成都大气污染物在焚烧秸秆时的溯源初步探究

周 雯，陈建文，王 斌，刘培川

1．四川大学建筑与环境学院，四川成都610065

2．四川省环境监测中心站，四川成都610041

近年来每当春耕秋收时节，享有“天府之国”美誉的成都则会出现连续多日位居中国空气污染指数城市排行榜前列的现象，究其原因主要是周边地区焚烧秸秆所致。秸秆露天焚烧过程中释放的各种气态污染物和颗粒物，是中国大气污染的重要来源之一。焚烧秸秆会排放大量的颗粒物、CO、VOC、SO2、NO2及 PAHs等有毒有害物质［1-3］，严重污染环境，最终影响全球气候［4-6］。且大范围的秸秆焚烧可使大气能见度急剧下降，危害身体健康，也威胁交通安全。

目前对成都的大气污染物溯源研究多集中在无秸秆燃烧时，正常气候下气溶胶化学组成［7-8］、市区源解析［9-10］及方法［11-12］，该研究将卫星遥感监测到的火点、云覆盖信息与后向轨迹模拟结合，通过分析，总结了秸秆焚烧对城市空气质量的影响;秸秆焚烧期气象条件对空气污染事件形成的作用;以及有云时，根据部分火点和气团后向轨迹分析、上下风城市的污染情况，大致推测重污染条件时大气污染物来源地。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

Hysplit后向轨迹模式所需要的气象场资料采用的是1*1NCEP GDAS的数据。MODIS火点图来源于 TheFireInformationforResource Management System(FIRMS)的Web Fire Mapper网站［13］，该网站提供由 MODIS 1 km 火产品(MOD14)得到的火点位置文件。获取日期是全球标准时(UTC)时间，每颗星每天过境两次。该网站的所有历史火点数据均是用collection 5版本的算法得到，时间尺度上具有连贯性［14］。云图资料来自ENVF网站的Satellite专栏，能见度来源于中国气象信息中心，空气污染指数(API)资料来源于中华人民共和国环境保护部网站以及四川省环境监测中心站发布结果，部分气象资料来自MICAPS系统。

1.2 HYSPLIT模型简介

HYSPLIT模型是美国国家海洋大气总署(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)和澳大利亚气象局(Australia’s Bureau of Meteorology，ABOM)的联合研究成果，利用气象场中的四维数据通过电脑计算简单气团运行的轨迹来模拟颗粒物复杂的运移、扩散与沉积过程。NOAA的空气资源实验室(AirResources Laboratory)运行的HYSPLIT模型所用数据主要来源于美国国家环保中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)，数据齐全并不断更新，准确度也相对较高，可以在线或单机使用。

1.3 卫星遥感原理

MODIS火产品的算法原理是通过计算中心点像元与周围像元温度的统计特征，并设置若干判据和阈值来实现热异常的探测［15］。根据斯蒂芬－波尔兹曼定律，只要黑体温度有很小的变化，就会引起辐射的很大变化。而林火、地表火等高温热源目标则会引起辐射的急剧变化，这种变化有利于高温热源的判识。根据维恩位移定律，黑体温度和辐射峰值波长呈反比，即温度越高，辐射峰值波长越小。常温下地表辐射峰值波长在10 μm左右，而火焰温度一般在227～427℃以上，其辐射峰值波长在3～5 μm，物体的温度越高，辐射能力越强，反应在遥感图像上是温度越高颜色越深［16］。秸秆焚烧的卫星遥感监测传感器是Terra和Aqua卫星的MODIS，MODIS是 NASA的EOS系列卫星的主要探测仪器，探测器每天覆盖全球1次，具有36个光谱通道，分布在0.4～14 μm波谱范围内，MODIS遥感器的仪器特征参数从设计上考虑到了火灾监测。相对 AVHRR，MODIS的仪器专门对高温敏感的波段做了优化，使其监测火灾能力提高，能确切反映秸秆焚烧的现状［17］。

1.4 MICAPS系统

气象信息综合分析处理系统，即MICAPS系统(Meteorological Information Combine and Analysis System)，是一款基于气象资料的分析处理系统，同时也是对业务预报员日常工作提供全程支持的自动化系统。它以WIN-DOWS95作为操作平台，数据组织层次清晰、检索方便、图形操作和编辑便捷、可利用数据资源丰富，并提供了多种数据检索方式和较强的数据预处理和系统处理功能［18］。

2 部分秸秆焚烧时成都及周边城市空气质量

图1中，有污染日的首要污染物均为可吸入颗粒物。

图1 2009、2010、2011、2012年部分时段成都空气质量日报

5—6月正值小麦、油菜成熟期，为不耽误耕种，许多农民将收割下来的秸秆就地焚烧，焚烧点多面广。虽然近年国家发布了“禁烧令”，但是仍然有农民在晚上大量焚烧秸秆。2009年5月18日的成都空气质量为轻微污染，API为104;2009年6月5日API为99;2010年5月中下旬成都被烟雾包围，能见度低，空气中弥漫着焚烧秸秆的呛鼻味道，25日API为255，空气质量达到中度重污染［19］;2011年5月19—20日，空气质量均达到轻度污染，API分别为174、168;2012年5月16日开始，草堂寺与人民公园两监测点的PM2.5日均浓度连续6天超标，18日草堂寺监测点出现最高值0.227 mg/m3，超出了标准限值0.075 mg/m3的2.03倍。人民南路监测点也在同日出现最高值0.261 mg/m3，超出了标准限值的 2.48 倍［20］。当日的空气质量达到中度污染，API为213。2012年6月15日，API为126，空气质量属轻微污染。当成都空气污染严重时，其周边城市空气质量也不乐观，部分城市一度出现重污染天气，为结合后向轨迹分析，列出部分日期的API，见表1。

表1 成都周边七城市历史空气质量统计

由表1可见，2010年5月18日、2011年5月20日秸秆焚烧时，成都市污染物PM10、SO2、NO2浓度升高非常显著(图2)，尤其PM10数值波动大;从市环保局统计介绍，通常情况下，成都市PM2.5占PM10的浓度比例为50% ～80%，取一环路南一段的监测点分析，在秸秆焚烧期间PM2.5占PM10的浓度比例为53% ～65%，变化不大且比较稳定。

图2 2010年5月、2011年5月成都市监测点污染物浓度变化趋势

3 气象条件分析

由表2可见，气象条件对气溶胶质量浓度作用显著，大部分个例的平均风速约为4 km/h，风速小湍流弱，不利于污染物的扩散稀释，空气湿度较高，相对湿度的增高易导致细粒子吸湿性增长［21］，大气污染物和气溶胶粒子堆积易形成霾。2009年5月18日8:00前有云有雾霭。2009年6月5日从中午开始雾霭消失放晴，湿度减小，污染物扩散。2010年5月25日当天冷锋过境，小槽过境［22］，上午有下小阵雨，下雨前湿度达到73%，中度阴霾，此时空气垂直速度小，低层切变产生的辐合使得污染从四周向污染区聚合，而在小的上升运动中，大气上下层之间的交换作用小，污染物在边界层易堆积。2011年5月19日从地面图上看到，成都地区受冷高压控制，高层500 hPa受西风控制，有雾霭。2012年5月18日地面无冷空气，500 hPa有波动，有汽雾、烟雾、雾霭，多以雾霭为主。2012年6月15日无冷空气活动，上午以汽雾为主，下午晴间多云。

表2 影响污染物扩散的气象条件

由图3的露点温度和温度可以看出，温度露点差小也是形成霾的有利条件。其中2009年6月5日的污染轻，差值最大，2010年5月25日达到了最小差值3℃。在污染事件日可以看到在不同高度出现了逆温层。

图3 温度露点图

图4为探空斜温图(其他污染事件日略)。

当温度随着高度的增高而增高则是出现了逆温层。由此，可以总结出大气污染物在一定的湿度条件下，当气象条件不利于扩散时，易形成比较大的污染事件。

图4 探空斜温图

4 重污染条件时大气污染物溯源浅析

选取API相对较高，且有秸秆焚烧的2009年5月18日、2009年6月5日、2010年5月25日、2011年5月19日、2012年5月18日、2012年6月15日，运用HYSPLIT模型模拟污染物后向轨迹，结合卫星监测的云图(图5)和火点图(图6)，对秸秆焚烧引发的成都空气污染事件进行分析，重点推测秸秆焚烧排放的大气污染物来源。区域聚集、季节性变化明显是秸秆焚烧火点的特点，在某一地区短时间内出现成片火点，空气中的首要污染物可吸入颗粒物明显增多［23］。图5中气团后向轨迹模拟以北纬30.65°、东经104.06°为中心，计算了气流48 h的后向轨迹。由图5可见，秸秆焚烧面积与颗粒物浓度大致呈线性关系，在一般气象条件下，成都受四川盆地特殊地形影响，秸秆焚烧的污染涉及范围不大，主要集中在焚烧点局部区域附近。

以当地焚烧为主的污染个例，如2009年6月5日、2012年5月18日、2012年6月15日。2009年6月5日，由图5(Ⅱ)可见，乐山、眉山等地有少许火点，在成都郊区监测到大量的火点，这3个城市的空气质量级别是良，当天多无云有利于秸秆焚烧污染物的扩散，且由对应的后向轨迹图分析，风向源多为污染较少的地方，避开了成都西北方向比较严重的污染地区，且3—5日这3天成都市的PM10均维持在0.142～0.147 mg/m3之间，见图6(b)。但是当天气条件不乐观时，如2012年5月16—18日，同样也是成都当地监测到大量的焚烧火点，轨迹的上方城市资阳、内江有零星火点，但这两城市的污染除了资阳在18日是轻微污染外，其他均是良，而成都污染却相当严重，达到中度污染，由于密云覆盖不利于焚烧污染物扩散，此时污染主要以本地焚烧为主。2012年6月15日，成都周边县级市监测到大量火点，当天在一环路南一段的监测点有PM2.5最高值0.165 mg/m3，超出了标准限值的1.2倍。由后向轨迹图看出，风成旋流形式盘旋，在14日有少许云覆盖，空气湿度也较大，不利于污染物的扩散，此时主要以本地污染为主。

当地和区域秸秆焚烧共同导致的污染事件，如2010年5月25日、2011年5月19日。在这两个例子中，成都本地都存在大量的火点，秸秆焚烧面积是这六例中最大的，上风城市污染程度也较高，所以判定为是局地和区域相结合的污染。2010年5月25日的后向轨迹经过污染相当严重的德阳，并向下沉降，污染物在边界层内输送。加上24、25日区域内有密云覆盖，污染物较难散开，成都能见度极低，污染十分严重，市民能闻到呛鼻气味，部分能见度不到30 m［24］，当天成都市PM10一度上升到0.388 mg/m3，超出了标准限值0.150 mg/m3的1.59倍，见图6(c)。2011年5月17—19日，连续三天眉山均是轻度污染，乐山最后一天也有轻微污染，这两地由于有云覆盖监测到的火点少(云图略)，但是由后向轨迹图看出，红色线的高空轨迹下降陡峭，水平风速很缓慢，污染物被迅速沉积在成都区域，19日成都市PM10达到0.297 mg/m3，超出了标准限值的0.98倍。成都污染监测到的火点较多，且郊区比较密集，所以这次也是当地和区域秸秆焚烧共同导致。

图5 卫星云图

以输送影响为主的污染，如2009年5月18日。当天有云覆盖，在成都基本没有监测到火点，18日成都市PM10达到0.159 mg/m3，仅超出了标准限值的0.06倍，但在上风城市德阳、绵阳均监测到火点，两地的API值均偏高，且绵阳API指数最先升高，随后德阳也逐渐升高，两城市PM10超标;从后向轨迹看来，成都的污染主要是上风城市从绵阳一路往南传输过来，与后向轨迹模拟的气团源地相符合。

图6 成都48小时后向轨迹与卫星火点合成图

5 结论

1)成都地处四川盆地，西依青藏高原和横断山脉，北近秦岭，与黄土高原相望，东接湘鄂西山地，南连云贵高原。极大的地势差包围不利于污染物输送，造成成都的秸秆焚烧污染事件受气象条件与地形的影响大。部分时候伴随有高空有槽，低空存在切变的天气系统，使得气流有周边想中心辐合，不利于大气污染物输送。风速较小或静风，污染物易堆积不易扩散。逆温层又将污染物控制在混合成下面，不利于垂直扩散，再加上相对湿度较大，有利于霾的形成，使得空气严重污染。

2)成都的环境空气严重污染时，在没有专业的OC、EC环境监控仪器时，运用遥感火点信息，后向轨迹模拟，上下风地区空气污染监测资料，能在有云覆盖时相对准确地推断出污染来源。

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