粵東部分地區空氣污染成因分析

沈 勁，鐘流舉，陳多宏，岳玎利，謝 敏，江 明

(廣東省環境監測中心國家環境保護區域空氣質量監測重點實驗室，廣東 廣州 510308)

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粵東部分地區空氣污染成因分析

沈 勁，鐘流舉，陳多宏，岳玎利，謝 敏，江 明

(廣東省環境監測中心國家環境保護區域空氣質量監測重點實驗室，廣東 廣州 510308)

珠三角地區是廣東省傳統的空氣污染區，隨著空氣質量新標準在全省范圍的實施，發現粵東部分地區空氣污染也較嚴重。通過對粵東地區的揭陽市及其鄰近地區空氣污染物濃度及相關氣象因子的分析，并結合后向軌跡聚類分析等手段，對該地區空氣污染成因及其過程進行了研究。結果表明：高溫、高濕、少雨和弱東南風等不利氣象條件是揭陽市空氣高污染多發的主要因素，來自長三角的污染氣團進一步加劇了揭陽市O3污染，來自臺灣海峽等地的氣團軌跡短、濕度大且風速低，加速了PM2.5二次成分快速生成與積累；通過典型污染過程的分析發現，大陸性氣團出海后氣體被氧化成氣溶膠并折返大陸是導致揭陽市等粵東地區PM2.5污染事件發生的重要原因。

空氣污染；O3；PM2.5；后向軌跡聚類；粵東地區

以光化學污染為主的復合型污染是目前城市區域大氣顆粒物污染的主要形式和發展趨勢[1]，隨著對大氣污染物擴散[2]和顆粒物化學成分分析研究[3]的深入，有關我國部分地區大氣污染特征的研究已有較多報道。近幾十年來，我國珠三角地區經歷了快速的區域工業化和城市化進程，空氣污染問題嚴重，雖然政府采取了一系列減排措施來控制大氣污染，一次污染得到了一定程度的控制，但二次污染則有加重的趨勢[4]。歐美對光化學煙霧問題的研究開展較早[5]，而我國開展得相對較晚，特別是針對珠三角地區，近二十年才有較多關注與研究。通過PRIDE-PRD等對珠三角地區的加強觀測與系列研究[6]，目前珠三角地區的污染特性[7]、大氣邊界層的污染氣象特征[8]、大氣復合污染機理研究[9]等已取得了一定的成果；珠三角地區高時空精度的排放清單也已建立[10]；基于化學傳輸模型的研究也日漸增加[11]；珠三角地區各地級市不同行業類別的源(電廠、流動源、天然源、工業源、海洋源、生物質燃燒源和農業活動源、其他源等)對不同受體點O3[12]和PM濃度貢獻[13]也已有研究。

然而，隨著《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)在廣東省的全面實施，發現非珠三角部分地區空氣污染也比較嚴重，某些時段空氣質量甚至比珠三角地區還差。根據2014年第一季度廣東省城市環境空氣質量排名[14]，粵東地區的揭陽市排在全省22個市(區)的倒數第二名，其PM2.5平均濃度達76 μg/m3，是粵西湛江市(35 μg/m3)的兩倍多，也高于廣州(67 μg/m3)和佛山(61 μg/m3)。目前，關于粵東地區空氣污染特征及機理的研究報道較少，因此深入開展粵東部分地區空氣污染成因的研究，將有助于了解珠三角外重污染現象的形成機理，對于廣東省空氣污染的防治具有極其重要的作用。

1 資料與方法

因非珠三角城市從2013年底起才開始實施空氣質量新標準，所以本研究利用揭陽市東湖公園、仙滘、中長和漁湖初級中學4個監測站2014年1月1日至4月30日的監測數據(包括SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5和O3)進行該地區空氣污染成因分析。首先分析揭陽市的污染現狀及與其他城市對比情況；然后通過分析揭陽市附近的氣象觀測站(116.683°E、23.400°N)同期的氣象觀測資料(主要是風速、溫度和降水等)，從氣象的角度分析揭陽市空氣污染的成因；最后通過后向軌跡聚類分析等方法比較不同氣團來源的污染特征，以說明區域輸送的影響。本研究使用反向軌跡模型HYSPLIT[15]對污染氣團的來源進行分析，氣象資料來源于美國國家海洋大氣局(NOAA，http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php)。

2 結果與分析

2.1 揭陽市空氣污染現狀

揭陽市2014年1—4月份SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3日最大8 h平均濃度分別為27 μg/m3、28 μg/m3、91 μg/m3、72 μg/m3和115μg/m3，CO日均濃度為1.76 mg/m3，根據我國《環境空氣質量指數(AQI)技術規范(試行)》(HJ 633—2012)，揭陽市SO2、NO2和CO均達標，但PM和O3超標較嚴重。其中，揭陽市2014年第一季度首要污染物以PM2.5為主，PM2.5日均濃度超標率達43.3%，PM10和O3日最大8 h平均濃度超標率分別為8.9%和7.8%，第一季度PM10和PM2.5平均濃度比珠三角地區平均值高19%和33%，比全省平均值高22%和36%；4月份揭陽市O3日最大8 h平均濃度超標率較高，達23.3%，明顯高于同期珠三角(5%)和全省(4.1%)O3平均濃度超標率，其次是PM2.5，日均濃度超標率約為16.7%，其余污染物均無超標情況出現。可見，揭陽市的空氣污染問題主要是O3和PM2.5為首要污染物的大氣復合污染問題。

2.2 空氣污染與氣象因子之間的關系分析

由于揭陽市6種空氣污染物中O3和PM2.5的超標情況最嚴重，本文將重點分析該兩種污染物與氣象因子之間的關系。

一般在主導風向是偏北風或是存在降水的情況下，揭陽市空氣中污染物濃度(O3和PM2.5)較低；在高溫、無雨、低風速和東南風主導的情況下，空氣中污染物濃度較高，空氣污染相對較嚴重，見圖1。在存在降水的情況下，O3日最大8 h平均濃度和PM2.5日均濃度分別為89 μg/m3和57 μg/m3，遠低于未降水時的126 μg/m3與79 μg/m3；在主導風向是東風到南風時(90°～180°)，O3日最大8 h平均濃度為121 μg/m3，高于非東南風時的102 μg/m3。而對于PM2.5，東南風和非東南風為主導時PM2.5日均濃度相當，分別為72 μg/m3與74 μg/m3。2014年1—4月份粵東地區平均風速為2.2 m/s,可見低風速不利于污染物的擴散。

2014年1月初揭陽市PM2.5日均濃度達150 μg/m3，O3日最大8 h平均濃度超過200 μg/m3，這主要是受全國大范圍高污染的影響，這幾天廣東省空氣污染普遍嚴重。圖1顯示，在2014年1月中下旬和2月初，在高溫少雨的情況下，O3日最大8 h平均濃度和PM2.5日均濃度分別維持在150 μg/m3和100 μg/m3左右；隨著2月初冷空氣南下，降溫與降水過程同時發生，O3和PM2.5濃度快速回落，但2月中旬到3月上旬兩種污染物的濃度隨著氣溫回升呈現較快增加的態勢，盡管其中有一次降溫降水過程導致污染物濃度快速回落；3月中旬以后，兩種污染物濃度主要受降水影響，當降水量為0時，兩種污染物濃度較高，特別是在4月中下旬，長期的高溫無雨天氣使O3日最大8 h平均濃度一直在高位振蕩。

2.3 空氣污染與氣團來源的關系分析

通過對揭陽市2014年1—4月份每6 h的氣團進行后向軌跡聚類分析發現，該地區的氣團主要來源于我國東南沿岸，其次是廣東省中部和臺灣海峽(見圖2)。若揭陽市的氣團經過我國東南沿海地區，其O3日最大8 h平均濃度明顯高于其他兩種情況(見表1)，其值達126 μg/m3，這主要是由于長三角地區的空氣具有高NOx濃度的特性[16]，其輸送到揭陽后在適宜的氣象條件和較適中的本地VOC排放下可以生成較多O3。對于PM2.5，來源于臺灣海峽的氣團具有較高濃度，這是因為該類氣團軌跡較短，說明擴散條件相對較差，再加上氣團來自海洋，相對濕度高，更有利于細顆粒物二次生成[17]；同時，廣東東南沿海地區和臺灣南部排放的污染物往粵東地區輸送，受揭陽西部蓮花山脈的阻擋，污染物容易在揭陽地區累積；而來源于廣東省中部的氣團，盡管攜帶的污染物較多，但要越過1 200～1 500 m高的蓮花山脈才能到達揭陽，在這過程中污染物消耗較大，所以此類氣團造成的污染最輕。此外，不同氣團來源的情況中，PM2.5占PM10的百分比在78%～82%之間，這表明大氣氧化性強，二次污染明顯，污染控制難度較大。

表1 不同氣團來源的揭陽市空氣污染特性

2.4 高PM2.5事件個例分析

2014年3月12日揭陽市PM2.5日均濃度快速增長到150 μg/m3，后向軌跡聚類分析結果表明，其近地面氣團源于內地，但出海后又折返回揭陽市(見圖3)。分析原因認為：氣團經兩廣陸地上空東行至臺灣海峽，遇到海洋氣團頂托，折返廣東省東部沿岸并轉化為高濕污染氣團；來自陸地的污染物在海洋上空高濕度條件下，PM2.5二次組分快速生成，同時隨著海鹽氣溶膠的增加，PM2.5濃度將增加；氣團重新進入內地時，氣團出現了明顯下壓，伴隨邊界層的下降，污染物在近地面較快速的累積，導致3月12日當天揭陽市PM2.5濃度突然升高(見圖1)。

3 結論與建議

(1) 部分珠三角以外地區的空氣污染程度比珠三角大部分地區嚴重，粵東地區揭陽市已出現以高PM2.5和高O3濃度為特征的大氣復合二次污染。其中2014年第一季度PM2.5日均濃度和O3日最大8 h平均濃度超標率分別達43.3%和7.8%。

(2) 2014年1—4月份粵東地區受東南暖濕氣流的影響，溫濕度均較大，加之風速低、降雨少，污染物不易擴散或清除；來自長三角和東南沿岸的氣團攜帶污染物遠距離輸送，加上近海濕度較大，利于二次污染物的生成。大陸性氣團在海洋上空老化并折返揭陽是造成其高PM2.5污染事件的重要原因。

(3) 揭陽市三面環山一面朝海，可能會遇到氣團從海洋吹送至揭陽市，未能越過高山而在本地回旋的情況，從而造成本地污染不斷累積的現象。

(4) 今后仍需要對揭陽市的空氣質量進行進一步細化監測或模擬，以定量分析不同過程對揭陽市空氣污染的貢獻。

致謝：揭陽市環境監測站提供了空氣污染物監測數據，在此致以最誠摯的謝意。

[1] 劉愛明.城市區域大氣顆粒物的污染特征研究[J].安全與環境工程,2009,16(6):15-20.

[2] Russell A,Dennis R.NARSTO critical review of photochemical models and modeling[J].AtmosphericEnvironment,2000,34(12),2283-2324.

[3] 陳魁,董海燕,姜偉,等.濱海新區大氣顆粒物中半揮發性有機物污染特征研究[J].安全與環境工程,2011,18(1):38-41.

[4] Chan C K,Yao X.Air pollution in mega cities in China[J].AtmosphericEnvironment,2008,42(1):1-42.

[5] Gao D,Stockwell W R,Milford J B.First-order sensitivity and uncertainty analysis for a regional-scale gas-phase chemical mechanism[J].JournalofGeophysicalResearch:Atmospheres(1984—2012),1995,100(D11):23153-23166.

[6] Zhang Y H,Hu M,Zhong L J,et al.Regional integrated experiments on air quality over Pearl River Delta 2004 (PRIDE-PRD2004):Overview[J].AtmosphericEnvironment,2008,42(25):6157-6173.

[7] Wang X,Zhang Y,Hu Y,et al.Process analysis and sensitivity study of regional ozone formation over the Pearl River Delta,China,during the PRIDE-PRD2004 campaign using the community multiscale air quality modeling system[J].AtmosphericChemistryandPhysics,2010,10(9):4423-4437.

[8] Fan S,Wang B,Tesche M,et al.Meteorological conditions and structures of atmospheric boundary layer in October 2004 over Pearl River Delta area[J].AtmosphericEnvironment,2008,42(25):6174-6186.

[9] Lu K D,Zhang Y H,Su H,et al.Regional ozone pollution and key controlling factors of photochemical ozone production in Pearl River Delta during summer time[J].ScienceChinaChemistry,2010,53(3):651-663.

[10]Zheng J,Zhang L,Che W,et al.A highly resolved temporal and spatial air pollutant emission inventory for the Pearl River Delta region,China and its uncertainty assessment[J].AtmosphericEnvironment,2009,43(32):5112-5122.

[11]Cheng H R,Guo H,Saunders S M,et al.Assessing photochemical ozone formation in the Pearl River Delta with a photochemical trajectory model[J].AtmosphericEnvironment,2010,44(34):4199-4208.

[12]Wang X,Carmichael G,Chen D,et al.Impacts of different emission sources on air quality during March 2001 in the Pearl River Delta (PRD) region[J].AtmosphericEnvironment,2005,39(29):5227-5241.

[13]Wu D,Fung J C H,Yao T,et al.A study of control policy in the Pearl River Delta region by using the particulate matter source apportionment method[J].AtmosphericEnvironment,2013,76:147-161.

[14]廣東省環境保護廳公眾網.廣東省城市環境空氣質量狀況(2014年第一季度)[EB/OL].(2014-4-21).http://www.gdep.gov.cn/news/xwfb/201404/t20140421_169140.html。

[15]Shan W,Yin Y,Lu H,et al.A meteorological analysis of ozone episodes using HYSPLIT model and surface data[J].AtmosphericResearch,2009,93:767-776.

[16]Geng F,Zhang Q,Tie X,et al.Aircraft measurements of O3,NOx,CO,VOCs,and SO2in the Yangtze River Delta region[J].AtmosphericEnvironment,2009,43(3):584-593.

[17]朱彤，尚靜，趙德峰.大氣復合污染及灰霾形成中非均相化學過程的作用[J].中國科學:化學,2010,40(12):1731-1740.

Analysis on the Causes of Air Pollution in Parts of East Guangdong

SHEN Jin,ZHONG Liuju,CHEN Duohong,YUE Dingli,XIE Min,JIANG Ming

(StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofRegionalAirQualityMonitoring,GuangdongEnvironmentalMonitoringCenter,Guangzhou510308，China)

The Pearl River Delta (PRD) is a traditional air pollution region in Guangdong Province.But with the implementation of the new standards of air quality in Guangdong,we find that the air pollution in east Guangdong is more serious than that in PRD.This paper analyzes the concentration of air pollutants and meteorological factors in or near Jieyang City and does air mass backward trajectory clustering analysis.The results show that adverse weather conditions such as high temperature,high relative humidity,little precipitation and weak southeast wind are the causes of serious air pollution in Jieyang City.The polluted air mass from Yangtze River Delta aggravates the ozone pollution in Jieyang City.The air masses from the Taiwan Strait with the characteristics of short-tail trajectory,high humidity and low wind speed aggravate the formation and accumulation of the secondary components of PM2.5.The analysis of the typical pollution episode shows that the aerosol oxygenated from the continental air masses with pollutants reentered east Guangdong after reaching the sea is an important cause for high PM2.5pollution in Jieyang City.

air pollution;ozone;PM2.5;backward trajectory clustering;East Guangdong

殷坤龍(1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事地質災害預測預報與防治方面的工作。E-mail：yinkl@cug.edu.cn

1671-1556(2015)01-0056-04

2014-05-12

2014-12-25

國家自然科學基金項目(41303075);中國科學院戰略性先導科技專項項目(B類，大氣灰霾追因與控制)

沈 勁(1985—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為大氣污染與空氣質量預報預警。E-mail:15120092912@163.com

X51

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.010