常州一次重污染過程氣象條件及PM2.5組分特征分析

趙亞芳， 何 濤， 葉 香， 余益軍

(江蘇省常州環境監測中心，江蘇 常州 213000)

引 言

2018年1月14-23日江蘇區域出現大范圍持續性霧霾天氣，細顆粒物(PM2.5)污染嚴重，多數城市空氣質量持續重度或嚴重污染，導致航班延誤、碼頭停運，嚴重影響居民生活并危害人體健康，受到了政府和公眾廣泛關注。

在區域污染源排放相對穩定的情況下，污染過程主要與氣象條件有關，大氣擴散條件和輸送效應是決定污染物濃度的關鍵因素[1-3]，而如何依據復雜多變的氣象參數準確預報重污染過程是亟待解決的難題。目前的研究主要是從天氣形勢、邊界層特征、大氣傳輸、化學生成等角度，分析環流形勢或局地氣象條件對重污染天氣形成和演變的影響[4-6]。有關研究表明,均壓場為重污染天氣提供了有利的氣象條件，地面風向、風速、近地逆溫層等氣象條件對空氣污染物的傳輸與擴散等起著決定性的作用。此外，周邊區域污染輸送過程對經濟發達的京津冀、長江三角洲、珠江三角洲等城市群影響也不可小覷，強冷空氣推動污染物傳輸可類似沙塵暴現象，呈跨境和跨省、市、地區遠距離輸送特征[7-9]。Xu等[10]的研究結果顯示，本地擴散條件差和上游輸送疊加是形成2013年1月上海持續性大氣污染的重要條件。

本研究基于氣象資料、污染物監測資料和離子組分等數據，對2018年1月14-23日常州PM2.5質量濃度演變規律進行分析，研究重污染發生、發展、消散對應的天氣形勢、氣象要素和污染特征因子變化情況，并結合南京、蘇州的PM2.5監測數據，探究城市間污染特征差異，從而為PM2.5重污染事件預報、預警等提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 常規觀測資料

氣壓、氣溫、相對濕度、風速、水平能見度和降水量等氣象要素為江蘇省常州環境監測中心實時監測數據。南京、常州、蘇州PM2.5質量濃度來自中國環境監測總站公布的逐小時監測數據(https://air.cnemc.cn:18007/)，三座城市PM2.5設備均嚴格按照技術規范[17]要求進行運維和質量控制，數據時段為2018年1月14—23日。江蘇省城市地理位置如圖1。

圖1 江蘇省城市地理位置

1.2 PM2.5組分資料

1.3 硫氧化率和氮氧化率計算

(1)

(2)

1.4 HYSPLIT后向軌跡模型

混合單粒子拉格朗日綜合軌跡模型(HYSPLIT-4)[18]是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。為研究污染期間氣溶膠的來源地和擴散路徑，利用HYSPLIT-4計算了不同高度氣團的后向軌跡。模式所用的初始氣象場資料選取GDAS數據庫，空間水平分辨率為1°×1°，軌跡起始高度分別為500 m、1000 m和1500 m，受體點坐標為江蘇省常州環境監測中心所在的經緯度(31.80°N、119.95°E)。

2 結果與討論

2.1 污染過程分析

2.1.1 污染過程概述

2018年1月14—23日，江蘇受高壓場、鞍型場和強冷空氣等多種氣象條件影響，空氣質量反復惡化，長時間維持重度或嚴重污染水平。常州于15日09:00、17日05:00、19日10:00和23日02:00出現4次 PM2.5質量濃度峰值，濃度峰值分別達到159 μg·m-3、206 μg·m-3、261 μg·m-3和210 μg·m-3。結合氣象條件和PM2.5監測數據，此次污染可大致分為三個階段:14-17日為靜穩天氣初期引起的污染積蓄階段，18-20日為靜穩天氣持續影響下的污染發展階段，22-23日為強冷空氣帶來的污染暴發和消散階段。

2.1.2 氣象條件分析

從高低空天氣形勢(圖略)及氣象要素變化(圖2)可知，14—17日為污染第一階段，常州500 hPa高空由偏西氣流轉為西南氣流，地面由高壓系統轉為鞍型場，風速由2.0 m·s-1進一步減小到1.5 m·s-1以下，相對濕度增加至85%以上并伴有陣性弱降水。此階段常州PM2.5質量濃度呈逐漸升高趨勢，弱降水期間PM2.5質量濃度維持，濕清除作用不明顯；降水過后溫度升高，在高濕和低風速條件下，PM2.5質量濃度快速上升，于16日18時起持續19 h重度污染，能見度最低只有0.8 km。17日04時的后向軌跡資料顯示(圖3a)，氣團由安徽到達江蘇，高低空氣團來向較為一致。氣溶膠激光雷達資料顯示(圖4a)，17日常州氣溶膠層的高度在1 km以下，邊界層上空未出現明顯污染帶，表明此階段沒有垂直方向的污染傳輸。

圖2 2018年1月14-23日污染期間常州PM2.5質量濃度和氣象參數變化

18-20日為第二階段。500 hPa高空為西北氣流，伴隨冷高壓入海，地面轉為均壓場，常州重污染持續時間長達56 h，PM2.5質量濃度進一步升高，峰值濃度達261 μg·m-3，其間能見度約1～2 km，最低只有0.9 km。后向軌跡資料顯示(圖3b),19日04時江蘇邊界層500 m內的污染氣團來自東部海域。19日凌晨,常州邊界層上空出現強污染帶(圖4b)。由此可知，海上高壓將滯留于山東境內的污染物向常州輸送，在下沉氣流作用下將高空污染物輸送至近地面，加劇污染程度。

圖3 各污染階段常州500 m、1000 m、1500 m高度氣團的36 h后向軌跡(a)1月17日04時(第一階段)，(b)1月19日04時(第二階段)，(c)1月23日04時(第三階段)

圖4 各污染階段常州雷達觀測(a)1月17日(第一階段)，(b)1月19日(第二階段)，(c)1月23日(第三階段)

22-23日為第三階段。從全國PM2.5質量濃度空間分布圖看(圖略)，受冷鋒南下影響，氣壓、風向、風速變化大，強偏北氣流推動污染物整體向南輸送，常州PM2.5質量濃度呈現驟升驟降的特征。其間雖有短時降水，但小時降水量不足1 mm，降水期間濕度增加、氣溫降低，PM2.5質量濃度有所升高。冷鋒鋒面到達常州前10 h，氣溶膠激光雷達資料顯示(圖4c)，近地面垂直方向有明顯的污染傳輸。后向軌跡資料同樣顯示(圖3c)，污染氣團來自北方遠距離傳輸。受傳輸影響，22日19時起PM2.5質量濃度以每小時30 μg·m-3速度上升至重度污染。污染氣團主力過境后，近地面PM2.5質量濃度在4 h內下降了100 μg·m-3，空氣質量由重度污染迅速轉為優，能見度由1.6 km回升至15 km，持續性污染過程消散。

2.2 PM2.5化學組分分析

OC/EC值是目前常用來判斷二次生成的簡便方法。通常認為，當OC/EC值大于2時，大氣中有二次有機氣溶膠生成[19]。柴油和汽油車尾氣排放的OC/EC值為1.0～4.2，燃煤排放的為2.5～10.5，生物質的燃燒排放為16.8～40.0[20]。14-23日OC/EC值為3.2，表明有明顯的二次有機氣溶膠生成，且主要來自機動車尾氣和燃煤共同排放。

14-23日常州SOR和NOR分別為0.38和0.25，均高于0.1，表明大氣中SO2和NO2的二次轉化過程較明顯。從SOR和NOR的變化趨勢看出(圖5)，SOR整體高于NOR，表明在同樣的大氣背景下，常州SO2轉化為二次污染物的效率更高。

圖5 2018年1月14-23日污染期間常州SOR和NOR變化

表1 PM2.5及化學組分濃度 μg·m-3

2.3 不同污染階段城市間PM2.5質量濃度差異

圖6和圖7給出南京、常州和蘇州PM2.5質量濃度和風速變化趨勢。三座城市PM2.5質量濃度和風速均有顯著的負相關關系，其中常州PM2.5質量濃度與風速的負相關性最強，相關系數為-0.57。各污染階段城市間PM2.5質量濃度變化趨勢不同。第一階段，常州與蘇州PM2.5濃度變化一致，相關系數達0.87。對比發現，此階段風速對污染影響較大，其間常州擴散條件總體較差，16日常州風速1.3 m/s，南京和蘇州風速均在2.0 m/s以上，17日區域靜穩條件下，常州風速仍保持最低，低風速使常州污染更容易累積，PM2.5質量濃度最高，蘇州風速大，擴散條件相對較好，PM2.5質量濃度最低。第二階段，高壓入海前期，三座城市PM2.5質量濃度均略有下降，海上污染氣團最先影響南京和常州，常州PM2.5質量濃度上升速率最快。由于南京與常州PM2.5質量濃度峰值同時出現在午后，垂直擴散條件相對較好，PM2.5質量濃度逐漸下降。蘇州PM2.5質量濃度峰值出現在夜間，邊界層高度降低且風速最小，使PM2.5質量濃度增加，導致蘇州PM2.5質量濃度峰值最高。此階段三座城市PM2.5質量濃度變化趨勢存在較大差異。第三階段，三座城市風速均增加至3 m/s以上，PM2.5上升和下降速率接近。南京位于上風向，PM2.5質量濃度最先升高，常州最先達到濃度峰值，且峰值最高，蘇州比常州晚2 h達到濃度峰值。

圖6 2018年1月14-23日南京、常州、蘇州PM2.5質量濃度變化

圖7 2018年1月14-23日南京、常州、蘇州風速變化

3 結論與討論

結合氣象數據、污染物監測資料、顆粒物化學組分等多種實測資料,分析了常州一次持續重污染過程演變特征，探討了不同污染階段城市間PM2.5質量濃度變化差異。

(1)結合氣象觀測資料及PM2.5質量濃度變化趨勢，可將污染大致分為三個階段:第一階段在靜穩天氣初期，本地污染排放對空氣質量影響較大，區域內局地差異較明顯。第二階段在持續靜穩天氣條件下，受本地污染累積與海上污染輸送共同影響，常州重污染持續時間長達56 h，PM2.5質量濃度峰值達261 μg·m-3。第三階段在強冷空氣南下過程中遠距離輸送造成了暴發式重污染，PM2.5質量濃度約以每小時30 μg·m-3速度呈現驟升驟降的變化特征。

(3)各污染階段城市間PM2.5質量濃度變化存在差異。靜穩天氣階段，南京、常州和蘇州PM2.5變化趨勢較為一致，常州風速最低、PM2.5質量濃度最高，蘇州相反。整體上三座城市PM2.5質量濃度與風速呈顯著的負相關關系，其中常州PM2.5質量濃度與風速的負相關性最強。