秸秆焚烧导致南京及周边地区一次严重空气污染过程的分析

朱 彬,苏继锋,韩志伟,尹 聪,王体健(.南京信息工程大学中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室,江苏 南京 0044；.中国科学院大气物理研究所,北京 0009；.南京大学大气科学学院,江苏 南京009)

秸秆焚烧导致南京及周边地区一次严重空气污染过程的分析

朱 彬1*,苏继锋1,韩志伟2,尹 聪1,王体健3(1.南京信息工程大学中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室,江苏 南京 210044；2.中国科学院大气物理研究所,北京 100029；3.南京大学大气科学学院,江苏 南京210093)

2008年10月28～29日南京及周边地区发生了一次严重的空气污染事件,PM10、CO、SO2等大气污染物浓度急剧增高.本文综合利用地面空气污染监测资料、卫星遥感火点监测资料、气象观测和NCAR/NCEP再分析资料及气流后向轨迹模拟,分析了该次污染事件发生的天气条件和大气边界层特征以及大气污染物的来源、输送路径.结果表明,苏中、苏北地区秸秆焚烧产生的大气污染物向南京及周边地区输送,并结合不利于污染物扩散的天气形势和边界层条件,即:均压场结构、500hPa以下弱的垂直速度、涡度和散度、较低的边界层高度及逆温层的存在,以及地形因素是导致这次大气污染事件的主要原因.

秸秆焚烧；卫星遥感；后向轨迹；大气扩散条件

Abstract：During the time period between Oct.28 to Oct.29, 2008, a serious air pollution event took place in Nanjing and surrounding regions, accompanying with sharply increasing of PM10, CO and SO2in the air. Satellite remote sensing data, surface meteorological observations, air pollution index and the NCEP reanalysis data were used to investigate the atmospheric conditions and planetary boundary layer (PBL) features. Air mass backward trajectory simulation method was employed to analyze the air pollutants sources and transport paths of this event. The results showed that the transport of gas pollutants releasing from crop residue burning in the central and north parts of Jiangsu Province, combining with unfavorable weather condition, which was the dominating reason of this air pollution episode. It was found there was a high-pressure system with relative uniform pressure pattern, weak vertical velocity, vorticity and divergence below 500hPa, which prevented atmospheric ventilation. The inversion temperature, low mixing height and topographical forcing winds in the PBL was also not favor for the air pollutants diffusion.

Key words：crop residue burning；satellite remote sensing；back-trajectory；atmospheric diffusion

生物质燃烧已成为全球重要的大气微痕量成分排放源,其排放及二次形成的气溶胶颗粒物、污染气体(CO、SO2、NOx、O3等)对区域和局地空气质量、大气化学过程乃至气候变化产生重要影响[1-2],据估算全球每年约有8700Tg干物质来自生物质燃烧排放,其中90%的生物质燃烧与人类活动有关[3].我国是一个农业大国,每年的农业秸秆产生量约6×108t/a,而农业秸秆被露天焚烧的比例根据不同省份具体情况各有差异,江苏、浙江等地由于经济发达,秸秆利用率较低,焚烧的比例约为30%～40%[4].近年来国内外针对生物质燃烧(包括秸秆焚烧)的卫星遥感监测[5-6]及其造成的空气污染等环境效应开展了较多研究[7-9],探讨了卫星遥感生物质燃烧火点和过火区的方法和应用,对其造成的污染物输送和空气质量的影响进行了观测和评估.

长江三角洲地区是我国近年来霾的多发区[10],其中由于秸秆焚烧引起的霾天气和空气污染事件占有重要比例,具有季节高发性.该地每年春、秋收期间,农民因为抢收抢种、保持土壤肥力、减轻病虫害等原因往往就地焚烧农作物秸秆.焚烧排放大量的颗粒物、CO、VOC、SO2、NO2以及PAHs等有毒有害物质,在不利大气扩散条件下,造成长江三角洲城市大气环境显著恶化.目前,针对长江三角洲地区秸秆焚烧造成的空气污染及其产生的气象条件、输送路径的研究还不够深入,特别是针对长江三角洲城市空气质量受秸秆焚烧影响的综合研究还不多.

本文针对2008年10月28、29日秸秆焚烧导致南京及周边地区一次严重空气污染过程进行分析,从卫星遥感监测的火点出发,配合后向轨迹分析,研究南京周边地区的地形条件和污染期间气象条件,探讨此次大气污染过程污染物的分布和变化规律、输送路径以及空气污染发生的气象条件(天气形势和大气边界层).

1 资料与研究方法

空气污染指数资料来源于中国环境监测网[11], SO2、NO2数据由瑞典OPSIS AB公司生产的双光路DOAS差分吸收光谱仪观测,仪器安装在南京信息工程大学气象楼楼顶,海拔高度62m.CO和PM10数据取自南京大学浦口校区观测站,该观测点距南京信息工程大学观测点南侧约2km,中间为一近百米高的小山相隔.

用于轨迹计算的气象场资料为美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的全球同化系统(GDAS)数据.轨迹计算采用美国NOAA研制的轨迹模式HYSPLIT4[12],用来分析大气输送情况.物理量诊断分析采用NCEP2.5°×2.5°再分析资料.常规气象观测资料来源于江苏省气象局和南京信息工程大学自动气象观测站.

本文以南京地区为研究对象,主要从天气环流背景、后向轨迹分析、大气温度层结、混合层高度、污染区域的物理量诊断分析和风场的地形强迫等方面分析着手,侧重天气学分析,探讨秸秆焚烧导致的区域性空气污染过程生消的原因.

2 空气污染事件过程描述

从2008年10月28日起南京天空黯淡而且空气中飘着淡淡的焦糊味,整个城市被烟雾所笼罩.10月27日国家卫星气象中心卫星遥感监测到江苏有38处秸秆焚烧点(图1).其中连云港8处,宿迁2处,其余的都在泰州附近.28、29日由于有云覆盖没能监测到火点,10月28日晚上,江苏省各地的环境监察大队,发现沿途一些农民在烧秸秆,这些着火点主要集中在苏中、苏南等沿江各县[13].

图1 2008年10月27日 13:08 NOAA-18气象卫星观测到的安徽省、江苏中西部地区火情监测图像Fig.1 NOAA-18 satellite image of fire spots (red points)over Anhui and the central and west of Jiangsu province at 13:08 Oct. 27,2008

10月28日12:00～22:00南京可吸入颗粒物平均浓度0.352mg/m3,空气污染指数203,达到中度污染水平.全市可吸入颗粒物最大小时浓度为0.955mg/m3.截至22:00,全市9个国控点中有7个测点可吸入颗粒物实时浓度超过1.0mg/m3,达到重度污染水平.草场门、中华门、仙林大学城测点PM2.5浓度出现异常偏高,最大瞬时浓度为0.994mg/m3[14].

图2 2008年10月29日南京周边地区空气质量指数分布Fig.2 The air quality index distribution over Nanjing and surrounding regions on Oct. 29, 2008

中国环境监测总站发布的重点城市空气质量日报[11]显示南京28日空气污染指数126为轻微污染,29日达199为轻度污染.而29日扬州空气污染指数达255为中度污染,镇江空气污染甚至指数达412,为重度污染.空气质量日报是根据1d天中午12:00到次日12:00做出的,所以污染的峰值出现在29日凌晨左右,这跟仪器测出的污染气体峰值时间相符合.另外,29日当天,南通、泰州、常州、合肥等地均有不同程度的污染(图2).由此可见这是一次大范围的、性质严重的区域性空气污染过程.至30日,除扬州和合肥外,各地空气污染指数恢复正常.

图3为江苏省部分气象站记录的能见度变化,可见除了江苏东部城市南通和张家港外,其他地区能见度在28～29日均在10km以下,其中扬州、泰州和江宁站尤其偏低,江宁站出现了能见度1.2km的极值,而扬州站在29日08:00的能见度仅为0.8km.

图3 2008年10月28日08:00～29日14:00,南京及其周边地区观测站能见度的分布和变化Fig.3 Meteorological visibility distribution and variationin Nanjing and surrounding sites from 8:00 Oct. 28 to 14:00 Oct. 29, 2008

结合国家空气质量标准[15]中污染物的选取和秸秆焚烧产物成分的比例[4,7,16].图4给出了10月27～30日,SO2、NO2、CO和PM10质量浓度随时间变化的观测结果.从27日20:00开始NO2、CO、SO2的浓度均显著增长,NO2在28日00:00就先于其他污染气体显著增高,其原因可能是观测点靠近高速公路,汽车尾气排放的NOx(汽车尾气排放NOx的主要组成是NO,NO在臭氧存在下可快速转化为NO2)在不利扩散的条件下率先造成局地污染.而秸秆焚烧主要污染物PM10、CO、SO2的浓度在28日后半夜至29日凌晨之间由于周边污染源输送到达观测点,最大值达0.55,2.57,0.57mg/m3.29日凌晨的弱降水导致SO2、NO2和PM10质量浓度略有降低,但并未缓解南京及其附近地区的污染状况,29日白天的污染依然严重.

图4 空气污染事件期间,南京PM10、SO2、NO2和CO随时间变化Fig.4 Time series of PM10, SO2, NO2and CO observed in Nanjing during the air pollution event

3 空气污染气象条件和气流轨迹分析

3.1大气环流特征

天气尺度的稳定的高压均压场和稳定的低压均压场是形成我国中尺度乃至大尺度重污染的主要天气系统[17-19].从10月下旬500hPa平均环流形势可知,欧亚大陆中高纬环流为“两槽一脊”型,两槽之间为弱脊,环流的经向度不大,南京为纬向性的西风气流控制.26日开始,副热带高压加强北抬,与水汽充足的西南气流在长江中下游相遇,并形成大片的强降雨区.但位于偏东的南京地区,因为没有冷空气影响等触发条件,难以形成降水,而一直维持高湿状态.刘兴中等[18]对南京地区SO2、NOx和水汽压的研究表明二者有正相关关系.

10月28日08:00,500hPa在黄河上游有一浅槽,700hPa黄河中游有切变,均快速向东南方向移动;850hPa整个长江中下游处于弱脊控制,在黄河中游至四川盆地有一切变线快速东南移动;28日地面场南京处于弱高压底部.28日20:00, 850hPa以下为弱脊控制.29日08:00,500hPa苏北徐州和盐城站已由西南偏西风完全转为西北偏北风,说明高空槽已过苏北;850hPa山东半岛和浙江东部小高压(中心最大值分别为1018.2hPa和1019.0hPa)之间的东西走向的弱切变位于信阳-南京-上海一线.

29日凌晨开始南京及其周边地区开始产生降水,但是降水量很小,降水导致了秸秆的不完全燃烧,小的降水量并不能对污染物起到明显的清除作用,污染反而更为严重.南京江宁站、镇江29日20:00之前总降水量才3.3mm,扬州为2.3mm,且每小时降水量都未能超过1mm.纵观大气环流,南京及其周边地区在28、29日地面处于高压均压场控制,风速较小,一般维持在2～3m/s左右,低层有弱切变,弱辐合,近地层相对湿度较大,非常有利于水汽和污染物在其上空聚集,极不容易扩散.

3.2地面气象要素和边界层特征

由地面气压、相对湿度和风速时间图(图5)看出,海平面气压在1014～1019hPa的范围内变化,48h变压只有5hPa,温度、气压梯度小,决定了水平风速很小.28、29日2d的风速最大值只有3m/s,不利于污染物特别是低排放源污染物的水平扩散.秸秆焚烧产生的污染物在27日夜间和28日全天的积累和滞留,造成了29日南京及周边地区严重的污染天气.28日地面相对湿度为60%左右,29日02:00相对湿度上升至80%且一直维持在80%～90%之间,可见水汽在近地层也在不断积聚.

近地层出现逆温不利于污染物的扩散[20-21],逆温层持续的时间、强度和逆温层厚度与污染物扩散有直接关系.取南京地区为研究对象,由图6可见,28日08:00近地面1000hPa到986hPa存在明显的逆温,逆温层顶在986hPa,虽然强度不大,但是逆温层底部高度非常低.986hPa以上处于中性层结,直到640hPa又有一逆温层.整个大气层结相对稳定,对秸秆燃烧产生的颗粒物及气体污染物的垂直扩散非常不利.28日20:00,750hPa以下是中性层结,750hPa、850hPa有逆温,整层大气上下温差小,大气湍流和热力对流弱.

图5 2008年10月28～31日南京地区气压、温度相对湿度、风速和风向的时间变化Fig.5 Time series of pressure, temperature, relative humidity, wind speed and wind direction observed in Nanjing from Oct. 28 to Oct. 31, 2008

29日08:00,850hPa以下属中性层结,850hPa至790hPa有逆温.29日20:00,925hPa以下是中性层结,925hPa至820hPa是逆温层,无论是水平方向还是垂直方向,大气输送都很弱.所以污染物在长江中下游地区堆积,造成能见度下降、空气质量恶化.从图6的露点曲线和温度曲线还可以看出,28～29日温度-露点差不断减小,水汽不断在边界层内积累.

大气混合层高度是污染物在垂直方向上扩散的上限,是污染物扩散的重要参数.当混合层高度较低时,污染物垂直方向得不到很好的扩散,易造成局地的高浓度污染.本文用探空资料使用干绝热法来求混合层高度[22].计算得到10月28、29和30日最大混合层高度分别为847m、460m和1669m.中纬度陆地上的混合层典型厚度为1～2km.这样低的混合层高度使污染物被压制在边界层低层得不到扩散,而水平方向的风速又较小,污染物只能在边界层低层缓慢输送、扩散、积累、滞留,造成了整体的区域污染和局地的高浓度污染.到30日,混合层高度上升为1669m,污染物在垂直方向上充分混合稀释.所以到30日除扬州和合肥外,大部分城市空气污染指数回到正常水平.

图6 2008年10月28日～29日温度、露点温度随高度变化曲线Fig.6 Profiles of temperature and dew point temperature from Oct. 28 to Oct. 29, 2008

3.3物理量分析

利用10月27日00:00至29日12:00的NCEP再分析资料,对污染区(117.5°～122.5°E,30°～32.5°N)做区域平均的垂直速度、涡度和散度的垂直剖面时间变化图(图7a).从图7a中可以看到污染区28日00:00之前500hPa为下沉运动,28日00:00以后上下层垂直速度都很弱,介于0～±0.1Pa/s之间,垂直方向交换很弱.29日00:00以后为上升运动,但是垂直速度依然很小,850hPa高度附近中心的最大负值为-0.15,可以定义为弱的上升运动.

污染区的涡度垂直剖面图(图7b)显示,500hPa以下27日08:00至29日00:00为负涡度,中心最大值为2×10-5s-1.29日00:00之后为正的涡度,中心最大值为1×10-5s-1.无论涡度正负, 500hPa以下涡度绝对值都很小.

图7 2008年10月27日00:00(UTC)到29日12:00污染区(117.5°～122.5°E,30°～32.5°N)区域平均的垂直速度(Pa/s)、涡度(10-5s-1)和散度(10-6s-1)的垂直剖面Fig.7 Cross sections of vertical velocity (Pa/s), vorticity (10-5s-1) and divergence (10-6s-1) in the pollution region (117.5°～122.5°E, 30°～32.5°N) from 0:00(UTC) Oct. 27 to 12:00(UTC) Oct. 29, 2008

图7c的散度垂直剖面图显示500hPa以下28日00:00之前为正的散度,有弱的辐射运动;28日00:00到29日00:00底层(900hPa以下)为正的散度,900hPa以上为负的散度.29日00:00之后800hPa以下为负的散度,中心值为-0.1× 10-6s-1,弱辐合上升运动.500hPa以下散度的绝对值仍然很小,最大值为-0.1×10-6s-1.刘兴中等[18]和杨德保等[17]的研究都认为,当垂直速度较小时,底层大气有辐合时的污染更加严重,这也是本次污染过程出现局地高浓度污染的一个原因.正是29日00:00以后底层的切变产生的辐合(正涡度和负散度)使得污染从四周向污染区汇合,而小的垂直速度使得大气上下层之间的交换又很小,造成了28、29日南京附近区域的局地高浓度污染.

3.4风场和地形

地形对风场的强迫在此次污染天气过程中也起到一定作用.南京周边地区包括杭州、合肥在内,南面是浙闵丘陵和黄山,西南面是大别山山脉.含有污染物的气流在由北向南移动过程中遇到地形的阻挡,被迫向西输送(图2),加上风速小、气压场弱、湍流不旺盛等原因,污染物在南京及其周边地区堆积滞留.

3.5后向轨迹模拟

不利的空气污染气象条件和地形是造成这次区域性严重的空气污染事件的主要原因.应用后向轨迹模式可以反推污染气团来源.考虑到区域尺度或中尺度的输送一般小于1000km,在边界层内的输送的传输时间约需2～3d[23],应用轨迹模式HYSPLIT4.8对南京10月28、29日出现的污染分别进行48、60h后向轨迹模拟.后向轨迹模式主要输入参数:轨迹的终点设为南京,设了3个终点高度,100m、500m和800m.100m代表边界层低层气团的走向,29日的混合层高度只有500m左右,所以取800m为模拟层的最高高度.

2008年10月28日20:00的模拟结果(图8a):气团48h内移动缓慢,低层的100m高度气团由苏北连云港地区经南通向南到苏州,转向西北方向经常州、镇江向北至泰州、扬州附近再向西南到南京;500m高度来源从连云港地区经盐城、南通到达杭州湾,再转向西北至南京;800m高度由泰州兴化地区经扬州、镇江、无锡和苏州等地区直至杭州湾,再向北到达南京.3个高度层的模拟路径较为相似.

图8 到达南京的后向气流轨迹模拟Fig.8 The simulation of back-trajectories which arrived in Nanjing

2008年10月29日08:00(图8b)模拟结果:100m高度气团由连云港向南经南通到达无锡,向北转至兴化经泰州、扬州附近,再向西南至南京.

模拟发现南京2008年10月28、29日2d污染物的源均来自南京东北方向(苏中、苏北)和扬州附近的沿江一带.污染物路径大致都是由苏北向南到达杭州地区,再折向北到达南京地区.100m高度的气团轨迹精确地显示了气团在火点附近(图1)的走势:从8个火点的连云港地区经南通到达无锡、苏州地区,向北转至卫星显示28个火点的泰州和兴化地区,再向西南经扬州、镇江到达南京.由此可见,这次区域性的污染是由苏中、苏北地区秸秆焚烧导致的一次严重的区域性空气污染过程.

4 结论

4.1地面空气污染监测资料、卫星遥感火点监测资料及后向气流轨迹模拟表明,苏中、苏北地区秸秆焚烧是导致2008年10月28～29日南京及周边地区大气污染事件的主要起因.

4.2从天气形势看,弱的高压均压场结构、低层大气的弱切变、小风速和小且不连续的降水等天气条件不利于污染物水平扩散.500hPa以下较小的垂直速度和负散度加剧了污染物的积累.风场和地形强迫导致的近地层切变和弱辐合使污染物在长江中下游地区堆积滞留.

4.3从边界层特征看,逆温层、相对稳定的中性层结和低的混合层高度不利于污染物垂直方向的湍流扩散,稳定的温度层结和小风速使动力湍流不能发展,水汽、秸秆焚烧产生的污染物在混合层内积聚.

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Analysis of a serious air pollution event resulting from crop residue burning over Nanjing and surrounding regions.

ZHU Bin1*, SU Ji-feng1, HAN Zhi-wei2, YIN Cong1,WANG Ti-jian3(1.Laboratory of Atmospheric Physics and Environment of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2.Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 3.School of Atmospheric Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China). China Environmental Science, 2010,30(5)：585～592

X703.5

A

1000-6923(2010)05-0585-08

朱 彬(1969-),男,江苏姜堰人,教授,博士,主要从事大气化学和大气环境研究.发表论文30余篇.

2009-10-05

国家“973”项目(2009CB426313);公益性行业(气象)科研专项(GYHY200806001-1-1);中国科学院东亚区域气候―环境重点实验室开放课题;国家自然科学基金资助项目(40875078)

* 责任作者, 教授, binzhu@nuist.edu.cn