珠三角地区2015年2月一次重污染天气污染物的时空分布特征

夏冬，涂建文，陈均，邱晓群

（1.珠海市公共气象服务中心，广东珠海　519000；2.东莞市气象局，广东东莞　523086）

珠三角地区2015年2月一次重污染天气污染物的时空分布特征

夏冬1.2，涂建文1，陈均2，邱晓群1

（1.珠海市公共气象服务中心，广东珠海519000；2.东莞市气象局，广东东莞523086）

利用广东省环保、气象监测数据，对珠三角地区春季一次重污染天气过程中污染物浓度的变化特征、空间分布及其相互影响进行了分析，结果表明：该次过程中珠三角主要城市的AQI日均值最高超过150、东莞和深圳超过了200，空气质量达到了中度到重度污染等级；AQI首先从珠三角西侧开始升高，逐渐扩散为全区域性的污染天气；该次污染过程以气溶胶污染为主，PM2.5和PM10超标率分别达到了0.990和0.993；PM2.5占PM10比例的日均值在52%～79%之间，细粒子污染特征明显，细粒子对能见度的影响很大。

大气环境；重污染天气；空气质量指数；珠三角地区

夏冬，涂建文，陈均，等.珠三角地区2015年2月一次重污染天气污染物的时空分布特征［J］.广东气象，2016，38（4）：12-16.

近年来空气污染问题日益凸显，对社会交通和人体健康造成严重的影响。气象条件与空气污染有十分重要的关系［1］。张人禾等［2］分析了2013年1月中国东部持续性强雾霾天气过程的热力和动力因子，认为气象因子可以解释超过2/3的雾霾天气逐日变化的方差，方差贡献达到0.68。近年来对珠三角地区污染天气的分析也越来越多，夏冬等［3］分析了2013年珠三角地区夏季出现的连续灰霾天气过程，认为热带气旋外围下沉气流是导致灰霾天气出现的主导气象因素；吴兑等［4-5］分析了多次珠三角地区出现的严重灰霾天气，认为大尺度天气系统、中小尺度环流、近地面输送条件、均能对灰霾天气的产生、发展和清除产生重要作用；廖志恒等［6］分析了2006—2012年珠三角地区SO2、NO2、O3和PM10浓度的年、月变化及空间分布特征，发现SO2、NO2和PM10浓度呈下降趋势，O3浓度呈上升趋势，并认为VOCs排放与气候变化的共同作用可能是导致二次污染（尤其是O3污染）加剧的原因；肖娴等［7］分析了2011年10月18—25日珠江三角洲地区出现的一次区域性空气污染过程，发现重污染区域集中在西部，后期向中部转移，PM10为首要污染物；张宝春等［8］在2006—2010年珠三角区域空气质量的时空分布研究中，认为珠三角空气质量整体上逐年改善，区域污染高值中心由东莞西部逐步向佛山中部转移。虽然对珠三角地区空气污染的长期变化趋势、气象条件和数值模拟等方面的研究很多，但总体而言，系统性的对比分析不同种类主要污染物的演变、分布特征，特别是对各种污染物之间相互影响的研究并不多见。本研究对重污染天气过程中空气污染物的时空分布进行分析，了解各种污染物的演变和区域分布特征并探讨其原因，对于重污染天气应急管理、空气质量预报和预警均有重要的意义。

1　资料数据

本研究主要利用环境保护部门公开发布的珠三角地区的大气成分监测站点的数据，时间段为2015年2月8—13日，包括珠三角地区主要城市：广州、东莞、深圳、珠海、佛山、江门、肇庆和惠州的49个监测站点的数据。所有数据均为小时平均质量浓度（μg·m-3），日平均值由小时平均值计算得到。利用的空气质量的监测数据有：空气质量指数（Air Quality Index，AQI）、PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO。其中AQI是定量描述空气质量状况的量纲一指数，根据PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO的质量浓度计算所得（环境空气质量标准（GB3095-2012））。根据AQI的值，把空气质量划分为6个等级，分别为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染。此外，本研究还使用了珠三角地区主要气象观测站的能见度自动监测数据，以及相对湿度等常规气象要素的监测数据。

2　天气背景

该次重污染天气过程是一次典型的冷空气影响过后，地面高压脊变性过程中出现的重污染天气。图1展示了2月8—13日08：00地面等压线的变化趋势。可以看到，8日08：00珠三角地区仍受较强的冷高压脊控制，等压线较为密集，地面受较强的偏北风影响，风力可达3～4级。9—11日冷高压脊逐渐减弱变性，等压线逐渐疏散，11日08：00冷高压中心已东移出海，导致地面风力减弱，11日风力降至2级左右。12日08：00冷高压脊已减弱消失，整个华南地区处于均压场中，地面风力极弱，非常有利于重污染天气的产生。13日有一股新的弱冷空气补充，风力增大，扩散条件转好，污染天气缓解。

图1　2015年2月8—13日08：00地面等压线图a.8日；b.9日；c.10日；d.11日；e.12日；f.13日

3　空气污染物的时空变化特征

3.1时间变化趋势

定义某市所辖区域内所有站点的平均值为该市的AQI值。从珠三角主要城市2015年2月 8—13日的AQI值逐小时的变化趋势（图2），可以看出，各城市AQI的变化趋势具有很好的一致性，说明这是一次区域性的大范围空气污染过程。

图2　2015年2月8—13日珠三角主要城市AQI值逐小时变化

过程前AQI的最低值出现8日下午，各城市的AQI值均低于80，之后AQI逐渐上升，到9日上午已经上升到100左右，广州、东莞、深圳、珠海、佛山和惠州已经达到了轻度污染。9日下午到10日这段时间，各城市的AQI变化出现差别。位于珠三角西侧的肇庆、佛山和珠海总体是上升趋势，平均AQI在100左右震荡上升；位于珠三角东侧的深圳、惠州则出现了下降的趋势，平均AQI降至100以下；而位于珠三角中部的广州和东莞以及江门的平均AQI则是在60～120之间震荡起伏。11日以后到12日的凌晨至上午这段时间，整个珠三角区域的AQI值均出现了急剧上升的趋势，从100左右上升到150以上，最高的东莞和深圳超过了200，整个珠三角地区的空气质量达到了中度到重度污染等级。12日上午以后，AQI开始迅速下降，到13日，所有城市的平均AQI均降至100以下，空气质量等级回归至良，该次污染天气过程结束。

3.2AQI的变化特征

进一步分析了AQI的空间分布特征。图3为2015年2月8—13日珠三角地区AQI日均值的分布。从图3可以看到，8日珠三角区域的日均AQI均在100以下，9日AQI比8日有所上升，10日珠三角西侧的肇庆、佛山以及东侧的惠州AQI上升幅度大于其他区域，到11日西侧的AQI进一步增大，其余地区的AQI也继续上升，12日整个珠三角区域的AQI都上升到150以上，出现了全区域的严重污染。到13日，AQI明显降低，污染过程结束。

图3　2015年2月8—13日珠三角地区AQI日均值的分布a.8日；b.9日；c.10日；d.11日；e.12日；f.13日

3.3各污染物的分布特征

为了分析各种污染物的分布特征，将2015年2月8—13日逐日的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO的日均值的分布列出（图略）。颗粒物质量浓度（PM2.5和PM10）的分布与AQI类似，说明该次污染天气过程主要是颗粒物污染。PM2.5和PM10质量浓度从8日开始逐渐升高，一直到12日达到峰值。其中珠三角地区12日的PM2.5质量浓度日均值普遍达到100 μg·m-3左右，最高达到150 μg·m-3左右，而12日的PM10浓度日均值普遍达到了150 μg·m-3，最大达到200 μg·m-3左右。从分布特征来讲，珠三角西部的PM10和PM2.5质量浓度略高于中部和东部，内部地区高于沿海地区，这可能与大气输送条件有关。

气体污染物质量浓度的时间和空间分布均与颗粒物质量浓度有较大差别。其中SO2和NO2质量浓度的空间分布和时间变化趋势较为相似。总体来讲，从8日到12日，SO2和NO2的日均质量浓度呈逐日上升的趋势。但与颗粒物质量浓度不同的是，SO2和NO2的日均质量浓度的最大值出现在11日，12日的日均质量浓度已经有所下降。到13日时，SO2的日均质量浓度已经降至20 μg·m-3左右，但是NO2的日均质量浓度又开始增大。SO2和NO2的质量浓度的空间分布均呈现了颗粒物质量浓度不同的特征，可见珠三角边缘地区高于中心区域，其中珠三角边缘地区的SO2的日均质量浓度要比中心区域高出10～20 μg·m-3左右，而NO2则要高出30～50 μg·m-3。

O3的质量浓度变化和分布呈现出了独特的特征。在整个污染过程中，O3日均值的最小值出现在11日，整个珠三角区域的值多数低于50 μg·m-3。而在其他时间，O3质量浓度的日均值区域差异非常大。珠三角外围区域的值要远远高于中心区域，平均高出约50 μg·m-3以上。O3分布与颗粒物质量浓度的分布正好相反，这主要是因为颗粒物质量浓度上升导致地面的太阳辐射下降，降低了光化学反应的强度，使得O3质量浓度下降。

CO的质量浓度分布比较有特点，高值区域主要在珠三角中心偏东的区域，日均质量浓度值从8日起到12日逐日增加，到13日则明显降低。

3.4污染超标率与PM2.5/PM10值等的特征

计算得到了该次过程珠三角主要城市各站点监测的各种污染物质量浓度总的超标率，结果表明：该次污染天气过程是一次以大气颗粒物为首要污染物的污染天气过程，PM2.5和PM10超标率分别达到了0.990和0.993；NO2的超标率也很高，达到了0.683；而O3的超标率相对较低，为0.273；SO2和CO几乎不超标，分别只有0.003和0.023。

从图4的各种污染物的空气质量分指数的概率分布（Probability Distribution，PD），可以看到，IAQI-PM2.5在75～100出现的概率最高，接近0.4，其次为100～125，约为0.3。IAQI-PM10在80～100出现的概率几乎达到1/2。相对而言，IAQI-NO2的概率分布较为平均，在30～45、45～60、60～75和75～90都在0.2左右。而IAQI-O3、IAQI-SO2和IAQI-CO则主要集中在50以下。

PM2.5被称为细颗粒物，由于其粒径更小，对太阳光的散射作用更强，对能见度影响更大［6］。吴兑等［6］曾分析过2008—2011年广州的细粒子污染问题，认为当时PM2.5占PM10比例可达51%～79%。本研究分析了该次过程中PM2.5占PM10比例（表1）。可以看到，该次污染过程中珠三角各城市的PM2.5占PM10比例的日均值在52%～ 79%之间，与吴兑等［6］的分析结果一致。污染过程中（8—11日）PM2.5占PM10比例可达60%～80%，污染过程结束后降至50%～70%，说明了细粒子对污染天气的贡献更大。各城市的PM2.5占PM10比例差异性并不大，只有江门低于70%，其余城市10—11日的日均值都超过了70%，说明整个珠三角地区的细粒子污染特征较为一致。

表1　各城市PM2.5质量浓度占PM10质浓度比例的日均值%

从能见度与PM2.5/PM10值的相关系数来看（表略），两者呈较好的负相关关系，其中相关系数在佛山达到了-0.72，在东莞、深圳和珠海都超过了-0.5。这也说明了当前细粒子是导致能见度下降重要原因。气溶胶吸湿增长后粒径增大，散射作用增强，导致能见度进一步下降。从相对湿度与能见度的相关性看（表略），两者呈明显的负相关性，说明该次污染过程气溶胶吸湿增长明显。

4　结论

1）该次过程是一次大范围、区域性的空气污染过程，珠三角主要城市的AQI日均值最高超过150，东莞和深圳超过了200，空气质量达到了中度到重度污染等级。

2）该次污染过程以气溶胶污染为主，PM2.5和PM10超标率分别达到了0.990和0.993，NO2的超标率也达到了0.683，O3的超标率相对较低，为0.273，SO2和CO几乎不超标。

3）该次过程中整个珠三角地区的细粒子污染特征较为一致，PM2.5占PM10比例的日均值在52%～79%之间。污染过程中PM2.5占PM10比例的逐小时值可达60%～80%，细粒子对污染天气的贡献更大。相对湿度对能见度的影响也非常大，两者呈很好的负相关关系。

［1］朱佳雷，王体健，邢莉，等.江苏省一次重霾污染天气的特征和机理分析［J］.中国环境科学，2011，31（12）：1943-1950.

［2］张人禾，李强，张若楠.2013年1月中国东部持续性强雾霾天气产生的气象条件分析［J］.中国科学（D地球科学），2014，44（1）：27-36.

［3］夏冬，吴志权，莫伟强，等.一次热带气旋外围下沉气流造成的珠三角地区连续灰霾天气过程分析［J］.气象，2013，39（6）：759-767.

［4］吴兑，刘啟汉，梁延刚，等.粤港细粒子（PM2.5）污染导致能见度下降与灰霾天气形成的研究［J］.环境科学学报，2012，32（11）：2660-2669.

［5］Wu D，Tie X.An extremely low visibility event over the Guangzhou region：A case study［J］.Atmospheric Environment，2005，39（35）：6568-6577.

［6］廖志恒，孙家仁，范绍佳，等.2006—2012年珠三角地区空气污染变化特征及影响因素［J］.中国环境科学，2015，35（3）：329-336.

［7］肖娴，范绍佳，苏冉，等.2011年10月珠江三角洲一次区域性空气污染过程特征分析［J］.环境科学学报，2014，34（2）：90-296.

［8］张宝春，陈彦军，李伟铿，等.基于GIS的珠三角区域空气质量时空特征研究［J］.生态环境学报，2011，20（4）：600-605.

Characteristics Analysis of Temporal and Spatial Distributions of Air Pollutants in PRD：A Case Study

XIA Dong1，2，TU Jian-wen1，CHEN Jun2，QIU Xiao-qun1
（1.Zhuhai Public Meteorological Service Center，Zhuhai 519000；2.Dongguan Meteorological Observatory，Dongguan 523086）

Extreme air pollution weather，which can influent the economic and social development and human health considerably，attracted increasing attentions in recent years.In this research，environmental and meteorological data are used to analyze the variations and spatial distributions of air pollutant concentrations and interrelationship of pollutants in a severe air pollution process in spring in Pearl River Delta（PRD）region.Results show that the maximum diurnal air quality index（AQI）in main cities in PRD region gets higher than 150 and overpasses 200 in Dongguan and Shenzhen，which means the air quality levels in PRD reach moderate to heavy pollution levels.AQI in the east of PRD begins to rise firstly，then the whole region drops into high air pollution state.Aerosol pollution dominates the whole air pollution progress. The probability for over-the-standard PM2.5and PM10pollution to appear reaches 0.990 and 0.993，respectively.The diurnal values of the proportion of PM2.5in PM10vary between 52%and 79%.Fine particulates dominate in the pollution progress and affect the visibility dramatically.

atmospheric environment；severe air pollution；air quality index；Pearl River Delta region

X51

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.003

2015-12-10

广东省气象局科学技术研究项目（2015B39）“重污染天气产生的气象条件分析及应用”

夏冬（1982年生），男，硕士研究生，高级工程师，主要从事大气环境研究工作。E-mail：584131440@163.com