常州市一次城市尺度污染过程分析

王 唯

（常州民生环境检测有限公司，江苏 常州 213034）

环境空气质量受到污染源排放、气象条件和地形等[1-2]因素的影响，在排放源和地理位置相对稳定情况下，气象条件的变化成为了影响大气环境质量的主要驱动因素[3-4]。一般大气污染过程可以分为输送型[5]、光化学型[6]、本地累积型[7]和复合型[8]等，影响一个区域的污染来源[9-10]分为外来源、本地源和外来源与本地源叠加型。随着大气环境的高度重视和治理措施的逐步深入，外来污染输送的频次和大气污染程度在逐年下降，本地和本区域的污染特征逐渐凸显[11]，研究本地污染源的影响特征已成为制定和改善本地环境空气质量的关键措施。

1 数据来源

常州市地处江苏省南部、长三角腹地，东与无锡相邻，南与无锡、安徽宣城交界，西与南京、镇江接壤，北与泰州隔江相望，位于上海、南京两大都市中间。选取江苏省常州市安家、行政中心、经开区、钟楼、市监测站、武进监测站、武进经发区和金坛城区8 个国家环境空气评价点作为研究对象，选取常州市8 个国家环境空气评价点2022 年12 月5—9 日逐小时的NO2、SO2、CO、PM2.5、PM10和风速风向等数据进行统计分析。

后向轨迹计算采用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）开发的HYSPLIT 在线版本，以市政府大楼行政中心站（北纬31.75°、东经120.00°）为后向轨迹计算起始点，计算起始高度设置为100 m，计算后推时间为12 h，逐小时模拟后向轨迹，气象资料采用美国国家环境预报中心（NCEP）提供的全球资料同化系统（GDAS）数据，数据分辨率为0.25°×0.25°。

2 结果与讨论

2.1 污染过程特征

12 月6—9 日，常州市出现一次以NO2和PM2.5污染为主的污染过程，6—9 日PM2.5浓度逐日攀升，日均浓度在46～83 μg/m3，PM2.5小时浓度在8 日20 时达到峰值浓度98 μg/m3，并持续轻度污染16 h；NO2小时浓度在7 日22 时和23 时达到峰值浓度103 μg/m3，如图1所示。空气质量从5 日的优逐步转变为7—8 日的轻度污染，日均浓度上升22 μg/m3；其中6 日首要污染物为NO2，空气质量指数（AQI）为77，7 日首要污染物为NO2，AQI 为104，8 日首要污染物为PM2.5，AQI 为110，9日首要污染物为PM2.5，AQI 为97。

2.2 区域相关性分析

选取12 月5—9 日常州市及其周边城市南京、镇江、扬州、泰州、无锡、苏州、南通、盐城、上海、杭州、湖州、嘉兴、宣城、马鞍山和芜湖共16 个城市开展污染物相关性分析（表1）。常州市PM2.5与无锡、镇江的相关系数较高，常州市PM10与嘉兴、芜湖的相关系数较高，常州市NO2与南通、杭州的相关系数较高；常州市CO、SO2与周边城市相关性相对较低。结果表明，常州市各项污染物与周边城市的相关性之间存在较明显差异，说明本次污染过程各城市间污染特征一致性较差，不具备大范围污染输送特征。

表1 12 月5—9 日常州市与周边城市污染物相关性分析

2.3 站点间聚类分析

聚类分析常用来对不同区域的数据序列进行类别分析，归为一类的数据说明其在变化趋势和污染来源方面具有较高的相似性，而不同类别间的数据说明其污染来源和变化趋势方面存在差异，可用于站点间的相似性归类或点位优化等方面。欧氏距离方法是聚类分析常用的方法之一，基于点与点之间的欧氏距离进行聚类，当点与点之间的欧氏距离小于设定阈值时则视为一类。

采用欧氏距离方法对12 月5—9 日常州市8 个国家环境空气质量评价点的NO2和PM2.5小时数据进行聚类分析（表2），分析各站点间数据的相似性。从不同总类别的聚类分析看，经开区和金坛城区站点的NO2数据与其他站点间存在较大差异，可单独分为一类；其余6 国控空气站点间NO2数据的一致性较好，可归为同一类；经开区站点周边存在较多的重点污染源，氮氧化物排放特征与市区其他站点存在差异，金坛城区由于与常州主城区存在一定距离，机动车等流量相对较低，导致其数据与市区其他站点存在一定差异。总体上本次污染过程中常州市大多数环境空气质量评价点NO2数据具有较一致的污染来源和变化特征。PM2.5聚类分析结果显示市监测站、行政中心、钟楼、武进经发区数据可归为一类，武进监测站、安家和经开区可归为一类，金坛城区为一类，可见PM2.5的聚类结果要较NO2的结果复杂一些，说明PM2.5的来源更为复杂，站点间存在一些局地性差异。

表2 12 月5—9 日常州市环境空气质量评价点NO2 和PM2.5聚类分析结果

2.4 影响因素分析

6—9 日常州市近地面受高压均压场控制，其中6—7 日为高压中心控制区域，8—9 日以均压场控制为主，等压线稀疏，大气稳定度较高，水平风速较小，约1 m/s 左右，混合层高度在午夜后降至100 m 左右，凌晨至上午时段湿度较大，均在60%以上，早晚温差较大。6—7 日凌晨时段湿度较大，接近70%左右，以弱北风为主，风速仅约0.5 m/s，如图2 所示。8—9 日凌晨时段风速均小于1.5 m/s，整体相对湿度都较高。

图2 12 月5—9 日常州市气象因素变化曲线

受扩散条件和传输路径的影响，气团轨迹经过不同区域滞留时间有长有短，导致途径不同区域的气团对目标位置的影响程度存在差异，后向轨迹概率分布图可描述不同区域气团来源对目标位置的影响。图3为8 日3 时常州市100 m 高度的后向轨迹气团来源概率分布图，可见该时段以本地气团影响为主，气团主要来源于50 km 以内的区域；6—9 日水平风速大多低于1.5 m/s，照此风速估算12 h 内气团传播距离约为65 km，与气团轨迹主要影响范围较一致，因此，本次污染过程属于城市尺度，未出现明显的城市间输送现象，导致各城市间的污染物相关性各具特点。

图3 12 月8 日3 时常州市后向轨迹气团来源（12 h）

从6日12时—9日6时整个污染过程中，PM2.5/PM10的比值变化较小，维持在0.6 左右上下浮动，说明在整个污染过程中颗粒物组分未发生大的变化，主要以同一组分逐步累积导致。且一次污染物排放为主的SO2和CO 的变化曲线除了7 日下午出现一个峰值外，浓度变化范围较小，说明以燃煤为主的燃烧源污染排放未出现大的波动。而NO2与颗粒物间的一致性较好，均表现为逐日上升态势，说明本次污染主要以氮氧化物排放源污染为主，燃煤源等一次污染排放特征变化不显著。

3 结论

1）12 月6—9 日，常州市出现一次以NO2和PM2.5污染为主的污染过程，虽然长三角区域其他城市也出现了污染过程，但本次污染过程以城市污染尺度为主，无明显的外来污染气团和区域性输送影响，相关性分析表明常州市与周边城市间的污染特征存在明显差异。

2）受高压均压场控制，在高湿度、风力小、混合层高度低、无明显降水的不利气象条件下，大气扩散条件较差，污染物逐渐累积导致本次污染过程中二氧化氮和颗粒物浓度逐渐上升。

3）聚类分析表明，常州市区6 个国控空气站点间NO2数据的一致较好，经开区站点周边由于重点污染源排放较明显、金坛城区与常州主城区存在一定距离且机动车流量相对较低，导致两站点数据与市区其他站点存在一定差异。总体上本次污染过程中常州市大多数站点NO2数据具有较一致的污染来源和变化特征。PM2.5聚类分析结果表明PM2.5的来源更为复杂，站点间存在一些局地性差异。

4）氮氧化物作为臭氧和细颗粒物的前体物，在夏季时易光解生产臭氧，导致臭氧污染，在秋冬季夜间易二次生成硝酸盐等物质，从而导致细颗粒物浓度增加。因此，控制氮氧化物排放量可以缓解臭氧和细颗粒物的污染。