秋季秸稈焚燒對臨汾市空氣質量的影響分析＊

周靜

秋季秸稈焚燒對臨汾市空氣質量的影響分析＊

周靜

（山西省氣象科學研究所，山西 太原 030002）

利用2016-11-01—11-15的可見光紅外成像輻射儀熱異常火點監測產品（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite，VIIRS）以及對應時段的臨汾市PM2.5、PM10、CO、SO2濃度觀測數據、晉南盆地26個氣象站點的氣象數據，綜合應用相關分析和空間插值等方法分析了周邊區域秸稈焚燒對臨汾市大氣污染過程的影響。研究結論可為臨汾市開展有針對性的協同治理提供科學依據。

秸稈焚燒；污染物；空氣質量；時空分布

生物質燃燒是全球重要的大氣污染排放源（KAISER et al.，2011），據估算，每年約有8 700 Tg干物質來自生物質燃燒排放（YADAV et al.，2017），而且大約90%的生物質燃燒與人類活動息息相關（ANDREAE，1991；CHEN et al.，2017）。生物質燃燒排放的氣溶膠及氣態污染物對近地層大氣化學、云微物理過程、輻射平衡方面產生著重要的影響（LEVINE，2013）。生物質作為一種重要的資源，長期以來在中國利用效率較低（朱開偉等，2015；馬驍軒等，2016）。據估計，每年秸稈焚燒量約為140 Tg（曹國良等，2007），且大多數情況下為露天燃燒，從而排放了大量的氣溶膠、CO以及多環芳烴（PAHs）等有毒有害物質（田賀忠等，2011），對大氣環境造成了很大的影響。近年來的研究結果表明，秋冬季節一些城市的重污染過程與周邊的秸稈燃燒及其污染物的輸送有著重要的聯系。尹聰等（2011）研究認為，2008-10蘇中和蘇北地區秸稈焚燒污染物的輸送是導致南京市大氣污染事件的主要原因。周悅等（2016）研究發現，在2014-06夏糧收獲季節，安徽省北部大面積秸稈焚燒所形成污染氣團的輸送是導致湖北省中東部地區的重度霾天氣的主要原因。程良曉等（2017）認為影響北京空氣質量的麥秸焚燒源區主要為華北平原的冬小麥產區，輸送路徑以偏南和偏東方向為主，其中以西南方向最多，污染最嚴重。毛慧琴等（2018）研究認為東北地區年內各月秸稈焚燒火點及PM2.5排放在春（3—4月）、秋（10—11月）兩季最為明顯，春季火點數及排放量多于秋季，同時在火點及其下風向的空氣質量指數（AQI）和氣溶膠光學厚度（AOD）往往會迅速升高。

中國北方地區秸稈焚燒主要發生在夏糧和秋糧收獲季的尾聲階段，秸稈焚燒導致或加重大氣污染主要是在秋季（徐敬等，2018）。臨汾作為生態環境部污染防治重點區域（汾渭平原）的主要城市，每年秋季深受周邊秸稈露天焚燒的影響，加之秋冬季節大氣污染擴散條件較差，往往會形成持續的嚴重污染過程。以往類似的研究主要針對華東、華南、華中、京津冀等地區展開，而針對汾渭平原的研究較少。本文選取2016-11-01—11-15這段時期研究前后兩段不同的污染過程，綜合利用衛星數據、環境監測站污染物觀測數據和氣象站觀測數據，分析了周邊區域秸稈焚燒對臨汾市大氣污染過程的影響，以期為本區大氣污染防治提供參考。

1 數據與方法

1.1 數據

火點監測數據使用為NASA發布的可見光紅外成像輻射儀熱異常產品（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite，VIIRS），其分辨率為375 m，該產品在反演過程中剔除了云覆蓋的影響，對面積較小的熱源也具有較高的敏感性（CSISZAR et al.，2014）。因此，VIIRS能夠更加高效地反映火點的真實分布情況，數據時段為2016-11-01—11-15白天和夜間的VIIRS，數據截取范圍為110.0°E~112.6°E，34.5°N~37.0°N。為了分析污染過程中臨汾市顆粒物、污染氣體的變化，還獲取了山西省環境監測站臨汾市的PM2.5、PM10、CO、SO2小時和日均濃度數據。氣象數據來源于山西省氣象局信息中心，主要包括風速、風向、相對濕度、溫度和降水等要素，觀測點包括了晉南城盆地及周邊的26個站點，數據時段與VIIRS時段匹配。

1.2 數據處理方法

1.2.1 數據的無量綱處理

由于衛星的火點監測數據與臨汾市的PM2.5、PM10、CO、SO2濃度監測數據兩者之間單位不統一，本文對二者進行歸一化無量綱處理，將原始數據處理成[0，1]之間的數據，消除原始數據的量綱差異，在日均污染物濃度變化與火點關系分析，逐時PM2.5、PM10、CO與SO2的比值分析時均采用無量處理后進行。計算方法如下：

式（1）中：i為歸一化無量綱處理數據；i為未經處理的原始數據。

1.2.2 風場數據的處理

氣象站的風速和風向為測風塔10 m高度的觀測結果，為了更加直觀地分析風場狀態，本文將風速和風向分解為緯向（）和經向風矢量（），然后利用克里金插值法分別對、風矢量進行插值，從而得到晉南盆地的風場。

2 結果和分析

2.1 火點時空分布特征

晉南盆地處于山西省西南部汾河下游地帶，是汾渭平原的主體部分，該地區人口稠密，工農業較為集中，每年11月份是本區秋收尾聲階段，由于大田管理較為傳統，露天焚燒作物秸稈較為普遍。臨汾市作為晉南盆地重要的城市，每年秋季空氣質量的變化深受周邊地區秸稈焚燒的影響。本文統計了晉南盆地2016-11-01—11-15的逐日火點數量，如圖1所示，可以看出，火點數量的變化經歷了2個時段，即2016-11-01—11-05和2016-11-08—11-15，這些天的火點數量均在20個以上，其中11月3、4、11、13日火點較多，分別達到了95，76，75和80個，對應的臨汾市日平均空氣質量指數（AQI）分別達到了267，286，229和208，均為重度污染級別，11月6、7日監測到的火點較少，分別為15和12個，對應的臨汾市AQI指數分別為82和98，屬于二級良好。

圖1 2016-11-01—11-15逐日火點數變化情況

由于11月3、4、11和13日火點分布較多，本文著重分析這4天的火點分布情況。這4天云層覆蓋較為稀疏，霾分布范圍和輪廓較為明顯，主要分布在地勢較為平緩的河谷地帶，其中11月4、11、13日霾覆蓋的范圍較廣，且向周圍地勢較高的地區擴散的跡象較為明顯。2016-11-01—11-15的火點總數分布如圖2所示，從圖2看，秸稈火點的分布與霾覆蓋的區域較為吻合，河津—侯馬—臨汾一線火點較為密集，形成了一個密集火點弧形帶，其中河津附近火點密度最大，達到了149個，其次為侯馬，達到99個。由于這一地帶處于狹長的河谷地帶，受地形條件的影響，污染擴散也受到了一定的限制，大氣污染物在這種地形的限制下往往會構成一種“避風港”效應（徐祥德等，2015）。

圖2 2016-11-01—11-15火點分布和火點密度

2.2 污染物變化特征及其與火點的關系

2016-11-01—11-15臨汾市污染物的時間序列呈現雙峰結構，如圖3所示，即在11-01—11-05和11-08—11-15期間4種污染物均較高，而11月6、7日較低。11-01的PM2.5濃度低于100 μg·m-3，11-02，濃度開始超過100 μg·m-3并逐漸上升，到11-05，濃度達到一個高峰，且大部分時段PM2.5濃度超過環保部規定的重污染分指數濃度閾值150 μg·m-3。11-06—11-07晉南地區有一次降水過程，PM2.5明顯下降，與此同時火點數量也明顯減少，前期污染過程告一段落。8日PM2.5濃度再次上升，但是波動幅度明顯比前期微弱，大部分時段PM2.5分指數在中度污染閾值115~150 μg·m-3范圍之間，從中也可以看出，前期PM2.5濃度與PM10的變化趨勢較為吻合，而后期二者的區別特別明顯，PM10的波動幅度較PM2.5更為強烈，這可能是前后兩段時期的污染來源發生了一些變化。CO濃度與PM10有類似的波動變化，與SO2濃度變化吻合度有一些差別，前期較差而后期較好。

2016-11-01—11-15火點數量與污染物日均濃度的散點如圖4所示，從圖4看，二者相關性均呈現出了正相關關系，與PM2.5、PM10、CO的復相關系數（2）分別為0.495，0.374和0.505，與SO2的關系較差，復相關系數為0.049，說明周邊地區火點數量對臨汾市SO2濃度的貢獻較小。11月份，晉南地區秋收結束，秸稈焚燒較為集中的時段，秸稈露天焚燒為不完全燃燒，燃燒過程中會生成大量CO、氣溶膠（唐喜斌等，2014），從火點數量與固態、氣態污染物的相關性來看，這段時期臨汾市大氣染來源與生物質焚燒有很大的關系。研究認為，一定時期內城市污染源對大氣顆粒物與氣態污染物的貢獻比例相對穩定（BEGUM et al.，2005），生物質焚燒排放了大量氣溶膠和CO，而對SO2貢獻較小（HAYS et al.，2005；王英等，2006；蔡宏珂等，2014），當受外來生物質燃燒污染輸送影響時，城市PM10和SO2比值會明顯增大（李令軍等，2008）。所以，本文可用PM10和SO2比值反映生物質焚燒污染對臨汾市空氣質量影響過程及強度，如圖5所示。從11-01—11-05的PM10和SO2比值來看，比值波動幅度較大，個別時段最高可達到6以上；11-06—11-07后期呈現下降趨勢，比值在2～4之間；8—15日比值在2上下波動，趨于平穩。PM2.5和SO2、CO和SO2的比值大體上類似于PM10和SO2的比值。

圖3 2016-11-01—11-15臨汾市逐時污染物濃度變化

圖5 臨汾市歸一化的PM2.5、PM10、CO小時濃度與歸一化的SO2小時濃度的比值

2.3 近地面風場與傳輸過程分析

近地面風場情況對大氣中污染物的稀釋和擴散具有重要作用（孔佑花等，2018），本文的風場由氣象站觀測的日均風速和風向轉換成、風矢量，如圖6所示，然后分別插值成格點得到。從11-03風場可以發現，侯馬—臨汾—翼城一帶形成了一個局地的反氣旋式環流，臨汾南部為西南風、而北部為西北風，臨汾正處于風場的輻合帶上，風速均小于2 m/s，臨汾市的大氣污染可能受到南北兩支氣流的影響，污染氣團可能在臨汾市附近匯集。11-04侯馬—臨汾一帶以西南風為主導，南支氣流影響較為顯著，有利于污染氣團的向北輸送，由于11月3、4日的風場分布均有利于污染氣團的輸送，所以，可能外來污染源對臨汾市的污染具有較大影響。11月11、13日地面風場分布較為復雜，臨汾市附近風場輻散特征明顯，但是平均風速在0.5～0.8 m/s，污染物的水平擴散能力有限，不足以對大氣污染形成顯著的稀釋擴散，也說明這兩日的外來污染源對該地的貢獻較小。

3 討論

秸稈焚燒活動往往呈現無序狀態，存在明顯的隨機性（王柳偉等，2017），但是城市的污染源區與秸稈焚燒分布及其污染的傳輸一致時，在部分時段，城市空氣質量與秸稈焚燒及其污染變化的統計關系十分密切（鐘方潛等，2017），這種情況下往往會形成嚴重的污染事件。大氣污染也包括了多種復雜的物理和化學過程，其中氣象條件的變化深刻影響著大氣污染過程，溫度、相對濕度、地面風向和風速、降水量、天氣系統等諸多氣象因子對污染過程中的氣粒轉化、吸濕增長、干濕沉降等過程具有重要的影響（張小曳等，2013；WU et al.，2013；LI et al.，2014），本文選取的研究時段內氣象條件也發生了一些復雜的天氣變化過程。臨汾市個別天的氣象條件如表1所示，從表1看，11月3、4、11、13日的平均風速均低于1 m/s，風速較小，污染擴散的動力條件較差，容易造成污染物的積累，且相對濕度處于50%～70%左右，有利于氣溶膠的吸濕增長。從地面天氣系統來看，高壓后部（HPR）、弱低壓（WL）、倒槽（IT）、均壓場（UPF）等均為不利于污染擴散的天氣類型（郭麗君等，2015；周靜等，2018；張瑩等，2018），由于11月6、7日地面天氣系統分別以弱低壓和低壓（LP）為主導，由于有降水過程，降水量分別為10.4 mm和13.6 mm，達到了中雨量級（中雨：日累積降水達到10～25 mm），可能對臨汾市污染物清除具有明顯的效果。

表1 臨汾市個別天的氣象條件

時間溫度/℃相對濕度/（%）降水/mm風速/（m/s）能見度/km天氣系統 2016-11-038.567.00.00.91.8HPR 2016-11-049.170.80.00.71.2WL 2016-11-0611.693.410.41.83.6IT 2016-11-079.787.613.62.19.2LP 2016-11-118.566.20.01.03.4UPF 2016-11-1311.057.10.00.94.5UPF

4 結論

本文利用VIIRS火點監測數據分析了2016-11-01—11-15晉南盆地秸稈火點的時空分布情況，探討了秸稈火點數量與臨汾市空氣質量的關系，并且分析了秸稈焚燒污染物輸送的風場特征，得到如下結論。

2016-11-01—11-15火點數量的變化經歷了2個時段，11-01—11-05和11-08—11-15秸稈火點數量較多，對應的臨汾市空氣質量也出現了持續的重污染過程。從秸稈火點的空間分布來看，在河津—侯馬—臨汾一帶火點分布較為集中，其中河津市周邊的秸稈火點密度最大，達到了149個，其次是侯馬周邊，達到99個，秸稈火點的分布與衛星鎮彩圖顯示的霾分布范圍較為吻合。

逐日秸稈火點數量與臨汾市PM2.5、PM10、CO的相關性較好，2分別可以達到0.493，0.381，0.505，與SO2的相關系較差，2為0.059。從PM2.5、PM10、CO與SO2比值來看，三種比值變化趨勢較為一致，11-01—11-05各自的比值波動幅度較為劇烈，在11月6、7日比值呈現出了下降趨勢，11-08—11-15日比值的振幅明顯縮小，波動幅度較為平穩，可以發現在降水前后，臨汾市大氣污染來源發生了一些變化。從降水前后的風場來看，11-03—11-04臨汾市周邊的風矢量輻合特征明顯，區域內污染物的輸送、累積效應較為顯著；而11月11、13日臨汾市周邊風場呈現出來輻散特征，外來污染對其影響較小，但是由于臨汾市一帶風速較小，平均風速低于1 m/s，對污染物的水平擴散稀釋的動力條件仍然不足。

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X513

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.024

2095－6835（2019）16－0059－05

周靜（1979—），女，碩士，工程師，主要從事大氣化學研究。

國家重點研發計劃“大氣污染成因與控制技術研究”重點專項（編號：2016YFC0203100）；山西省應用基礎研究項目（編號：201801D221334）

〔編輯：王霞〕