绵阳重污染天气机动车限行对空气质量的影响研究*

杜筱筱 廖婷婷 范江琳 杨寅山

(1.四川省气象灾害防御技术中心，四川 成都 610072；2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川 成都 610072；3.成都信息工程大学大气科学学院，高原大气与环境四川省重点实验室，四川 成都 610225；4.四川省气象台，四川 成都 610072)

大气污染对人体健康和农业生产等都有重大影响，甚至影响全球的气候变化[1]。四川盆地是我国主要的大气污染区域之一。曾胜兰等[2]发现，天气对空气质量影响较大。郭倩等[3]对成都2015年的一次重污染天气研究发现，辐射逆温对污染物浓度增长有促进作用，东北向的绵阳等地区是此次过程主要的潜在来源区，可见绵阳对四川盆地大气污染有重要影响。由于四川的机动车保有量逐年增加，使其大气污染类型由原来的煤烟型向煤烟-机动车尾气复合型转变[4]。根据绵阳市公安局交警支队车管所提供的数据显示，绵阳机动车保有量近几年显著增长，2015年首次超过百万辆，2017年又达到了150.8万辆。由此可见，机动车尾气排放对绵羊空气质量的影响越来越大，如果碰到重污染天气可能更是雪上加霜。

2017年12月19日绵阳出现空气污染(空气质量指数(AQI)为112)并持续加重，23日达到重度污染(AQI为204)。为应对此次重污染天气，绵阳政府于12月25日0时至29日12时首次实行机动车尾号限行措施(绵重污染天气应急办〔2017〕16号)。本研究对此次实行机动车尾号限行措施前后绵阳大气污染物浓度变化特征进行分析，为绵阳今后决策大气污染治理措施提供参考。

1 数据与方法

1.1 数据来源

为了对比分析机动车尾号限行措施前后大气污染物浓度的变化特征，定义2017年12月20日0时至24日24时为限行前，2017年12月25日0时至29日12时为限行期，2017年12月29日12时至2018年1月2日24时为限行后，限行前和限行后统称为非限行期。大气污染物数据来自富乐山、市人大、三水厂、自来水公司4个国控环境质量监测站点。地面气象数据(风速、日降水量、相对湿度、云量)来自绵阳56196国家自动气象观测站，其中混合层高度参考文献[5]的方法计算得到，由于日降水量均为0 mm，下文将不再具体讨论。计算后向轨迹、进行潜在源区贡献(PSCF)分析和浓度权重轨迹(CWT)分析所需的其他气象数据来自美国国家环境预报中心(NCEP)的全球资料同化系统(http：//www.rl.noaa.gov/ss/transport/archives.html)。

1.2 后向轨迹的聚类分析方法

采用Meteoinfo的后向轨迹模式模拟限行前、限行期、限行后到达绵阳的气流轨迹。模拟高度选择500 m，每隔1 h计算一条后向72 h的轨迹，使用angle distance算法进行聚类分析。

1.3 PSCF分析方法

PSCF是经过污染源的污染轨迹数与所有轨迹数的比值[6-7]。为了降低PSCF计算的不确定性，引入权重因子，当所有轨迹数大于80时，权重因子取1.00；当所有轨迹数大于20且小于等于80时取0.70；当所有轨迹数大于10且小于等于20时取0.42；当所有轨迹数小于等于10时取0.05[8-9]。PSCF越大，表明该污染源对观测点污染物的影响越大。

1.4 CWT分析方法

CWT包含了污染源气团轨迹的浓度，反映了不同轨迹的污染程度[10]，计算公式如下：

(1)

式中：cij为网格(经度i，纬度j)上的污染物加权平均质量浓度，μg/m3；ck为第k条轨迹经过网格(经度i，纬度j)时的污染物质量浓度，μg/m3；τijk为第k条轨迹在网格(经度i，纬度j)上的停留时间，s；wij为权重因子；M为经过网格(经度i，纬度j)的轨迹总数。

2 结果与讨论

2.1 限行前后大气污染物浓度变化特征

图1为绵阳限行前、限行期、限行后富乐山、市人大、三水厂、自来水公司4个监测站点的污染物浓度变化曲线。从图1可见，每种污染物的4个监测站点的变化趋势基本一致。CO的限行前、限行期和限行后平均质量浓度分别为1.4、1.5、1.1 μg/m3；NO2的限行前、限行期和限行后平均质量浓度分别为65.2、42.8、50.6 μg/m3；O3的限行前、限行期和限行后平均质量浓度分别为27.8、15.8、26.2 μg/m3；SO2的限行前、限行期和限行后平均质量浓度分别为12.1、8.2、9.6 μg/m3；PM2.5的限行前、限行期和限行后平均质量浓度分别为139.2、133.3、118.5 μg/m3；PM10的限行前、限行期和限行后平均质量浓度分别为189.3、171.8、323.5 μg/m3。可见，机动车尾号限行措施对NO2、O3、SO2具有明显的减排效果，而对CO几乎没有减排效果。大气颗粒物PM2.5和PM10是整个观测期间的首要污染物，机动车尾号限行措施对PM2.5和PM10虽有一定减排效果，但限行后PM2.5、PM10的浓度存在显著差异，限行后PM2.5变化不大，但PM10大幅上升。因此，后面将重点研究PM2.5、PM10的污染成因。

2.2 PM2.5/PM10分析

PM2.5/PM10往往能反映城市大气颗粒物的来源性质。当PM2.5/PM10大于0.6时，大气颗粒物主要来源于化学转化形成的二次颗粒物，而当PM2.5/PM10小于0.6时，则主要来源于沙尘、扬尘等一次颗粒物[11-12]。此次重污染天气观测期间，限行前PM2.5/PM10平均为0.74，限行期为0.78，限行后为0.37，表明限行前和限行期大气颗粒物主要来源于化学转化形成的二次颗粒物，而限行后则转为沙尘、扬尘等一次颗粒物。

注：个别数据缺失，但不影响整体变化趋势分析。图1 观测期间各污染物质量浓度变化曲线Fig.1 The variation of pollutants mass concentrations in research period

2.3 气象条件分析

一般地，风速与颗粒物浓度呈负相关[13],[14]58；一定相对湿度范围内，相对湿度越大颗粒物浓度越高，但相对湿度超过80%时，易发生降雨，导致PM2.5和PM10浓度降低[14]57-58；混合层高度可以表征颗粒物被热力对流与动力湍流在垂直方向上输送的高度[15]。各阶段相对湿度、风速、混合层高度如表1所示。限行期相对湿度超过80%，有利于颗粒物的沉降，风速相对限行前也有所增大，亦有利于降低颗粒物浓度，而混合层高度略有降低；限行后相对湿度明显降低，混合层高度明显升高，但风速进一步增大，这可能也是小颗粒的PM2.5浓度继续降低，而大颗粒的PM10升高的原因。

表1 各阶段气象数据

2.4 后向轨迹聚类分析

气流后向轨迹聚类分析结果如表2所示。

限行前轨迹聚为3类，其中来自平武南部和江油方向的气流出现频率达到55.17%，其PM2.5、PM10平均质量浓度相对较高，分别为137.0、185.6 μg/m3，由于平武空气较为清洁，所以本研究认为该类气流主要来自江油。来自汶川、什邡、绵竹、安州方向的气流出现频率为25.86%，但其PM2.5、PM10平均质量浓度最高，分别达到145.2、199.2 μg/m3。虽然彭州、新都、德阳城区有较强的污染源，但来自青海南部、阿坝、彭州、新都、德阳城区方向的气流出现频率仅为18.97%，其PM2.5、PM10平均质量浓度也并不是很高，分别为112.4、162.6 μg/m3，可能与风向有关。

限行期轨迹聚为4类，其中来自广安、南充、盐亭、三台的气流出现频率最高，为33.03%，其PM2.5、PM10平均质量浓度分别为131.2、164.2 μg/m3；其次是来自南充北部、广元的气流，出现频率为28.44%，PM2.5、PM10平均质量浓度分别为113.4、144.8 μg/m3；来自青海南部、甘肃南部与四川交界处、广元西北部、江油和广元西北部、江油的气流出现频率均较小，分别为21.10%、17.43%，但对应的PM2.5、PM10平均质量浓度却较高，第3类分别为141.8、190.0 μg/m3，第4类分别为139.3、175.9 μg/m3，这两股气流都途经江油，说明颗粒物主要来自江油。

限行后轨迹聚为3类，出现频率大致相当。来自甘肃、陕西、广元、南充北部的西北方向气流对应的PM2.5、PM10平均质量浓度最低，分别为110.1、294.9 μg/m3。来自西藏西部、甘孜、雅安北部、都江堰北部、彭州、什邡、绵竹、德阳城区的气流PM2.5、PM10平均质量浓度最高，分别为149.5、467.6 μg/m3。

综上可知，江油对绵阳大气颗粒物影响很大，气流轨迹出现频率高，颗粒物浓度也高，因此有必要考虑进行区域联防联控。

2.5 PSCF分析和CWT分析

由于限行前和限行期PM2.5污染相对突出，是这次重污染天气的最主要污染物，因此进一步对限行期与非限行期的PM2.5进行PSCF分析和CWT分析，格点设置为0.25°×0.25°，PM2.5阈值根据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级标准设为75 μg/m3。

表2 各阶段后向轨迹聚类结果

图2 PSCF分布Fig.2 PSCF maps

图3 CWT分布Fig.3 CWT maps

从图2可见，PM2.5在限行期和非限行期的PSCF大值区主要都在绵阳本地，区别在于限行期其他大值区主要在遂宁北部、南充西部和广元中部，而非限行期主要在雅安北部、成都北部和和德阳中部。

由图3可知，CWT分布与FSCF较为接近，从总体上来说，限行期和非限行期PM2.5的PSCF与CWT浓度是基本一致的。

3 结 论

(1) 大气颗粒物PM2.5和PM10是此次重污染天气的首要污染物，机动车尾号限行措施对PM2.5和PM10有一定的减排效果。机动车尾号限行措施对NO2、SO2、O3具有明显的减排效果，而对CO几乎没有减排效果。

(2) 限行前和限行期大气颗粒物主要来源于化学转化形成的二次颗粒物，而限行后则转为沙尘、扬尘等一次颗粒物。限行后相对湿度降至80%以下，混合层高度升高，但风速进一步增大，可能是小颗粒的PM2.5浓度降低，而大颗粒的PM10升高的原因。

(3) 江油对绵阳大气颗粒物PM2.5、PM10影响很大，气流轨迹出现频率高，大气颗粒物浓度也高，有必要考虑进行区域联防联控。限行期和非限行期PM2.5的PSCF与CWT基本一致。