常州一次重污染过程气象条件及PM2.5组分特征分析

赵亚芳， 何 涛， 叶 香， 余益军

(江苏省常州环境监测中心，江苏 常州 213000)

引 言

2018年1月14-23日江苏区域出现大范围持续性雾霾天气，细颗粒物(PM2.5)污染严重，多数城市空气质量持续重度或严重污染，导致航班延误、码头停运，严重影响居民生活并危害人体健康，受到了政府和公众广泛关注。

在区域污染源排放相对稳定的情况下，污染过程主要与气象条件有关，大气扩散条件和输送效应是决定污染物浓度的关键因素[1-3]，而如何依据复杂多变的气象参数准确预报重污染过程是亟待解决的难题。目前的研究主要是从天气形势、边界层特征、大气传输、化学生成等角度，分析环流形势或局地气象条件对重污染天气形成和演变的影响[4-6]。有关研究表明,均压场为重污染天气提供了有利的气象条件，地面风向、风速、近地逆温层等气象条件对空气污染物的传输与扩散等起着决定性的作用。此外，周边区域污染输送过程对经济发达的京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等城市群影响也不可小觑，强冷空气推动污染物传输可类似沙尘暴现象，呈跨境和跨省、市、地区远距离输送特征[7-9]。Xu等[10]的研究结果显示，本地扩散条件差和上游输送叠加是形成2013年1月上海持续性大气污染的重要条件。

本研究基于气象资料、污染物监测资料和离子组分等数据，对2018年1月14-23日常州PM2.5质量浓度演变规律进行分析，研究重污染发生、发展、消散对应的天气形势、气象要素和污染特征因子变化情况，并结合南京、苏州的PM2.5监测数据，探究城市间污染特征差异，从而为PM2.5重污染事件预报、预警等提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 常规观测资料

气压、气温、相对湿度、风速、水平能见度和降水量等气象要素为江苏省常州环境监测中心实时监测数据。南京、常州、苏州PM2.5质量浓度来自中国环境监测总站公布的逐小时监测数据(https://air.cnemc.cn:18007/)，三座城市PM2.5设备均严格按照技术规范[17]要求进行运维和质量控制，数据时段为2018年1月14—23日。江苏省城市地理位置如图1。

图1 江苏省城市地理位置

1.2 PM2.5组分资料

1.3 硫氧化率和氮氧化率计算

(1)

(2)

1.4 HYSPLIT后向轨迹模型

混合单粒子拉格朗日综合轨迹模型(HYSPLIT-4)[18]是由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型。为研究污染期间气溶胶的来源地和扩散路径，利用HYSPLIT-4计算了不同高度气团的后向轨迹。模式所用的初始气象场资料选取GDAS数据库，空间水平分辨率为1°×1°，轨迹起始高度分别为500 m、1000 m和1500 m，受体点坐标为江苏省常州环境监测中心所在的经纬度(31.80°N、119.95°E)。

2 结果与讨论

2.1 污染过程分析

2.1.1 污染过程概述

2018年1月14—23日，江苏受高压场、鞍型场和强冷空气等多种气象条件影响，空气质量反复恶化，长时间维持重度或严重污染水平。常州于15日09:00、17日05:00、19日10:00和23日02:00出现4次 PM2.5质量浓度峰值，浓度峰值分别达到159 μg·m-3、206 μg·m-3、261 μg·m-3和210 μg·m-3。结合气象条件和PM2.5监测数据，此次污染可大致分为三个阶段:14-17日为静稳天气初期引起的污染积蓄阶段，18-20日为静稳天气持续影响下的污染发展阶段，22-23日为强冷空气带来的污染暴发和消散阶段。

2.1.2 气象条件分析

从高低空天气形势(图略)及气象要素变化(图2)可知，14—17日为污染第一阶段，常州500 hPa高空由偏西气流转为西南气流，地面由高压系统转为鞍型场，风速由2.0 m·s-1进一步减小到1.5 m·s-1以下，相对湿度增加至85%以上并伴有阵性弱降水。此阶段常州PM2.5质量浓度呈逐渐升高趋势，弱降水期间PM2.5质量浓度维持，湿清除作用不明显；降水过后温度升高，在高湿和低风速条件下，PM2.5质量浓度快速上升，于16日18时起持续19 h重度污染，能见度最低只有0.8 km。17日04时的后向轨迹资料显示(图3a)，气团由安徽到达江苏，高低空气团来向较为一致。气溶胶激光雷达资料显示(图4a)，17日常州气溶胶层的高度在1 km以下，边界层上空未出现明显污染带，表明此阶段没有垂直方向的污染传输。

图2 2018年1月14-23日污染期间常州PM2.5质量浓度和气象参数变化

18-20日为第二阶段。500 hPa高空为西北气流，伴随冷高压入海，地面转为均压场，常州重污染持续时间长达56 h，PM2.5质量浓度进一步升高，峰值浓度达261 μg·m-3，其间能见度约1～2 km，最低只有0.9 km。后向轨迹资料显示(图3b),19日04时江苏边界层500 m内的污染气团来自东部海域。19日凌晨,常州边界层上空出现强污染带(图4b)。由此可知，海上高压将滞留于山东境内的污染物向常州输送，在下沉气流作用下将高空污染物输送至近地面，加剧污染程度。

图3 各污染阶段常州500 m、1000 m、1500 m高度气团的36 h后向轨迹(a)1月17日04时(第一阶段)，(b)1月19日04时(第二阶段)，(c)1月23日04时(第三阶段)

图4 各污染阶段常州雷达观测(a)1月17日(第一阶段)，(b)1月19日(第二阶段)，(c)1月23日(第三阶段)

22-23日为第三阶段。从全国PM2.5质量浓度空间分布图看(图略)，受冷锋南下影响，气压、风向、风速变化大，强偏北气流推动污染物整体向南输送，常州PM2.5质量浓度呈现骤升骤降的特征。其间虽有短时降水，但小时降水量不足1 mm，降水期间湿度增加、气温降低，PM2.5质量浓度有所升高。冷锋锋面到达常州前10 h，气溶胶激光雷达资料显示(图4c)，近地面垂直方向有明显的污染传输。后向轨迹资料同样显示(图3c)，污染气团来自北方远距离传输。受传输影响，22日19时起PM2.5质量浓度以每小时30 μg·m-3速度上升至重度污染。污染气团主力过境后，近地面PM2.5质量浓度在4 h内下降了100 μg·m-3，空气质量由重度污染迅速转为优，能见度由1.6 km回升至15 km，持续性污染过程消散。

2.2 PM2.5化学组分分析

OC/EC值是目前常用来判断二次生成的简便方法。通常认为，当OC/EC值大于2时，大气中有二次有机气溶胶生成[19]。柴油和汽油车尾气排放的OC/EC值为1.0～4.2，燃煤排放的为2.5～10.5，生物质的燃烧排放为16.8～40.0[20]。14-23日OC/EC值为3.2，表明有明显的二次有机气溶胶生成，且主要来自机动车尾气和燃煤共同排放。

14-23日常州SOR和NOR分别为0.38和0.25，均高于0.1，表明大气中SO2和NO2的二次转化过程较明显。从SOR和NOR的变化趋势看出(图5)，SOR整体高于NOR，表明在同样的大气背景下，常州SO2转化为二次污染物的效率更高。

图5 2018年1月14-23日污染期间常州SOR和NOR变化

表1 PM2.5及化学组分浓度 μg·m-3

2.3 不同污染阶段城市间PM2.5质量浓度差异

图6和图7给出南京、常州和苏州PM2.5质量浓度和风速变化趋势。三座城市PM2.5质量浓度和风速均有显著的负相关关系，其中常州PM2.5质量浓度与风速的负相关性最强，相关系数为-0.57。各污染阶段城市间PM2.5质量浓度变化趋势不同。第一阶段，常州与苏州PM2.5浓度变化一致，相关系数达0.87。对比发现，此阶段风速对污染影响较大，其间常州扩散条件总体较差，16日常州风速1.3 m/s，南京和苏州风速均在2.0 m/s以上，17日区域静稳条件下，常州风速仍保持最低，低风速使常州污染更容易累积，PM2.5质量浓度最高，苏州风速大，扩散条件相对较好，PM2.5质量浓度最低。第二阶段，高压入海前期，三座城市PM2.5质量浓度均略有下降，海上污染气团最先影响南京和常州，常州PM2.5质量浓度上升速率最快。由于南京与常州PM2.5质量浓度峰值同时出现在午后，垂直扩散条件相对较好，PM2.5质量浓度逐渐下降。苏州PM2.5质量浓度峰值出现在夜间，边界层高度降低且风速最小，使PM2.5质量浓度增加，导致苏州PM2.5质量浓度峰值最高。此阶段三座城市PM2.5质量浓度变化趋势存在较大差异。第三阶段，三座城市风速均增加至3 m/s以上，PM2.5上升和下降速率接近。南京位于上风向，PM2.5质量浓度最先升高，常州最先达到浓度峰值，且峰值最高，苏州比常州晚2 h达到浓度峰值。

图6 2018年1月14-23日南京、常州、苏州PM2.5质量浓度变化

图7 2018年1月14-23日南京、常州、苏州风速变化

3 结论与讨论

结合气象数据、污染物监测资料、颗粒物化学组分等多种实测资料,分析了常州一次持续重污染过程演变特征，探讨了不同污染阶段城市间PM2.5质量浓度变化差异。

(1)结合气象观测资料及PM2.5质量浓度变化趋势，可将污染大致分为三个阶段:第一阶段在静稳天气初期，本地污染排放对空气质量影响较大，区域内局地差异较明显。第二阶段在持续静稳天气条件下，受本地污染累积与海上污染输送共同影响，常州重污染持续时间长达56 h，PM2.5质量浓度峰值达261 μg·m-3。第三阶段在强冷空气南下过程中远距离输送造成了暴发式重污染，PM2.5质量浓度约以每小时30 μg·m-3速度呈现骤升骤降的变化特征。

(3)各污染阶段城市间PM2.5质量浓度变化存在差异。静稳天气阶段，南京、常州和苏州PM2.5变化趋势较为一致，常州风速最低、PM2.5质量浓度最高，苏州相反。整体上三座城市PM2.5质量浓度与风速呈显著的负相关关系，其中常州PM2.5质量浓度与风速的负相关性最强。