南京地區冬夏季大氣重污染個例對比分析

吳萬寧,查 勇,王 強,賀軍亮,包 青

(南京師范大學地理科學學院虛擬地理環境教育部重點實驗室,江蘇南京 210023)

南京地區冬夏季大氣重污染個例對比分析

吳萬寧,查 勇*,王 強,賀軍亮,包 青

(南京師范大學地理科學學院虛擬地理環境教育部重點實驗室,江蘇南京 210023)

本文研究了南京仙林地區在秸稈焚燒、逆溫造成的大氣污染的特征,分析了不同時期大氣各成分的濃度變化.秸稈焚燒產生的大氣污染事件中,顆粒物濃度上升最為顯著,其中PM10的濃度最高可達0.65mg/m3,污染持續時間約36h.冬季污染期持續更長,但顆粒物峰值小于夏季,PM10濃度約在0.4mg/m3.根據Fernald方法反演得到的激光雷達消光系數計算不同高度AOD表明,秸稈焚燒造成的污染在空間上的分布較為均勻而冬季污染期近地表AOD的貢獻超過40%.后向軌跡分析表明了污染期的氣團在1500m高度的來源和1000m之下有差異,48h內的來源距離較短,近地表的大氣質量受到周邊地區的影響大,非污染期的氣團垂直高度上性質較為均一,來源較為一致,來源距離較長.

氣溶膠；激光雷達；PM2.5；秸稈焚燒；氣溶膠光學厚度

隨著城市化進程的加快,城市大氣氣溶膠污染問題變得日益突出.研究表明,空氣中的 PM2.5對人體健康的危害不再僅限于誘發肺癌,而且會引起心血管疾病[1].氣溶膠對城市污染的研究已有很多,國內外學者采用不方法對城市大氣污染進行了研究[2-10].

南京地處北亞熱帶地區,受季風影響顯著.由于該地區化工產業發達,人口眾多,大氣污染影響因素較為復雜.冬季常出現的霧霾現象和夏季的秸稈焚燒2種特殊情況對南京的空氣質量影響明顯[11].本文利用南京仙林地區2012年2月至2013年 1月的多種觀測資料,選取了冬夏兩季典型時間段數據對這2種大氣污染事件進行了分析.

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究所采用的數據來自南京市環境監測 中 心 仙 林 大 學 城 觀 測 站 (118.913°E, 32.103°N).數據包括3部分,污染物濃度數據、后向軌跡模式、激光雷達數據.大氣污染物數據為 SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.56個指標的小時濃度數據.激光雷達數據來自觀測站內一臺米散射激光雷達.

1.2 分析儀器

利用瑞典長光程空氣質量監測系統(OPSIS)對大氣中的SO2、NO2、CO和O3進行監測,其中SO2、NO2以及O3的監測方法為差分吸收光譜法(DOAS),CO的監測方法為氣體過濾相關法.空氣質量監測系統每小時測量 4次,本研究選取的濃度數據均為整點的監測數據.采用美國Metone公司的BAM1020粒子監測器對周圍環境的PM10、PM2.5濃度進行測量,采用的方法為 Beta射線衰減法.利用532nm散射激光雷達獲取大氣氣溶膠分子的回波信號.激光器每15min發射2000發激光脈沖.利用 Fernald遠端積分法[12]對獲得的回波數據進行反演,得到該時刻的消光系數廓線.

根據相關報道[13],2012年6月南京仙林地區出現多次秸稈焚燒事件,故選取2012年6月9～11日觀測資料代表秸稈焚燒期污染數據.2012年 7月25～28日空氣質量指數優,故選取其作為對照數據.由于冬季大氣污染時間較長,所以選取典型時間段的監測數據.選取2013年1月14～17日數據代表逆溫污染數據.2012年12月18～21日的空氣質量較好,將其作為冬季的對照數據.其中污染物數據共1728個,雷達回波廓線232條.

2 結果與討論

2.1 污染物連續變化

從圖1a中可以看出,冬季非污染期6種監測成分的濃度變化平緩,在12月19日午夜出現一個小的起伏,PM10最大濃度達到0.15mg/m3,同時CO和PM10的走勢一致.選取的夏季7月份非污染期數據由于監測儀器維護,所以缺失了7月25日的部分CO數據,如圖1b.根據全年的觀測資料,該時期的空氣質量為全年最佳.從圖1b中可以發現,各個污染物濃度較小, PM10濃度在0.05mg/m3左右.對比2個非污染期的濃度變化可以發現,雖然污染物濃度都很低,但是夏季濃度波動大于冬季,并且這種波動持續的時間很短.這和夏季的氣象條件有關.夏季的空氣對流作用強烈,在一日之內的污染物濃度波動頻繁.

圖1 冬夏季非污染期各污染物濃度小時變化Fig.1 Hourly variations of pollutant concentration during no-pollution in winter and summer

從圖 2a可見,所截取的時間段內,各成分的濃度明顯高于非污染期濃度.其中 14日正午,15日夜晚以及 16日夜晚都有明顯的高峰,PM10峰值達到0.4mg/m3左右.并且除了O3以外,別的指標之間有明顯的正相關性.從 PM10、PM2.5濃度曲線形態上看呈現單峰形態.

如圖2b,6月9日傍晚PM10、PM2.5數值在2h內陡然上升,其中 PM10的峰值超過0.6mg/m3.11日上午空氣質量恢復到9日上午水平,整個污染事件的持續時間約為 34h.在整個過程中變化最為明顯的是PM10、PM2.5,這種現象和陳媛[14]的研究吻合.從6月9日下午開始,PM10、PM2.5按時間順序出現了5個峰值,峰值的大小隨時間推移而下降.從顆粒物的曲線形態上已經看不出有規律的單峰和雙峰,污染期的波動表現出無規律性,出現這種現象的原因是由于焚燒秸稈發生時間不確定.

圖2 兩次污染期各污染物濃度小時變化Fig.2 Hourly variations of all pollutants in the interim of two pollution events

2.2 污染物平均濃度比較

圖 3的計算方法為整點的污染物濃度相加求平均值.如圖 3a所示,冬季污染期的各個指標平均濃度都高于非污染期.非污染期濃度最高的3個成分分別是PM10、CO、NO2.重污染時期濃度最高的3個成分分別是PM10、PM2.5、CO.其中 PM10,PM2.5在污染期的平均濃度比非污染期增加近一倍,達到0.2,0.13mg/m3.

如圖3b所示,污染期和非污染期的濃度變化非常明顯.夏季非污染期濃度較高的成分是O3和PM10,但是都小于我國環境標準中所規定的數值

[15].而PM10、PM2.5、CO,3個成分的平均濃度為夏季污染期最高.其中 PM10、PM2.5濃度的上升非常大.在污染時期的濃度是非污染期的4倍,而SO2、NO2以及O3的平均濃度增加幅度都比冬季污染造成的變化大.O3的平均濃度變化在 2個時期內不明顯[16].

圖3 冬夏季污染期濃度均值比較Fig.3 Comparison of mean concentration of pollutants in summer and winter

圖4a為冬夏季污染期各個污染物平均濃度對比.夏季污染期的顆粒物濃度要高于冬季[17-18], PM10、PM2.5濃度分別達到 0.25,0.175mg/m3.而SO2、NO2以及CO的平均濃度都小于冬季,但差別沒有顆粒物濃度明顯,這可能是因為選取的冬季污染期數據是長時間污染期中的一段,作為SO2、NO2以及CO主要來源,汽車尾氣、工業廢氣的積累要大于夏季爆發性污染事件[19-20].

從圖4b上可以看出,非污染期2個季節的污染物濃度都較低.除了 O3,夏季非污染期其他大氣成分濃度都小于冬季.這是由于該地區受到季風氣候影響,同時南京的化工區分布于仙林北部10km范圍內,冬季易受工業排放影響,致使本地氣溶膠濃度有所上升.另外一個原因是仙林地區的主要人口為高校學生,7月正值暑假,該地區的人口稀少,相關服務業活動強度低,排放源減少,加之夏季盛行南風,北部工業區的影響減弱.

圖4 冬夏季兩時期各污染物平均濃度對比Fig.4 Comparison of average concentration of various pollutants in the summer and winter periods

2組對比表明,冬夏季的污染期都對大氣質量造成了嚴重影響.但是夏季的污染屬于突發性事件,顆粒物濃度在 2h內劇烈上升,短時間內迅速回落,表明了污染源消失,由于大氣的稀釋作用,大氣質量好轉.而冬季的污染事件是穩定的大氣條件下各種污染物逐漸積累的過程.在此過程中污染物的變化較為平緩,峰值也小于秸稈燃燒,但是污染持續的時間較長.

2.3 廓線分析

選取了 4個時間段對應的米散射激光雷達回波信號,計算 4個時間段觀測站上空各高度大氣的消光系數情況,進而反映各個高度的氣溶膠分布狀況.由于 2次污染事件造成氣溶膠濃度加大,對雷達脈沖的削弱作用強,而所采用的激光雷達脈沖能量有限,因此選取計算消光系數的最高高度設定為3.5km.圖5a中黑色實線是不同高度空氣分子的消光系數.兩條廓線在近地表 200m之下都有一個峰值,兩個峰值分別達到了 1.193, 2.246km-1,夏季峰值要小于冬季[21].在300m處兩條廓線都出現一個低谷,分別為 0.187,0.194km-1.這是因為在這個高度存在逆溫層.冬季谷值出現的高度略低于夏季.從500m高度向上,冬夏季消光系數開始下降,但是冬季下降的速度遠快于夏季.造成2條廓線走勢差別的原因是氣象條件和污染成因的不同.冬季污染物的主要來源是城市近地表的排放,同時由于逆溫作用強烈,污染物得不到有效擴散,在近地表積累,導致近地表的消光系數較大.500m以上的高度在逆溫層之上,污染物的擴散稀釋作用開始加強,因此消光系數的數值減小速度較快[22].夏季污染期的污染物來源是秸稈燃燒,城區近地表的排放并不占主要地位,因此近地表的消光系數沒有冬季數值大,雖然也存在逆溫層的影響,但和冬季不同的是,500m逆溫層之上的消光系數卻很大.因為污染物的來源是不僅僅是南京本地,還包括周邊地區秸稈焚燒到來的污染,所以在 500m之上的高度消光系數下降速度較慢.

如圖5b,從非污染期2條廓線形態上可以發現,最高值同樣出現在地表,分別為 0.521, 0.804km-1,夏季小于冬季.但是隨著高度的上升,消光系數不斷減小,同時在 300m左右的高度并沒有出現如污染期那樣的谷值,說明非污染期的大氣層結不穩定,對流作用強,不存在逆溫現象,有利于污染物的擴散[23-24].從 2條廓線的對比來看,雖然同樣是非污染天氣,但是冬季的消光系數廓線在 1.5km高度處的走勢已經和空氣分子的消光系數走勢一致,而夏季的廓線在2km之上才出現類似形態,說明夏季強烈的對流影響下氣溶膠垂直運動更自由.1.5km向上高度夏季廓線出現明顯的波動,這是因為在該時間段內該高度有云層影響[25].

圖5 不同時期氣溶膠消光系數廓線圖Fig.5 Profile of aerosol extinction coefficients in different periods

2.4 光學厚度分析

光學厚度指的是消光系數在垂直方向上的積分,利用光學厚度可以更客觀地表示大氣不同高度段內的污染情況.

從圖6上可以看出,污染期3.5km之下AOD在0.7以上,其中冬季略大于夏季[26].非污染期的AOD在0.4左右,冬季略大于夏季.從不同高度層的比較來看,夏季污染期AOD在1.5km以下的數值分布較為平均,2.5km之上數值減小,但是和別的3個時期相比,2.5km以上高度的AOD明顯偏大.近地表200m之內的AOD小于0.15.冬季污染期在200m之下的AOD數值很高,達到了0.3以上.1.5km之上的AOD對總AOD的貢獻微乎其微,結合圖5可知,冬季逆溫層的影響強烈.

比較 2個非污染期的各高度 AOD,二者在3.5km范圍內都在0.4左右,但在近地表200m之內的差異非常明顯.冬季AOD約為0.24,夏季約為0.09.在垂直高度上的分布也有很大不同.夏季在各高度層中的 AOD分布較為平均,冬季的200m之下的AOD對3.5km范圍內的AOD貢獻率約超過60%.

2.5 來源分析

利用 HYSPLIT后向軌跡模型對4個時期48小時內南京地區大氣運動進行分析.設置100, 500,1500m,3個高度,選擇后向軌跡模式.對比 2次污染期和非污染期可以發現,2個季節污染物來源都較近,夏季污染物來源在 100,500m高度上都來自南京西南部地區,范圍在 800km以內, 1500m高度的氣團來自于西北方向,距離也較遠

圖6 不同時期不同高度層AOD比較Fig.6 Comparison of AODs at different heights over different periods

[27].結合圖 2夏季的污染期濃度出現和消失時間,可知秸稈焚燒期間城市周邊地區的空氣污染對城區影響顯著.冬季污染期 100,500m的污染物來源距離比夏季略小,約在 500km以內.而1500m的高度上污染物的來源遠大于近地層,來源的范圍在1000km以上,說明這個高度上的大氣運動較為自由,受地表影響小.比較冬季非污染期3個高度的后向軌跡可知,2個季節的各高度上大氣來源距離都較長,其中冬季 1500m高度的來源距離達 2500km,500,1000m的來源為 1800km,并且來源的方向非常一致.說明非污染期的大氣流動性好,氣團性質較為均一.冬季非污染期48h內3個高度的氣團隨著時間推移不斷下降,移動距離較長,說明此時有快行冷鋒影響南京地區.

3 結論

3.1 秸稈焚燒造成的污染具有爆發性并且污染重,持續時間短.污染物成分中 PM10、PM2.5以及CO的數量顯著增加,顆粒物濃度最高可達夏季非污染期的5倍以上.

3.2 逆溫造成的污染中 PM10、PM2.5以及 CO的濃度增加同樣顯著.與此同時由于長時間逆溫影響,由汽車尾氣以及工業排放產生的 SO2、NO2、CO高于秸稈焚燒,并且污染持續的時間長.

3.3 兩種污染物的空間分布差別明顯.夏季溫度較高,垂直方向上的顆粒物分布較冬季均勻, 200～1500m高度的AOD對于整個大氣柱AOD貢獻率大于 50%.冬季的低溫使污染物集中于近地表.非污染期各污染物濃度較低,但200m之下的濃度對整個高度的貢獻大于60%, 1000m以內的AOD上升.

3.4 冬夏季污染期近地表污染物來源具有近源性,1.5km以上高度的大氣受地面影響小.非污染期的大氣來源都較遠,較強的大氣流動可使減弱大氣污染.

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Comparative analysis of winter and summer heavy atmospheric pollution events around Nanjing.

WU Wan-ning, ZHA Yong*, WANG Qiang, HE Jun-liang, BAO Qing
(Virtual Geographical Environment Laboratory of Ministry of Education, School of Geographical Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China). China Environmental Science, 2014,34(3)：581～587

This paper characterizes air pollution induced by combustion of crop residues in the Xianlin area of Nanjing under temperature inversion. Analysis of variations in the concentration of atmospheric pollutants in different periods reveals that combustion of crop residues causes a marked increase in the concentration of particulate matter in the atmosphere. These particulates are suspended in the atmosphere for up to 36hours, with a peak PM10concentration of 0.65mg/m3. In winter they remain in the atmosphere longer, but have a lower peak PM10concentration at around 0.4mg/m3than in summer. According to AOD calculated from the LiDAR extinction coefficient derived using the Fernald method, the pollutants originating from combustion of crop residues have a more or less spatially uniform distribution at different heights, and contribute more than 40% towards near-surface AOD in winter. Back trajectory analysis demonstrates that during pollution the sources of air mass at 1500m differ from those below 1000m. It is found that within 48hours, the pollutants derive from relatively neighboring sources. Consequently, near-surface air quality is heavily affected by pollutants from the surrounding area. During no-pollution air mass comprises more vertically uniform constituents originating from more consistent and distant sources than during pollution.

aerosol；mie lidar；PM2.5；straw combustion；AOD

X513

：A

：1000-6923(2014)03-0581-07

吳萬寧(1989-),男,江蘇鹽城人,南京師范大學碩士研究生,主要從事大氣遙感方面的研究.

2013-07-05

國家重大科學研究計劃項目(2014CB953802)

* 責任作者, 教授, yzha@njnu.edu.cn