guò)程前后大氣顆粒物化學(xué)組成、來(lái)源特征，識(shí)別影響空氣質(zhì)量的主要顆粒物組分和來(lái)源區(qū)域，分析氣象成因，評(píng)估本地及區(qū)域貢獻(xiàn)水平，以期為安陽(yáng)市制定科學(xué)合理的大氣污染防治措施提供參考。

1 秋冬季重污染過(guò)程特征分析

重污染定義為PM2.5的質(zhì)量不低于120 μg/m3。對(duì)冬季重污染過(guò)程的分析，以2017-02-12—02-20 的重污染事件為例。圖1 為重污染過(guò)程大氣常規(guī)污染物時(shí)間序列變化。2017-02，安陽(yáng)市污染程度整體較為嚴(yán)重。PM2.5均值為152 μg/m3，是GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（75 μg/m3）的 2.0 倍；PM10均值為 224 μg/m3，是 GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（75 μg/m3）的1.5 倍；PM2.5最高小時(shí)濃度為607 μg/m3，是GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（75 μg/m3）的8.1 倍；PM10最高小時(shí)濃度為689 μg/m3，是GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（75 μg/m3）的 4.6 倍；最高日均濃度高達(dá) 259 μg/m3，是 GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（75 μg/m3）的1.7 倍。

圖1 2017 年冬季重污染過(guò)程大氣常規(guī)污染物時(shí)間序列變化

重污染過(guò)程沒(méi)有明顯的生消過(guò)程，主要受氣象條件的影響，污染物的去除和形成過(guò)程速率非常快。PM2.5日內(nèi)變化非常明顯，一般常規(guī)污染物在2017-02-12T19：00 左右開始迅速增加，02-13T04：00 左右開始消除；02-16，PM2.5最高小時(shí)濃度出現(xiàn)在 12：00，為 607 μg/m3；02-16，PM2.5最低小時(shí)濃度出現(xiàn)在23：00，為53 μg/m3，日內(nèi)最高值與最低值相差10.45 倍。

2017-02，安陽(yáng)市PM2.5、PM10質(zhì)量濃度及PM2.5/PM10比值逐時(shí)時(shí)間序列，重污染期間PM2.5/PM10比值基本保持在0.7 左右，表明重污染過(guò)程主要來(lái)自細(xì)顆粒物PM2.5的貢獻(xiàn)。

2 氣象成因

2.1 地理位置

安陽(yáng)市位于河南省最北部，地處山西、河北、河南三省交匯處，是豫晉冀三省交界地區(qū)區(qū)域性中心城市。西部毗鄰長(zhǎng)治，東部與濮陽(yáng)相連，北部與邯鄲接壤，南部與鶴壁、新鄉(xiāng)相倚。安陽(yáng)市區(qū)自然地理?xiàng)l件特殊，西部是太行山，市區(qū)南、北被兩道丘陵合抱，形成了典型的“簸箕”地形，安陽(yáng)市地勢(shì)西高東低，西部為山區(qū)，東部為平原。西部系太行山東麓，東部屬黃淮海平原，地形復(fù)雜多樣。安陽(yáng)市地理位置如圖2 所示。

圖2 安陽(yáng)市地理位置圖

2.2 氣象特征

安陽(yáng)市屬于半濕潤(rùn)地區(qū)，暖溫帶大陸季風(fēng)氣候，四季分明、雨熱同期。光輻射值高，能夠滿足農(nóng)作物一年兩熟的需要。安陽(yáng)市西邊是太行山，市區(qū)被南北兩道丘陵合抱，年均風(fēng)速1.8 m/s（冬季1.4 m/s），冬季風(fēng)力小、降水少，靜穩(wěn)逆溫天氣占到80%以上。氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，安陽(yáng)市主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)（春、夏季），次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)（秋、冬季），平均風(fēng)速約為1.8 m/s，其中春季風(fēng)速約為2.3 m/s，夏季風(fēng)速約為1.7 m/s，秋季風(fēng)速約為1.4 m/s，冬季風(fēng)速約為1.7 m/s，全年風(fēng)速總體偏小，靜風(fēng)頻率高達(dá)12.1%，不利于大氣污染擴(kuò)散，特別是偶發(fā)的極端氣象條件是引起大氣重污染事件的外部原因。此外，安陽(yáng)市處于三省交界處，位于邯鄲、邢臺(tái)、石家莊、保定所在的大氣重污染通道上，周邊城市排放的污染物均可隨氣流影響安陽(yáng)市。因此，安陽(yáng)市易于受北部邯鄲、南部鶴壁、焦作、鄭州等周邊城市的影響，特別是在弱西北風(fēng)控制下，西北部工業(yè)區(qū)對(duì)安陽(yáng)市城區(qū)空氣質(zhì)量影響巨大。安陽(yáng)市其獨(dú)特地理位置和復(fù)雜地形致使該地區(qū)大氣污染物擴(kuò)散條件較差，特別當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)靜小風(fēng)時(shí)，造成大氣污染物區(qū)域性積累。冬季受北風(fēng)周期性的擺動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致大氣污染物有一個(gè)相應(yīng)的周期性的變化，大氣污染物不僅表現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律，同時(shí)更多地表現(xiàn)為周期性的變化特征。受區(qū)域天氣氣候影響，大風(fēng)降溫天氣可將數(shù)日之內(nèi)持續(xù)惡化的低能見度天氣在較短時(shí)間里迅速改善，嚴(yán)重灰霾期間風(fēng)速較低，導(dǎo)致了大量大氣污染物的形成和累積。從采樣期間PM2.5質(zhì)量濃度幾個(gè)升高過(guò)程來(lái)看，由于大氣細(xì)顆粒物濃度的增加出現(xiàn)在灰霾天氣，PM2.5達(dá)到監(jiān)測(cè)期間質(zhì)量濃度峰值。重污染過(guò)程氣象條件時(shí)間序列變化如圖3 所示，從中可以看出風(fēng)速出現(xiàn)極小值。

圖3 重污染過(guò)程氣象條件時(shí)間序列變化

3 化學(xué)成因

分析安陽(yáng)市區(qū)重污染期間PM2.5各化學(xué)組分質(zhì)量濃度逐日變化趨勢(shì)可知，整個(gè)重污染期間，SNA（硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽）平均質(zhì)量濃度為33.4 g/m3，占PM2.5總質(zhì)量濃度的55.4%，其中硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽所占比例分別為34.7%、16.7%、4%。元素碳平均質(zhì)量濃度則為5.1 g/m3，對(duì)細(xì)顆粒物的貢獻(xiàn)為8.4%。有機(jī)碳和水溶性離子是大氣細(xì)粒子最主要的組成部分，而且硝酸鹽的濃度要遠(yuǎn)高于其他組分，說(shuō)明硝酸鹽對(duì)于重污染過(guò)程的形成有至關(guān)重要的作用。

3.1 重污染生消過(guò)程顆粒物化學(xué)成分變化規(guī)律

圖4 為安陽(yáng)大氣污染過(guò)程水溶性離子濃度變化，不同的離子成分變化規(guī)律差異明顯。主要體現(xiàn)在硫酸鹽和硝酸鹽的比值的變化，一般情況下，污染越重硝酸鹽與硫酸鹽之間的比值越大，說(shuō)明冬季重污染過(guò)程硝酸鹽對(duì)于大氣細(xì)顆粒物貢獻(xiàn)更大。

大氣灰霾過(guò)程說(shuō)明（圖4 左面方塊區(qū)域）：①重污染過(guò)程氯離子濃度、硝酸根離子有較大幅度的增加，對(duì)于大氣細(xì)顆粒物濃度的增加起到重要作用；鈉鹽增加不明顯，氯離子增加與工業(yè)源排放和生物質(zhì)燃燒有關(guān)。②硝酸鹽年均濃度對(duì)大氣細(xì)顆粒物的貢獻(xiàn)要大于硫酸鹽，污染過(guò)程硝酸鹽對(duì)于大氣細(xì)顆粒物濃度的增加起到更大的作用。③污染過(guò)程氣態(tài)和顆粒物態(tài)硝酸鹽和銨鹽濃度夜晚均高于白天。因此，限制機(jī)動(dòng)車排放氮氧化物和工農(nóng)業(yè)排放的氨，對(duì)于控制重污染過(guò)程大氣細(xì)顆粒物的生成有重要意義。④雖然二氧化硫在污染過(guò)程中生消變化幅度較大，但硫酸鹽變化幅度較小，二次化學(xué)轉(zhuǎn)化主要考慮二次有機(jī)碳和二次氮轉(zhuǎn)化。

圖4 安陽(yáng)大氣污染過(guò)程水溶性離子濃度變化

4 結(jié)語(yǔ)

2017 年重污染過(guò)程有明顯的生消過(guò)程。大氣污染物濃度表現(xiàn)出逐漸升高、突然下降的不對(duì)稱鋸齒型周期性變化特征。大氣污染過(guò)程中，PM2.5和PM10呈現(xiàn)出同步的變化規(guī)律，以峰分布為主要特征的日周期變化，或規(guī)則地疊加于基線之上。

大氣污染過(guò)程表明含氮物質(zhì)的氣固相轉(zhuǎn)化非常重要。污染過(guò)程氣態(tài)和顆粒物態(tài)硝酸鹽和銨鹽濃度夜晚均高于白天。因此，限制機(jī)動(dòng)車排放氮氧化物和工農(nóng)業(yè)排放的氨對(duì)于控制重污染過(guò)程大氣顆粒物的生成有重要意義。

安陽(yáng)市2017—2018 年秋冬季期間主要是本地源貢獻(xiàn)，本地排放占比高達(dá)58%；其次是邯鄲對(duì)安陽(yáng)的影響，占比為15%，周邊的鶴壁、邢臺(tái)、石家莊對(duì)安陽(yáng)的影響占比分別為3%、3%、2%，其他城市的影響占比19%。

通過(guò)CAMx-DDM 敏感性分析工業(yè)源和民用源NOx、VOCs 和一次顆粒物的減排是實(shí)現(xiàn)PM2.5濃度降低的根本措施。