粗粒子气溶胶远距离输送造成华南严重空气污染的分析

吴 兑,吴 晟,李 菲,陈欢欢(.中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东 广州 50080；.中山大学环境科学与工程学院大气科学系,广东 广州 5075；.香港科技大学环境学部,香港 九龙)

粗粒子气溶胶远距离输送造成华南严重空气污染的分析

吴 兑1,2*,吴 晟3,李 菲1,陈欢欢2(1.中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东 广州 510080；2.中山大学环境科学与工程学院大气科学系,广东 广州 510275；3.香港科技大学环境学部,香港 九龙)

2009年4月末,发生了一次罕见的粗粒子气溶胶远距离输送造成华南地区出现严重的空气污染事件,其特征主要是气溶胶质量浓度超标,而能见度没有明显恶化,对这次空气污染事件进行分析的结果表明.在过程中,粗细粒子质量比(PM2.5/PM10)有明显的 3次下降,最低达到0.3,即PM2.5仅占PM10的30%,这与珠江三角洲地区通常以细粒子为主的污染特征有很大不同,反映了外来粗粒子的侵入特征.长江流域浮尘天气的沙尘粒子变性后,长距离输送污染物叠加本地污染物,造成这次严重空气污染事件.

华南地区；粗粒子气溶胶；空气污染；粗细粒子质量比(PM2.5/PM10).

大气气溶胶因其全球气候效应近年来成为科学家们广泛关注的一个重要领域[1-2].与气溶胶相关联的另一个重要问题是其环境效应:大气污染.大气污染也是当前大多数发展中国家在城市化工业化过程中普遍面临的难题[3].气溶胶粒子是悬浮在大气中的直径 10-3～10µm 的固体或液体粒子[4],其自然来源主要是海洋、土壤和生物圈以及火山等.工业化以来,人类直接向大气排放大量气溶胶粒子和污染气体,污染气体通过非均相化学反应及光化学反应亦可转化形成气溶胶粒子.

有研究发现,在亚洲南部上空经常笼罩着一层 3km 厚的棕色气溶胶云,将其称为亚洲棕色云[5],或称为灰霾天气[6-7],其组成主要包括:黑碳、粉尘、硫酸盐、铵盐、硝酸盐等.

本世纪以来,对珠江三角洲地区出现的灰霾天气相继开展了一系列工作,从研究气溶胶的物理化学特性[8-9],尤其是辐射(光学)特性[10],到指出灰霾造成能见度恶化的本质是细粒子气溶胶污染[11-15],提出了霾的观测和预报等级标准[6,16-17],其核心观点是珠江三角洲地区出现的灰霾天气与细粒子气溶胶污染相关,区域大气的细粒子污染特征非常显著,细粒子气溶胶的比重非常高,PM2.5/PM10达到70%以上,PM1/PM2.5达到90%以上[11].

另一方面,起源于沙尘暴天气活动,每年中亚沙漠对大气中输送 PM10的贡献总和为 1000万t[18],主要影响华北、日本、朝鲜半岛,最远可及夏威夷群岛直至美国西海岸[19-21],而向南传输的情况相对较少见.2009年4月末,发生了一次罕见的北方地区粗粒子气溶胶远距离输送造成华南地区出现了严重的空气污染事件,其特征主要是气溶胶质量浓度超标,而能见度没有明显恶化,作者对这次粗粒子气溶胶侵入,造成华南地区出现的严重空气污染事件进行了分析.

1 研究方法

1.1 资料来源与处理

珠江三角洲位于大陆海岸线南端,河网纵横,孤丘散布,平均海拔 1～20m.文中主要使用了广州观象台和珠三角大气成分站网的能见度、湿度、天气现象资料,气溶胶粒子谱和质量谱资料.以及EOS/MODIS卫星反演的气溶胶光学厚度资料等.

在 9个大气成分观测站点中,拟使用的资料主要涉及 2个站:中国气象局广州番禺大气成分站(NC站)位于广州市番禺区南村镇大镇岗山山顶,海拔 141m(23°00.236′N,113°21.292′E),地处珠江三角洲腹地,代表珠江三角洲经济圈大气成分均匀混合的平均特征.番禺气象局站(PY站)位于番 禺 区 西 部 , 海 拔 13m(22°56.265′N,113°19.143′E),代表珠江三角洲典型地形.两站直线距离8km.

本研究使用的高时间分辨率的仪器包括:德国气溶胶粒子谱仪(Model 1.180,Grimm Technologies,Inc.Germany),观测连续的气溶胶粒子谱分布;使用黑碳仪(欧洲 Magee Scientific Aethalometer AE-31-HS,AE-31-ER,AE-16-ER),积分式浊度仪(澳大利亚Nephlometer M9003),获得连续的黑碳气溶胶浓度与大气气溶胶散射系数、吸收系数、消光系数、单次散射反照率等重要的气溶胶辐射强迫参数资料[10].

使用美国气溶胶采样器(Minivol Portable Air Sampler, Airmetrics),在NC站用膜采样称重方法观测了 PM10和PM2.5质量浓度,每周采样 1次,每个样品连续采集24h.

使用美国国家宇航局(NASA)利用地球观测系统计划(EOS)的卫星Terra和Aqua所搭载的MODIS仪器对地球的多光谱高分辨率观测,得到的NASA建立的MODIS资料业务处理系统中提供的分辨率为 10km×10km 的气溶胶光学厚度(AOD)Level2产品.利用在华南地区长期的太阳光度计观测得到气溶胶光学厚度并与NASA的气溶胶产品进行详细对比,认为这一产品具有比较高的精度描述我国象华南这样常年植被密集、地表可见光反射率比较低的地区的气溶胶特征[22].

使用美国国家海洋和大气局(NOAA)等开发的HYSPLIT-4模式分析了过程气流的后向轨迹以位于珠江三角洲腹地的 NC站为参考点,选取150m高度(测站传感器高度),分别计算了后向轨迹,以追踪抵达珠三角的气团过去24～72h所经过的路径.

1.2 前期北方沙尘暴过程简况

图1 2009年4月23～24日全国沙尘天气实况Fig.1 Sand and dust activity weather chart, 23～24 April, 2009

2009年4月23日凌晨至24日早晨,内蒙古中西部、甘肃中西部、宁夏、陕西北部、山西中北部、新疆南疆盆地等地出现扬沙或沙尘暴天气其中甘肃中西部、内蒙古中西部的局部地区出现了强沙尘暴,甘肃敦煌更出现了特强沙尘暴天气(图1),受其影响,兰州、银川、呼和浩特出现重度空气污染.4月24上午,新疆南疆盆地、甘肃中东部、山西大部、河北西部、河南西南部等地出现了浮尘或扬沙天气.4月25日这次沙尘天气过程结束,但华北、黄淮海平原、长江流域出现了大范围的浮尘天气(图 2).受其影响,自华北至长江流域出现不同程度的空气污染.4月26～28日,华南地区出现典型中度灰霾天气,受其影响,以广州为中心,出现中度空气污染.广州市持续3天平均API指数达到 100以上,最高达 167,其中市中心的麓湖 API指数高达 235,花都更高达 251,首要污染物均为可吸入颗粒物PM10.

这次沙尘天气覆盖我国范围约73万km2,其中被沙尘暴覆盖的面积约为29.2万km2,特强沙尘暴达3.1万km2.是2009年我国出现的影响范围最大的沙尘天气过程,以甘肃西部和内蒙古中西部等地的区域性沙尘暴天气为主,局地出现了强沙尘暴和特强沙尘暴,甘肃敦煌能见度仅有20m,最大风速达9级(24m/s).这次沙尘暴天气是强大的蒙古冷涡发展造成冷空气南下,地面冷高压几乎盘踞中国大陆东部,冷空气前锋直趋南海.

图2 2009年4月25日FY-3A监测到长江流域广泛地区的浮尘天气Fig.2 Dust at Yangzi River Delta observed by FY-3A,25 April, 2009

图3 气溶胶质量浓度与降水Fig.3 Aerosol mass concentration and precipitation

2 粗粒子气溶胶远距离输送过程

图 3给出了这次过程华南地区气溶胶特征的变化特点,图3a分别给出了4月20～28日NC站观测的PM10、PM2.5、PM1的结果,从 26日清晨开始,PM10有明显增加, PM2.5也有较明显增加均伴有多次波动,反映了南压的气溶胶云应该有多个带状波动.而PM1的增加不十分明显,也伴随着多次波动.图3b的PY站也有类似的分布特征.过程前该区域有明显降水过程,过程雨量32.9mm(图3c).香港的测站也记录到类似现象,不过其第一次波动较弱,而第二次波动较强(图 3d).只有在海拔较高的山顶 NC站(海拔 141m)观测到了降水前的粗粒子入侵,紧随其后的降水过程的湿沉降去除机制使气溶胶浓度大大降低.而平原PY站只观测到降水后多次波动的粗粒子入侵,说明南下气溶胶浓度分布与高度有关.

3 气溶胶的谱分布特征

能见度与粒子的散射、吸收能力和气体分子的散射、吸收能力有关,但主要与大气粒子的散射能力关系最密切.如果简单地将细粒子按照瑞利散射来处理,那么散射光强主要与入射光波长的4次方成反比,与粒子体积的平方成正比,而粒子体积与粒子的尺度和浓度有直接关系.如果入射光波长确定,忽略化学成分和气体的作用,影响散射光强的因子就是粒子尺度和浓度了[11].

表1 广州大气成分站历年气溶胶浓度与细粒子所占比例Table 1 Historical aerosol concentration and fine particle proportion

表1给出了广州2006～2009年PM10和PM2.5的质量浓度年均值,由表1可知,PM10年均值未超过国家二级标准的年均值浓度限值(100µg/m3)[23],而 PM2.5年均值接近国家气象行业标准的日均值限值(75µg/m3)[24],细粒子浓度甚高.另外 PM2.5占PM10的比重非常高,可达 73%～79%,这与过去的观测比值相近[11],即在广州地区的气溶胶污染中,主要是细粒子的污染,细粒子比重较大.

在这次过程中, PM2.5/PM10有明显的3次下降,最低达到0.3,即PM2.5仅占PM10的30%,与珠三角地区以细粒子为主的污染特征有很大不同[11],反映了外来粗粒子的侵入.在NC站(图4a)与PY站(图4b)均观测到同样的情况.

图4 PM2.5/ PM10变化特征Fig.4 Temporal variation of PM2.5/PM10ratio

图 5是使用德国气溶胶粒子谱仪在两个观测站的气溶胶谱资料,由图 5可见两站有非常相似的谱分布,冷空气到达珠三角地区后各谱段的粒子数密度均有增加,但主要是大粒子和粗粒子的增加,而细粒子的增加不明显,因而能见度的恶化相对不严重.在低海拔的PY站＞1µm的粒子增加明显,而海拔141m左右的NC站增加不够明显说明气溶胶粒子在相差130m的高度上谱分布有较大差别,粗粒子沉降到了较低高度.根据前期的研究[11],能见度的恶化主要与细粒子关系比较大尤其是出现较重气溶胶污染导致低能见度事件出现时,细粒子的比重会更大.

能见度的变化表明,在冷空气到达前,虽然气溶胶数密度较低(参见图5),但出现了典型的低能见度事件,而随着降水使得能见度明显好转后,伴随南下粗粒子气溶胶的侵入,虽然也出现了较低的能见度,但较之降水前的能见度明显偏高(图6)而此时的气溶胶数密度和质量浓度都是增加的.较之珠三角地区常见的灰霾天气而言,能见度恶化情况亦较为轻微[7,11,14].

图5 两个观测站测得的过程前后气溶胶粒子谱Fig.5 Aerosol size distribution before and after the event,observed at Nan Cun (a) and Pan Yu (b) site

图6 珠三角地区观测站能见度逐时变化Fig.6 Temporal variation of visibility in PRD

从后向轨迹来看(图7),这次外来粗粒子气溶胶侵入主要来自长江流域,尤其是50～500m气层,均来自黄淮海平原与长江中下游地区,正是北方沙尘暴造成的大片浮尘区域,浮尘粒子在长江流域与污染物发生复杂反应变性老化后[25-26],南下造成了珠三角地区这次空气污染事件.

黑碳气溶胶一般来自本地排放[10],在这次过程中,黑碳气溶胶浓度没有明显增加的趋势性变化(图8).但仍可见到4月26日明显降水过程对黑碳气溶胶有明显的湿沉降去除作用.

图7 这次过程气流的后向轨迹,终点高度:红线50m,蓝线500m,绿线1500mFig.7 Back trajectories at the month of Pearl River.Height for ending point: red line for 50m, blue line for 500m, green line for 1500m

图8 NC站黑碳气溶胶观测结果Fig.8 Black carbon variation at Nan Cun sites

4 结论

4.1 2009年4月末北方地区远距离输送粗粒子气溶胶造成华南地区出现严重的空气污染事件,其特征主要是气溶胶质量浓度超标,而能见度恶化不太明显.

4.2 在输送过程中,PM2.5/PM10有明显的多次波动下降,最低达到0.3,即PM2.5仅占PM10的30%,与珠三角地区以细粒子为主的污染特征有很大不同,反映了外来粗粒子的侵入.

4.3 明显降水过程对气溶胶粒子和黑碳气溶胶有明显的湿沉降去除作用,并使能见度明显好转.

4.4 长江流域浮尘天气的沙尘粒子变性后,长距离输送并且与区域较高浓度的污染物叠加,形成珠三角地区这次严重的空气污染事件.

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致谢：作者感谢美国国家大气海洋局大气资源实验室提供的HYSPLIT后向轨迹模型(http://www.arl.noaa.gov/ready.php)数据分析感谢香港环保署提供的气溶胶浓度数据(http://www.epd.gov.hk);感谢中央气象台乔林首席预报员提供沙尘暴分布图,感谢香港科技大学环境研究所ENVF网站.

Air pollution episode in southern China due to the long range transport of coarse particle aerosol.

WU Dui1,2*, WU Cheng3, LI Fei1, CHEN Huan-huan2(1.Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration,Guangzhou 510080, China；2.Department of Atmospheric Science, School of Environmental Science and Engineer, Sun Yai-sen University, Guangzhou 510275, China；3.Division of the Environment, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China). China Environmental Science, 2011,31(4)：540～545

At the end of April 2009, a serious air pollution episode caused by long range transport of coarse particle aerosol occurred in Southern China. This episode was characterized by the excessive aerosol mass concentration without obvious visibility degradation. This paper investigates the underlying reasons for this typical air pollution episode in southern china. We found that there were three times of significant decrease of PM2.5-to-PM10ratio, with the lowest value of 0.3. This was very different from the typical air pollution characteristics in the Pearl River Delta (PRD) region where the ambient aerosols are generally dominated by fine particles. This clearly reflected the intrusion of coarse particles from outside PRD. We concluded that the floating dust particles, which may age at the Yangtze River Delta and then transport to the PRD, together with the local pollutants, were responsible for this severe air pollution episode.

Southern China；coarse particles invasion；air pollution；fine to coarse particle ratio (PM2.5/PM10)

X131.1

A

1000-6923(2011)04-0540-06

2010-10-18

国家自然科学基金资助项目(40775011,U0733004);国家“973”项目(2011CB403403)

* 责任作者, 研究员, wudui@grmc.gov.cn

吴 兑(1951-),男,满族,北京市人,研究员,主要研究方向大气物理化学与大气环境.发表论文200余篇.