南通市一次典型重污染过程成因及特征探究

蒋荣 钱震 陈帅

摘要：结合南通市空气自动站、大气超级站、气象台的多种在线仪器设备逐时监测数据，对南通市冬季一次典型重污染过程成因及特征进行了分析。结果表明，外来输入和本地聚集的污染物，在高压控制、大气静稳的天气形势下，难以扩散，导致了本次重污染过程。本次污染以细小颗粒物为主，粒径小于2.5μm的颗粒物占总和的99.99%。首要污染物PM2.5中总碳（TC）浓度占9%～21%，TC/ PM2.5浓度占比与PM2.5浓度变化趋势一致。有机碳/元素碳（OC/EC）的比值表明，此次重污染过程存在二次有机碳污染，污染物主要来源于柴油和汽油车尾气排放以及燃煤排放。

关键词：重污染;粒径分布;有机碳/元素碳;PM2.5

中图分类号：X831    文献标识码：A    文章编号：2095-672X（2021）01-0083-05

DOI.10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2021.01.013

Study on the causes and characteristics of a typical heavy air pollution process in Nantong

Jiang Rong， Qian Zhen，Chen Shuai

（Nantong Environmental Monitoring Center，Nantong Jiangsu 226006，China）

Abstract：The causes and characteristics of a typical heavy air pollution process in winter in Nantong were analyzed based on the hourly monitoring data of various On-line monitoring instrument from air automatic station， atmospheric super station and meteorological observatory. Results showed that the heavy air pollution process was the result of the fact that imported and locally gathered pollutants difficult to diffuse under the weather conditions of high pressure control and stable atmosphere. The pollution was dominated by fine particles with particle size less than 2.5 um accounting for 99.99% of the total. In PM2.5， the total carbon （TC） concentration accounts for 9%～21%， and the proportion of TC/ PM2.5 is consistent with the change trend of PM2.5 concentration. The OC/EC ratio indicated that there was secondary organic carbon pollution in this heavy air pollution process. The pollutants mainly came from diesel and gasoline vehicle exhaust emissions and coal burning emissions.

Key words：Heavy air pollution; Particle size distribution; Organic Carbon（OC）/Elemental Carbon（EC）; PM2.5

自“霧霾”一词成为2013年度关键词以来，重污染天气一直备受领导及市民的高度关注。虽然已有大量人力物力财力的投入，我国大气污染防治形势依然非常严峻，2016年东北10城AQI值爆表事件，又一次将重污染天气话题推向风口浪尖。重污染天气不仅会导致高速公路封闭、航班延误等，还危害公众健康。因此，开展重污染天气研究对经济和社会发展、气候与环境变化、人体健康和区域和谐发展等具有重要的现实意义[1]。

针对我国近年频发的重污染天气，诸多学者已从多角度开展了相关研究。周敏等[2]研究了重污染期间上海市细颗粒物化学组分特征及污染来源类型。喻义勇等[3]对南京市一次持续重污染天气特征及成因进行了分析。徐曼等[4]分析了石家庄市冬季典型重污染天气演变过程。程念亮等[5]对北京市4 次典型空气重污染过程成因进行了对比分析。

南通市位于江苏省东南部，濒江临海，稀释扩散条件相对较好，但受大尺度区域污染物传输影响，冬季仍不间断有重污染天气发生。本文挑选南通市2016年12月份发生的一次典型重污染过程，对其成因和特征进行分析探究，以期能逐步掌握以南通为代表的沿海城市重污染天气的发生规律，提高重污染天气预报预警的能力，便于提前采取相应的防治和保护措施，尽量将污染对市民及经济的危害降至最低。

1    资料来源

1.1    研究区概况

南通市地处31°1'～32°43'N、120°12'～121°55'E，位于江苏省东南部，东临黄海，南临长江。年平均气温在15℃左右，年平均降水量1000～1100mm，属北亚热带和暖温带季风气候，雨热同季，夏季雨量约占全年雨量的40%～50%。

1.2    数据来源

空气质量数据来源于南通市区4个国控空气自动子站逐时数据，气象资料来源于南通市气象台同步监测数据，消光图和边界层高度曲线来自于蓝盾光电子的LGJ-01型气溶胶激光雷达监测数据，污染物颗粒物分布数据为GRIMM 180型颗粒物粒径谱分析仪监测数据，OC/EC采用美国Sunset Lab 公司生产的Model-4 EC/OC在线分析仪监测数据。气溶胶激光雷达、颗粒物粒径谱分析仪、EC/OC在线分析仪均布设于南通市大气多参数站（超级站），位于南通市环保局大楼顶，距离地面20m左右，均为24h连续在线采样分析。

2    重污染过程分析

南通市滨江沿海，大气稀释扩散条件相对较好，重度污染天气一般不会持续太长时间，出现中度污染天气即会引起市民及领导的高度重视。为保持与市民及领导关注度的一致性，同时获取更多的分析样本，本文将中度污染 一并纳入重度污染过程分析。

2.1    重污染过程及原因分析

如图1所示，2016年12月15日22时-17日11时，南通市发生了一次持续38小时的重污染天气（AQI值>150），首要污染物均为PM2.5。15日22时-16日20时，AQI值稳定在150～200之间，为中度污染;16日21时-17日6时，AQI值突破200，达重度污染;17日7时-11时，空气质量降回中度污染级别。

激光雷达监测数据显示（图2），15日开始南通地区边界层总体呈降低趋势，使污染物逐渐向地面聚集。15日夜间边界层高度降至低值，16日白天略有抬升后再次降低。同时在15日22时左右南通上空观测到明显的外来源污染，且该污染气团逐渐向地面汇集。本地污染物的逐渐聚集、外来污染物的输送，为本次污染过程提供了物质基础。

15日22时-17日11时，南通境内地面受高压控制，大气静稳，污染物扩散条件较差，导致污染物长期聚集，持续重污染天气。15日22时-16日20时，风速0～2.7 m/s，平均风速1.7 m/s，风速较小;16日21时-17日6时，风速0.4～1.1 m/s，平均风速0.7 m/s，風速进一步减小;17日7时-11时，风速0.3～6.2 m/s，平均风速3.4 m/s，风速逐渐升高。由此可见，在其他条件相对稳定的情况下，污染物浓度与风速相关性明显，风速越小，污染物浓度越高，反之亦然。16日10时左右，AQI值出现短期小幅下降，未发现其他有利于污染物浓度降低的因素，因此判定为白天气温上升，大气边界层抬升，污染物向高空转移所致，但污染物总量并没有减少，随着大气边界层下降，污染物浓度再次升高。

2.2    颗粒物粒径分布

采用颗粒物粒径谱分析仪连续在线监测数据，对本次重污染过程颗粒物粒径分布进行分析，结果如图3。本次重污染过程中，0～0.25μm、0.25～0.28μm、0.28～0.3μm、0.3～0.35μm、0.35～0.4μm、0.4～0.5μm、0.5～2.5μm、2.5～3.0μm粒径段内的颗粒物数浓度占比分别为24.20%、25.01%、23.11%、15.88%、6.35%、4.45%、1.01%、0.01%，0.25～0.28μm粒径段的颗粒物数浓度占比最高。本次主要以细小颗粒物污染为主，粒径小于0.30μm的颗粒物占总和的70%以上，粒径小于2.5μm的颗粒物占总和的99.99%，这与空气自动站监测结果首要污染物为PM2.5一致。细小颗粒物表面吸附大量的重金属和有机污染物等，在呼吸过程中能深人到细胞而长期存储在人体中，严重危害人体健康。因此必须提高重污染天气，尤其是以细颗粒物为首要污染物的重污染天气的预报预警能力，以便提前采取相应的防治和保护措施，尽量将污染的危害降至最低。

2.3    PM2.5中EC、OC特征分析

因本次重污染过程首要污染物均为PM2.5，根据已掌握的资料对PM2.5组分之一的EC（元素碳）、OC（有机碳）进行分析。如图4所示，EC 和OC之和，即TC，在PM2.5中的占比介于9%-21%之间，且TC/ PM2.5浓度占比与PM2.5浓度变化趋势基本一致，TC/ PM2.5浓度占比随PM2.5浓度的升高而升高，随其降低而降低。

OC/EC的比值通常被用来判断是否有二次有机污染的产生，以及定性分析污染物的来源。一般认为，当OC/EC比值>2.0时，存在二次有机碳（SOC）。当OC/EC比值为1.0～4.2时，有柴油和汽油车尾气排放;当其比值为2.5～10.5时，有燃煤排放;当OC/EC比值为16.8～40.0时，有生物质燃烧排放;当OC/EC比值为32.9～81.6时，有烹调排放[6-9]。南通市此次重污染过程期间OC/EC的比值为2.16～3.30，比值均大于2.0，且介于1.0～4.2、2.5～10.5之间，表明此次重污染过程存在二次有机碳污染，污染物主要来源于柴油和汽油车尾气排放以及燃煤排放，这与冬季污染物的来源实际情况相吻合。

为进一步证实二次有机污染的存在，采用叶堤等[10]人论文中提出的修正过的SOC经验计算公式：SOC=OC-EC*1.5，计算了该次污染过程中SOC浓度及其在PM2.5浓度中的占比，得SOC浓度均值为5μg/m?，SOC/PM2.5浓度占比为4%。表明，二次有机碳污染是南通市PM2.5 浓度超标的重要原因之一。

3    小结

（1）大气污染物的聚集和扩散两方面决定了空气污染的程度。本地污染物的逐渐聚集、外来污染物的输送，为本次重污染过程提供了物质基础;同时南通境内地面受高压控制，大气静稳，风速持续较小，污染物稀释扩散条件较差，导致污染物长期聚集。即污染物聚集条件好、扩散条件差，导致了本次持续38小时的重污染过程。

（2）本次污染主要以细小颗粒物污染为主，粒径小于2.5μm的颗粒物占总和的99.99%。

（3）进一步对PM2.5中的EC、OC分析表明，TC/PM2.5的浓度占比介于9%～21%之间，且其变化趋势与PM2.5浓度变化趋势一致。OC/EC比值显示本次重污染过程存在二次有机碳（SOC）污染，SOC/PM2.5浓度占比为4%，污染物主要来源于柴油和汽油车尾气排放以及燃煤排放。

参考文献

[1]王跃思，张军科，王莉莉，等.京津冀区域大气霾污染研究意义、现状及展望[J].地球科学进展，2014，29（3）：388-396.

[2]周敏，陈长虹等. 2013年1月中国中东部大气重污染期间上海颗粒物的污染特征[J].环境科学学报，2013，33（11）： 3118-3126.

[3]喻义勇，陆晓波等. 南京2013年12月初持续重污染天气特征及成因分析[J].环境监测管理与技术，2015，27（2）：11-16.

[4]徐曼，张璇等. 石家庄市典型重污染过程分析[J]. 河北工业科技，2015，32（4）：364-370.

[5]程念亮，李云婷等. 2014 年 10 月北京市 4 次典型空气重污染过程成因分析[J]. 环境科学研究，2015，28（2）：163-169.

[6]Schauer J J，Kleeman M J，Cass G R，et al. Measurement of emissions from air pollution sources. 3. C1-C29 organic compounds from fireplace combustion of wood[J]. Environmental Science and Technology，2001，35：1716-1728.

[7]Schauer J J，Kleeman M J，Cass G R，et al. Measurement of emissions from air pollution sources. 5. C1-C32 organic compounds from gasoline-powered motor vehicles[J].Environmental Science and Technology，2002，36：1169-1180.

[8]He L Y，Hu M，Huang X F，et al. Measurement of emissions of fine particulate organic matter from Chinese cooking[J].Atmospheric Environment，2004，38： 6557-6564.

[9]Chen Y，Zhi G，Feng Y，et al. Measurements of emission factors for primary carbonaceous particles from residential raw-coal combustion in China[J]. Geophysical Research Letters，2006，33：L20815. doi：10. 1029/2006GLO26966.

[10]葉堤，蒋昌潭等.重庆市春季大气PM 10中有机碳、元素碳浓度水平及污染特征分析[J].中国环境监测，2007，23（3）：69-73.

收稿日期：2020-09-18

项目基金：江苏省环保专项资金资助项目（PM2.5、臭氧及其前体物监测体系、质控质保体系研究及示范应用）。

作者简介：蒋荣（1987-），女，硕士研究生，工程师。研究方向：环境科学。