大连市冬季一次典型大气重污染过程的成因分析

包艳英，纪德钰，徐 洁

（大连市环境监测中心，辽宁 大连 116023）

大连市冬季一次典型大气重污染过程的成因分析

包艳英，纪德钰，徐 洁

（大连市环境监测中心，辽宁 大连 116023）

从污染过程演变、天气条件分析、颗粒物组分变化、污染输送分析、后向轨迹分析等几方面，对大连市2014年12月28～29日发生的一次典型大气重污染过程的成因展开分析。分析结果表明：稳定的大气环流形势、地面风速小、湿度大，为此次污染的累积提供了有利气象条件；京津冀地区污染物的持续输送是此次重污染过程形成的主要原因。

重污染；成因；气象条件；污染传输

大连市三面环海，拥有得天独厚的自然环境，近年来大连市环境空气质量在全国15个副省级城市和4个直辖市中一直处于前列。作为东北地区的经济中心，随着社会经济的快速发展，大连市及周边城市群大气污染问题也日益严重，并呈现明显的区域性和复合型特征。2014年，大连市优良天数282 d，达标率仅为77.3%，分别出现6 d重度污染和1 d严重污染，且重污染日首要污染物均为PM2.5（细颗粒物）。目前，国内研究者对重污染过程及影响因素开展了较多研究，主要集中在京津冀、长三角和珠三角[1-10]地区，但对大连市重污染过程分析及区域污染传输的研究罕有报道。本研究选取2014年12月28～29日大连市一次重污染过程，从污染过程演变、天气条件、颗粒物组分变化、污染输送、后向轨迹等方面进行综合性分析，探讨此次污染形成的原因。

1 数据来源

主要污染物浓度数据来源于大连市环境监测中心数据库10个国控监测点位的常规观测，监测项目为SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5；气象要素资料来源于大连市大气复合污染综合观测站气象监测仪，监测项目包括风向、风速、温度、湿度和气压；研究中还对大气复合污染综合观测站中颗粒物粒径分布仪、大气气溶胶有机碳/元素碳（EC/OC）在线分析仪、可溶性阴阳离子在线分析仪等设备的观测数据进行了分析。

大连市大气复合污染综合观测站位于大连市环境监测中心五楼，建筑面积近100 m2，毗邻星海三站，周围有学校、幼儿园、菜市场、多个居民小区以及诸多餐饮店，临近中山路、连山街等交通干线，是大连城区内典型的人口聚集地。

2 污染过程分析

2.1 污染过程演变

12月28～29日的重污染是2014年大连市经历的最严重的一次污染，直接导致12月份PM10浓度升高16 μg/m3，PM2.5浓度升高14 μg/m3，优良率下降6.0个百分点。本次重污染过程的首要污染物为PM2.5，在污染过程到达的前几日，大连市空气质量一直处于良好的状况，重污染前一日为轻度污染，28日直接从轻度污染连跳三级达到严重污染，29日污染略有缓解，但仍维持在重度污染，30日转为良，污染过程结束。

从图1可以看出，大连市区从27日18:00达到重度污染，污染一直持续上升，至28日9:00达到严重污染，28日22:00 PM2.5达到最高值469 μg/m3，28日23:00～29日10:00污染逐渐减轻，由于前期污染累积的浓度非常高，虽处于下降趋势，但仍处于重度污染，29日10:00～22:00，维持在中度污染，30日夜间污染进一步得到缓解，5:00空气质量转为良，污染过程结束。此次污染过程空气质量累计连续41 h达到重度及以上污染，连续18 h达到严重污染。综合以上分析，此次重污染过程强度较大，持续时间不长，污染累积的速度较快，消散的速度也较快。

图1 污染过程PM2.5小时浓度的时间变化序列

2.2 气象条件分析

气象条件决定着气象要素的分布和变化，在污染源变化不大的情况下，气象条件在一定程度上决定区域污染物浓度的分布和变化。

2.2.1 天气形势分析

本研究从500 hpa高度场和地面两层高度分析天气形势，探讨天气形势对此次污染过程的影响。27日夜间，大连地区500 hpa高度场处于槽后的西北弱气流控制，而从27日夜间海平面气压场可以看出，大连处于低压均压带，地面风速较小，不利于污染物扩散，周边污染物易在此汇聚累积。28～29日，大连地区高空一直受弱槽后部西北气流控制，地面一直处于低压均压带，地面为弱的西南风和西风，扩散条件持续较差。污染过程期间，虽然500 hpa为西北气流，但系统较弱，风速不大，同时地面气压低、持续为弱西南风和偏西风，高低空系统的持续稳定使得边界层内的污染始终无法有效清除，为污染物的累积增长提供了稳定的气象条件。

2.2.2 气象要素分析

此次重污染期间，地面平均气温6.5℃，相对湿度54.1%，地面气压101.1 kPa，地面风速1.2 m/s，具有高温、高湿、低气压、弱风速的气象特点。从图2可以看出，27日14:00～28日22:00是污染快速积累升高的时段，在此时段对应着稳定的高湿度和温度的下降，同时地面气压一直处于持续降压的过程，风速也一直降低。28日22:00 PM2.5浓度达到最高，而此时相对湿度最大、地面基本处于静风，气压持续下降。29日凌晨开始受冷空气影响，随着湿度的下降和风速的逐渐增大，污染也随之缓慢减轻。

2.3 本地污染影响分析

2.3.1 气态污染物分析

从图3可以看出，这次污染期间，NO2与PM2.5变化趋势具有较好的一致性，而SO2则存在6:00～9:00和18:00～20:00的双峰特征，这与冬季采暖期燃煤污染规律一致。由于NO2相对于SO2在冬季采暖期时日变化规律并不明显，浓度基本维持在一个稳定的水平，因此在气象扩散条件转差时浓度升高，在气象扩散条件转好时浓度降低，与PM2.5变化趋势一致，说明本地扩散条件不利也是引起本次重污染的原因之一。

图2 大连市12月27～30日污染时段温度、湿度、气压、风速时间变化序列

2.3.2 硫酸根离子分析

28日由于大雾及灰霾污染造成近地面太阳总辐射相对较少，降低了光化学烟雾的出现率，污染过程前后空气中硫酸根数据并未出现明显变化，如图4所示，说明本地气态污染物的二次转化率较低，本地污染并不是造成这次污染的主要因素。

2.3.3 碳组分分析

从这次污染期间OC和EC浓度的时间序列（图5）可以看出，随着污染的加重，OC和EC的浓度显著升高，且OC占TC的百分比变化不大。颗粒物中不同组分来源相同时一般具有很好的相关性。12月25～31日，OC和EC的相关性为0.949，说明本次污染过程OC和EC的来源相似，由于EC大多来自一次排放，因此可以推断本地污染过程OC也大多来自一次排放，本地排放二次转化的贡献较小。

图3 大连市12月27～30日污染时段SO2、NO2和PM2.5时间变化序列

图4 SO42-和PM2.5时间变化序列

图5 OC、EC和OC/TC时间变化序列

2.4 污染输送分析

2.4.1 区域性污染背景

大连市处于华北三大空气质量污染重灾区，北面是辽宁中部城市群，南面是山东半岛城市群，西面是京津冀城市群，大连市受这三个城市群污染影响较重，此次重污染过程就是在京津冀及山东半岛大范围污染的背景下形成的。27日9:00京津冀及山东半岛已出现大范围重度至严重污染，大连市当时空气质量还处于良的状况；28日8:00京津冀区域污染逐步加重，且包括大连在内的辽宁省大部分地区也已达到中度至重度污染；29日，京津冀南部污染有所减轻，辽宁南部污染仍持续；30日，华北地区污染由西北方向开始逐渐好转。

2.4.2 颗粒物粒径分布分析

大连市西和西南方向本地工业污染源较少，北向本地污染源相对较多。本研究统计了此次污染过程期间各个风向上的不同粒径颗粒物的浓度分布情况，颗粒物粒径分布仪位于大连市西南方向的超级站中。由图6可以看出，此次污染过程，大粒径颗粒物数量较少，主要来自于西北方向，小粒径颗粒物数量较多，主要来自北、西和西南方向。结合本地工业污染源分布情况可以判断，北向的小粒径颗粒物应为本地工业污染源贡献，西和西南方向的小粒径颗粒物应主要为外来输送。

图7为本次污染过程不同粒径颗粒物的增长比例曲线，可以看出颗粒物的增长主要集中在粒径0.3～0.6 μm之间。根据上文分析，大连地区出现光化学烟雾产生小粒径颗粒物的可能性很小，说明粒径0.3～0.6 μm的颗粒物主要是来自外来输送。

图6 粒径分布风玫瑰图

图7 不同粒径颗粒物的增长比例

图8 12月28日22:00大连地区48 h后向气团轨迹与12月29日24:00大连地区24 h后向气团轨迹

2.4.3 后向轨迹分析

利用美国国家海洋大气局（NOAA）的后向轨迹模式HYSPLIT4，分析此次重污染过程的气团来源及移动轨迹。起点为大连市（121.563 8 E，38.885 N），高度分100 m、500 m和1 000 m三层，气象资料采用美国NCEP GDAS资料，模拟污染最重时刻48 h后向气流轨迹和污染减弱时刻24 h后向气流轨迹。由图8a可以看出，大连市污染最重时段的低空气团来自京津冀南部的邯郸、邢台和沧州等城市，经由天津，跨越渤海湾到达大连地区。27日京津冀南部已出现重度污染，可以推断此次污染可能由京津冀地区污染传输影响，中、高空气团主要来自高层，起源于内蒙古，空气较洁净，对大连地区污染贡献较小。由图8b可以看出，29日24:00到达大连的气流主要来自高层，起源于蒙古国，经内蒙古和河北北部到达大连地区，由于高纬度地区空气较洁净，且风速较大，有利于污染物的水平扩散，因此大连地区的污染在此时显著改善。

3 结论

对大连市2014年12月28～29日的一次重污染过程从污染过程演变、天气条件分析、区域性污染背景、污染物传输、后向轨迹分析等多个方面对此次重污染过程进行了剖析，探究了此次重污染形成的原因：

（1）从天气条件上看，稳定的大气环流形势、地面风速小、湿度大，为此次污染的累积提供了有利气象条件。

（2）此次污染过程发生在京津冀和山东半岛大范围污染的背景下，污染期间，大连市本地变化不明显，OC和EC来源相同，粒径增长主要集中在0.3～0.6 μm，且主要来自西和西南方向，从而得出此次污染过程中本地二次粒子转化的可能性较小。

（3）后向轨迹分析表明，低空西南气流携带大量污染由河北南部的邯郸、邢台、衡水，经过沧州、天津，跨越渤海湾到达大连地区，对大连市空气质量造成严重影响。因此，京津冀地区污染物的持续输送是此次重污染过程形成的主要原因。

[1]孙峰，张大伟，孙瑞雯，等.地区冬季典型PM2.5重污染案例分析[J].中国环境监测，2014，30（6）：1-12.

[2]程念亮，高尚银，李云婷，等.北京市2013年1月一次空气重污染过程分析[J].环境监控与预警，2014，6（5）：36-40.

[3]刘庆阳，刘艳菊，杨峥，等.北京城郊冬季一次大气重污染过程颗粒物的污染特征[J].环境科学学报，2014，34（1）：12-18.

[4]杨素英，赵秀勇，刘宁微.北京秋季一次重污染天气过程的成因分析[J].气象与环境学报，2010，26（5）：13-16.

[5]高健，张岳翀，柴发合，等.北京2011年10月连续重污染过程气团光化学性质研究[J]．中国环境科学，2013，33（9）：1539-1545.

[6]魏哲，杨晶，王丽涛，等.2013年1月邯郸市严重霾天气的污染特征分析[J].环境科学学报，2014，34（5）：1118-1124.

[7]夏思佳，赵秋月，李冰，等.南京地区典型大气污染过程分析[J].环境科学与技术，2013，36（4）：97-102.

[8]丁铭，邹强，郁建桥.2013年苏州春季一次重污染天气的过程分析[J].中国环境监测，2015，31（4）：44-47.

[9]安静宇，李莉，黄成，等.2013年1月中国东部地区重污染过程中上海市细颗粒物的来源追踪模拟研究[J].环境科学学报，2014，34（10）：2635-2644.

[10]廖志恒，范绍佳，黄娟，等.2013年10月长株潭城市群一次持续性空气污染过程特征分析[J].环境科学，2014，35（11）：4061-4069.

（编辑：程 俊）

Analysis on The Contributing Factors of A Typical Serious Air Pollution Episode in Winter of Dalian

Bao Yanying,Ji Deyu,Xu Jie
（Dalian Environmental Monitoring Center,Dalian Liaoning 116023,China）

The causes of a typical serious air pollution episode occurred in Dalian city on December 28～29,2014 was studied in term of the evolution of pollution process,the evolution of weather conditions,the change of particle composition,pollution transportation analysis,and backward trajectory analysis.The major results were as follows:(a)the stable atmospheric circulation,small wind speed and high humidity in surface provided favorable meteorological conditions for the accumulation of serious pollution.(b)the continuously pollution transmission from Beijing,Tianjin and Hebei region was the main reasons for the formation of the serious air pollution episode.

serious pollution episode,contributing factors,meteorological conditions,pollution transmission

X511

A

1008-813X（2017）01-0085-06

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.01.22

2016-12-23

包艳英（1970-），女，辽宁阜新人，毕业于天津大学应用化学系电化学生产工艺专业，副高级工程师，主要从事环境空气质量研究。