温江区2021年环境空气质量典型污染过程分析研究

李 琳，赖瀚如，王 菲

（成都市污染源监测中心温江监测站，四川 成都 611130）

自2013 年《大气污染防治行动计划》发布以来，我国城市地区环境空气污染状况得到了较显著的改善。2015～2019 年，我国337个地级及以上城市 PM2.5浓度显著下降，臭氧浓度则呈波动上升趋势（夏季表现突出）[1－2]。目前，国内对臭氧污染特征及气象因素影响研究主要集中在京津冀[3－4]、长三角[5]、珠三角[6]及成渝地区[7－8]。

四川盆地是全国人口最集中且地理环境最复杂的区域之一，以细颗粒物（PM2.5）、臭氧污染为主要特征。郭晓梅[8]发现四川盆地存在特殊的大气环境效应，即盆地区域低空为弱风区，高空为强风区及下沉气流，不利于污染物的扩散和输送，导致污染物堆积。温江区地处成都市中心城区西北部，是成都中心城区的重要组成部分。2021年温江区空气质量优良天数为270天，超标天数为95天，其中PM2.5超标53天，主要出现在冬季；臭氧超标40天，主要出现在夏季。本文选取的研究对象是温江区2021冬、夏季中一次持续时间较长、污染程度较重的PM2.5和臭氧典型污染过程，通过研究分析污染过程中环境空气质量指标污染物和气象条件变化特征，提出温江区大气污染防控工作建议。

1 分析方法

1.1 HYSPLIT后向轨迹模型

一个地区或城市的臭氧污染不仅受本地污染源排放的影响，同时也受周边地区外来输送的影响，国内外许多研究利用HYSPLIT后向轨迹模型来分析大气污染物质来源及其输送路径等[1－4]。本文采用的气象资料为NCEP（美国国家环境预报中心）提供的全球资料同化系统（GDAS）数据，使用HYSPLIT模型模拟500米高度每日气团移动的24小时后向轨迹，反映温江区典型污染过程期间气流外来输送方向。

1.2 CAMQ空气质量模型

CAMQ空气质量模型可以一次性系统模拟多种尺度、多种大气污染问题，也适用于复合型大气污染，如臭氧、PM2.5和NO2等污染物导致的大气环境问题[6－7]。CMAQ模型是目前运用较广泛、理论较成熟的空气质量模型之一，模拟过程中需结合WRF中尺度气象模式和SMOKE（Spare Matrix Operator Kerenl Emission）等源排放模型，将大气污染物水平与垂直输送、扩散过程、源排放、化学反应和去除过程等对污染物浓度的影响融为一体，将复杂的大气污染情况进行综合处理[8－9]。本研究采用WRF－SMOKE－CMAQ空气质量模式系统，其中WRF为SMOKE和CMAQ提供气象背景场，SMOKE为CMAQ提供格点化的排放源数据，通过CMAQ模式中大气污染扩散及演变的一系列物理化学过程计算，得到模拟区域的污染物浓度分布。

2 结果与分析

2.1 秋冬季典型污染过程分析

受持续性静稳高湿环境影响，四川盆地12月初出现持续时间长、影响范围广的颗粒物区域性污染过程，其中12月2～7日期间，污染过程出现两天PM2.5重污染，对此污染过程进行分析：从主要污染物浓度来看（图1），污染前期NO2浓度持续超过60 μg/m3，在静稳高湿环境中二次反应加剧导致颗粒物逐渐累积，是本次污染过程中PM2.5持续累积升高并出现重污染的主要原因。

图1 2021年12月2～7日温江区污染物浓度与风速关系

从气象条件来看，这次污染过程大气层结稳定，低层逆温、多层逆温频发，边界层高度在320～470 m之间波动，高空无明显打开现象，垂直扩散条件极差。从气象条件看，本次污染过程大气层结稳定，低层逆温、多层逆温频发，边界层高度在320～470 m之间波动，垂直扩散条件极差，且部分时段存在以温江为中心的气流弱辐合区，加重了污染程度。如图2所示，从12月2～7日地面风与PM2.5浓度来看，高浓度传输方向主要为东北、正南、东南方向，风速约为1 m/s，东北方向贡献尤为明显。值得注意的是，在风速约为0.5 m/s时，同样出现较高浓度传输，由于风速小传输距离有限，极有可能来自本地排放。因此，12月2～7日温江区除本地排放性污染较为突出以外，受东北方向郫都区、彭州市等影响较大，其次为偏南区域的武侯区、双流区、新津区等地造成的影响。综合分析，西南—东北一线为邛崃—龙门山脉主要走向，PM2.5存在明显的沿山传输现象，附近区域甚至更为偏南的双流区、新津区PM2.5浓度均偏高；在偏东南风时，PM2.5由市区传输至西部区域，受高大山脉阻挡在山前区域累积，导致温江区、郫都区等地PM2.5浓度上升。

图2 2021年12月2～7日重点时段温江区地面风速风向与PM2.5浓度关系图

结合自2021年12月8日100米和500米高度的24小时气流后向轨迹图（图3）分析，100米高度气流输送路径和500米高度大致相似，差别不大。2日500米高度的气流轨迹为西北方向，3日主要为正东方向，4日为东北方向，5日由东南转为东北方向，6～8日为东北方向。3～7日温江区主要受东方、东北方向外来传输源的影响。3～5日气流轨迹线明显较短，污染物难扩散，气流轨迹在成都市内，温江区也可能受到成都市内区（市）县外来传输的影响。7日气流轨迹线明显变长，扩散条件转好，因而8日成都市空气质量转为良。此次污染过程气流输送轨迹主要为东方和东北方向，温江区主要受到东方和东北方向的外来传输影响，同时也受到成都市内区（市）县的传输影响。

图3 2021年12月1-8日温江区24小时后向轨迹图

通过WRF－SMOKE－CMAQ空气质量模式系统分析，12月2～7日PM2.5、PM10和NO2的本地污染源平均贡献率分别为40%、36%和38%，外来传输源贡献率分别为60%、64%和62%。此次污染过程温江区颗粒物和NO2浓度受到本地污染源和外来传输源的叠加影响，外来传输源的贡献率高于本地污染源。但12月4日本地污染源的贡献率高于外来传输源，说明仍需加强本地污染源管控。

2.2 夏季典型污染过程分析

2021年7月末至8月初四川盆地出现时间长、范围广的高温强辐射天气。温江区7月28至8月4日出现长达8天的臭氧污染过程，其中8月3日达到重度污染，对此污染过程进行分析：如图4所示，温江区在7月28日出现污染，7月31日至8月3日西部彭州市、郫都区和温江区先后出现重度污染。8月4日成都市部分区（市）县空气质量转为良，温江区仍为轻度污染。

图4 成都市各区（市）县8月1日和3日空气质量等级

从主要污染物浓度变化情况来看（图5），前体物NO2浓度比污染前略有升高，涨幅在2～3 μg/m3，与臭氧浓度变化趋势具有很高的一致性；相较于主城区和双流站点，温江区VOCs浓度处于低值，芳香烃与烯烃类物质活性高，对臭氧贡献也偏大。因此在高温、无雨的气象条件下，NO2浓度和反应链长均增加，加之高活性的芳香烃和烯烃类物质影响是臭氧浓度升高的重要原因。大气氧化性增强，PM2.5浓度随着臭氧浓度也有所增加，二者在8月3日同时达到峰值。8月4日出现阵雨天气，平均风速提升至2～3 m/s，各项污染物平均浓度大幅下降，在气象条件转好的过渡期温江区仍出现一天臭氧污染。

图5 2021年7月28日～8月4日温江区主要污染物与气象因子变化

从气象条件看，7月28日起高温基本维持在35℃左右，风速处于1.2～1.4 m/s之间，高温与强辐射导致温江区光化学反应剧烈，大气层结稳定、风速小使得气象扩散受限，臭氧浓度节节攀高。从臭氧浓度与风速风向关系来看，虽然温江区东风与东南风总风频仅在10%左右，但其对应时段的臭氧浓度最高，特别是在东风风速为2 m/s、东南风速为2.5 m/s左右、东北风速为2 m/s时，温江区臭氧小时浓度超过280 μg/m3。臭氧高值浓度传输方向主要为东北风、东南风、南风和西南风。从前体物NO2传输分析来看，西北风与西风对NO2浓度影响较大，尤其是在西风风速为2 m/s左右时，NO2小时浓度超过30 μg/m3。偏西风主要发生在夜间，因此夜间NO2的传输可能是次日臭氧浓度升高的原因之一。温江区主要受到东北方彭州市、郫都区和新都区，东南方双流区和新津区，西南方崇州市的传输影响。

结合2021年8月4日100米和500米高度的24小时气流后向轨迹图（图6）分析，100米高度和500米高度气流输送路径相似。7月28日气流轨迹线明显较短，在成都市内，7月29日至31日主要由西南转南方，8月1日为东南方向，2日为由西南转南方，3日和4为东北方向。7月29日至31日温江区主要受西南和南方的外来传输影响。8月1日气流轨迹线明显较短，污染物难扩散，轨迹线处于成都市内，经过简阳市、双流区和新津区。3日和4温江区主要受东北方向外来传输的影响，4日气流轨迹线明显变长，污染物易扩散，因而5日空气质量均转为优或良。此次污染过程气流输送轨迹主要为西南方、南方和东北方向。此外，温江区不仅受到大尺度区域外来传输的影响，也会受成都市内区（市）县的传输影响。

图6 2021年7月28日～8月4日温江区24小时后向轨迹图

通过WRF－SMOKE－CMAQ空气质量模式系统分析，7月28至8月4日臭氧和NO2的本地污染源平均贡献率分别为22%和48%，外来传输源贡献率分别为78%和52%。此次污染过程臭氧和NO2浓度受到本地污染源和外来传输源的叠加影响，但温江区受外来传输源的影响更大。

3 大气污染防控工作建议

3.1 加大预警期间大气污染“治标”工作

鉴于在气象条件不利的情况下温江区极易出现污染高值，本地排放问题仍然突出。应进一步加大工业源、移动源、面源污染的治理力度，在预警期间严格落实重污染天气应急减排措施。

3.2 持续挖掘刚性减排潜力

从四大结构优化调整入手，通过腾退低绩效企业、帮扶企业提标改造、引进新兴产业等形式降低工业VOCs排放；加快新能源公车、公交车、出租车推广力度，改善移动源排放情况；同时提升施工工地精细化管控水平，合理规划施工强度和施工进度，降低污染物排放。

3.3 加强科技治气能力建设，提升精细化管控水平

加强管控部门与大气科研团队、气象分析团队三方合作，深入研究颗粒物与臭氧浓度双高的污染成因，针对性开展夏季臭氧污染防控行动、蓝天保卫战冬季战役。

3.4 加强联防联控，构建长效工作机制

温江区环境空气质量受外来传输源影响约占55%～75%，个别时段高达82%，区域大气污染联防联控亟待加强。完善联合监管机制，逐步协同污染源监管体系，强化区域空气质量预测预报和联防联控，共同应对重污染天气。

4 结语

温江区处于山前平坝区域，气流易形成辐合，混合层厚度、地面风速等气象因素对空气质量有显著影响。冬季早晚多逆温、湿度较大，扩散条件差，不利气象条件导致区域PM2.5浓度快速累积，且污染持续时间长。夏季在高温与强辐射条件下，区域光化学反应剧烈，加之气象扩散受限导致臭氧浓度快速上升。PM2.5和臭氧浓度受到本地污染源和外来传输源的叠加影响，但温江区受外来传输源的影响更大，大尺度外来传输影响的方向主要为东南方、东北方、东方和南方。在此分析研究的基础上，根据对温江区大气污染特点，提出的防控工作建议具有较强的针对性和可操作性。