珠江三角洲高质量浓度PM2.5和O3复合污染特征*

赖安琪，陈晓阳，刘一鸣，江明，刘一谋，王雪梅，樊琦

(1.中山大学大气科学学院∥广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室，广东 广州 510275;2.广东省环境监测中心，广东 广州 510335;3.暨南大学环境与气候研究学院，广东 广州 510080)

经济的快速发展、能源消耗量的大幅增加和城市群的不断发展，使区域性、复合型大气污染成为我国当前面临的最主要的大气污染问题[1-3]。这种复合型空气污染的一个突出特征即为以臭氧(O3)和PM2.5为代表的大气氧化性物种和细颗粒物质量浓度增高[4]。近年来，随着各种大气治理措施的实行，珠三角地区的颗粒物污染得到了一定程度的缓解[5]，但由于政府对VOCs排放控制相对薄弱加上臭氧与其前体物间复杂的非线性关系，使得臭氧质量浓度不降反升，并且已经在2015年取代细颗粒物成为珠三角地区最主要的首要污染物[6]。细颗粒物问题还未得到彻底解决，臭氧污染又在不断加剧，导致PM2.5和O3复合型污染特征在珠三角地区愈发凸显，整体环境形势依然严峻。

目前，针对珠三角地区PM2.5和O3的污染特征、理化特征、高质量浓度污染事件成因等方面的研究已取得了较多的成果[7-13]，但对高PM2.5质量浓度和高臭氧质量浓度复合型污染的关注较少。因此非常有必要对珠三角地区的大气复合污染过程，尤其是臭氧与颗粒物两者质量浓度都超标的复合污染过程进行全面和系统的研究，以使得珠三角地区的大气环境能够更进一步满足人们对美好生活的需求。

本文利用2013年至2015年珠江三角洲地区56个环境保护空气监测站的逐小时污染物质量浓度数据，分析了珠三角地区PM2.5和O3在不同时间尺度上的相关性，然后筛选出PM2.5和O3质量浓度同时超过国家大气环境质量二级标准的“双高”型复合污染日，以此分析珠三角区域复合污染的时空分布特征及影响的天气形势。

1 资料和方法

1.1 资料说明

本研究所使用的资料包括:① 2013年至2015年珠江三角洲56个空气质量自动监测站的逐小时污染物质量浓度数据。主要的大气污染物包括二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)和颗粒物(PM2.5、PM10)。② 香港科技大学环境中心大气与环境数据库网站提供的东亚地面天气图。

1.2 研究方法

国家大气环境质量标准[14]规定，PM2.524 h平均质量浓度的二级标准为75 μg/m3，O3日最大8 h滑动平均质量浓度的二级标准为160 μg/m3。本文以国家大气环境质量标准中污染物质量浓度限值的二级标准为评判准则，对2013-2015年珠三角地区56个环境监测站点的O3和PM2.5质量浓度进行筛选，定义区域内有任意一个站点的PM2.5日均质量浓度和O3最大8 h滑动平均质量浓度同时超过二级标准即算为一个复合污染日。

2 珠三角复合污染的特征分析

2.1 PM2.5和O3质量浓度的相关性研究

为了全面地了解珠三角地区PM2.5与O3日均质量浓度的相关程度，本文选取广州市监测站、深圳盐田站、东莞东城石井站、佛山华材职中站、江门东湖站、肇庆城中子站、惠州大亚湾站、中山长江旅游区站和珠海吉大站等9个站点的污染物质量浓度观测数据来进行统计分析，并选取1、4、7和10月作为冬季、春季、夏季和秋季的典型代表月份，探究4个季节珠三角PM2.5与O3日均质量质量浓度的相关性。图1为9个城市站点平均的各月份PM2.5与O3的日均质量浓度变化情况。从变化趋势来看，1、4、7和10月广州市PM2.5和O3日均质量浓度的变化非常同步，相关系数分别为0.75、0.86、0.69和0.92，表明PM2.5和O3的质量浓度大小主要受大尺度的天气系统影响，因此变化非常同步。在排放源和气象条件的共同作用下，冬季PM2.5质量浓度较高，但O3质量浓度处于较低的水平；春季PM2.5和O3的质量浓度均不易超过污染质量浓度限值；夏季光化学反应加强有利于O3生成，但PM2.5质量浓度非常低；故冬、春、夏三季不易出现PM2.5和O3的叠加污染。秋季PM2.5与O3日均质量浓度变化较为同步且都维持在一个较高的质量浓度水平，表现出明显的复合污染特征，极易出现二者质量浓度同时超过污染限值的大气复合污染事件。

图1 珠三角9个城市站点平均的各月份PM2.5与O3质量浓度月变化Fig.1 Temporal variation of daily averaged concentrations of PM2.5 and O3 in four months

9个城市站点平均的1月和10月PM2.5与O3质量浓度的日变化情况见图2。可以看到，不论是1月还是10月，PM2.5和O3质量浓度的日变化趋势均表现出明显的反位相。O3质量浓度的日变化均呈现明显的单峰型特征，质量浓度高值出现在光照强的时段，在午后达到峰值，夜间质量浓度明显减小。O3质量浓度的日变化主要与光化学反应有关，日出后太阳辐射增强，在有前体物的情况下对流层内发生光化学反应生成O3，区域内臭氧质量浓度得到补充并不断积累，并在14:00左右达到峰值。日落后，由于没有光化学反应生成臭氧加上耗氧反应的作用及近地面的沉积作用，使得臭氧质量浓度逐渐降低。日出后，大气边界层高度开始上升，O3的垂直扩散加强，因此在日出时近地面层O3质量浓度降至全天最低。PM2.5的日变化则呈现出双峰型特征，晚上和清晨出现高质量浓度值，午后至傍晚质量浓度较低。在早高峰期间交通尾气排放以及低混合层高度共同影响下，早间PM2.5质量浓度较高。白天随着边界层高度的上升，颗粒物质量浓度逐渐下降。傍晚，晚高峰的来临使得颗粒物质量浓度再次上升。

图2 珠三角9个城市站点1月和10月PM2.5与O3质量浓度日变化Fig.2 Diurnal variation of PM2.5 and O3 concentrations in January and October

综上所述，从日变化规律来看，受污染形成机理不同的影响，两者以反位相为主，PM2.5与O3小时质量浓度的峰值错时出现，即在一日之内PM2.5与O3一般不会在同一时刻产生叠加污染。而从月变化规律来看，受到大气环流形势和气象场影响，PM2.5与O3的日均质量浓度变化较为同步。特别是秋季，珠三角地区PM2.5与O3质量浓度都维持在较高的水平，极易出现二者质量浓度同时超过污染限值的大气复合污染事件。

2.2 复合污染的时空分布特征

2.2.1 复合污染的时间分布特征 根据定义，筛选出2013-2015年珠三角地区9个城市的复合污染日(图3)。结果显示珠三角共出现了161个复合污染日，其中肇庆的污染日数最多，其次是广州和佛山。2013-2015年珠三角全区以及9个城市的污染日数都呈现逐年下降的趋势，全区的污染日数从2013年的67 d下降到了2015年的32 d。2015年，9个城市的复合污染日数都在15 d以内，其中惠州全年无一天超标，空气质量改善明显。这可能与政府加大控制空气污染力度有关，在新的《环境空气质量标准》发布之后，防治PM2.5污染成为了环保工作的重点，珠三角地区的PM2.5污染有所缓解，由此使复合污染得到了一定程度的控制。

图3 2013-2015年珠三角复合污染日数Fig.3 Complex pollution days with high concentrations of PM2.5 and O3 in PRD region during 2013-2015

从图4中可以看出，9个城市的复合污染日数均呈现出10月最多，1月次之，5月份最少的时间分布特征。这主要是受珠三角地区独特的气候影响所致，珠三角属于季风气候，夏季盛行偏南风，气团来自较为清洁的南海，携带的污染物较少。虽然夏季温度达到一年最高值有利于光化学反应，但是夏季风速较大，对流活动旺盛，不易形成逆温天气，污染物容易扩散和输送，且夏季雨水充足，能有效地冲刷悬浮在空气中的PM2.5，从而显著降低颗粒物质量浓度，所以夏季O3和PM2.5同时出现高质量浓度的空气污染事件并不多。秋冬季节珠三角盛行偏北风，气团来自污染相对严重的内陆地区，上风向的污染物易被输送至珠三角。且秋季逆温天气发生频率高，下沉气流较强，地面风速小，雨水开始减弱，整体气象条件不利于污染物被扩散、输送和冲刷。另加上秋季珠三角地区气温仍然较高，强的太阳辐射有利于臭氧的生成，大气氧化性强，又会促进气态前体物向PM2.5的二次转化[15]，容易使PM2.5和O3同时产生高质量浓度。值得注意的是，10月份为全年复合污染日数最多的月份，但与之临近的9月及11月的污染日数则非常少。究其原因，可能是因为10月份是珠三角地区的主导风向从夏季风转变为冬季风的月份，此时珠三角地区可受副高、大陆冷高压和热带气旋3种天气系统影响，静稳天气形势较多，所以10月的复合污染日数全年最多。

图4 2013-2015年珠三角复合污染日数月际变化Fig.4 Inter-monthly variations of complex pollution days with high concentrations of PM2.5 and O3 in PRD region during 2013-2015

图5 2013-2015年珠三角复合污染总日数的空间分布Fig.5 Distribution of complex pollution days with high concentrations of PM2.5 and O3 during 2013-2015

2.2.2 复合污染的空间分布特征 从2013-2015年珠三角复合污染总日数的空间分布来看，珠三角地区复合污染日数的空间分布有西部多于东部、内陆多于沿海的特点，其中复合污染日数最多的站点为肇庆的七星岩子站，其次为广州的花都师范站。这主要是受到地理特征、气象条件和人为污染源分布等几方面共同作用的结果。

从春、夏、秋、冬4个季节复合污染日数的空间分布可以看出，受到不同气候条件影响，各季节污染日数的空间分布有显著差异。春季的复合污染事件则主要出现在广州和东莞一带；夏季的复合污染事件主要集中出现在佛山及其周边；秋季，全区污染都较为严重，尤其以肇庆、佛山和江门的复合污染日数最多；到了冬季，广州、东莞等东部城市的复合污染事件较多。可见，复合污染的空间分布特征复杂多样，有必要针对性地开展形成机制研究并探索不同区域的减排措施。

2.3 影响复合污染的主要天气形势

通过对高质量浓度PM2.5和O3复合污染日出现时的地面天气图的归纳分析发现，造成珠三角地区复合污染的天气形势主要有5种类型：大陆冷高压型、热带气旋型、变性高压型、副热带高压型和低压槽型。5种天气型复合污染的主要特征如表1所示。

图6 2013-2015年四季珠三角复合污染日数的空间分布Fig.6 Distribution of complex pollution days with high concentrations of PM2.5 and O3 in different seasons during 2013-2015

表1 5种天气型复合污染的主要特征 Table 1 Characteristics of five types of complex pollution with high concentrations of PM2.5 and O3

大陆冷高压型复合污染发生时，珠三角地区受青藏高原地区或内蒙古地区形成的冷高压控制，下沉气流强且稳定，背景风场多为偏北风，风速较小，易于污染物的积聚，导致污染质量浓度迅速上升。由于此类天气形势比较稳定，所造成的空气污染事件持续时间也相对较长。

热带气旋型复合污染发生时，珠三角地区受热带气旋外围下沉气流影响，多为晴朗闷热天气，强太阳辐射有利于光化学反应生成臭氧，且其外围的下沉气流不利于污染物的垂直输送和扩散，易导致污染事件的发生。

变性高压型复合污染发生时，高压主体已经从大陆东移至海洋，高压中心位于20°N以北、125°E以东的洋面上，珠三角地区处于高压脊控制之下，一直为下沉区，近地面为弱的偏北气流，风速较小，容易造成污染物累积。

副热带高压型复合污染事件发生时，珠三角受副高系统控制，天气晴热，下沉运动强烈，污染物易在近地面堆积。

低压槽型复合污染发生时，低压槽自西向东通过珠三角地区，珠三角多受弱的偏北风影响，天气稳定，污染物滞留在空气中不易扩散。由于低压槽前对流不稳定易产生降水，有利于污染物的冲刷和沉降，所以此类天气型造成的污染事件维持时间较短。

其中，受大陆冷高压影响的复合污染日数最多，占了49.4%，其次是热带气旋型和变性高压型，分别占到了21.9%和20.7%，副热带高压型和低压槽型复合污染发生次数较少，仅占4.3%和3.7%。如图7所示，各种类型复合污染的季节性变化特征显著。其中大陆冷高压型和变性高压型复合污染主要发生在8月至次年5月，夏季发生频率比较低。热带气旋型复合污染的季节变化则有着相反的特征，其在夏秋季出现频率最高，春季最少。受副高脊线的季节性移动影响，副热带高压型复合污染主要出现在10月份，低压槽型则主要出现在5-8月份。

图7 5种天气型复合污染日数的月际变化Fig.7 Inter-monthly variations of five types of complex pollution with high concentrations of PM2.5 and O3

3 结 论

本文利用2013-2015年珠三角56个环境保护空气监测站的逐日污染物质量浓度数据，分析了珠三角区域高质量浓度PM2.5和O3复合污染的时空分布特征及主要影响天气形势，结论如下：

1)形成机制不同导致PM2.5和O3质量浓度的日变化趋势呈现出明显的反位相，即PM2.5与O3一般不会在同一时刻产生叠加污染。但从月变化规律来看，PM2.5与O3的日均质量质量浓度变化较为同步，特别是秋季，PM2.5与O3质量浓度都维持在一个较高的质量浓度水平，表现出明显的复合污染特征。

2)2013-2015年珠三角共出现了161个复合污染日，9个城市中肇庆的污染日数最多，其次是广州和佛山。受益于近年减排政策的制定和执行，珠三角各城市的复合污染日数呈现逐年下降的趋势。受珠三角气候特征和地理位置影响，复合污染日数呈现出10月最多，1月次之，5月最少的时间分布特征以及西部多于东部、内陆多于沿海的空间分布特点。

3)造成珠三角地区复合污染事件的天气形势主要有大陆冷高压型、热带气旋型、变性高压型、副热带高压型和低压槽型。其中大陆冷高压型最多，占49.4%，其次是热带气旋型，占21.9%。