长三角一次局地污染过程分析

何 涛 彭 燕 李 璐 徐圃青

(常州市环境监测中心, 江苏 常州 213001)

长三角一次局地污染过程分析

何 涛 彭 燕 李 璐 徐圃青

(常州市环境监测中心, 江苏 常州 213001)

本文利用常州市6个环境空气质量评价点和宋剑湖小学污染监测点数据，以及混合层高度、OC/EC等数据，结合气象场、后向轨迹模型等手段，分析了2015年8月12日至13日常州市发生的一次大气污染过程。结果表明，本地污染源是导致此次污染过程的主要原因之一，该污染过程在均压场控制条件下，主导风向转变为东南风后致使市区置于污染源下风向，在大气水平、垂直扩散条件以及混合层高度的影响下，污染物在低层空间迅速堆积，从而导致污染过程的发生。该研究说明工业布局对城市环境空气质量有着极为重要影响，在特殊时段管制本地重点污染源可能会对空气质量改善起到明显效果。

大气污染过程；后向轨迹；传输路径；常州

近年来，环境空气污染的形成机制，以及气象条件对环境空气质量的影响已受到广泛关注。以细颗粒物PM2.5为首要污染物的灰霾现象时有发生，其在大气中的滞留时间长、输送距离远，导致大气能见度下降、并可引发人体呼吸系统和心血管疾病，危害人体健康[1-4]。因此，研究空气污染的来源，以及影响因素，对于改善空气质量以及科学制定大气污染防治措施具有重要意义。

已有的大气污染来源和源解析研究工作大多集中于大城市，在污染过程分析方面以大尺度的污染外来输送等[5-7]研究为主，对于城市工业布局不合理和本地污染源导致的局地污染事件报道较少。常州市作为长江三角洲地区中心地带城市，与上海南京等距相望，周边区域是中国工业和交通最为集中的地区之一，本文以常州市为研究对象，通过分析2015年8月12-13日一次典型的局地大气污染过程，结合后向轨迹、污染物浓度及OC/EC组分变化特征，来探讨常州市工业布局对市区环境空气质量的影响，以期为城市的大气污染防治和空气质量改善提供科学依据和技术支撑。

1 研究方法与数据来源

本文以常州市环境空气质量评价点(简称国控点)和宋剑湖小学污染监测点数据作为研究依据。常州市现有6个国控点，由北向南依次为安家、常工院、潞城、城建学校、市监测站和武进监测站，具体点位分布见图1。宋剑湖小学为污染监测点，采用的监测设备和指标与国控点相同，该点位于中天钢铁工业园区旁。后向轨迹采用NOAA(美国国家海洋大气研究中心空气资源实验室)开发的HYSPLIT网页版计算，该模式是欧拉和拉格朗日混合型扩散模式，其平流和扩散采用拉格朗日方法处理,浓度采用欧拉方法计算，选取常州市环境监测中心(31.76°,119.95°)为后向轨迹起始点,起始高度分别为100米、500米和1000米，轨迹计算时长48小时。

图1 常州市区空气站及污染源点位分布图

2 污染过程

2015年8月12-13日，常州市区空气质量出现由优良转为轻度污染的快速恶化过程。图2为12日至13日常州市空气质量变化时序图，从该图看，8月12日0:00-13：00，常州市各国控点PM2.5浓度较低，平均值低于30μg/m3，空气质量为优；14:00后PM2.5浓度逐渐升高，12日14:00-13日0:00，空气质量为良；13日凌晨1时起，市区空气质量达到轻度污染水平，首要污染物为PM2.5，轻度污染状态持续7个小时。

图2 2015年8月12 -13日常州市AQI与PM2.5数据时间序列

整个污染过程中，市区PM2.5平均浓度最高达到101μg/m3，AQI值为133。各国控点中，潞城空气站数据最高，PM10最高值达262μg/m3，PM2.5最高值达160μg/m3；数据飙升最早出现在武进监测站和潞城空气站，这两个站点PM2.5浓度均在凌晨2时出现飙升，小时增幅分别达37.2%和73.8%；其次是凌晨4时出现在市监测站、城建学校和常工院空气站，浓度增幅分别为45.0%、28.1%和41.7%，但市区最北面的安家空气站未出现PM2.5浓度飙升现象。

3 原因分析

3.1 气象条件

12日前期，苏南区域高层的引导气流由西南偏西风转向一致的高空槽前西南气流，更有利于高空污染物由内陆向沿海传输；而同时段近地面也处于海上低压环流底后部控制，江苏全境为明显的北风，配合中层风场，大气条件非常有利于污染物的扩散。随着海上环流的远离，12日后期起，低层逐渐转受内陆弱高压脊前部控制；至13日前期苏南区域近地面风场很弱，且大范围都处于明显的均压场内(见图3)，导致近地面扩散条件差，不利于污染物消散，易形成局地污染。

常州市近地面风向在12日17:00前主导风向为北风(见图4)。从12日18:00开始由北风逐渐向东-东南风转变，13日0:00彻底转变为东南风，且水平风速小于1m/s。随着风向的转变，大气逐渐趋于静稳状态，混合层结构也发生了明显变化，从市监测站云高仪(VAISALA CL31，芬兰)探空数据看，12日18:00前市区大气混合层高度维持在900米左右，18:00后混合层高度迅速下降，至18:30混合层高度已下降至100米左右，并一直维持到13日的6:00。其后混合层高度随着温度升高逐渐抬升，至6:30抬升到220米左右，8:00至300米。由于风速较小，且为东南风，导致市区东南方向的污染物随风而入影响市区，在混合层高度较低情况下，污染物在低层空间堆积，导致市区空气质量迅速恶化。

图3 2015年8月13日00时地面天气形势图

图4 2015年8月12-13日常州市风速风向图

3.2 后向轨迹来源

根据后向轨迹模型计算结果显示，常州市100米高度水平风向从12日18:00开始由北风向东-东南风变化，13日0:00彻底转为东南风，与近地面观测风向一致；从13日2:00常州市100米、500米和1000米三个高度的后向轨迹来源路径的高度看(见图5a)，三个高度层的气流路径高度很稳定，未出现较大幅度变化，说明大气垂直对流很弱，污染物难以向上层空间扩散。从长三角空气质量分布图上看(见图5b)，常州周边城市空气质量整体较好，各项污染物浓度均较低，未出现污染现象，且在常州市后向轨迹路径上的城市也未出现污染现象，说明本次污染过程受外来源的输送影响较小，且近地面风速较小，因此，判断本次污染过程主要由本地污染源导致。

3.3 污染源分析

图6为市监测站监测的OC(有机碳)与EC(元素碳)结果，该图表明，市区空气中的OC与EC变化趋势一致性较好，两者的相关系数达到0.95，说明OC与EC具有相似的来源。一般认为OC/EC比值为2可以作为是否有二次污染的一个临界值[8]。在此次污染过程中市区OC/EC比值平均为1.6，且在OC、EC浓度快速上升的过程中，OC/EC比值未出现明显波动，说明本次污染主要来源于一次源，二次有机污染特征不明显，从侧面说明本次污染过程是由近距离的污染源导致。

图5 2015年8月13日后向轨迹和长三角PM2.5浓度分布图

在市区的东南上方向存在着以中天钢铁为代表的大型重点污染源，该工业园区烟囱排放高度大多在100米以下，导致污染物排放后直接进入大气混合层内，影响市区空气质量。从图1的点位分布图上看，中天钢铁与潞城相距约7km，宋剑湖小学与中天钢铁距离约1.5km，宋剑湖小学与潞城相距约6km。市监测站与中天钢铁相距约13km、与宋剑湖小学相距约11.5km。

图6 8月12日-13日常州市OC/EC时序图

从图2c的PM2.5分布图上看，宋剑湖小学PM2.5浓度最大值出现在13日凌晨2:00，为170μg/m3；潞城PM2.5在13日4：00达到最大值，为160μg/m3；市监测站PM2.5峰值出现在6:00，125μg/m3。从PM2.5浓度上看，宋剑湖小学>潞城>市监测站；从峰值出现的时间上看，同样是宋剑湖小学最早出现，市监测站出现较晚，与三者和中天钢铁的距离正好一致。按照13日凌晨2:00-4:00的平均风速0.9m/s(风向为东风)测算，经过2小时污染物可扩散到6.48km的范围，可从宋剑湖小学覆盖到潞城，与宋剑湖小学和潞城的PM2.5峰值出现的时差相吻合。市监测站与宋剑湖小学的PM2.5峰值出现时间相距4小时，按照13日2:00-6:00的平均风速0.8m/s计算，4小时污染物可以扩散到11.5km的范围。说明潞城、市监测站等空气站与宋剑湖小学的PM2.5峰值均是受中天钢铁方向的污染源影响。

4 结论

(1)2015年8月12-13日，常州市空气质量快速恶化，一天之内空气质量由优到良，最后变为轻度污染，首要污染物为PM2.5，PM2.5浓度从19μg/m3升高到101μg/m3，轻度污染持续7个小时。各空气子站监测数据从东南向西北方向依次升高，PM2.5浓度飙升时段小时增幅高达70%；而最北面的安家未出现明显的PM2.5浓度飙升现象。

(2)受均压气象场影响，苏南区域大气扩散条件不利，且主导风向逐渐由北风转变为东南风，污染时段水平风速小于1m/s，致使市区置于污染源下风向。混合层高度从12日18:00的900米左右迅速下降，至18:30已下降至100米左右，并一直维持到13日6:00；从后向轨迹判断，100米、500米和1000米三个高度层的气流路径高度很稳定，说明大气垂直对流很弱，污染物难以向上层空间扩散。在大气水平和垂直扩散条件较差，以及低混合层的影响下，污染物在低层空间迅速堆积，导致市区空气质量迅速恶化。

(3)从长三角空气质量分布图上看，常州周边城市空气质量整体较好，各项污染物浓度均较低，未出现污染现象，且在常州市后向轨迹气团来源方向上的城市也未出现污染现象，说明本次污染过程受外来源的输送影响较小；从OC/EC比值看，其比值平均为1.6，且在OC、EC浓度快速上升的过程中，OC/EC比值未出现明显波动，说明本次污染主要来源于一次源，二次有机污染特征不明显。综合判断，本次污染过程主要由本地污染源导致。在市区的东南上方向存在着以中天钢铁为代表的大型重点污染源，该工业园区烟囱高度大多在100米以下，导致污染物排放后直接进入大气混合层内，影响市区空气质量。

(4)通过空气站浓度峰值时差、峰值大小与距污染源距离的关系分析得出，潞城、市监测站与宋剑湖小学的PM2.5峰值均是受中天钢铁方向的污染源影响，说明中天钢铁等污染源对市区空气质量影响较大。

总体上，常州市由于工业布局不合理，主导风向东南方向上污染源众多，且污染排放总量很大，在不利气象条件下，很容易导致轻度以上级别的污染过程发生，致使常州市空气质量在短时间内迅速恶化。因此，工业布局对城市环境空气质量有着极为重要影响，在特殊时段管制本地重点污染源会对空气质量起到明显改善效果。

致谢：感谢上海市环境监测中心站提供的长三角PM2.5浓度分布图资料。

[1]OrganizationWH.Reviewofevidenceonhealthaspectsofairpollution-REVIHAAPProject[J].Copenhagen:WorldHealthOrganizationRegionalOfficeforEurope, 2013:1-302.

[2]FannN,LamsonAD,AnenbergSC,etal.EstimatingtheNationalPublicHealthBurdenAssociatedwithExposuretoAmbientPM2.5andOzone[J].RiskAnalysis, 2012, 32(1):81-95.

[3]ZhouP,GuoJ,ZhouX,etal.PM2.5,PM10andhealthriskassessmentofheavymetalsinatypicalprintedcircuitboardsmanufacturingworkshop[J].JournalEnvironmentalSciences(China), 2014, 26(10):2018-2026.

[4]SunZH,CuiYP.AnOverviewofPM2.5ImpactsonHumanHealth[J].EnvironmentalScience&Technology, 2013,26(4): 75-78.

[5] 薛文博, 付飞, 王金南,等. 中国PM2.5跨区域传输特征数值模拟研究[J]. 中国环境科学, 2014, 34(6):1361-1368.

[6] 王世强, 黎伟标, 邓雪娇,等. 广州地区大气污染物输送通道的特征[J]. 中国环境科学, 2015, 35(10):2883-2890.

[7] 程真, 陈长虹, 黄成,等. 长三角区域城市间一次污染跨界影响[J]. 环境科学学报, 2011, 31(4):686-694.

[8]HouB,ZhuangG,ZhangR,etal.Theimplicationofcarbonaceousaerosoltotheformationofhaze:revealedfromthecharacteristicsandsourcesofOC/ECoveramega-cityinChina.[J].JournalofHazardousMaterials, 2011, 190(1-3):529.

Analysis of a local air pollution event in Yangtze River Delta

He Tao, Peng Yan, Li Lu, Xu Puqing

(Changzhou Environmental Monitoring Center, Changzhou 213001,China)

In this paper, we collected data about air quality in 6 conventional monitoring spots and Songjianhu primary school in Changzhou City, height of mixed layer, OC/EC and meteorological field, and used backward trajectory model to interpret an air pollution event occurring in 12 - 13 of August 2015 in Changzhou City. The results show that the local pollution source is one of the main causes of the pollution event. Under the effect of the uniform pressure field, the dominant wind direction turned into southeastern and made the urban area exposed to the source of pollution. Under the influence of horizontal and vertical atmospheric diffusion and height of mixed layer, pollutants would quickly deposit in the low-level space, resulting in the occurrence of pollution. The study shows that industrial layout has a very important impact on urban ambient air quality, and that control for local key pollution sources at specific times may have a significant effect on air quality improvement.

air pollution process; back trajectory; transport pathways; Changzhou

江苏省环境监测科研基金项目(1603)

2017-02-23;2017-03-20修回

何涛(1983-),男,工程师,主要从事大气污染研究。E-mail:hetaok2008@163.com

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