金紅紅，肖童覺，黃河仙，陳 陽(yáng)，郭 倩

(1.湖南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，410019，長(zhǎng)沙；2.國(guó)家環(huán)境保護(hù)重金屬污染監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，410019，長(zhǎng)沙)

0 引言

2019年，長(zhǎng)沙市僅在冬季出現(xiàn)了4次重污染過(guò)程，重污染天數(shù)共8 d。本研究選取了長(zhǎng)沙市2019年12月的一次持續(xù)污染天氣過(guò)程作為分析對(duì)象，對(duì)PM2.5的顆粒進(jìn)行組分分析，了解該時(shí)段長(zhǎng)沙市大氣顆粒物的污染特征及氣象成因，為政府制定重污染天條件下污染源減排削峰措施提供科學(xué)支撐。

1 研究方法

采用長(zhǎng)沙市芙蓉區(qū)馬坡嶺組分站的環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)獲得的小時(shí)數(shù)據(jù)，PM2.5質(zhì)量濃度、PM2.5中水溶性離子及碳分碳的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)均來(lái)自力合科技(湖南)公司生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)儀，顆粒物雷達(dá)數(shù)據(jù)為安徽藍(lán)盾生產(chǎn)的雙鏡微脈沖激光雷達(dá)。儀器的規(guī)格、維護(hù)、標(biāo)定及數(shù)據(jù)處理質(zhì)控方法均按照中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站要求執(zhí)行。

2 重污染過(guò)程特征分析及成因分析

2.1 重污染過(guò)程分析

重污染天氣是指根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)( AQI) 技術(shù)規(guī)定( 試行) 》( HJ633—2012)[9]，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)級(jí)別達(dá)到五級(jí)( 重度污染) 及以上污染程度的大氣污染。2019年12月13—16日，長(zhǎng)沙市經(jīng)歷一次灰霾由產(chǎn)生到消退的過(guò)程，近地面空氣質(zhì)量經(jīng)歷了一次持續(xù)50 h達(dá)到重度污染。以長(zhǎng)沙市馬坡嶺站點(diǎn)為例，其中12月13日，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)為143，14日上升至234，達(dá)到重度污染，15日持續(xù)重度，AQI為251，16日17：00開始迅速下降轉(zhuǎn)好，詳見圖1。此次重污染期間，PM2.5和PM10均出現(xiàn)不同程度超標(biāo)，首要污染物為 PM2.5。

圖1 2019年12月13—16日馬坡嶺站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度與AQI的小時(shí)變化

2.2 PM2.5中化學(xué)組分特征分析

圖2 2019年12月13—16日馬坡嶺站點(diǎn)PM2.5中水溶性離子的小時(shí)濃度分布

水溶性 K+可作為生物質(zhì)燃燒的標(biāo)識(shí)物，Ca2+可作為建筑塵的標(biāo)識(shí)物[10]。由圖3可見，此次重污染期間，K+質(zhì)量濃度峰值多在夜間出現(xiàn)，K+質(zhì)量濃度從12月14日凌晨開始濃度呈上升的趨勢(shì)，在12月15日03：00達(dá)到最大小時(shí)值，濃度為3.01 μg /m3，之后呈降低的趨勢(shì)。K+質(zhì)量濃度升高可能與上游污染氣團(tuán)輸送中夾雜秸稈焚燒物質(zhì)有關(guān)，再加靜穩(wěn)天氣不利于大氣擴(kuò)散；而K+質(zhì)量濃度在達(dá)到高值后下降，與地面風(fēng)速加大、擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好有關(guān)。Ca2+質(zhì)量濃度從 12 月 14 日開始呈明顯下降，這可能與長(zhǎng)沙市啟動(dòng)預(yù)警后大部分工地停止作業(yè)、道路清掃沖洗次數(shù)增加、渣土運(yùn)輸減少等管控措施的實(shí)施、減少了建筑塵污染貢獻(xiàn)有關(guān)。

圖3 2019年12月13日—16日馬坡嶺站點(diǎn)PM2.5中Ca2+和 K+質(zhì)量濃度變化

2.2.2 PM2.5中碳組分特征分析 從圖4可知，EC質(zhì)量濃度變化幅度總體較小，OC 濃度隨著污染程度加劇而顯著增大，隨污染程度降低而又逐漸減低。一般認(rèn)為當(dāng) OC/EC的比值超過(guò)2.0時(shí)，即表明二次有機(jī)污染的存在[11]。長(zhǎng)沙市馬坡嶺站點(diǎn)12月13—16日PM2.5中的OC/EC小時(shí)比值在2.5～9.5之間，而OC/EC日比值在3.7～6.2之間，呈現(xiàn)逐日下降的趨勢(shì)，OC/EC比值均高于二次污染的判斷標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明長(zhǎng)沙市二次有機(jī)碳污染較為嚴(yán)重，同時(shí)表明政府啟動(dòng)車輛限行、企業(yè)限產(chǎn)等預(yù)警措施，在一定程度上降低了二次有機(jī)碳的占比。

圖4 12月13—16日馬坡嶺站點(diǎn)PM2.5中OC、EC質(zhì)量濃度以及 OC/EC比值分布

2.3 重污染過(guò)程成因分析

2.3.1 氣象條件分析 通過(guò)對(duì)12月13—16日馬坡嶺站點(diǎn)的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5，可知馬坡嶺站點(diǎn)PM2.5與風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度呈正相關(guān)。

圖5 12月13日—16日馬坡嶺站點(diǎn)PM2.5濃度值與氣象條件之間的相關(guān)性分析

由圖6中13日全國(guó)地面天氣形勢(shì)來(lái)看，京津冀地區(qū)有一個(gè)冷高壓中心，四川盆地地區(qū)有一個(gè)低壓中心，湖南長(zhǎng)沙位于兩者之間，處于均壓場(chǎng)形勢(shì)控制，風(fēng)速比較小，風(fēng)向容易受到地形的影響，水平擴(kuò)散條件較差，有利于顆粒物的本地生成累積。此為污染開始階段。

由圖6中14日地面形勢(shì)來(lái)看，京津冀地區(qū)冷高壓中心逐漸向東南移動(dòng)，四川盆地地區(qū)有一個(gè)低壓中心，湖南長(zhǎng)沙地區(qū)位于兩者之間，處于均壓場(chǎng)形勢(shì)控制，風(fēng)速比較小，風(fēng)向容易受到地形的影響。14日整個(gè)湖南長(zhǎng)沙地區(qū)的近地層相對(duì)濕度增加明顯，濕度增加利于污染物2次轉(zhuǎn)化，地面靜風(fēng)形勢(shì)也有利于顆粒物的本地累積。

由圖6中15日地面形勢(shì)來(lái)看，隨著陸面高壓南移，湖南長(zhǎng)沙地區(qū)處在偏北風(fēng)控制下，風(fēng)力有所增加，上游輸送的情況下加劇了本地污染。特別是長(zhǎng)沙市地形為東、西、南三面環(huán)山，北面開口，地形條件不利于大氣污染物的擴(kuò)散。

由圖6中16日地面形勢(shì)來(lái)看，冷空氣自外蒙地區(qū)逐漸南下，經(jīng)內(nèi)蒙古、陜西、湖北影響湖南長(zhǎng)沙地區(qū)，地面北風(fēng)風(fēng)速逐漸增大，降溫明顯，擴(kuò)散條件逐漸轉(zhuǎn)好。但是受到北方污染地區(qū)污染傳輸影響，湖南長(zhǎng)沙地區(qū)污染物濃度出現(xiàn)傳輸峰值，隨后逐漸下降。整個(gè)污染過(guò)程逐漸結(jié)束。

圖6 12月13日—16日全國(guó)地面天氣形勢(shì)分布(13日08:00、13日20:00、14日08:00、14日20:00、15日08:00、16日08:00、16日20:00)

2.3.2 污染氣團(tuán)來(lái)源分析 采用LPDM拉格朗日溯源模型對(duì)長(zhǎng)沙市12月13—16日重污染天氣的污染氣團(tuán)來(lái)源進(jìn)行溯源分析，結(jié)果如圖7所示。13—14日，長(zhǎng)沙市的氣團(tuán)主要來(lái)自東北方向和東北偏東方向，氣團(tuán)貢獻(xiàn)均以本地為主，安徽、江西等有少量貢獻(xiàn)；15—16日，長(zhǎng)沙市的氣團(tuán)來(lái)自東南方向和偏南方向，氣團(tuán)貢獻(xiàn)以本地貢獻(xiàn)為主，廣西、湖北和貴州有少量貢獻(xiàn)。由此可知，長(zhǎng)沙市此次重污染天氣主要是因?yàn)楸镜匚廴九欧暖B加為主，外加少量的外來(lái)輸送影響。

圖7 長(zhǎng)沙市13—16日氣團(tuán)溯源分析

3 結(jié)論

1)2019年12月13—16 日，長(zhǎng)沙市空氣質(zhì)量連續(xù)達(dá)50 h重度污染，其中12月15日污染最嚴(yán)重，PM2.5日均質(zhì)量濃度高達(dá)203 μg /m3，超標(biāo)1.7倍。此次持續(xù)重污染天氣的形成主要是以本地污染排放疊加為主，外加少量的外來(lái)輸送影響。

3)從氣象條件分析，此次持續(xù)重污染期間，首先受大氣靜穩(wěn)、高濕等不利氣象條件影響，污染物濃度開始上升。高壓和低壓的共同作用，偏南風(fēng)和偏北風(fēng)匯合，形成準(zhǔn)靜止結(jié)構(gòu)。再加長(zhǎng)沙市地形為東、西、南三面環(huán)山，北面開口，地形條件不利于大氣污染物的擴(kuò)散，均是導(dǎo)致持續(xù)重污染的重要客觀條件。后地面北風(fēng)風(fēng)速逐漸增大，擴(kuò)散條件逐漸轉(zhuǎn)好，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。