2013年6月江苏一次大气污染过程分析

丁 铭，朱玉奇，牛志春，葛 顺，姜 晟

1．江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036

2．南京科技职业学院，江苏 南京 210048

随着江苏省农业生产的发展，农作物面积产量不断提高，秸秆资源也越来越丰富，根据2013年江苏省统计年鉴，2012年江苏农作物播种面积达7 651.57千公顷，稻子、谷子、小麦等粮食播种面积为5 336.57千公顷，年秸秆产量约在4 000万吨左右，但与此同时煤、气、电等能源已取代秸秆成为农村地区的主要能源，每年大面积秸秆被露天焚烧已成为普遍现象，短时间大量污染物排放到大气中，极易导致区域性的颗粒物重污染过程，进而使空气中悬浮颗粒浓度明显升高，对人体健康产生严重危害［1-4］;能见度下降，对交通安全也构成威胁，有时甚至会影响民航、铁路、高速公路的正常运营，因此秸秆焚烧已严重影响区域性环境空气质量。依据大量文献调研，目前在台湾台中［2］、北京［5］、郑州［6］、上海［7-8］、南京［9-11］等城市已经开展了秸秆焚烧引起的“霾”天气的研究。但由于测量手段的限制，这些研究往往局限于在某一个观测点进行离线的膜采样及组分分析，时间分辨率和空间代表性不高，无法对秸秆焚烧这类区域性、时段性的污染过程进行全面和深入的观测研究。笔者耦合了江苏全省环境观测网的颗粒物质量浓度在线监测和南京超级站的颗粒物化学组分在线观测，结合卫星遥感资料和后向轨迹模型，对2013年秸秆焚烧频发的6月发生的一次典型秸秆焚烧引起的重污染过程进行深入分析，以期为江苏省及长三角地区的秸秆焚烧控制提供决策支持。

1 数据来源

数据来自江苏省内72个国控大气监测站测点与17个国控降水测点，对环境空气中的PM10、PM2.5质量浓度进行测量;对大气降水中的离子浓度进行分析;深度分析测点位于南京市江苏省环境监测中心 6 楼楼顶(32°04'N，118°75'E)，该点位距离地面约18 m，周围无建筑遮挡，视野较为开阔，观测结果一定程度上可以代表南京市典型的商住混合区域大气污染水平。使用Marga 1S在线监测仪对 PM2.5中钾离子 (K+)、钙离子(Ca2+)、钠离子(Na+)、镁离子(Mg2+)、铵根离子()、硫酸根离子()、硝酸根离子()、氯离子(CL－)等8种水溶性离子进行浓度监测;使用Sunset热－光法对有机碳、元素碳进行监测;使用TH-300B大气挥发性有机物在线监测系统测量环境空气中挥发性有机物含量。

2 结果与分析

2.1 PM2.5日均质量浓度变化

2013年6月共发生2次污染过程(图1)，6月10—22日的污染过程最为明显，自10日起，部分城市PM2.5浓度开始升高，南京、徐州、淮安、宿迁4市达到轻度污染;13日，徐州、淮安、扬州、镇江、泰州5市达到中度污染;16日，徐州市达到严重污染，PM2.524 h平均质量浓度为284 μg/m3;之后，PM2.5浓度有所下降，大部分城市空气质量转为良－轻度污染之间。

图1 6月份江苏省空气PM2.5日均质量浓度变化

2.2 气象情况

6月10—22日气象变化情况见表1。

表1 6月10—22日天气形势变化情况

由表1可见，全省以多云到阴的天气为主，有时有小雨;高空500 hpa有低槽过境，致使高空云系增加，14—16、21日受副热带高压(简称副高)增强影响，西南水汽北上，同时近地面处于高压后边或低压带的均匀场内，风力较小，污染物不容易扩散，有利于颗粒物的吸湿增长及污染积累。

2.3 单站点污染物小时浓度变化

南京市多参数站6月10—11日对多种污染物小时浓度进行了监测，具体情况见图2。

图2 南京市省级多参数站6月10—11日监测结果

由图2可见，自10日21:00起，PM2.5浓度突然升高，至11日00:00 PM2.5小时浓度最高，达164 μg/m3;气溶胶颗粒物中黑碳和K+(生物质焚烧的指示物［11-12］)伴随着PM2.5浓度异常升高。K+浓度21:00起突然上升，浓度最高达18 μg/m3，超过6月平均浓度(0.48 μg/m3)37倍;同时黑碳浓度出现峰值，最高浓度达30.4 μg/m3，超过6月平均浓度(12 μg/m3)2.5倍。在这次污染过程期间，地面以北风为主，且风速较小，仅1 m/s左右，湿度与能见度指标与PM2.5分别呈现明显的正相关与负相关性，Pearson相关系数分别为0.530和－0.839。由此可见，在静小风的污染天气里，随着地面湿度增加，PM2.5浓度持续攀升，能见度则迅速减小，其中能见度指标与湿度的相关性较好，说明在近地面湿度较大，有利于颗粒物的形成。

VOCs小时浓度均值变化见图3。

图3 挥发性有机物1-已烯、乙炔、乙醛变化情况

由图3可见，6月10日16:00—11日20:00的PM2.5污染过程中，1-已烯、乙炔、乙醛3种挥发性有机物均出现较高的峰值，最高浓度分别高达36.56、11.47、37.7 μg/m3;1-已烯、乙炔、乙醛相关性比较情况显示，污染期间，乙炔与1-已烯小时浓度Pearson相关系数达到了0.808，乙炔与乙醛小时浓度Pearson相关系数达到了0.640，乙醛与1-已烯小时浓度Pearson相关系数则达到了0.808。由此可见，在本次污染过程中，1-已烯、乙炔、乙醛3种挥发性有机物之间存在较好的正相关性，根据李锦菊等［13-14］对秸秆燃烧过程中VOCs排放分析，乙醛、1-己烯和乙炔是来自秸秆焚烧的主要成分，可见此次污染过程可能与秸秆焚烧有关。

OC(有机碳)、EC(元素碳)日均质量浓度变化见图4。

图4 OC、EC日均质量浓度变化

由图4可见，6月10—11日 OC与 EC质量浓度均出现一次上升过程，OC浓度最高达到14 μg/m3，EC 浓 度 为 4 μg/m3，OC/EC 为3～4。根据相关文献研究［15-16］，秸秆焚烧排放大气颗粒物的主要组分为碳质颗粒与无机水溶性离子，碳质颗粒主要为OC和EC组成，石化燃烧(煤、石油、天然气)排放颗粒物中OC/EC值小于0.4，生物质燃放中OC/EC较高，范围为 3～78［15］，因此进一步说明，此次污染过程与静稳的不利气象条件下周边的生物质燃烧有关。

2.4 遥感监测及后项轨迹计算

TERRA/MODIS(过境时间每日上午10:30左右)和AQUA/MODIS(过境时间每日下午1:30左右)数据与环保部发布的“全国秸秆焚烧分布遥感监测结果”见图5。

图5 遥感监测与后项轨迹计算结果

由图5可见，6月10—11日，由于天气多云有阵雨，江苏省大部分地区被云层覆盖，卫星无法有效获取地面信息，从6月12—22日监测结果来看，安徽、山东、河北、江苏均发现了大量火点，其中以12—17日较多，每日发现火点数均达到140个左右，利用TrajStat轨迹模式［17］选取时间为6月16日后向48 h，地点分别选在徐州(34°12'N，117°15'E)、连云港(34°35'N，119°10'E)、南京(32°04'N，118°75'E)和苏州(31°10'N，E120°33'E)4个城市，起始高度为 100、500、1 500 m(AGL)高度气团进行跟踪，3条轨迹线主要来自安徽，可见在6月10—22日污染过程的后期，区域传输性复合污染已较为明显。

2.5 5、6月降雨中水溶性离子变化

5、6月江苏省17个国控点降水中离子占比情况(图6)显示，6月份K+和NO－3占比明显高于5月，分别增加了0.7和2.3个百分点，Mg2+和Cl－则有所下降，其余指标则未见明显变化。

图6 5、6月污染浓度占比变化

5月未发现火点，而6月累计发现火点达160多处，5、6月省内降水中K+和NO3－质量浓度变化情况见图7。由图7可见，6月份K+月均质量浓度为3.15 mg/L，与5月份相比，高出19.1倍;NO3－月均质量浓度为4.93 mg/L，与5月相比，高出0.5倍，由此可见，大量的秸秆焚烧可能是降水中K+和NO3－升高的原因之一。

4 小结

此次江苏省污染天气过程总体呈现3个特点:一是气象条件不利于污染物扩散。12—22日江苏省处于高压后边或低压带均匀场内，风力较小，扩散条件较差，加之副热带高压的增强，地面水汽增大，加剧了内源性排放污染物的生成;二是秸秆焚烧使得空气污染加剧，根据江苏省环境监测中心多参数观测站在线离子监测结果与全省降水离子监测情况来看，秸秆焚烧指示物K+质量浓度明显较高;从污染后期，加之周边省份(如山东、河北和安徽)发现的大量火点情况来看，区域性的秸秆焚烧污染是空气污染加重的主要原因之一;三是本地污染源的排放促进二次气溶胶的形成。根据黑碳监测指标和NO－3占比的结果显示，2项污染物作为内源排放的黑碳、NO－3均有明显上升。

此外，需要进一步探讨的问题如下:一是遥感与传统的污染监测方式不足以及时跟踪区域秸秆焚烧的污染过程。以此次江苏污染过程为例，利用遥感对区域范围的秸秆焚烧监测，由于受地面云层干扰与卫星过境时间的限制，地面火点发现情况存在滞后性，而传统的颗粒物监测虽然能及时反映污染过程，但并不能确定污染来源的情况，在此次监测过程中，仅凭南京市内一个多参数监测站点并不能完全描述江苏受秸秆焚烧污染的整个过程，因此今后在较大区域敏感范围内，增加环境空气离子在线监测和VOCs监测等地面深度监测分析设备，密切关注秸秆焚烧动态，对防控秸秆焚烧污染将大有裨益。

二是在秸秆焚烧期间，不利气象扩散条件与本地工业排放是造成区域重污染的原因之一。从观测结果看，在秸秆焚烧高发的季节，本地污染物的排放，静稳及高湿气象条件下污染物的混合造成的二次污染，是形成区域重污染天气的原因。

三是要根本解决农作物秸秆焚烧问题，应加大高科技投入以及技术推广工作，搞好农作物秸秆的综合利用，从源头上解决农作物秸秆问题。

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