济南市一次持续性重污染天气的颗粒物化学组分演变分析

2022-06-23张文娟夏志勇孙凤娟王治非李敏边萌王在峰

山东科学 2022年3期

张文娟，夏志勇，孙凤娟，王治非,李敏，边萌，王在峰

(山东省济南生态环境监测中心，山东济南 250101)

在社会经济进步的同时，以PM2.5为特征污染物的区域性复合型空气污染问题日益突出。重污染天气不仅会影响大气能见度和人体健康，还会影响全球的气候变化，已经引起社会各界的广泛关注[1-2]。重污染天气是高污染排放叠加静稳不利气象条件共同作用的结果。逆温、高湿、静稳等不利气象条件是重污染发生的外因，高污染物排放是重污染天气形成的主要内因[3-4]。目前已有众多学者开展了环流背景及气象条件[5-7]、大气颗粒物化学组分特征[8-10]、区域污染传输[11-12]等相关的研究。张晓等[6]探讨气象条件对空气污染的影响，发现空气湿度大、地面风速小、天气静稳为持续性霾的发生和维持提供了有利的气象条件。贾佳等[10]对比郑州市不同污染阶段 PM2. 5水溶性离子、元素和碳质组分浓度变化，均表明二次气溶胶颗粒的大量生成是两次重污染形成的主要原因。朱媛媛等[11]对2018年11月23日—12月4日一次大范围、长时间且 PM2. 5叠加两次沙尘传输的复合型重度污染过程开展特征研究，讨论了区域污染传输的情况。因此，研究PM2.5污染特征和演变规律是探讨大气复合污染的重要途径，对污染防控对策的科学设计具有重要意义。

2020年12月8日—13日，受湿度大、大气层结稳定等不利气象因素影响，中国东部出现大范围、持续性重污染天气过程，由湖北开始逐渐向河南、山东、河北、江苏、安徽、上海多个连片省市蔓延。期间对山东省的影响最重，突出表现为污染浓度高，持续时间长。济南市是山东省省会城市，地势南高北低，呈浅碟状，污染物易于累积。本文以济南市发生的持续性重污染过程为研究对象，从污染演变过程、环流背景分析、气象要素特征、颗粒物化学组分特征等方面探讨此次重污染过程的污染特征及主要影响因素，以期找出造成大气重污染的内部原因和外在影响条件，以此提前管控达到重污染过程“削峰降速”，为济南市大气污染防治提供科学依据。

1 研究方法

1.1 数据资料

环境空气质量监测数据来源于济南市监测站的自动监测数据，监测仪器均采用BAM-1020(美国MetOne)颗粒物监测仪，该站点位于济南市交通要道与商务居住核心区，周围没有工业源，属于典型的城区代表点。研究时间为2020年12月8日—13日。

气象资料数据来自于中央气象台网站(http://www.nmc.cn/)发布的同期高空和地面的实况观测资料。

1.2 仪器与观测方法

边界层数据来自微脉冲激光雷达(北京艾沃思科技有限公司)对气溶胶的遥感反演结果。该激光雷达发射波长为532 nm，频率为2 500 kHz，空间分辨率为15 m。

2 结果与讨论

2.1 污染过程演变

2020年12月10日—12日济南市出现重污染天气过程(图1)。2020年12月8日济南市空气质量指数(AQI)为72，空气质量为良。12月9日空气质量开始恶化为轻度污染(AQI为113)，12月10日AQI迅速升至176，达到中度污染。PM2.5质量浓度从前一天的18 μg/m3增至133 μg/m3。12月11日—12日污染水平继续升高，达到此次污染的峰值，空气质量重度污染(AQI值分别为227、202)。12月13日颗粒物浓度迅速下降，AQI值降至71，空气质量明显好转，至此重污染过程结束。

图1 重污染期间济南市AQI、PM10、PM2.5日变化Fig.1 Daily changes of AQI, PM10, and PM2.5 in Jinan during heavy pollution

图2为PM2.5、PM10质量浓度的逐时变化曲线。整个污染阶段的首要污染物均为PM2.5，其平均质量浓度为137 μg/m3，最高值为235 μg/m3。污染刚开始发生时(2020年12月9日01时)，PM2.5、PM10质量浓度分别为72、112 μg/m3，此后污染物浓度逐渐累积上升。11日21时达到此次污染峰值(AQI为285)，PM2.5、PM10质量浓度分别为235、337 μg/m3，与污染刚开始时(2020年12月9日01时)相比，分别上升了226%、201%；12月13日04时，PM2.5与PM10质量浓度急剧下降，由重度污染降至轻度污染。

图2 2020年12月8日—13日污染过程期间PM10、PM2.5小时变化特征Fig.2 Hourly change characteristics of PM10 and PM2.5 during the pollution process from December 8 to 13,2020

2.2 气象条件分析

济南市污染期间逐日气象条件、AQI 变化以及同期地面气象要素的小时变化如表1和图3所示。分析重污染期间高空和地面气象资料得到：高空环流整体较为平直，以偏西气流为主；低层850 hPa受西南气流影响，存在明显暖脊，有利于逆温层结的形成；地面均压场控制，且气压场减弱，尤其是12日气压场呈明显的“两高两低”的形势，属于典型的鞍型场控制下的重污染过程。

表1 济南市污染期间逐日气象条件及AQI 变化Table 1 Daily meteorological conditions and AQI changes during heavy pollution period in Jinan

图3 同期气象要素分析(风速、湿度、边界层)Fig.3 Analysis of basic meteorological elements during the same period (wind speed，relative humidity,planetary boundary layer)

2020年12月9日，高空500 hPa环流开始变平，近地面由高压后控制转为均压场，等压线稀疏，弱偏南风有利于近地面湿度增大，造成垂直方向出现上干下湿特征，为大雾的生成和维持提供稳定的背景条件。12月10日，高空短波槽过境转为偏西北气流控制，中低层湿度较低，近地面均压，气压值有所下降，风场较弱，平均风力1.0 m/s。天空晴朗有利于近地面夜间辐射降温，造成辐射雾的形成，相对湿度自9日22:00时逐渐上升，对应颗粒物浓度不断增加(图2)。10日01:00时空气质量由“良”转为“轻度污染”。大气边界层下压(400～500 m)，静稳状态发展，相对湿度持续较高，07:00时达到中度污染水平，17:00时空气质量急剧恶化为重度污染。12月11日，地面弱冷空气短时入侵，地面小时风速基本小于1 m/s，925 hPa有暖平流，导致平流雾产生，相对湿度基本维持在80%以上，近地面充足的水汽促进颗粒物急剧吸湿增长，以及气态污染物的二次转化[4,13]，大气边界层在14：00后基本维持在150～300 m，污染物低空累积。高湿、小风、边界层大幅下降加上弱冷空气前锋，至21：00时ρ(PM2.5)=235 μg/m3，达到此次重污染过程的峰值。12月12日，近地面处于2 个高压和2 个低压之间的鞍型场中，地面弱气压场，大雾天气持续， 0:00—8:00时相对湿度持续大于90%，极不利于污染物扩散，空气质量维持重度污染；白天相对湿度有所下降，大气边界层上升，扩散条件略有好转，但污染物浓度仍维持在重度污染水平。晚上处于强冷空气前锋，风向转换导致污染物浓度再次上升。12月13日，高空低槽过境，强冷空气影响，地面转为较强偏北风，相对湿度明显下降，大气边界层大幅上抬升，扩散条件转好，空气质量明显改善，至此重污染过程结束。

2.3 水溶性离子污染特征分析

(1)

(2)

式中，n为浓度，μmol/m3。

图4 2020年12月9日—13日RS和RN时间变化序列Fig.4 Time series of RS and RN during December 9 to 13,2020

2.4 碳质组分污染特征分析

碳质组分可分为有机碳(OC) 与元素碳(EC) ，是PM2.5的重要组分部分。研究期间，济南市PM2.5中OC与EC质量浓度逐时变化见图5。可以看出，两者浓度变化趋势基本一致，其中12月9日—10日OC与EC呈波动变化，在11日—13日两者均出现明显大幅度上升，其中OC的变化幅度更甚。整个重污染期间ρOC与ρEC平均分别为16.2、2.5 μg/m3。

注：折线间断处为数据缺失。图5 OC、EC时间变化序列Fig.5 Time series of OC and EC

EC化学性质比较稳定，常被用作一次排放的示踪物；而OC则包含了直接排放的一次有机碳 ( POC) 和通过二次反应等途径形成二次有机碳(SOC)。因此，通常利用大气中ρOC/ρEC比值来识别碳质组分的排放和转化特征，表征大气中的二次污染的程度。有研究表明，当ρOC/ρEC超过2.0的时候，表明有SOC的存在[22-25]。本次重污染期间ρOC/ρEC的平均比值为6.5，这与冬季燃煤排放、生物质燃烧有关，可见本次重污染期间济南市大气中存在SOC污染。

SOC和 POC的质量浓度可以通过经过以下经验公式计算得出[26-28]：

ρPOC=ρEC×(ρOC/ρEC)min

(3)

ρSOC=ρOC-ρPOC

(4)

式中：ρSOC指二次有机碳的质量浓度；ρOC、ρEC指碳质组分中OC、EC的质量浓度；(ρOC/ρEC)min指监测中OC与EC质量浓度比值的最小值。

通过计算，重污染期间POC和SOC质量浓度分别为11.9、4.3 μg/m3。POC质量浓度高于SOC，表明一次燃烧源对污染过程有较大贡献。因此，仍需大力推进清洁取暖改造,开展散煤清查治理，坚决打赢散煤燃烧治理攻坚战。