南京地区冬夏季大气重污染个例对比分析

吴万宁,查 勇,王 强,贺军亮,包 青

(南京师范大学地理科学学院虚拟地理环境教育部重点实验室,江苏南京 210023)

南京地区冬夏季大气重污染个例对比分析

吴万宁,查 勇*,王 强,贺军亮,包 青

(南京师范大学地理科学学院虚拟地理环境教育部重点实验室,江苏南京 210023)

本文研究了南京仙林地区在秸秆焚烧、逆温造成的大气污染的特征,分析了不同时期大气各成分的浓度变化.秸秆焚烧产生的大气污染事件中,颗粒物浓度上升最为显著,其中PM10的浓度最高可达0.65mg/m3,污染持续时间约36h.冬季污染期持续更长,但颗粒物峰值小于夏季,PM10浓度约在0.4mg/m3.根据Fernald方法反演得到的激光雷达消光系数计算不同高度AOD表明,秸秆焚烧造成的污染在空间上的分布较为均匀而冬季污染期近地表AOD的贡献超过40%.后向轨迹分析表明了污染期的气团在1500m高度的来源和1000m之下有差异,48h内的来源距离较短,近地表的大气质量受到周边地区的影响大,非污染期的气团垂直高度上性质较为均一,来源较为一致,来源距离较长.

气溶胶；激光雷达；PM2.5；秸秆焚烧；气溶胶光学厚度

随着城市化进程的加快,城市大气气溶胶污染问题变得日益突出.研究表明,空气中的 PM2.5对人体健康的危害不再仅限于诱发肺癌,而且会引起心血管疾病[1].气溶胶对城市污染的研究已有很多,国内外学者采用不方法对城市大气污染进行了研究[2-10].

南京地处北亚热带地区,受季风影响显著.由于该地区化工产业发达,人口众多,大气污染影响因素较为复杂.冬季常出现的雾霾现象和夏季的秸秆焚烧2种特殊情况对南京的空气质量影响明显[11].本文利用南京仙林地区2012年2月至2013年 1月的多种观测资料,选取了冬夏两季典型时间段数据对这2种大气污染事件进行了分析.

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究所采用的数据来自南京市环境监测 中 心 仙 林 大 学 城 观 测 站 (118.913°E, 32.103°N).数据包括3部分,污染物浓度数据、后向轨迹模式、激光雷达数据.大气污染物数据为 SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.56个指标的小时浓度数据.激光雷达数据来自观测站内一台米散射激光雷达.

1.2 分析仪器

利用瑞典长光程空气质量监测系统(OPSIS)对大气中的SO2、NO2、CO和O3进行监测,其中SO2、NO2以及O3的监测方法为差分吸收光谱法(DOAS),CO的监测方法为气体过滤相关法.空气质量监测系统每小时测量 4次,本研究选取的浓度数据均为整点的监测数据.采用美国Metone公司的BAM1020粒子监测器对周围环境的PM10、PM2.5浓度进行测量,采用的方法为 Beta射线衰减法.利用532nm散射激光雷达获取大气气溶胶分子的回波信号.激光器每15min发射2000发激光脉冲.利用 Fernald远端积分法[12]对获得的回波数据进行反演,得到该时刻的消光系数廓线.

根据相关报道[13],2012年6月南京仙林地区出现多次秸秆焚烧事件,故选取2012年6月9～11日观测资料代表秸秆焚烧期污染数据.2012年 7月25～28日空气质量指数优,故选取其作为对照数据.由于冬季大气污染时间较长,所以选取典型时间段的监测数据.选取2013年1月14～17日数据代表逆温污染数据.2012年12月18～21日的空气质量较好,将其作为冬季的对照数据.其中污染物数据共1728个,雷达回波廓线232条.

2 结果与讨论

2.1 污染物连续变化

从图1a中可以看出,冬季非污染期6种监测成分的浓度变化平缓,在12月19日午夜出现一个小的起伏,PM10最大浓度达到0.15mg/m3,同时CO和PM10的走势一致.选取的夏季7月份非污染期数据由于监测仪器维护,所以缺失了7月25日的部分CO数据,如图1b.根据全年的观测资料,该时期的空气质量为全年最佳.从图1b中可以发现,各个污染物浓度较小, PM10浓度在0.05mg/m3左右.对比2个非污染期的浓度变化可以发现,虽然污染物浓度都很低,但是夏季浓度波动大于冬季,并且这种波动持续的时间很短.这和夏季的气象条件有关.夏季的空气对流作用强烈,在一日之内的污染物浓度波动频繁.

图1 冬夏季非污染期各污染物浓度小时变化Fig.1 Hourly variations of pollutant concentration during no-pollution in winter and summer

从图 2a可见,所截取的时间段内,各成分的浓度明显高于非污染期浓度.其中 14日正午,15日夜晚以及 16日夜晚都有明显的高峰,PM10峰值达到0.4mg/m3左右.并且除了O3以外,别的指标之间有明显的正相关性.从 PM10、PM2.5浓度曲线形态上看呈现单峰形态.

如图2b,6月9日傍晚PM10、PM2.5数值在2h内陡然上升,其中 PM10的峰值超过0.6mg/m3.11日上午空气质量恢复到9日上午水平,整个污染事件的持续时间约为 34h.在整个过程中变化最为明显的是PM10、PM2.5,这种现象和陈媛[14]的研究吻合.从6月9日下午开始,PM10、PM2.5按时间顺序出现了5个峰值,峰值的大小随时间推移而下降.从颗粒物的曲线形态上已经看不出有规律的单峰和双峰,污染期的波动表现出无规律性,出现这种现象的原因是由于焚烧秸秆发生时间不确定.

图2 两次污染期各污染物浓度小时变化Fig.2 Hourly variations of all pollutants in the interim of two pollution events

2.2 污染物平均浓度比较

图 3的计算方法为整点的污染物浓度相加求平均值.如图 3a所示,冬季污染期的各个指标平均浓度都高于非污染期.非污染期浓度最高的3个成分分别是PM10、CO、NO2.重污染时期浓度最高的3个成分分别是PM10、PM2.5、CO.其中 PM10,PM2.5在污染期的平均浓度比非污染期增加近一倍,达到0.2,0.13mg/m3.

如图3b所示,污染期和非污染期的浓度变化非常明显.夏季非污染期浓度较高的成分是O3和PM10,但是都小于我国环境标准中所规定的数值

[15].而PM10、PM2.5、CO,3个成分的平均浓度为夏季污染期最高.其中 PM10、PM2.5浓度的上升非常大.在污染时期的浓度是非污染期的4倍,而SO2、NO2以及O3的平均浓度增加幅度都比冬季污染造成的变化大.O3的平均浓度变化在 2个时期内不明显[16].

图3 冬夏季污染期浓度均值比较Fig.3 Comparison of mean concentration of pollutants in summer and winter

图4a为冬夏季污染期各个污染物平均浓度对比.夏季污染期的颗粒物浓度要高于冬季[17-18], PM10、PM2.5浓度分别达到 0.25,0.175mg/m3.而SO2、NO2以及CO的平均浓度都小于冬季,但差别没有颗粒物浓度明显,这可能是因为选取的冬季污染期数据是长时间污染期中的一段,作为SO2、NO2以及CO主要来源,汽车尾气、工业废气的积累要大于夏季爆发性污染事件[19-20].

从图4b上可以看出,非污染期2个季节的污染物浓度都较低.除了 O3,夏季非污染期其他大气成分浓度都小于冬季.这是由于该地区受到季风气候影响,同时南京的化工区分布于仙林北部10km范围内,冬季易受工业排放影响,致使本地气溶胶浓度有所上升.另外一个原因是仙林地区的主要人口为高校学生,7月正值暑假,该地区的人口稀少,相关服务业活动强度低,排放源减少,加之夏季盛行南风,北部工业区的影响减弱.

图4 冬夏季两时期各污染物平均浓度对比Fig.4 Comparison of average concentration of various pollutants in the summer and winter periods

2组对比表明,冬夏季的污染期都对大气质量造成了严重影响.但是夏季的污染属于突发性事件,颗粒物浓度在 2h内剧烈上升,短时间内迅速回落,表明了污染源消失,由于大气的稀释作用,大气质量好转.而冬季的污染事件是稳定的大气条件下各种污染物逐渐积累的过程.在此过程中污染物的变化较为平缓,峰值也小于秸秆燃烧,但是污染持续的时间较长.

2.3 廓线分析

选取了 4个时间段对应的米散射激光雷达回波信号,计算 4个时间段观测站上空各高度大气的消光系数情况,进而反映各个高度的气溶胶分布状况.由于 2次污染事件造成气溶胶浓度加大,对雷达脉冲的削弱作用强,而所采用的激光雷达脉冲能量有限,因此选取计算消光系数的最高高度设定为3.5km.图5a中黑色实线是不同高度空气分子的消光系数.两条廓线在近地表 200m之下都有一个峰值,两个峰值分别达到了 1.193, 2.246km-1,夏季峰值要小于冬季[21].在300m处两条廓线都出现一个低谷,分别为 0.187,0.194km-1.这是因为在这个高度存在逆温层.冬季谷值出现的高度略低于夏季.从500m高度向上,冬夏季消光系数开始下降,但是冬季下降的速度远快于夏季.造成2条廓线走势差别的原因是气象条件和污染成因的不同.冬季污染物的主要来源是城市近地表的排放,同时由于逆温作用强烈,污染物得不到有效扩散,在近地表积累,导致近地表的消光系数较大.500m以上的高度在逆温层之上,污染物的扩散稀释作用开始加强,因此消光系数的数值减小速度较快[22].夏季污染期的污染物来源是秸秆燃烧,城区近地表的排放并不占主要地位,因此近地表的消光系数没有冬季数值大,虽然也存在逆温层的影响,但和冬季不同的是,500m逆温层之上的消光系数却很大.因为污染物的来源是不仅仅是南京本地,还包括周边地区秸秆焚烧到来的污染,所以在 500m之上的高度消光系数下降速度较慢.

如图5b,从非污染期2条廓线形态上可以发现,最高值同样出现在地表,分别为 0.521, 0.804km-1,夏季小于冬季.但是随着高度的上升,消光系数不断减小,同时在 300m左右的高度并没有出现如污染期那样的谷值,说明非污染期的大气层结不稳定,对流作用强,不存在逆温现象,有利于污染物的扩散[23-24].从 2条廓线的对比来看,虽然同样是非污染天气,但是冬季的消光系数廓线在 1.5km高度处的走势已经和空气分子的消光系数走势一致,而夏季的廓线在2km之上才出现类似形态,说明夏季强烈的对流影响下气溶胶垂直运动更自由.1.5km向上高度夏季廓线出现明显的波动,这是因为在该时间段内该高度有云层影响[25].

图5 不同时期气溶胶消光系数廓线图Fig.5 Profile of aerosol extinction coefficients in different periods

2.4 光学厚度分析

光学厚度指的是消光系数在垂直方向上的积分,利用光学厚度可以更客观地表示大气不同高度段内的污染情况.

从图6上可以看出,污染期3.5km之下AOD在0.7以上,其中冬季略大于夏季[26].非污染期的AOD在0.4左右,冬季略大于夏季.从不同高度层的比较来看,夏季污染期AOD在1.5km以下的数值分布较为平均,2.5km之上数值减小,但是和别的3个时期相比,2.5km以上高度的AOD明显偏大.近地表200m之内的AOD小于0.15.冬季污染期在200m之下的AOD数值很高,达到了0.3以上.1.5km之上的AOD对总AOD的贡献微乎其微,结合图5可知,冬季逆温层的影响强烈.

比较 2个非污染期的各高度 AOD,二者在3.5km范围内都在0.4左右,但在近地表200m之内的差异非常明显.冬季AOD约为0.24,夏季约为0.09.在垂直高度上的分布也有很大不同.夏季在各高度层中的 AOD分布较为平均,冬季的200m之下的AOD对3.5km范围内的AOD贡献率约超过60%.

2.5 来源分析

利用 HYSPLIT后向轨迹模型对4个时期48小时内南京地区大气运动进行分析.设置100, 500,1500m,3个高度,选择后向轨迹模式.对比 2次污染期和非污染期可以发现,2个季节污染物来源都较近,夏季污染物来源在 100,500m高度上都来自南京西南部地区,范围在 800km以内, 1500m高度的气团来自于西北方向,距离也较远

图6 不同时期不同高度层AOD比较Fig.6 Comparison of AODs at different heights over different periods

[27].结合图 2夏季的污染期浓度出现和消失时间,可知秸秆焚烧期间城市周边地区的空气污染对城区影响显著.冬季污染期 100,500m的污染物来源距离比夏季略小,约在 500km以内.而1500m的高度上污染物的来源远大于近地层,来源的范围在1000km以上,说明这个高度上的大气运动较为自由,受地表影响小.比较冬季非污染期3个高度的后向轨迹可知,2个季节的各高度上大气来源距离都较长,其中冬季 1500m高度的来源距离达 2500km,500,1000m的来源为 1800km,并且来源的方向非常一致.说明非污染期的大气流动性好,气团性质较为均一.冬季非污染期48h内3个高度的气团随着时间推移不断下降,移动距离较长,说明此时有快行冷锋影响南京地区.

3 结论

3.1 秸秆焚烧造成的污染具有爆发性并且污染重,持续时间短.污染物成分中 PM10、PM2.5以及CO的数量显著增加,颗粒物浓度最高可达夏季非污染期的5倍以上.

3.2 逆温造成的污染中 PM10、PM2.5以及 CO的浓度增加同样显著.与此同时由于长时间逆温影响,由汽车尾气以及工业排放产生的 SO2、NO2、CO高于秸秆焚烧,并且污染持续的时间长.

3.3 两种污染物的空间分布差别明显.夏季温度较高,垂直方向上的颗粒物分布较冬季均匀, 200～1500m高度的AOD对于整个大气柱AOD贡献率大于 50%.冬季的低温使污染物集中于近地表.非污染期各污染物浓度较低,但200m之下的浓度对整个高度的贡献大于60%, 1000m以内的AOD上升.

3.4 冬夏季污染期近地表污染物来源具有近源性,1.5km以上高度的大气受地面影响小.非污染期的大气来源都较远,较强的大气流动可使减弱大气污染.

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Comparative analysis of winter and summer heavy atmospheric pollution events around Nanjing.

WU Wan-ning, ZHA Yong*, WANG Qiang, HE Jun-liang, BAO Qing
(Virtual Geographical Environment Laboratory of Ministry of Education, School of Geographical Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China). China Environmental Science, 2014,34(3)：581～587

This paper characterizes air pollution induced by combustion of crop residues in the Xianlin area of Nanjing under temperature inversion. Analysis of variations in the concentration of atmospheric pollutants in different periods reveals that combustion of crop residues causes a marked increase in the concentration of particulate matter in the atmosphere. These particulates are suspended in the atmosphere for up to 36hours, with a peak PM10concentration of 0.65mg/m3. In winter they remain in the atmosphere longer, but have a lower peak PM10concentration at around 0.4mg/m3than in summer. According to AOD calculated from the LiDAR extinction coefficient derived using the Fernald method, the pollutants originating from combustion of crop residues have a more or less spatially uniform distribution at different heights, and contribute more than 40% towards near-surface AOD in winter. Back trajectory analysis demonstrates that during pollution the sources of air mass at 1500m differ from those below 1000m. It is found that within 48hours, the pollutants derive from relatively neighboring sources. Consequently, near-surface air quality is heavily affected by pollutants from the surrounding area. During no-pollution air mass comprises more vertically uniform constituents originating from more consistent and distant sources than during pollution.

aerosol；mie lidar；PM2.5；straw combustion；AOD

X513

：A

：1000-6923(2014)03-0581-07

吴万宁(1989-),男,江苏盐城人,南京师范大学硕士研究生,主要从事大气遥感方面的研究.

2013-07-05

国家重大科学研究计划项目(2014CB953802)

* 责任作者, 教授, yzha@njnu.edu.cn