大连市冬季一次传输回流型空气重污染过程分析

徐 洁

(辽宁省大连生态环境监测中心，辽宁 大连 116023)

2016年12月31日—2017年1月4日，大连市经历了2轮西南方向污染输送和东北方向污染回流输送导致的空气重污染过程。本研究利用地面观测数据、3D可视激光雷达观测数据、在线单颗粒气溶胶质谱仪在线解析数据，结合后向轨迹模型分析气流来源，对此次空气重污染过程进行多维度的分析，为空气质量污染原因解析及空气质量重污染预报预警提供经验参考。

1 数据来源及研究方法

PM2.5浓度数据来源于大连市10个国控空气自动监测站，激光雷达数据来自大连市大气复合污染综合观测站的激光雷达，在线源解析数据来自在线单颗粒气溶胶质谱仪。大连市大气复合污染综合观测站及在线单颗粒气溶胶质谱仪均布设于辽宁省大连生态环境监测中心，位于大连市主城区，周围有学校、幼儿园、菜市场、多个居民小区以及诸多餐饮店，临近交通干线，无工业污染源，是大连城区内典型的人口聚集地，一定程度上能够代表大连市大气污染状况。

后向轨迹模型采用由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的HYSPLIT-4模型，该模型是一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型，已经被广泛应用于多种污染物在各个地区的传输和扩散的研究中。本研究中，后向轨迹模拟采用的气象数据为来自美国国家环境预报中心(NCEP)的GDAS数据，气流高度选取100m、500m和1500m，模拟气团48h后向轨迹。

2 污染状况

2016年12月31日—2017年1月4日，大连市出现一次空气重污染过程，首要污染物为PM2.5，此次污染过程累计55h空气质量达到重度及以上污染。此次污染过程持续时间5d，此次污染峰值出现在1月2日3∶00，PM2.5浓度达235μg·m-3。污染日空气质量变化情况及重污染时段详见表1。

表1 2016年12月31日—2017年1月4日大连市空气质量及重污染时段统计

3 污染成因分析

3.1 周边污染形势

2016年12月31日—2017年1月4日，京津冀南部、山东中西部城市空气质量达到中度到重度污染，个别城市达到严重污染。2016年12月31日—2017年1月1日，受偏西流场影响，污染向东北方向传输，污染范围扩大至渤海湾多个城市，辽宁西部为重度污染，环渤海城市为中度至重度污染。1月2日，受偏北风影响，辽宁中东部地区污染物逐渐清除，西部个别城市为中度至重度污染，最南端的大连受污染回流影响为中度污染。1月3日，辽宁以良至轻度污染为主，辽宁西部个别城市为中度污染。1月4日，辽宁以良至轻度污染为主，个别城市为中度至重度污染。

3.2 区域输送回流分析

2016年12月31日—2017年1月4日，大连市经历了2次西南方向污染输送、1次西北方向回流输送和1次东北方向污染回流输送。后向轨迹分析显示，气流运动轨迹与污染过程较为一致，2017年1月1日24∶00大连市高低空的气流均来自西南方向的京津冀中南部和山东中西部，近地面100m的气流以平流为主，500m和1500m高空的气流先下沉后上升，京津冀中南部和山东西部区域近地面的高污染气团随上升气流到达高空，经过平流运动到达大连的高空，导致1日大连市空气质量达到重污染。1月2日12∶00大连市高低空均是来自西北方向的下沉气流，经由辽宁中西部城市到达大连，辽宁西部城市的高污染气团随下沉气流输送至大连，导致2日1∶00—12∶00出现重污染时段。1月3日8∶00大连市高低空气流均来自西南或西方向的京津冀和山东中西部，该区域的高污染气团随水平气流传输至大连，导致3日8∶00左右出现1个PM2.5污染的小峰值；1月4日3∶00大连市高低空均是来自西北方向的下沉气流，经由辽宁中西部城市到达大连，辽宁中西部城市的高污染气团随下沉气流输送至大连，导致4日1∶00—12∶00出现重污染时段。2016年12月31日—2017年1月4日大连市区PM2.5浓度变化见图1，2017年1月1日24∶00、2日12∶00、3日8∶00和4日3∶00后向轨迹分析见图2。

图1 2016年12月31日—2017年1月4日大连市区PM2.5浓度变化

图2 2017年1日24∶00、2日12∶00、3日8∶00和4日3∶00后向轨迹分析

3.3 激光雷达垂直传输分析

利用3D可视激光雷达对此次污染过程进行了连续实时垂直观测(图3)。结果表明，本次污染过程存在4次垂直传输过程。通过2016年12月30日—2017年1月5日的边界层数据可以看出，本周边界层整体变化较大。2016年12月30日，边界层在1000m左右，垂直扩散能力较好，气溶胶团扩散在高空；31日8∶00起边界层呈现降低趋势，1000m高空出现污染气团，随着边界层逐渐降低出现第一次污染物的沉降。2017年1月2日凌晨前后，边界层降至最低，高度仅有300m左右，出现第2次污染物沉降，这与2日2∶00—6∶00出现的第1个重污染峰值相吻合；2日8∶00受大风及扩散气流影响，整体边界层升高，扩散条件较好，污染显著改善；3日15∶00起边界层逐渐降低，从1000m高度持续有外来污染沉降地面，出现第3次污染物沉降，到4日5∶00边界层降至400m，出现第4次污染物沉降，这与3日18∶00—4日1∶00出现的第2个重污染峰值相吻合。4日10∶00后空气质量明显好转，边界层升高到1000m以上，垂直扩散能力较好。综上所述，几次污染峰值都对应着高空污染气团的沉降，4次沉降与传输和回流的时间节点一一对应，从污染物垂直分布上印证了此次污染过程的传输和回流特征。

图3 2016年12月30日—2017年1月5日大气复合污染综合观测站激光雷达观测结果

3.4 在线源解析

利用在线单颗粒气溶胶质谱仪对本次污染过程开展了PM2.5快速源解析监测，PM2.5小时均值选择位于辽宁省大连生态环境监测中心的星海三站点位。在线单颗粒气溶胶质谱仪解析结果显示，在污染来临前，PM2.5来源以燃煤源(41%)、机动车尾气(26%)以及生物质燃烧源(19%)为主，工业源占比仅为3%(图4)；2016年12月31日5∶00—2017年1月2日0∶00风向转为西南风，大连市PM2.5各来源占比被重构，工业源占比增加至38%，取代燃煤源成为PM2.5的首要来源(图5)，说明来自西南方向的污染输送主要来自工业源排放；2日1∶00—3日1∶00风向转为西北风，大连市PM2.5各来源占比变化不大，燃煤源略有增加，由25%增加至27%(图6)，此段短暂的西北风对于大连市PM2.5各类来源的影响并不大；3日2∶00—12∶00风向再次转为西南风，大连市PM2.5各来源占比再次被重构，燃煤源再次成为PM2.5的首要来源，占比达51%(图7)，此时大连市PM2.5各类来源占比与污染前类似，为燃煤源占主导，说明这一时段的PM2.5污染应该是以本地污染为主，外来输送为辅；3日13∶00开始风向转为东北风，大连市PM2.5各来源占比中，燃煤源占比由51%降低至41%，工业源占比由10%增加至16%(图8)，说明东北方向的污染传输以燃煤和机动车复合排放为主。燃煤源在线单颗粒气溶胶质谱仪PM2.5来源解析时间序列见图9。

图4 污染前大连市PM2.5来源解析

图5 污染中第1次西南方向传输时大连市PM2.5来源解析

图6 污染中西北回流时大连市PM2.5来源解析

图7 污染中第2次西南方向传输时大连市PM2.5来源解析

图8 污染中东北方向传输时大连市PM2.5来源解析

图9 在线单颗粒气溶胶质谱仪PM2.5来源解析时间序列

4 结论

2016年12月31日—2017年1月4日，大连市出现的空气重污染过程是在周边出现连续长时间、区域性重度污染的大环境背景下产生的。在此次污染过程中，大连市经历了2次西南方向的传输、1次西北方向的污染回流传输和1次东北方向污染回流的传输，是一次典型传输回流型重污染过程。在风向的转换中伴随着高空污染气团的沉降，导致大连市近地面PM2.5浓度达到峰值。在线来源解析结果表明，第1次西南方向传输时，大连市受到西南方向的污染输送主要来自工业源排放；西北风方向污染回流时，大连市PM2.5各来源的比例变化并不大，说明前一时段西南方向的传输与这次西北方向的传输很可能来源相同；第2次短暂的西南方向传输时，大连市PM2.5恢复污染前的来源占比，说明此时PM2.5污染以本地污染为主，外来传输为辅；东北方向污染回流传输时，大连市PM2.5燃煤源占比降低，机动车源占比增加，说明大连市受到东北方向的污染输送以燃煤源和工业源复合排放为主。