江苏省一次重霾污染天气的特征和机理分析

朱佳雷,王体健,邢 莉,穆 青,周德荣 (南京大学大气科学学院,江苏 南京 210093)

霾是一种由于空气中大量微小气溶胶粒子的存在,使得空气变浑浊,致使水平能见度下降至10km以下的一种天气现象[1].霾对人体健康、城市大气环境都会造成严重的影响.近年来,随着国民经济和城市化进程的快速发展,工业耗煤量、机动车拥有量以及农作物秸秆燃烧量等不断增加,都市霾天气急剧增多[2],在经济快速发展的长三角、珠三角地区尤为常见.霾天气已成为典型的城市“气象病”之一,引起公众和学者的广泛关注.国外学者对霾的研究较早, Andreae等[3]1988年在亚马逊盆地利用多次飞机对该区域1000m到4000m的霾层结构进行了综合观测,发现霾层中 CO、CO2、O3和 NO 浓度明显升高等.Okada[4]认为导致霾现象的是大气中的气溶胶颗粒,而颗粒物在大气中的滞留时间与粒子半径大小有关.Whiteaker等[5]综合分析了各种气象条件下气溶胶的组成和混合机制,认为霾事件过程中组成粒子成分的变化很大程度影响气溶胶的混合状态.Baik等[6]利用化学成分与颗粒物的散射消光系数的对应关系,认为细小颗粒物污染容易导致霾的发生.我国学者在霾的天气气候特征、霾与雾的区分等方面也取得了一些研究成果[2,7].陈训来等[8]利用数值模式研究发现,污染物分布以城市为中心具有区域性,并且主要积聚在大气边界层内,形成近地面高浓度.吴兑等[9]研究指出,广州地区能见度的恶化主要与细粒子有关,PM2.5占PM10的比例可达62%～69%.从文献报道来看,针对长三角地区,从天气形势和气象条件等方面对于霾天气污染过程的详细分析研究较少.本针对2008年10月27日～29日发生在江苏全境的一次重霾污染天气过程,结合污染物浓度、气象要素、天气形势、气流轨迹分析,综合探讨此次霾天气的形成机理和可能来源,以期对霾的预报和控制提供参考.

1 污染过程概述

2008年10月27～29日,江苏省全境经历了一次大范围的重霾污染天气过程,全省各市API值均接近或超过100的污染限值,首要污染物均为PM10.从27日开始,江苏省13市的API值均呈快速上升趋势,到28日包括南京在内的5市API值已超过100,达到Ⅲ1轻微污染级别.29日,南京API值已达到199,为Ⅲ2轻度污染级别,而镇江市API值跃升至429,达到了Ⅴ重度污染级别(图 1).至此全省处于污染物浓度极高的灰霾笼罩之中.随着 29日午后沿江沿海地区开始的一次弱降水过程,对污染物产生湿清除作用,全省的污染指数开始逐步下降,到 31日基本结束污染过程.

图1 2008年10月26～31日江苏省部分市API值变化Fig.1 API variation from October 26th to 31th in Jiangsu Province

2 污染物浓度特征分析

2.1 大气污染物浓度变化特征

图2是在南京大学浦口气象观测站(该站位于南京市西北郊,受周边排放源影响较小)采集的PM10,SO2,O3,NH3,NOx,CO 6种大气成分浓度的逐时变化情况,可以发现除了NH3变化幅度不明显外(原因可能是受局地源影响),其他 5种成分浓度都有不同程度的上升过程出现.O3是一个双峰型变化过程,峰值主要出现在污染过程的前期,分别在27日15时和28日12:00,最高值达到0.442mg/m3,之后开始下降,主要原因可能是 O3生成与前体物NOx和 VOC有关,而当某些还原性污染物如 NOx浓度较大时,O3易与其发生反应,导致其浓度在霾过程中有所下降.SO2浓度值没有出现明显的峰值,27日早晨上升后在整个霾天气过程中一直处于高值小幅波动过程.而 PM10,NOx,CO3种大气成分变化过程较相似,有较好的相关性.这3种成分都是从27日16:00左右开始逐步累积,随着霾天气的出现,浓度持续升高,并都在霾污染最严重的 28日下午到 29日早晨之间达到浓度的峰值(PM10为0.553mg/m3,NOx为0.170mg/m3,CO为2.738mg/m3),之后随着霾天气的减弱,此3种成分浓度明显下降.经过计算, NOx、CO浓度在此过程中与PM10浓度的相关系数分别为0.6329,0.7517,都达到了较高水平,可以认为此3种物质的浓度之间存在很好的正相关性.而 NH3与 NOx、CO、PM10的相关性则不太明显.

图2 2008年10月27日0:00～30日12:00南京大学浦口观测站大气成分浓度变化Fig.2 Variations in the concentration of air pollutants during 0 a.m.on October 27th to 12 a.m.on October 30th for Nanjing University Pukou Campus

2.2 污染特征的城郊对比

南京大学浦口观测站地处南京市西北郊,受城市内环境影响较小.草场门观测站位于南京市主城区西部,代表典型的城市环境.由图 3可见,霾天气过程中城郊两地 5种成分浓度变化趋势总体基本一致,峰值出现时间也基本一致.从图3e SO2的浓度变化分析,明显发现城区内的 SO2浓度大幅低于郊区,这可能与源的差异有关.图3d显示 O3浓度城郊基本一致,而浦口地区出现的 2次峰值都明显高于城区,这可能是由于城区机动车排放大量 NOx与 O3反应导致 O3在城区不容易积聚出现高峰值.而 PM10,CO,NOx则恰好相反,除了 PM10的浓度水平基本一致外,其他 2种都明显高于郊区.从峰值的情况看,城郊差距则更为明显.CO和 NOx的浓度偏大主要原因可能是城区内大量机动车尾气排放所致.而此 3类成分峰值出现的时间都在夜间,主要是由于夜间边界层高度较白天低,不利于污染物扩散,而城区的热岛环流效应进一步导致了污染物的积聚,因此会出现比郊区高得多的浓度峰值.

图3 2008年10月27日0:00～30日12:005种大气成分南京浦口和草场门浓度对比Fig.3 Variations in the concentration of PM10, CO, NOx, O3, SO2 during 0 a.m.on October 27th to 12 a.m.on October 30th for Nanjing University Pukou Campus and Caochangmen

3 气象条件特征分析

3.1 高空环流形势

由2008年10月28日08:00500hPa平均高度场和温度场(图略)可以看出,欧亚大陆整体主要受霍尔木兹海地区低压气旋和东西伯利亚低槽影响.我国上空环流形势比较平稳,江苏全省位于槽后西北气流控制,水汽不足不会产生大强度降水,有助于污染持续.同时,暖脊持续东移,受脊前暖平流影响江苏中层大气增温明显,对大气稳定层结创造了良好的条件.由此可见大尺度上稳定少变的天气形势是大范围持续污染的重要天气背景.

3.2 地面形势

分析此次霾天气出现前10月26日～28日的地面气压场(图略),江苏省大部持续处于弱高压中心控制.由地面垂直向上为一致的下沉气流,从而混合层发展受到抑制,限制了污染物的向上输送.同时由于高压较弱,周边气压场分布比较稀疏,气压梯度力小,导致地面和低空的风速较小,一定程度上影响了大气水平扩散能力.

3.3 大气层结

图4 2008年10月26日～28日08时南京温度探空曲线Fig.4 Temperature profiles at 08 a.m.on October 26th,October 27th, October 28th

大量研究结果表明,近地层出现稳定层结有利于雾霾的形成[10].图4为南京26日～28日3d 08:00的温度探空曲线.由图 4可以看出,霾天气前夕南京上空虽然没有出现明显的逆温结构,但是随高度增加温度变化相当平缓,特别是 925hPa以下的低空均为中性或近中性层结结构.比较稳定的大气垂直结构,减弱了大气湍流交换和热力对流,阻碍了污染物质向上扩散稀释,导致在低空污染物不断积累,造成污染浓度的持续升高.

3.4 能见度

图5 2008年10月27日0时～30日12时南京大学浦口观测场能见度与PM10浓度观测值相关性Fig.5 Variations in the concentration of PM10 and visibility during 0 a.m.on October 27th to 12 a.m.on October 30th for Nanjing University Pukou Campus

图6 2008年10月27～29日草场门站PM2.5/PM10值变化Fig.6 Variations in the rate of PM2.5 and PM10 in Caochangmen

能见度的降低是霾天气出现的最主要特征之一.图5表示了2008年10月27日0:00至30日12:00南京大学浦口观测场能见度与PM10观测值相关性,可以明显看出,从27日夜间开始随着PM10浓度的逐步升高,能见度由之前最高的7km大幅下降到2km左右,并在之后霾天气持续的40h左右时间里基本维持在1km以下.而图6显示在此次霾发生过程中草场门站PM2.5占PM10比例基本保持在60%以上,其中污染最严重时细粒子比例达到 90%以上,由于细粒子具有较强的散射和吸收能力,从而导致能见度明显下降.

3.5 地面风场

从图7给出的27日0:00～30日12:00南京地面风速与PM10浓度的相关性分析,在PM10浓度出现逐步升高出现峰值的时间段内,也就是霾发展期间,地面风速基本保持在≤2m/s,属于典型的静小风条件.而从表1的霾发生的3日风向统计分析,霾发生前期以静风为主,整个过程中地面主导风向是一个从北风向东北风、偏东风转变的过程.在气象条件中,静小风是造成污染物高浓度的最重要条件之一.近地面风向风速决定了污染物的水平方向扩散能力,风速很小时,不利于污染物的水平输送,易造成局部地区浓度的显著升高,从而为霾的发生提供了有利条件.

图7 2008年10月27日0:00至30日12:00南京大学浦口观测场地面风速与PM10浓度观测值相关性Fig.7 Variations in the concentration of PM10 and surface wind speed during 0 a.m.on October 27th to 12 a.m.on October 30th for Nanjing University Pukou Campus

表1 2008年10月27～29日南京地面风频统计Table 1 The distribution of wind directions during October 27th to October 29th in Nanjing

3.6 地面湿度

通常温度露点差在 6℃以上就可认为空气中的水汽饱和度较低.而由图8可见,霾发生前的25日和 26日白天温度露点差都较高,且呈上升趋势,而到 27日则直接跃升至 24℃的极大值,27～28日正是霾发生的最严重时期,温度露点差均保持在髙值,空气十分干燥.直到 29日该值开始明显回落至3℃左右,也正是29日的降水引起空气湿度上升,结束了此次霾污染过程.

低湿度的环境不利于尘埃、烟粒、盐粒这些形成霾天气的干颗粒沉降,从而大量干尘粒浮游在近地面.有研究表明,在江淮地区出现霾天气的相对湿度通常在45%左右[10].

图8 2008年10月25日2:00至29日23:00每3h南京温度露点差变化Fig.8 Variations in the dew point depression during 02 a.m.on October 25th to 23 p.m.on October 29th for Nanjing (every 3 hours)

4 气流轨迹分析

此次霾天气过程给生态环境、人体健康、城市交通都带来了重大影响,其污染来源引起了人们的关注.采用美国 NOAA研制的轨迹模式HYSPLIT4分析此次霾天气污染物的输送过程.HYSPLIT4是一种欧拉和拉格朗日混合型的计算模式,包含多种物理过程,可以针对不同类型排放源,进行较完整的输送扩散和沉降过程模拟,并能够处理多种气象输入场,被广泛应用于大气污染物输送研究[10].模式的详细介绍参看文献[11].

图9 南京市2008年10月28日20时(世界时)气团后向轨迹Fig.9 Backward trajectories ending at 20:00 UTC 28 October 2008 for Nanjing

图10 2008年10月16日～27日NOAA-18监测豫、皖、苏3省火点统计分布Fig.10 Fire pots in Eastern China during October 16th to 27th 2008 monitored by NOAA-18

利用轨迹模式HYSPLIT4,结合NCEP气象再分析资料,计算南京霾天气时(2008年10月28日20:00)气团的72h后向输送轨迹(图9).轨迹a(绿色)和轨迹b(蓝色)分别为500m高空和300m高空气团轨迹,污染物25日从河南省中东部地区出发,经过苏北徐州、宿迁、泰州等地,27日到达苏南浙北地区,继而转向北上,28日夜间到达南京.而轨迹c(红色)为低空气团输送轨迹,主要来源于安徽北部地区.3条轨迹均可以清楚地显示来源于河南中东部、苏北地区、皖北地区的污染物气团在 28日、29日自南向北经过江苏全境,很可能是此次霾天气的最终来源.这 3大区域均为我国的产粮基地.10月末正好是秋收时节,产生了大量作物秸秆.利用NOAA-18卫星遥感监测资料(图10),发现此次霾污染天气发生前安徽六安、滁州以及苏北泰州地区监测到大量秸秆燃烧火点,而气团后向轨迹又正好进过此区域.研究已证明了,秸秆燃烧会放出大量污染物,如CO、NOx、颗粒物等[12-14].25日前后恰逢我国中东部无雨晴好的天气,造成了粮产区秸秆大面积集中燃烧,大量污染物进入大气,再结合前述分析的合适气象条件,二者是导致此次江苏省重霾污染天气发生的主要原因.

5 讨论

由上述分析可知,此次霾的形成中大面积的秸秆燃烧是罪魁祸首.而此类由秸秆燃烧引起的霾并不是偶然的,特别是近年来随着农村生活水平的普遍提高,秸秆已不再作为农村的生活燃料,作物秸秆成为了多余的副产品,秸秆燃烧事件频发,造成江苏省及周边地区夏收秋收时期霾日出现几率显著变大.

为防此类霾污染天气的频繁发生,秸秆禁烧刻不容缓,而秸秆禁烧必须疏堵结合,以疏为主;要建立秸秆禁烧的长效机制,综合利用是关键.而要推动这项工作的顺利开展,国家应该出台相应的经济政策对秸秆综合利用产业予以扶持.科技部门和科技工作者则应加快推进秸秆综合利用技术的开发与推广,如秸秆饲料加工技术,沼气制造技术,气化发电技术等.让秸秆有出路可寻,一方面变废为宝,一方面有效减少因秸秆集中燃烧造成的霾污染[15-19].

6 结论

6.1 霾过程中PM10、CO、NOx3种大气成分浓度明显持续偏高,最大地面浓度分别达到0.553,0.170,2.738mg/m3此三者浓度的变化与霾的发生发展的有直接相关性.SO2浓度在霾过程中也有所升高.

6.2 在霾天气中,城区各相关大气成分浓度变化趋势与郊区基本相同,但受城市复杂下垫面影响,城郊源排放差别,城区污染物会出现更高的峰值,霾天气污染较郊区更严重.

6.3 高空平稳的大尺度环流形势和暖平流输送,地面弱高压中心的控制和稀疏的气压场分布为污染物的积聚和持续提供了有利的天气条件.

6.4 稳定的低空大气层结,地面的静小风,低湿环境相结合严重阻碍了大气污染物的沉降和扩散,为霾天气的发生积聚了大量污染源.霾过程中PM10的升高造成了能见度的明显下降.

6.5 利用轨迹模式 HYSPLIT4计算了霾天气气团的 72h后向轨迹,结合卫星火点资料和实际情况分析得出此次霾天气的污染源很可能是河南、安徽、苏北地区的秋收秸秆集中大面积燃烧.

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