太原市重度污染過程的多元分析

韓愛梅

(太原市環境監測中心站，山西 太原 030002)

1 污染過程分析

2017年11月25日至28日，太原市AQI、PM2.5和PM10的時間序列見圖1。由圖1可知，AQI、PM2.5和PM10的變化趨勢基本一致，AQI從11月26日下午15:00開始逐漸增長到11月27日11:00達到中度污染，中度污染持續4 h后進入重度污染，重度污染一直持續17 h，到11月28日上午9:00結束，重污染期間AQI最高值達到270。同時，PM2.5和PM10小時均值均達到最高，分別為220 μg/m3和385 μg/m3。從PM2.5與PM10比值來看，在整個污染過程期間，PM2.5與PM10的比值均小于0.6，在重污染期間，PM2.5與PM10平均比值為0.58，25日至28日的平均值PM2.5與PM10為0.41，說明空氣中仍然以粗顆粒為主，揚塵可能是太原市主要的污染源之一[1-2]。

氣態污染物的質量濃度隨時間的變化曲線見圖2。由圖2可知，CO和SO2變化趨勢保持高度一致性，在中度和重度污染期間CO和SO2都表現出較高的濃度值，尤其重污染前期出現一個比較高SO2峰值質量濃度高達203 μg/m3，但是在重污染加重的過程中SO2濃度逐漸降低，可能是重污染期間受溫度、濕度的影響二氧化硫轉化為硫酸鹽顆粒的速度加快[3-4]。

圖1 空氣質量及顆粒物濃度時間序列圖

圖2 空氣質量及氣態污染物質量濃度時間序列圖

各站點PM10和PM2.5的變化特征基本一致，晉源站的PM10和PM2.5質量濃度高于其他站點，但是，粗顆粒物(PM10～2.5)晉源點位仍然比較高，因此，加強對晉源區周邊區域道路揚塵和企業運輸揚塵的管控。從SO2、NO2和CO的濃度序列分析可知，小店區和塢城區的SO2濃度較高，一方面，加強周圍工業污染源排查，挖掘減排潛力。另一方面，小店區站點較高SO2排放濃度的原因是否是仍然存在民用煤的使用。

從128個微觀站PM2.5的空間分布可以看出，太原市城區污染較重的區域為小店區和晉源區，尖草坪區也有一定的污染，小店區與晉中市接壤，而晉源區與與呂梁市的部分區縣相鄰，一方面是受本地源排放的影響，另一方面外來傳輸也對當地的空氣質量有一定的貢獻。而尖草坪區目前有兩家高耗能、高污染企業。

2 污染成因分析

2.1 天氣形勢的演變

11月25日，白天受低壓控制，偏南風，夜間有弱冷空氣，全天污染物擴散條件較差，太原市空氣質量為3級輕度污染；11月26日，白天受弱冷空氣影響，污染物擴散條件略有好轉，夜間再次轉差，太原市空氣質量為2級良；11月27日，全天氣壓場弱，屬靜穩天氣，污染物擴散條件差，同時，濕度較大，一方面，促進硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽的二次轉化，另一方面，細微顆粒物的吸濕增長，進一步增加細顆粒物的濃度，因此，太原市空氣質量為4級中度污染；11月28日0時至8時受均壓場控制，風力弱，不利于污染物擴散，0時至9時太原市AQI為231，屬于五級重度污染。但9時后受冷空氣影響，有4級～5級西北風，污染物濃度很快回落。太原市空氣質量為3級輕度污染。

2.2 氣象因素分析

2017年11月25日00:00至28日23:00太原市氣象觀測站風向、風速、溫度和相對濕度逐時的變化曲線圖如圖3、圖4。由圖3、圖4可知，與非重污染時段相比，重污染期間(27日13:00到28日2:00)氣象特征表現為：風速較小，重污染時段平均風速為0.92 m/s，主要以西南風為主，大氣擴散能力弱，有利于地面局地污染物的累積，非重污染時段平均風速為1.61 m/s，而且以西北風為主，有利于太原市污染物的擴散，所以，每次西北風過后太原市的空氣質量指數都有不同程度的降低。重污染期間相對濕度較高，平均濕度為72.44%，非重污染時段平均濕度為40.65%，且相對濕度和溫度有明顯的晝夜循環，較大的濕度有利于二次粒子的轉化，容易造成顆粒物的吸濕性增長和積累。氣壓較弱，重污染期間平均壓力為3.3 kPa，非重污染時段平均壓力為93.291 kPa。且重污染時段氣壓波動幅度較小。

圖3 11月25日至28日的天氣形勢變化

圖4 11月25日至28日氣象參數的時間序列圖

2.3 雷達觀測結果分析

由圖5可知，11月25日凌晨開始至中午，雷達退偏比顯示高空存在粗顆粒物氣溶膠團過境，消光系數顯示近地面細顆粒物持續積累，再加上邊界層在400 m左右，擴散條件較差。11月25日中午至26日凌晨，退偏比顯示高空粗顆粒物沉降至近地面，同時局部產生揚塵污染，污染物主要為粗顆粒物，邊界層高度維持在1 200 m以上，擴散條件較好，預計為風力較強導致。11月26日上午，邊界層短暫降低至400 m，之后很快抬升，雷達消光系數顯示，近地面有少量細顆粒物積累，但很快擴散。11月26日晚間開始，邊界層高度在500 m左右起伏，擴散條件持續較差，消光系數顯示，近地面細顆粒物逐漸積累，退偏比顯示污染物主要為細顆粒物；27日上午，雷達監測到高空出現細顆粒物傳輸，并沉降至近地面，導致污染進一步加重。

圖5 消光系數、退偏比及邊界層高度逐時變化情況

2.4 氣流后向軌跡分析

根據后向圖6，太原市污染期間主要受西南方氣團的影響，25日12時，氣團軌跡傳輸高度較高，最高在2 000 m左右，26日6:00下降到500 m左右，一直持續到27日12時。在此期間，污染物開始積累，直到28號2:00達到最大值。

2.5 SPAMS在線源解析

監測時間從11月25日01時至11月28日08時，具有粒徑信息的顆粒為1 298 366個，有正負質譜圖的顆粒為487 683個。按照空氣質量級別將11月25日01時至28日08時分為4個時間段，如圖7所示。時段1(輕度污染)中燃煤、工藝工業、機動車尾氣占比排名前三名，分別為37.37%、18.76%、15.75%。時段2(優良)至時段4(重度污染)的變化過程中，燃煤、機動車尾氣、二次無機源呈逐步上升的趨勢，三者的變化范圍分別為31.99%～35.05%、13.57%～19.21%、10.18%～15.32%。生物質燃燒、工藝工業、其他占比都呈下降的趨勢，揚塵源占比比較穩定。本次污染過程主要是由燃煤源、機動車尾氣、二次無機源的占比上升所致。

圖6 后向軌跡變化趨勢

圖7 11月25至28日08時不同時段污染源貢獻率變化

3 結論

對本次重度污染過程進行多元分析發現：

1) 從氣象角度來看，11月27日，全天氣壓場弱，屬靜穩天氣，不利于污染物水平擴散，同時，邊界層高度降低，污染物垂直方向的擴散也受到限制；

2) 從雷達觀測結果來看，本次重污染過程中受本地積累和外來傳輸沉降雙重影響；

3) 從后向軌跡圖來看，太原市重污染期間主要受西南方向氣團的影響，可見，太原市這次重污染過程除由不利氣象條件導致的本地積累外，還受到來自太原市西南方向燃煤和工業污染的影響。