大气超级站网建设及在江苏区域的集成应用实践

汤莉莉，刀 谞，秦 玮，余家燕，张祥志，王晨波，杜嵩山，张 璘，陈 诚，秦艳红，丁爱军

1.江苏省环境监测中心，江苏 南京 2100362.南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 2100443.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 1000124.重庆市生态环境监测中心，重庆 4011475.南京大学，江苏 南京 210046

大气超级站网建设及在江苏区域的集成应用实践

汤莉莉1,2，刀 谞3，秦 玮1，余家燕4，张祥志1，王晨波1，杜嵩山1，张 璘1，陈 诚1，秦艳红1，丁爱军5

1.江苏省环境监测中心，江苏 南京 2100362.南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 2100443.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 1000124.重庆市生态环境监测中心，重庆 4011475.南京大学，江苏 南京 210046

当前全球大气环境问题趋于复杂化，区域性灰霾、酸雨和以臭氧、二次有机气溶胶生成为主的光化学污染问题成为大气环境保护领域关注的重点、热点问题。江苏省大气污染由过去单一的煤烟型污染逐步转变为多种污染物、多种作用机制同时存在且相互影响的复合型污染，成为影响广大人民群众身体健康和生态文明发展的重要因素。笔者对欧美和中国关于大气超级站网设计和建设进行了简要评述和比较分析，提出适合江苏省环境监测体系现状的大气复合型超级站网建设、区域数据综合集成及应用发展等方面的建设理论。

大气超级站网；区域集成应用；建设；江苏

空气污染问题涉及大气中复杂的物理和化学过程，其时间尺度和空间尺度跨度均较大，且大气本身的运动较为复杂[1]。随着经济的快速发展，江苏省大气污染性质发生了显著变化，已经由过去单一的煤烟型污染逐步转变为多种污染物同时存在且相互影响的复合型污染，成为影响广大人民群众身体健康和生态文明发展的重要因素。在传统的一次污染得到逐步有效控制的情况下，以光化学烟雾污染、细颗粒污染为主要特征的二次污染问题凸显，传统的、以单一类型污染为研究对象的监测与模拟预测方法已经很难揭示其成因及演变规律[2-3]。因此，要认识大气污染的时空变化规律，揭示其发生、发展和输送机制以支撑大气污染防治对策和预警应急措施的制定，迫切需要发展多手段集成的区域大气超级站网建设与集成应用分析技术。

为了更好地了解江苏省大气污染产生机制和变化趋势，需要对各地的污染物排放、空气质量状况、污染物环境效应特性、地形地貌及扩散条件开展观测，在江苏省现有的城市、区域和质控空气质量监测网络的体系下，笔者调研和总结了国内外大气综合监测网络建设方案，提出适合江苏省环境监测体系现状的大气复合型超级站网建设及集成应用理论，并讨论其在大气污染防治管理中发挥的作用。

1 国内外区域超级站网建设与发展历程

1.1国外研究现状及趋势

国际上大气污染综合观测技术的发展主要经历如下3个阶段：①20世纪80年代以前，主要发展地基探测技术和建设地基空气质量监测网络，目标监测污染物包括悬浮颗粒物、酸雨、二氧化硫、氮氧化物、臭氧等常规污染物及其主要前体物。②20世纪70年代末期至90年代，欧美国家在酸雨、平流层臭氧损耗、光化学污染和气候变化等重大环境问题驱动下，开展了一系列大型国际科学试验计划，实质性地推动了大气探测技术向纵深方向发展。③自2000年以来，国际上大气污染探测技术的发展又有了突破性的进展：首先，与二次污染形成密切相关的短寿命活性成分以及对于揭示二次颗粒形成机理有重要作用的分粒径化学组分的高分辨率测量技术飞速发展；其次是小型化探测仪器迅速得到应用，使移动走航观测在向高精度集成方向发展的同时也向小型机动化平台方向迈出一步。这些观测平台在一些大型科学试验中的集成应用也不断得以加强，成为国际大气环境乃至整个大气科学领域科学试验和业务监测未来的发展趋势。

在全面回顾大气污染治理以及颗粒物标准制定历程基础上，美国环保署(USEPA)在1997年发布了经修订的颗粒物大气环境质量标准并增加了PM2.5的标准[4]。1998年3月为了优化这一行动，USEPA提出了颗粒物“超级站项目”。该项目[5]主要目的首先用于研究颗粒物的化学特性，包括在不同地区颗粒物的化学组成、前体物、复合污染物及其在大气中的迁移转化规律和来源等，这些信息对于促进大气模型的研究建立以及管理者关于暴露风险评价政策的制订等都有重要的意义。其次，超级站的设立还能很好地为PM2.5的人体暴露和健康效应提供信息，并且能解答诸如“排放源、环境空气中颗粒物的浓度、人体暴露以及健康效应之间的关系”等问题。最后，超级站项目还进行各种污染物的监测手段测试研究，有助于择优选取最合适的方法用于颗粒物化学性质的研究。超级站的建立还为很多科学组织提供了一个广泛的交流平台，使得众多的研究成果能够得到比对和综合分析。美国先后建成的NCore监测网[6]和IMPROVE灰霾超级站网就是这个项目应用的典型案例[7]，由于建设目标不同，这2个观测站网的监测因子有很大差异。

综合来看，美国先后发展了5种主要类型的空气污染物测量监测站或网络。国家和地区空气监测站(SLAMS)[8]、PM2.5化学形态网络(CSN)[9]、光化学污染评估监测站(PAMS)[10]、国家空气有毒有害物趋势监测站(NATTS)[11]和国家核心监测网络(NCore)[12]。其中PAMS网是基于美国一直没有解决的臭氧污染问题而逐步建立起来的。美国1990 年的清洁空气法案第182条(c)(1)中要求管理者颁布规则来加强监测臭氧、氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物(VOCs)，来获得针对臭氧空气污染方面更全面和有代表性的数据。总之，国外的经验表明，多手段大气污染一体化监测应用与集成是未来开展大气污染控制相关基础研究和业务监测的趋势；但也告诉我们，多手段监测技术平台的“集成”并不是简单的不同类型仪器的“拼凑”和“整合”，必须以环境管理问题为驱动，才能最大限度地发挥超级站数据集成应用平台的作用，真正支撑对于大气污染防治问题的认识和满足业务应用的需求。

因此，借鉴国外先进的大气超级站网的建设目的和作用，针对不同的环境管理和科技发展需求，超级站网络需按照多监测点来设计：确定预计将发生在该网络覆盖范围内的最高浓度；测量高人口密度地区的典型浓度；确定重要的来源或来源的类别对于空气质量的影响；确定背景浓度水平；在二级标准的支持下确定地区间的区域污染物传输范围；根据能见度、植被破坏或地形的影响，测量空气污染的影响。例如，利用臭氧和臭氧前体物的环境浓度来判断达标或不达标，辅助跟踪VOCs和NOx排放源变化，更好地表征臭氧问题的性质，我们要根据区域臭氧污染发生的特征，建立当地的区域PAMS观测网，同时，站点并不是永久建立的，可以根据环境管理不断变化的需求和优先事项来做调整。

1.2国内研究现状及趋势

国内在大气污染多平台一体化监测方面虽然起步比发达国家晚一些，但也已经有了较好的基础，并取得了一些重要的进展。早在20世纪80 年代初，由中国环境科学研究院主持的“六五”国家科技攻关项目“太原地区大气环境综合观测研究”即针对太原市煤烟型大气污染开展了地基-飞机立体监测，查明了太原市及周边地区污染物的三维分布和输送规律[13]。“七五”期间，国家重点科技攻关项目在川贵和两广地区围绕酸雨问题开展了地面-高山观测，中国科学院大气物理研究所在成渝和贵阳地区开展了云水和降水的飞机航测[14]。这些工作是中国早期利用多手段一体化监测技术研究大气污染问题的成功案例，具有开拓性意义。2000 年以后，随着区域大气复合污染问题的加剧和环境监测技术的发展，大气污染多平台监测技术得到了快速发展和应用。北京大学、清华大学、中国科学院、中国环境科学研究院、气象部门等的大气科学研究学者基于研究目的，在北京及其周边地区和珠三角地区组织了多次有关城市群区域大气复合污染的大型观测，包括在 2004、2006、2008年3次组织珠江三角洲区域空气质量综合观测(PRIDE-PRD)以及在2006、2007、2008年3次组织北京空气质量研究观测活动(CARE Beijing)。这些观测已经为中国建立大气超级站做了充分的探索和可行性研究。

近年来，针对频发的重污染过程以及大型赛事活动保障等，科研院所组织精干力量开展集中的利用地基[15]、车载[16]、船载[17]、机载[18]、卫星[19]、激光雷达[20]等一种或多种平台分别在华北、华东、华南等地区开展强化观测研究，并取得了一些重要成果。尽管已经取得了上述重要进展，但与国外相比以及与满足当前所面临的复合大气污染的实际需求相比，中国在区域大气污染多平台一体化监测技术的集成应用方面仍然存在较大差距。

2 江苏省区域超级站网集成建设及应用

2017年环境保护部统一部署，要求长三角地区开展大气组分网和光化学网的建设运行工作，为大气颗粒物污染和光化学污染成因分析和治理措施效果评估等提供技术支撑。根据组分网和光化学网的设置和监测要求，江苏省基于已有的观测站网，围绕区域大气化学组分和光化学监测的工作目标，按照边建设、边运行、边完善的工作方式，开展了江苏省区域超级站网的集成应用。

2.1大气复合型超级站网建设

2.1.1 江苏省大气监测网络建设及发展

2.1.1.1 以手工监测为主逐步转变为自动监测为主的空气质量监测网络

为评价城市空气质量的状况和变化趋势，江苏省环境空气质量监测网络初建于20世纪80年代，并经历了先后2次的优化与完善。第一次为20世纪90年代以前，有92个大气监测点位，监测方法为手工监测；第二次为20世纪90年代后，各设区市通过网格优化，确定60个监测点(含清洁对照点)，形成了设区市环境空气质量监测网络，同时将52个县(市)约240个监测点组成江苏省小城镇空气监测网。

江苏省的空气自动监测工作起步较早，1984年开始，南京、苏州、南通等城市相继建立了该市的空气自动监测系统，经过30多年的发展，迄今全省已建成182个空气质量自动监测站，并实现了县级以上城市空气质量新标准监测的全覆盖。

2.1.1.2 完成新标准监测能力建设和超级站网初具规模

在大气复合型污染形势下，现有常规监测网络已不能反映其变化规律和趋势。2012年，随着新修订的《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)和《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)的颁布，江苏省实施了“二期站网项目”能力建设，全省全部具备PM2.5监测能力，同时率先发布PM2.5等监测信息。

为研究全省大气复合污染及光化反应机理，开展颗粒物组分、形态及空间立体观测等因子的深度分析，除了省级层面新建大气多参数站和质控中心实验室，配备了包括VOCs在线监测仪、气溶胶化学组分观测仪、气溶胶激光雷达、颗粒粒径数分布仪、浊度计等深度分析监测仪器设备外，还要求13市具备大气灰霾监测能力。目前全省已形成四大块能力：一是常规污染物观测；二是气溶胶、光化学观测；三是边界层、气象观测；四是大气监测质量控制能力。

全省形成的初具规模的大气超级站网不仅满足了新标准中“新六项”监测能力的要求，而且通过开展不同粒径颗粒物监测，分析PM2.5构成及来源，研究光化反应机理，开展大气污染立体观测，形成了多样化、全方位的三维立体大气区域复合污染监控预警能力，实现对区域大气复合污染形成机制及过程的综合监测。

2.1.2 大气超级站网的建设思路与状况

江苏省常规环境空气质量监测主要实现以下目标：①确定监测网覆盖区域内空气污染物可能出现的高浓度值；②确定各环境质量功能区空气污染物的代表浓度，判定其环境空气质量是否满足环境空气质量标准的要求；③确定重要污染源对环境空气质量的影响；④确定环境空气质量的背景水平；⑤确定环境空气质量的变化趋势；⑥为制定地方大气污染防治规划和对策提供依据。因此地方常规环境空气质量监测点可分为4类：污染监控点、空气质量评价点、空气质量对照点和空气质量背景点。

在大气复合型污染形势严峻的当前，当现有的常规监测网络和数据发布已不能很好地反映江苏省大气污染状况，就需要对大气开展综合监测，系统了解大气污染中的一次污染物、二次污染物及其转换机制、区域性复合污染的生消机制及其影响范围。鉴于江苏省各大城市群存在的区域性大气复合型污染问题，是一个集颗粒物污染、煤烟型污染和光化学污染集中出现互相影响的态势，结合环境保护系统的政策导向，建立一个拥有更加全面的监测项目、更加先进的监测技术且能达到更具深度的监测目标的监测站势在必行，故提出了在江苏省建设空气质量超级站网的概念。相对于常规监测站而言，空气质量超级站是针对某个特定地区和特定问题进行全面监测的站点，它是对现有的城市和区域功能监测子站的监测能力的加强，通过优选站点，可以实现对复合污染物(颗粒物、气态污染物、VOCs)和气象参数的全面监测。江苏省建设大气复合型超级站网的主旨在于，把握复合污染的区域性传输要点，不以行政区域为划分准则，在全省范围内进行区域统筹规划，推行“一个大气”的监测理念。

江苏省快速的经济增长，污染源分布的变化，以及由于气象、地理条件引起的污染物区域间传输影响，使大气环境污染成因和过程变得十分复杂，为了给环境管理提供坚实的数据基础，需要建设不同层次、不同尺度、不同规模的监测网络。根据江苏省现阶段的经济、技术条件，在现有的城市空气质量监测网络基础上， 依托“十二五”期间国家已经建立的大气背景监测网、酸沉降监测网、沙尘天气对大气环境影响监测网等，需通盘考虑江苏省不同区域和重点监测网络布局，通过这种网络形式的建设，推动复合型污染的综合监测网络建立。

2.2大气复合型超级站联网集成

2.2.1 数据采集和查询建设

针对13市陆续建立的超级站(多参数站)，采取先实现所有数据联网集成的工作。数据采集建设包括了数据采集与质量控制、质量管理、数据处理和上传等。其中数据采集与质量控制主要是科学设计数据采集，仪器状态量，质量控制(包括自动审核、人工审核、自动人工导入等)，数据存储，数据监控等功能组件，系统自动识别仪器状态(不局限于在线、离线)，并在中心端实现对13个设区市超级站观测数据的采集、处理与存储管理。而处理、上传和推送是对数据进行分析和加工的技术过程，包括对各种原始数据的分析、整理、计算、编辑等的加工和处理过程，按照不同类型和需求，自动上传采集原始数据，可以实现通过数据共享下载平台向指定服务器通过FTP方式进行数据推送。

2.2.2 监测数据和图表再分析建设

监测数据再分析主要是对已初步分析处理的产品进一步融合新的监测数据，通过各种模型或手段分析产生新的数据产品。例如，气象与监测数据融合、监测数据空间再分析，涵盖了多因子间关联分析、多站点间关联分析。

图表分析要求多样化，例如获得污染图、散点图、时间序列玫瑰图、雷达图、污染风向坐标定位图、污染物叠合气压场、风场空间分布图、日报管理、数据统计等，以及针对超级站的分析产品(EKMA曲线、VOCs组分、VOCs组分光化学活性OFP、VOCs实时来源解析和SOA的生成、PM2.5实时来源解析等)，还有在GIS地图上的空间展示。此外，也可利用内嵌PMF受体模型，依托实时采集的颗粒物及其组分、VOCs及其组分监测数据分别进行颗粒物与VOCs在线源解析，源解析过程中可人工设定示踪因子，并生成运算过程与质控图表产品。

基于上述再分析过程，最终实现超级站各种监测因子的报表管理、数据统计和综合分析。

2.3超级站网在环境管理中的应用

江苏省对区域大气复合污染观测网集成应用的研究虽然起步较晚，但在满足常规大气监测任务的基础上，利用已经建成的全省大气超级站网，充分挖掘其在大气科学问题方面的研究潜力，为大型赛事活动空气质量保障和秋冬季重污染天气预报预警及污染控制对策制定提供了技术支撑。

2.3.1 大型赛事活动空气质量保障应用

以南京青奥会空气质量保障为例。2014年8月16—28日，江苏省环境监测技术团队联合中国科学院大气物理研究所、北京大学、南京大学等18家单位，组成了一支精干的科研团队，利用具有国际先进水平的实时测量仪器，针对细颗粒(PM2.5)、臭氧、挥发性有机物等大气污染物，开展了动态与静态相结合、水平与垂直相结合的立体式观测，观测结果服务应用青奥会空气质量会商，预测预报空气质量变化趋势，跟踪评估管控措施效果，为青奥会空气质量保障提供了有力的技术支撑。

针对夏季臭氧污染重等特点，顶住4次不利气象条件的影响，联合观测和区域超级站的综合集成分析为这次保障机制的科学凝练提供了重要的参考依据，保障机制可以概括为“一核两圈、四控并举、跟踪督查、科学研判”十六个字。“一核两圈”是以南京市为核心，周边百公里范围内的镇江、扬州等8市为第二圈层，之外的长三角其他14个城市为第三圈层，协同治污，联防联控；“四控并举”具体包括控煤、控产、控尘和控车；“科学研判”是建立环保专家会商和研判机制，根据实时空气质量和气象条件综合分析，结合南京市及周边城市超级站分析结果，及时预测预报未来3 d空气质量变化趋势，提前指导管控措施调整和督查力量调配，为整个保障工作提供了强有力的技术服务。

2.3.2 在区域重污染天气预警预报中的应用

已建成复合型区域大气污染物监测监控体系，大部分覆盖了城市污染源排放、区域性传输、背景区域等各个尺度；在监测项目上，建立全系列的监测参数，如一次污染物、污染物产生的前体物质、二次转化物质，监控其产生、传输、转化、沉降、洗脱等过程；结合污染物的光学、化学和物理特性开展监测，可了解其对环境效应的促进和贡献；部分超级站还配置了先进的气象观测设备和空间立体观测设备，结合污染源变化趋势，将更好地说清复合型污染的反应机理。

在开展综合观测的基础上，结合强大的数据综合处理工具，运用先进的计算机技术，建成集前端监测层、数据采集/集成层、数据传输层、数据综合管理、预测预警模块、发布展示为一体的监测监控体系，实现环境空气质量的全方位监控。建设大气超级站对区域大气污染实行预警预报，为全面评估区域大气复合污染、传输特征及其危害提供科学依据；同时有助于推动大气环境决策支持预警平台的建立，对区域大气环境质量状况和未来发展趋势做出比较清晰的阐述和科学判断，为大气环境管理做出科学决策。

2.3.3 在区域大气污染联防联控中的应用

坚持“一个大气”的管理理念，针对长三角和江苏省大气污染区域特征日益明显的变化趋势，区域经济的一体化、环境问题的整体性以及大气环流造成区域内城市间污染传输的影响给现行环境管理模式带来的巨大挑战，需要实行大气污染的联防联控机制，不同尺度、不同类型大气超级站的建设有利于联防联控效果的评估和大气污染控制措施的持续改进。

围绕国家PM2.5和臭氧协同控制及重污染应急防控的管理需求，江苏省从2015年开始进行全省颗粒物源解析工作，2016年启动区域大气颗粒物组分网建设，2017年开展光化学监测网的建设，这些能力建设工作均拓展了对PM2.5形成机制和大气灰霾生消过程等前沿科学问题的研究应用，促进了PM2.5来源解析和夏季光化学臭氧污染方面的深入研究，更提升了对于区域大气污染排放的科学精准的联防联控能力。以全方位立体化的观测数据，满足开展环境空气质量变化特征和污染来源研究的需要，为环境空气污染来源解析提供准确和可靠的环境质量信息，为政府提出污染控制措施提供技术依据，定量评估区域大气污染综合防治措施成效，为环境管理和综合决策提供长期基础数据和科技支撑。

3 展望

江苏省区域大气超级站网的建设目的，除了针对不同观测尺度和研究目的明确监测站类型外，还结合国外关于监测点位设计经验和江苏省现状，提出江苏省大气复合型污染超级站点位设计的要求，明确各类型超级站监测点位的监测目标和覆盖尺度。

但同时也应看到在具体监测点位选址方面(包括选址原则及流程)，从空间代表性、地形与区域位置要求等方面还有待于进一步优化和深入研究。目前的超级站网是在原有的13市和省本级已建站点基础上集成而成的，面对江苏日益复杂的环境形势，一方面需在污染物区域传输通道、区域光化学污染形成等点位按气态污染物、气溶胶浓度和光学特性、物理和化学特性、气象及立体观测方面提出进一步的优化方案；另一方面，为解决江苏省大气重污染治理中的纠纷问题，需要打破地区分割、行业界限，要实现各区域各部门之间大气化学组分监测信息共享，联防联控共同治理环境空气质量和制定相关环境决策，为治理大气污染防治提供有力的技术支撑。

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ConstructionofAtmosphericSupersiteNetworkforAirCompoundPollutantsandRegionalIntegrationApplicationinJiangsu

TANG Lili1,2,DAO Xu3,QIN Wei1,YU Jiayan4,ZHANG Xiangzhi1,WANG Chenbo1,DU Songshan1,ZHANG Lin1,CHEN Cheng1,QIN Yanhong1,DING Aijun5

1.Jiangsu Environmental Monitoring Centre，Nanjing 210036，China2.Jiangsu Collaborative Innovation Centre of Atmospheric Environment and Equipment Technology(CICAEET)，Nanjing University of Information Science &Technology，Nanjing 210044，China3.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre,Bejing 100012,China4.Ecological Environmental Monitoring Centre of Chongqing,Chongqing 401147，China5.Nanjing University，Nanjing 210046，China

The global atmospheric environment becomes more complicated. Regional dust-haze, acid rain and photo-chemical smog of ozone & secondary organic particles prove to be hotpots in environmental protection issues. Air pollution in Jiangsu province transformed gradually from the past single coal-smoke pollution into compound pollution with a variety of mechanisms exist and mutual influence of compound pollution at the same time, which affects the people’s health and ecological civilization development. There was a review and commentary about air quality monitoring network designing specifications of the US, Europe and China in this paper, with a contrast was made. This paper analyzed monitoring method concerning different pollutants, set up supersite theory for Jiangsu under current atmospheric quality monitoring network in city and region level.

atmospheric supersite network;regional integration application;construction;Jiangsu

X84

A

1002-6002(2017)05- 0015- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.05.03

2017-06-04;

2017-08-04

国家自然科学基金重大研究计划(D0512，91544231)；国家重点研发计划(2016YFC0200505)；江苏省环保科研课题(2015017)

汤莉莉(1973-)，女，江苏连云港人，博士，研究员。