长沙市2019年12月一次重污染过程细颗粒物组分特征及成因分析

金红红，肖童觉，黄河仙，陈 阳，郭 倩

(1.湖南省环境监测中心站，410019，长沙；2.国家环境保护重金属污染监测重点实验室，410019，长沙)

0 引言

2019年，长沙市仅在冬季出现了4次重污染过程，重污染天数共8 d。本研究选取了长沙市2019年12月的一次持续污染天气过程作为分析对象，对PM2.5的颗粒进行组分分析，了解该时段长沙市大气颗粒物的污染特征及气象成因，为政府制定重污染天条件下污染源减排削峰措施提供科学支撑。

1 研究方法

采用长沙市芙蓉区马坡岭组分站的环境空气自动监测获得的小时数据，PM2.5质量浓度、PM2.5中水溶性离子及碳分碳的质量浓度数据均来自力合科技(湖南)公司生产的监测仪，颗粒物雷达数据为安徽蓝盾生产的双镜微脉冲激光雷达。仪器的规格、维护、标定及数据处理质控方法均按照中国环境监测总站要求执行。

2 重污染过程特征分析及成因分析

2.1 重污染过程分析

重污染天气是指根据《环境空气质量指数( AQI) 技术规定( 试行) 》( HJ633—2012)[9]，空气质量指数(AQI)级别达到五级( 重度污染) 及以上污染程度的大气污染。2019年12月13—16日，长沙市经历一次灰霾由产生到消退的过程，近地面空气质量经历了一次持续50 h达到重度污染。以长沙市马坡岭站点为例，其中12月13日，空气质量指数(AQI)为143，14日上升至234，达到重度污染，15日持续重度，AQI为251，16日17：00开始迅速下降转好，详见图1。此次重污染期间，PM2.5和PM10均出现不同程度超标，首要污染物为 PM2.5。

图1 2019年12月13—16日马坡岭站点PM2.5质量浓度与AQI的小时变化

2.2 PM2.5中化学组分特征分析

图2 2019年12月13—16日马坡岭站点PM2.5中水溶性离子的小时浓度分布

水溶性 K+可作为生物质燃烧的标识物，Ca2+可作为建筑尘的标识物[10]。由图3可见，此次重污染期间，K+质量浓度峰值多在夜间出现，K+质量浓度从12月14日凌晨开始浓度呈上升的趋势，在12月15日03：00达到最大小时值，浓度为3.01 μg /m3，之后呈降低的趋势。K+质量浓度升高可能与上游污染气团输送中夹杂秸秆焚烧物质有关，再加静稳天气不利于大气扩散；而K+质量浓度在达到高值后下降，与地面风速加大、扩散条件转好有关。Ca2+质量浓度从 12 月 14 日开始呈明显下降，这可能与长沙市启动预警后大部分工地停止作业、道路清扫冲洗次数增加、渣土运输减少等管控措施的实施、减少了建筑尘污染贡献有关。

图3 2019年12月13日—16日马坡岭站点PM2.5中Ca2+和 K+质量浓度变化

2.2.2 PM2.5中碳组分特征分析 从图4可知，EC质量浓度变化幅度总体较小，OC 浓度随着污染程度加剧而显著增大，随污染程度降低而又逐渐减低。一般认为当 OC/EC的比值超过2.0时，即表明二次有机污染的存在[11]。长沙市马坡岭站点12月13—16日PM2.5中的OC/EC小时比值在2.5～9.5之间，而OC/EC日比值在3.7～6.2之间，呈现逐日下降的趋势，OC/EC比值均高于二次污染的判断标准，说明长沙市二次有机碳污染较为严重，同时表明政府启动车辆限行、企业限产等预警措施，在一定程度上降低了二次有机碳的占比。

图4 12月13—16日马坡岭站点PM2.5中OC、EC质量浓度以及 OC/EC比值分布

2.3 重污染过程成因分析

2.3.1 气象条件分析 通过对12月13—16日马坡岭站点的相关性进行分析，结果见图5，可知马坡岭站点PM2.5与风速、风向、相对湿度呈正相关。

图5 12月13日—16日马坡岭站点PM2.5浓度值与气象条件之间的相关性分析

由图6中13日全国地面天气形势来看，京津冀地区有一个冷高压中心，四川盆地地区有一个低压中心，湖南长沙位于两者之间，处于均压场形势控制，风速比较小，风向容易受到地形的影响，水平扩散条件较差，有利于颗粒物的本地生成累积。此为污染开始阶段。

由图6中14日地面形势来看，京津冀地区冷高压中心逐渐向东南移动，四川盆地地区有一个低压中心，湖南长沙地区位于两者之间，处于均压场形势控制，风速比较小，风向容易受到地形的影响。14日整个湖南长沙地区的近地层相对湿度增加明显，湿度增加利于污染物2次转化，地面静风形势也有利于颗粒物的本地累积。

由图6中15日地面形势来看，随着陆面高压南移，湖南长沙地区处在偏北风控制下，风力有所增加，上游输送的情况下加剧了本地污染。特别是长沙市地形为东、西、南三面环山，北面开口，地形条件不利于大气污染物的扩散。

由图6中16日地面形势来看，冷空气自外蒙地区逐渐南下，经内蒙古、陕西、湖北影响湖南长沙地区，地面北风风速逐渐增大，降温明显，扩散条件逐渐转好。但是受到北方污染地区污染传输影响，湖南长沙地区污染物浓度出现传输峰值，随后逐渐下降。整个污染过程逐渐结束。

图6 12月13日—16日全国地面天气形势分布(13日08:00、13日20:00、14日08:00、14日20:00、15日08:00、16日08:00、16日20:00)

2.3.2 污染气团来源分析 采用LPDM拉格朗日溯源模型对长沙市12月13—16日重污染天气的污染气团来源进行溯源分析，结果如图7所示。13—14日，长沙市的气团主要来自东北方向和东北偏东方向，气团贡献均以本地为主，安徽、江西等有少量贡献；15—16日，长沙市的气团来自东南方向和偏南方向，气团贡献以本地贡献为主，广西、湖北和贵州有少量贡献。由此可知，长沙市此次重污染天气主要是因为本地污染排放叠加为主，外加少量的外来输送影响。

图7 长沙市13—16日气团溯源分析

3 结论

1)2019年12月13—16 日，长沙市空气质量连续达50 h重度污染，其中12月15日污染最严重，PM2.5日均质量浓度高达203 μg /m3，超标1.7倍。此次持续重污染天气的形成主要是以本地污染排放叠加为主，外加少量的外来输送影响。

3)从气象条件分析，此次持续重污染期间，首先受大气静稳、高湿等不利气象条件影响，污染物浓度开始上升。高压和低压的共同作用，偏南风和偏北风汇合，形成准静止结构。再加长沙市地形为东、西、南三面环山，北面开口，地形条件不利于大气污染物的扩散，均是导致持续重污染的重要客观条件。后地面北风风速逐渐增大，扩散条件逐渐转好，空气质量转好。