2020年春节期间芜湖市典型大气污染过程分析

查书平,李新宇,张东,王文婧∗,董艳,胡秀芳

(1芜湖职业技术学院,安徽 芜湖 241006;2芜湖市生态环境局,安徽 芜湖 241006;3南通大学地理科学学院,江苏 南通 226007)

0 引 言

随着经济和社会的高速发展,城市化进程进一步加快,我国大气污染呈现出污染复合型和影响区域性特点,城市大气污染成因越来越复杂,大气污染问题日益突出,尤其是重污染天气问题,成为各级政府部门和公众关注的焦点[1−6]。芜湖作为安徽省第二大经济体、沿江重点开发城市和长三角地区30个核心城市之一,大气污染问题也备受关注。近年来,对芜湖大气污染问题有了一定的研究,林勇等[7]根据1994–1998年芜湖市大气中二氧化硫、氮氧化物、总悬浮颗粒物及降尘监测结果,对芜湖市大气污染现状进行了综合分析;杨立辉等[8]研究了芜湖市春夏季大气干降尘的粒径特征及其环境意义;胡刚等[9]根据实地环境监测,研究了芜湖市1995–2000年城市内、外边缘区大气质量及其变化特征;程翠云等[10]根据1993–2002年芜湖市区大气SO2的监测数据,研究了芜湖市市区大气SO2污染特征。大多数研究主要局限于大气污染物分布特征的研究,而针对芜湖市重污染天气以及重污染天气成因的研究较少。因此,研究芜湖市重污染期间污染物浓度分布特征、大气污染输送及敏感污染源识别,对芜湖市污染成因诊断及防治对策的制定具有重要现实意义。

2020年1月24日–2月8日(除夕至正月十五)期间,一方面为欢度新春佳节,另一方面为了应对新型冠状病毒肺炎疫情,芜湖市积极采取相应的防护保障措施:工地停工、大部分企业停产,居民活动水平降到最低。然而,在这期间却出现了3天轻度污染天气,引起了社会各界的关注,这也为研究芜湖市大气污染成因提供了背景环境和条件。本文研究活动水平最低状态下芜湖市典型大气污染特征及成因,一方面可以为政府决策提供理论依据和数据支持,另一方面也可以为芜湖市大气污染防治工作提供理论参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

研究所用的PM2.5数据、气象参数数据以及重点企业排放量数据主要来自于芜湖市生态环境局在线监测平台。评价芜湖市环境空气质量和气象条件时,主要采用监测站、四水厂和科创中心3个环境空气质量监测评价点位监测结果的算术平均值。

消光系数和退偏振比数据主要来自于新型野外固定式GBQL-01型高重频大气气溶胶探测激光雷达(合肥光博量子科技有限公司研发)的监测结果。该仪器由激光器、一体化方舱、UPS电源、智能控制单元、光学单元、信号采集与分析单元、天窗雨刮、吹扫装置等构成,采用高重频、高能量激光发射器,克服了微脉冲激光雷达白天信噪比差、传统高能量激光雷达时间分辨率不够精细的弱点,探测效果同时达到了高时间分辨率和高信噪比。

1.2 后向轨迹模型

污染来源分析主要采用NOAA(ARL)开发的污染扩散模式-混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式HYSPLIT(Hybrid single-particle lagrangian integrated trajectory)[11]。HYSPLIT能够对污染物的运动轨迹、扩散和干湿沉降进行很好的模拟和预测,不仅具有向前计算能力而且也具有向后回算的能力[12]。本模拟过程采用后向轨迹模式(Backward)模拟分析污染期间不同高度层气团的来源和走向,进一步分析污染气团的来源和成因。后向轨迹模拟使用的气象数据来自全球资料同化系统数据库(Global data assimilation system,GDAS)[13]。

2 结果与讨论

2.1 2020年春节期间芜湖市PM2.5浓度变化

2020年1月24日–2月8日PM2.5小时浓度变化如图1所示。由图可知,芜湖市PM2.5浓度变化波动较大,小时平均浓度最低为 7 µg·m−3,最高达 131 µg·m−3;日平均浓度最低为 13.8 µg·m−3,最高为 95.5 µg·m−3。三次污染过程的时段分别为:1月27日08:00–28日18:00(P1)、1月29日17:00–2月1日13:00(P2)、2月2日19:00–4日07:00(P3)。特别是第二、三次污染过程造成芜湖市1月30日、1月31日、2月3日的AQI(空气质量指数)分别达到126、126.2、106,形成3天轻度污染。计算1月30日、1月31日、2月3日PM2.5日平均浓度,分别为 95.3、95.5、79.6 µg·m−3,均高于 75 µg·m−3,PM2.5是三天轻度污染的首要污染物。可见,在三天轻度污染天气的形成与演变过程中,气溶胶细粒子起主导作用,与Yu等[14]研究结论一致。

图1 2020年1月25日–2月8日PM2.5小时浓度变化Fig.1 Variation of PM2.5hourly concentration from January 25 to February 8,2020

统计PM2.5达轻度污染的时次,发现2020年1月24日–2月8日期间,仅在1月24–25日有连续6 h、1月27–28日有10 h、1月29日–2月1日有46 h、2月2–5日有19 h达轻度污染,而2019年春节(2月4日–2月19日)则在2月4–6日有54个小时(其中20个小时中度污染、28个小时重度污染)、2月7日有7个小时、2月16日有10个小时达轻度污染及以上。另外,2019年2月6日至19日,芜湖市持续阴雨天,对大气污染物有一定的清除作用,扩散条件明显优于2020年春节期间。从表1可以看出,与2019年同期相比较,2020年春节扩散不利的情况下,仅造成3天轻度污染，而2019年同期气象条件有利的状况下,还造成了1天中度、1天重度污染。可见,2020年春节期间,由于受疫情影响,居民活动水平降低,环境空气质量得到了明显改善。

表1 研究时段环境空气质量等级天数统计Table 1 Days distribution of ambient air quality level in research period

2.2 气象条件

稳定的大气层结、地面微风、静风环境使得大气污染物在沉降和扩散方面受到阻碍,为霾污染的发生积聚了大量气态污染物,有利于二次气溶胶的形成[15,16]。因此,逆温、低风速、高湿度等一系列稳定大气边界层特征,是造成重污染天气发生的重要因素[17,18]。

P1、P2、P3污染过程期间芜湖市空气相对湿度和风速分布分别如图2、3、4所示。P1过程期间,芜湖市相对湿度均处于71.5%～95.5%之间,平均相对湿度高达89.2%,风速基本都在3 m·s−1以下,只有3个小时达3 m·s−1,平均风速仅2.3 m·s−1,整个期间芜湖市基本处于高湿静稳状态。P2过程中,芜湖市相对湿度和风速波动均较大,部分时段(1月30日11:00–18:00)扩散条件较好,但该过程中相对湿度大于65%的时段占54.4%,平均风速仅1.5 m·s−1,总体扩散条件较差,尤其是1月31日,芜湖市风速基本在1.5 m·s−1以下,大气处于静稳状态。P3过程中,芜湖市平均风速为1.9 m·s−1,平均相对湿度为70.6%,相对湿度大于65%的时段占70%,扩散条件较P2过程有所改善,但总体仍然处于静稳状态,这些不利的天气形势有利于污染物浓度的累积和传输[19,20]。因此,春节期间,高湿静稳不利扩散的气象条件,是造成出现三次污染过程的诱因。

图2 P1污染过程期间芜湖市空气相对湿度和风速分布图Fig.2 Distribution of air relative humidity and wind speed in Wuhu during the P1 pollution process

图3 P2污染过程期间芜湖市空气相对湿度和风速分布图Fig.3 Distribution of air relative humidity and wind speed in Wuhu during the P2 pollution process

图4 P3污染过程期间芜湖市空气相对湿度和风速分布图Fig.4 Distribution of air relative humidity and wind speed in Wuhu during the P3 pollution process

2.3 激光雷达监测数据分析

随着激光技术的发展以及先进的信号探测和采集系统的应用,激光探测手段在大气探测领域中越来越凸显出重要的作用,激光雷达已逐渐成为大气气溶胶探测的有效工具[21,22]。利用气溶胶激光雷达进行垂直扫描,可以开展城市气溶胶时空分布特征、高空污染演变、污染物跨界输送等研究[23]。从激光雷达监测数据分析来看,消光系数颜色的深浅表示气溶胶浓度的大小(浓度越高,颜色越深),退偏振比颜色深浅表示非球形粒子占比的轻重(占比越重,颜色越深)。

2.3.1 P1过程

图5为芜湖2020年1月27日00:00–29日00:00激光雷达观测结果。从图5和图1可以看出,该次污染过程,高空没有污染物传输,也没有污染沉降过程,在污染前期(1月27日00:00–28日04:00左右),芜湖为持续性降雨时段,雷达观测受限,空气质量维持在优良水平。本次污染过程的污染时段主要集中在1月28日05:00–13:00,该时段气溶胶退偏振比比较小,退偏比小于0.1,芜湖市近地面以细颗粒物为主。污染时段内,降雨停止,芜湖市处于高湿静稳状态(图2),扩散条件较差,颗粒物的吸湿性增长和气态污染物二次转化助推PM2.5浓度,造成芜湖市大约10个小时达轻度污染。

图5 芜湖2020年1月27日00:00–29日00:00激光雷达观测结果。(a)消光;(b)退偏比Fig.5 Lidar observation results from 00:00 on January 27 to 00:00 on January 29 in Wuhu.(a)Extinction coefficient,(b)depolarization ratio

2.3.2 P2过程

图6为芜湖2020年1月29日00:00–2月2日00:00激光雷达观测结果。从图6和图1可以看出,本次污染过程有污染传输现象,消光系数值在0.5 km−1左右,退偏振比值在0.05左右,同时污染输入现象有沉降过程。

图6 芜湖1月29日00:00–2月2日00:00激光雷达观测结果。(a)消光;(b)退偏比Fig.6 Lidar observation results from 00:00 on January 29 to 00:00 on February 2 in Wuhu.(a)Extinction coefficient,(b)depolarization ratio

第一阶段主要出现在1月29日17:00–30日16:00。在此阶段中,前期边界层高度在1200 m左右,中间出现少量的污染沉降过程,但总体污染沉降量较小,PM2.5浓度上升缓慢,空气质量由良轻微恶化为轻度污染。1月30日凌晨03:00之后,高空出现大量污染物并迅速沉降至近地面,致使地面细颗粒物(PM2.5)浓度迅速上升,于30日10:00达到最高值131µg·m−3,空气质量由轻度污染恶化为中度污染。11:00之后,雾霾明显减轻,在100 m至600 m高度空气污染缓解过程最明显,地面空气质量于15:00好转为良。

第二阶段主要出现在1月30日17:00–31日17:00。在此阶段中,边界层高度从1200 m降至600 m,高空出现大量污染物沉降至近地面,该阶段主要表现为污染重,污染持续时间长,空气质量再次恶化为中度污染。31日11:00后,边界层上升至1000 m左右,垂直方向上污染物开始向上扩散转移,雾霾消散,近地面颗粒物浓度快速下降,空气质量好转为良。

第三阶段主要出现在1月31日18:00–2月1日13:00。在此阶段中,高空出现了少量污染物的沉降,边界层高度在800 m左右,未出现太高的污染峰值。2月1日01:00–04:00之间有明显的污染物沉降,近地面颗粒物浓度也达到了峰值,空气质量为轻度污染。12:00以后,污染物垂直扩散,空气质量逐渐好转为良。这次污染传输造成连续65个小时PM2.5小时平均浓度达90.7µg·m−3,比污染前6个小时平均浓度(55.4µg·m−3)高出了 35.3 µg·m−3。

2.3.3 P3过程

图7为芜湖2020年2月2日00:00–5日12:00激光雷达观测结果。从图7和图1可以看出,本次污染过程,雷达监测消光系数值在0.5 km−1左右,退偏振比值在0.05左右,同时污染输入现象有沉降过程,污染沉降主要集中在2月3日09:00–4日09:00。

图7 芜湖2月2日00:00–2月5日12:00激光雷达观测结果。(a)消光;(b)退偏比Fig.7 Lidar observation results from 00:00 on February 2 to 12:00 on February 5 in Wuhu.(a)Extinction coefficient,(b)depolarization ratio

前期(2月2日19:00–3日08:00)存在雨雪过境现象,边界层从1400 m降低至800 m高度,扩散条件变差,导致近地面颗粒物浓度逐渐上升,颗粒物浓度由41µg·m−3逐渐升高到62µg·m−3。3日凌晨03:00后,高空出现明显污染带,并呈现向近地面沉降的趋势。

污染沉降主要阶段(2月3日09:00–4日09:00),污染带开始沉降至近地面,PM2.5浓度逐渐上升,空气质量由良转为轻度污染(3日14:00)。由于该污染带污染物浓度低,持续时间较短,污染沉降结束后,颗粒物浓度出现下降。17:00后,出现第二次高空污染带沉降过程,导致近地面PM2.5浓度再次上升,此次污染带相比日间浓度更高,使得地面细颗粒物浓度上升更加明显,PM2.5质量浓度于3日21:00达到峰值,空气质量指数为148,几乎接近中度污染(其中四水厂站点达中度污染)。3日21:00–4日09:00,污染沉降结束后,颗粒物浓度开始缓慢下降,空气质量由轻度污染转为良。

后期(2月4日10:00–5日12:00)出现两次较为小规模的污染沉降和污染转移扩散过程,颗粒物浓度变化不大,总体呈现出波动下降的过程,空气质量始终维持在良的水平。污染过程结束后,空气质量开始好转为优。

这次污染过程较第二次污染过程要小,仅造成芜湖市持续约34小时PM2.5浓度偏高,约比污染传输前6小时平均浓度 (53.3 µg·m−3)高 28.2 µg·m−3。

通过以上分析,可以看出P1过程是在本地源排放基础上,由高湿静稳不利大气条件诱因下形成的短暂性污染过程,而P2和P3过程均是在本地源排放的基础上叠加外来污染输送共同导致的,且外来传输持续的时间越长,传输的污染物越多,导致的污染程度越重,污染持续时间越长。因此,区域协同减排是改善区域环境质量的根本途径,这与Liu[24]和Zhang[25]的研究结论一致。

2.4 后向轨迹分析

HYSPLIT后向轨迹模型是以多种气象场为基础,结合物理扩散、沉降等过程,对气团输送路径进行数值模拟和分析,该模型宏观上可以定量地反映污染物的空间区域输送特征[26,27]。

应用后向轨迹模型对疫情防控期间P2与P3污染过程中污染物从源地1500、1000、500 m高度宏观输送到达芜湖路径进行模拟,结果如图8所示。由图可知,这两次污染传输过程,污染物传输路径完全不同。P2过程中,各污染团的气流活动方向基本一致,从西北方向的北京、河北、河南和皖北一路传输到芜湖,且3个高度空气团均在芜湖出现下沉运动,使得近地层大气层结稳定,利于污染积累,从而加剧污染程度,形成了1月30日和1月31日连续两天的轻度污染。而P3过程污染传输路径比较复杂,气团有从江苏呈顺时针涡旋移动经过上海、浙江省再北上到达芜湖,也有从苏北南通、南京一路南下到达芜湖,但这些污染团在移动前期均呈现一定沉降过程,从而导致气团到达芜湖时污染物浓度有所下降,降低了区域传输污染影响的程度,仅形成了2月3日一天轻微轻度污染。

图8 P2(a)和P3(b)污染过程的HYSPLIT 48 h后向轨迹图Fig.8 The 48h Backward trajectory of HYSPLIT of P2(a)and P3(b)pollution process

2.5 企业排放量状况分析

春节期间,芜湖市家电、家具、纺织、机械、板材加工等轻工业行业活动水平显著下降,而高污染的钢铁、水泥、玻璃等重工业存在大量不可中断工序,春节期间仍需要持续生产。同时,燃煤电厂、供热锅炉等要保障社会正常运行需求,仍需持续运行。与2019年春节相比,2020年春节期间芜湖市重点企业排放的烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放量均有所下降,其中烟尘排放量降幅最大,高达40.3%(如表2所示)。

表2 2020年春节期间和2019年同期芜湖市重点企业主要大气污染物排放量(t)Table 2 The main air pollutant emissions(t)of key enterprises in Wuhu during the Spring Festival in 2020 and the same period in 2019

另外,统计分析2020年1月24日–2月8日芜湖市重点企业主要大气污染物逐日排放量(如图9所示),可以看出整体排放量呈现下降趋势。P2期间重点企业污染物排放量明显大于P1和P3期间,P3期间重点企业污染物排放量最少。

图9 2020年春节期间芜湖市重点企业污染物排放量逐日分布图Fig.9 Daily distribution of pollutant emissions of key enterprises in Wuhu during the Spring Festival in 2020

3 结 论

1)2020年春节期间,受疫情影响,居民活动水平降低,芜湖市空气质量虽有明显改善。但芜湖市发生的三次污染过程特征和形成原因各异,主要表现为以下三种情况:第一次污染过程,主要是在城市基础排放量状态下,由不利的气象条件诱发的,造成10 h短暂性的轻度污染,没有形成污染天;第二次污染过程,重点污染企业排放量没有得到有效控制,再叠加西北方向污染团传输过程影响,大大加剧污染过程,从而形成连续2天污染天;第三次污染过程,重点企业污染物排放有所控制,但在排放量减少有限条件下,叠加不利气象条件和偏东方向污染传输过程影响,也造成了污染天的发生。这说明在基础排放量没有明显减少的前提下,一旦气象条件不利就会引起短暂性污染过程,如再叠加区域污染传输就很容易形成污染天。因此,基础排放量较高是芜湖市大气污染形成的根本性原因。

2)以钢铁、火电、玻璃和水泥等四大行业为主的重点企业污染物排放量是芜湖市的基础排放量,对重点企业进行提标改造,深挖本地排放源减排潜力,才能最大限度腾出环境容量,是改善芜湖市环境空气质量的根本。

3)要继续做好重污染天气的应对,强化企业重污染天气应急减排的分级管控,从省级、长三角区域层面不断夯实联防联控的措施,区域性联防联控是应对污染天气的有效手段。