廣州市污染天氣類型與化學組分特征分析

陳彥寧，梁永健，裴成磊,2，高 健

（1.廣東省廣州生態環境監測中心站，廣州 510006；2.廣東省環珠江口氣候環境與空氣質量變化野外科學觀測研究站，廣州 510275；3.中國環境科學研究院，大氣環境研究所，北京 100012）

0 引言

上世紀70年代以來，隨著社會經濟的高速發展，空氣污染日益成為中國面臨的嚴峻挑戰[1]。隨著國務院2013年《大氣污染防治行動計劃》和2018年《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》的實施，我國的環境空氣質量得到了全面改善[2－5]。盡管如此，珠江三角洲（PRD）長期以來一直被認為是中國光化學污染嚴重的地區之一[6]。2009年～2019年，珠三角臭氧（O3）月平均質量濃度由47.8μg/m3增至62.7μg/m3；PM10質量濃度從76μg/m3降至40.2μg/m3[7]。這表明珠三角的顆粒物污染正在快速降低，而以O3為代表的光化學污染形勢仍不容樂觀[8]。

造成空氣污染的因素主要分為3類：排放、化學和氣象。空氣污染的內因和外因分別是排放、化學過程和氣象條件。YIN C等[9]研究發現，2014年～2018年氣象因素對廣州空氣污染的貢獻占主導作用。MOUSAVINEZHAD S等[10]研究發現，從2015年～2019年，氣象因素對O3變化的影響在珠三角空氣污染中占主導地位。CHEN X等[11]研究認為，局地氣象因子中降水、地表溫度和緯向風對華南地區地表中O3的影響非常顯著。由此可見，氣象因素在珠三角的光化學污染中扮演重要角色。不同的天氣類型導致各個氣象要素產生不同程度的變化，從而直接和間接地對空氣質量產生影響。采用天氣分型方法對大氣環流模式進行分類，可識別和表征不同空氣污染水平下特定的天氣條件[12]。廣州市位于珠三角中部核心地區，采用主觀天氣分型方法對廣州市2020年4月～2021年3月的污染天氣進行分型，探討廣州污染天的主要天氣類型及各自特點、相應污染物組分的變化情況。相關研究結果可為廣州市制定空氣污染預警和管控措施提供策略支持。

1 研究試驗部分

1.1 觀測時間與點位

觀測時段為2020年4月1日～2021年3月31日。觀測點為廣州吉祥路大氣超級站（113.27°E，23.12°N，海拔51m），位于廣州市吉祥路95號8樓樓頂，周圍無建筑物遮擋，視野開闊。距站點周邊為居民住宅與商業混合區，無明顯工業污染源。站點北面150 m、南面500 m、東面1.4 km和西面1.1 km分別為廣州主干道東風中路、中山五路、東濠涌高架路和人民高架等，受交通源影響較大。

1.2 觀測指標與儀器

研究中環境空氣常規污染物SO2，NO，NO2，CO和O3分別采用Thermo43i二氧化硫分析儀、Thermo42i氮氧化物分析儀、Thermo48i一氧化碳分析儀、Thermo49i O3分析儀在線測定。可吸入顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5）由Thermo5030i分析儀配置不同直徑的切割頭在線測定。VOCs使用法國Chromatotec公司生產的自動在線GC866型系統在線測定，該系統由2臺分析儀組成，其中，低碳分析和高碳分析分別負責C2～C6和C6～C12組分物種的采集與分析，檢測器均為氫火焰離子化檢測器。測量物種包括美國環保署光化學評估監測網規定的57種O3前體物。氣象參數由維薩拉WXT520測定，太陽輻射由錦州陽光氣象PC-2-T1太陽輻射儀測定。

1.3 數據的質保質控

SO2，NOx（NO和NO2），CO，O3，PM10和PM2.5數據的質保質控按照HJT 193—2005《環境空氣質量自動監測技術規范》執行。VOCs數據的質保質控按照HJ 1010—2018《環境空氣揮發性有機物氣相色譜連續監測系統技術要求及檢測方法》執行。VOCs系統使用PAMs物種混合標準氣體（Linde，美國）校準，標準曲線相關系數（R）≥0.950，檢測限為0.01×10-9～0.84×10-9。將環戊烷、正十二烷（每周單點核查合格率＜50%）、甲基環戊烷、1-己烯、1-戊烯（受干擾檢出穩定性較差）排除在此次研究物種之外。參與分析的VOCs物種進一步按來源與活性特征進行了分類，具體見表1。

表1 VOCs和無機元素分類名稱及所包含的組分

2 分析結果與討論

2.1 觀測期間廣州市空氣質量概況

依據HJ 633—2012《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》，將環境空氣質量劃分為6個等級（優、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染），其中，優、良等級對應AQI≤100的天數為空氣質量達標天數，輕度污染及以上等級對應AQI＞100的天數為空氣質量超標天數。統計結果表明，觀測期間廣州市空氣質量達標天數為319 d，超標天數為46 d，空氣質量達標率為87%。超標天數中以輕度污染天為主（39 d），其次為中度污染天（6 d），期間出現了1 d重度污染天。識別輕微污染天的是保證每一個優良天的關鍵，現將100＜AQI≤110的污染天定義為輕微污染天。觀測期間超標污染物的污染天數和輕微污染天數的月度分布見表2。由表2可以看出，廣州市空氣質量超標以O3超標為主且空氣質量超標不分季節，其次為NO2超標。O3超標占總污染天數的80%。與O3超標幾乎不分季節的特征相比，NO2超標主要集中在12月與1月（廣東市入冬前與整個冬季），NO2超標天數中近一半是單獨超標，其余則與O3或者顆粒物（PM2.5，PM10）同時超標。輕微污染天亦以O3超標為主，其次為NO2單獨超標及NO2與O3同時超標。說明提升廣州市提高空氣質量優良率需重點關注O2和NO2的超標情況，而消除O3和NO2的輕微污染天則是重點工作。但由于NO2與顆粒物同時超標天數并沒有統計到輕微污染天中，而可見顆粒物的輕微污染天已基本消除，這得益于近年來對顆粒物的有力管控措施，從而進一步降低了顆粒物濃度，消除了顆粒物污染，由此說明，目前對NO2的控制是消除輕微污染天的關鍵。

表2 觀測期間污染天數和輕微污染天數的月度分布d

2.2 典型污染天氣分析

為分析廣州市空氣污染天氣形勢和氣象要素特征，采用主觀污染天氣分型方法將造成廣州市污染的氣壓場主要分為熱帶氣旋型、入海變性高壓型、高壓底部型、槽脊對峙型、大陸暖高壓型、低壓槽型和冷鋒前部型7種類型，具體見表3。由表3可以看出，7種氣壓場類型控制下污染天氣形勢、污染情況及氣象要素特征，其天氣均表現出均壓、靜穩的特征。觀測期間，廣州市出現污染天的主要氣壓場類型為熱帶氣旋型、入海變性高壓型、高壓底部型、槽脊對峙型，污染超標天數分別為14,11,10和8 d。

表3 7種氣壓場類型、污染情況及氣象要素特征

通過比較不同類型氣壓場的氣象要素發現，O3污染發生時太陽輻射較強，溫度較高；而NO2和顆粒物污染超標的天氣則主要表現為低溫和低邊界層等特征。特別是在NO2與顆粒物共同污染的時候，混合層高度基本在1 000 m以下，平均風速為0.6 m/s，空氣基本處于靜穩狀態。在NO2與O2同時超標的時候，各氣象參數則基本處于污染天的居中水平，輻射強度適中，混合層高度也適中。NO2污染天與較低的邊界層高度有關，這是因為NOx主要來自一次排放，更低的邊界層容易造成一次污染物的積累[13]。因此，邊界層高度是預測廣州市超標天首要污染物為NO2或O3的一個重要因子。

對于O3污染，不同季節出現不同天氣類型有所區別：在O3污染頻發的夏、秋季節應重點關注熱帶氣旋型氣壓場。當前O3污染已有蔓延至冬季的趨勢，冬季時高壓底部型和槽脊對峙型氣壓場這2類氣壓場出現輕微污染天概率最高（各占總污染天數的50%），屬于輕微污染天需重點關注的氣壓場類型。春季時應重點關注入海變性高壓型氣壓場。在不同季節重點關注不同的氣壓場類型，有利于提前研判O3污染形勢，做好污染預警和預防工作。

2.3 不同污染天氣類型下化學組分的變化特征

通過對不同天氣類型下輕微污染天化學組分的變化特征進一步分析發現，減少輕微污染天是提升廣州空氣質量優良率的關鍵。因此，盡管NO2和O3為廣州輕微污染天的主要超標物，卻不可以在所有輕微污染天中全都以削減NOx的排放為重點，這是因為NOx濃度與O3生成量的關系是非線性的[14]。以往對珠三角O3生成機制的研究發現，珠三角中部地區O3生成對NOx飽和，對VOCs敏感[15]。輕微污染天中不同氣壓場類型不同污染超標情況下常規氣體、VOCs組分和PM2.5相對于優良日的占比見圖1。

圖1 輕微污染天中不同氣壓場類型不同污染超標情況下常規氣體、VOCs組分和PM2.5相對于優良日的變化量占比

由圖1可以看出，在輕微污染天中，NOx和VOCs的漲幅在不同天氣類型中并不相同。NO2超標天與NO2，O3共同超標天中NO2，NO的變化幅度（不同類型均值的范圍分別為143.2%～173.7%和366.5%～544.8%）明顯高于O3超標天（分別為2.6%～56.8%和-41.4%～-32.1%）。其中，在NO2超標天及NO2與O3共同超標天中，NO濃度大幅度升高，而O3超標天中NO濃度小幅度減少。NO的化學壽命較短，其主要來自于新鮮排放的氣團。因此，對于NO2超標天及NO2和O3共同超標天在不同天氣類型中均應關注本地的NO排放源。

以O3為首要污染物的輕微污染天主要包括熱帶氣旋型、高壓底部型和槽脊對峙型3種氣壓場。熱帶氣旋型氣壓場的VOCs物種的變化量占比最低。變化量占比最多的VOCs類別為LRHC（37.2%），在高壓底部型和槽脊對峙型氣壓場中變化量占比最多的VOCs類別均為C5HC（分別為106.4%和73.3%），在高壓底部型氣壓場中C5HC，C4HC和LRHC的變化幅度較為接近（分別為106.4%，101.1%和94.0%）；而槽脊對峙型氣壓場中C5HC的變化幅度高于C4HC和LRHC（分別為73.3%，45.8%和40.2%）。此外，高壓底部型的芳香烴（AROM）和烯烴（Alkenes）變化量占比在輕微污染天有所上升（分別為55.7%和19.1%），而槽脊對峙型的AROM和Alkenes變化量占比在輕微污染天則呈下降趨勢（分別為-24.4%和-26.1%）。

熱帶氣旋型氣壓場主要為東北氣流，經過珠三角東北部區域，該區域以農村地區為主[16]，這是熱帶氣旋型氣壓場VOCs變化幅度最低的一個主要原因。高壓底部型和槽脊對峙型氣壓場主要從廣州西南和南面進入廣州地區，該區域為珠三角的核心區域，二者的C5HC變化量占比在VOCs中最高，C5HC是油氣揮發的主要成分[17]，這表明油氣揮發與使用相關的排放源（主要為道路交通源）仍然是珠三角核心區域VOCs的重要來源，且在O3輕微污染天中扮演重要角色，二者區別在于高壓底部型氣壓場的氣流主要由福建廣東沿海傳輸，后經珠江口進入廣州，所經沿線均是經濟和工業活動發達地區。槽脊對峙型氣壓場的氣流主要由南海至廣州西面進入廣州，故受經濟和工業活動的影響弱于高壓底部型氣壓場的氣流，這種差異導致了2種天氣下AROM和Alkenes變化幅度的差異（高壓底部型氣壓場變化量占比上升，槽脊對峙型氣壓場變化量占比下降）。對于不同氣壓場下的O3輕微污染天，均應控制油氣揮發與使用相關的VOCs排放源。

輕微污染天中不同氣壓場類型不同污染超標情況下常規氣體、VOCs組分和太陽輻射的日變化見圖2。由圖2可以看出，NO2超標天與NO2，O3共同超標天均在夜間出現高濃度NO2，且在凌晨至上午出現高濃度的NO，主要區別在于NO2與O3共同超標天在凌晨至上午時VOCs濃度較高，由此可能導致O3與NO2共同超標。升高的VOCs物種主要為芳香烴、烯烴及C8HC，其均主要源于清晨柴油車主導的道路交通源排放[18]，2種超標天主要出現春、冬季，平均氣溫均較低，2種類型的風速和邊界層高度也均較低。因此，2種類型中NO2的化學壽命較長，容易在夜間累積。O3輕微污染天的3類氣壓場中，白天NO2的變化趨勢均較為一致；熱帶氣旋型氣壓場中上午時段的烷烴濃度略低。熱帶氣旋型氣壓場控制下O3超標天，太陽輻射強度明顯低于其他類型的O3輕微污染天，說明即使太陽輻射強度一般，也有可能出現O3污染，物理傳輸過程可能于其中起到重要作用。高壓底部型和槽脊對峙型氣壓場控制下O3輕微污染天，較高的太陽輻射是O3超標的重要原因，前體物的高值主要出現在交通早高峰時段，因此，加強對移動源的管控有利于降低O3濃度峰值。

圖2 輕微污染天中不同氣壓場類型不同污染超標情況下常規氣體、VOCs組分和太陽輻射的日變化

3 結論

（1）廣州市空氣質量超標不分季節，以O3超標為主，其次為NO2，因此，廣州市提高空氣質量優良率的關鍵是消除O3和NO2輕微污染天。

（2）發生污染的氣壓場類型天氣特征均表現為均壓、靜穩、小風，或者受下沉氣流影響天氣或靜穩或晴朗。其中O3污染發生時一般太陽輻射較強，溫度較高；而NO2和顆粒物污染時溫度較低，風速較小，混合層高度也較低。不同季節重點關注不同的氣壓場類型。

（3）熱帶氣旋型、入海變性高壓型、高壓底部型、槽脊對峙型是廣州市出現污染天的主要氣壓場類型，其中高壓底部型和槽脊對峙型氣壓場控制下50%的概率出現輕微污染天需重點關注。

（4）本地NO排放源為NO2超標天與NO2，O3共同超標天的主要原因。對于不同氣壓場下的O3輕微污染天，均應控制油氣揮發與使用相關的VOCs排放源。