环境监控与预警   2020, Vol. 12 Issue (6): 16-21.  DOI: 10.3969/j.issn.1674-6732.2020.06.004.
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环境预警

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杨杰, 南通市一次典型沙尘污染过程分析. 环境监控与预警, 2020, 12(6): 16-21. DOI: 10.3969/j.issn.1674-6732.2020.06.004.
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YANG Jie. Analysis of a Typical Sand Dust Pollution Process in Nantong City. Environmental Monitoring and Forewarning, 2020, 12(6): 16-21. DOI: 10.3969/j.issn.1674-6732.2020.06.004.
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基金项目

江苏省PM2.5和臭氧污染协同控制重大专项(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)基金资助项目

作者简介

杨杰(1980—),男,高级工程师,本科,从事应急监测、自动监测工作.

文章历史

收稿日期:2020-02-21
修订日期:2020-08-07

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南通市一次典型沙尘污染过程分析
杨杰    
江苏省南通环境监测中心,江苏,南通 226006
摘要:根据南通市大气超级站的观测结果和气象因素,对南通市2019年10月29日—11月2日一次典型沙尘污染过程、颗粒物化学组分、颗粒物消光和退偏进行分析。结果表明,在沙尘影响期间,PM10小时峰值达311 μg/m3ρ(Ca2+)较污染前上升了7.4倍; 在沙尘颗粒物碱性环境条件下,二次组分OM和NO3-的快速生成,浓度分别较污染前上升了96.6 %和34.0 %; ρ(NO3-)/ρ(SO42-)污染中(2.5)高于污染前(1.7),ρ(EC)/ρ(PM2.5)污染中(4.2%)高于污染前(3.6%),受到明显的沙尘传输影响,而移动源排放也有一定贡献,在本地地面气压场较弱情况下,导致沙尘污染过程长时间持续。
关键词沙尘污染    颗粒物化学组分    气象因素    南通市    
Analysis of a Typical Sand Dust Pollution Process in Nantong City
YANG Jie    
Jiangsu Nantong Environmental Monitoring Center, Nantong, Jiangsu 226006, China
Abstract: According to the observation results of the Nantong atmosphere super station and the climatic factor, a typical dust pollution process, chemical composition of particulate matter, extinction and depolarization of particulate matter in Nantong city from 29 October to 2 November 2019 were analyzed. The results showed that, during the dust pollution process, the peak concentration of PM10 was 311μg/m3, and the concentration of Ca2+ was 7.4 times higher than before the contamination. Due to the alkaline dust particles, second component OM and NO3- generated quickly, their concentrations increased by 96.6 % and 34.0 % respectively. The ratio of ρ(NO3-)/ρ(SO42-) in pollution process (2.5) is higher than that before it (1.7). The ratio of ρ(EC)/ρ(PM2.5) in pollution process (4.2%) was higher than that before it (3.6%) as well. It indicated that in addition to the obvious impact of dust transport, mobile source emissions also made a certain contribution to that pollution process, so that the dust pollution process lasted for a long time on the condition of weak local surface pressure field.
Key words: Sand dust pollution    Particles chemical composition    Climatic factor    Nantong city    

我国的沙尘天气起源分为境外源和国内源,境外源主要来源于蒙古国,国内源主要来源南疆的塔克拉玛干沙漠、柴达木盆地、内蒙古西部和东部沙地、黄土高原。沙尘可以在近地面移动,也可从高空850和700 hPa、甚至更高的500 hPa传输[1]。沙尘污染对暴露人群呼吸系统健康存在明显影响,可导致暴露人群鼻炎及慢性支气管炎患病率升高; 另外沙尘污染可导致暴露人群慢性支气管炎发病趋向年轻化[2]。近年来,随着环境监测技术的进步,对沙尘的研究从21世纪初的沙尘的来源、移动路径,时空分布规律、防治对策等[1, 3-4],进展到沙尘的物理属性、光化学特性及污染特征分析等[5-6]

2019年10月29日—11月2日,南通市遭受一次典型沙尘传输的影响,连续4 d出现轻度污染,首要污染物均为可吸入颗粒物(PM10)。刘庆阳等[6]对2012年春季京津冀地区一次沙尘暴天气过程中颗粒物的污染特征分析表明,沙尘期间大气颗粒物表面呈碱性,外来沙尘暴与本地污染相互叠加,矿物元素改变了颗粒物表面的酸碱性,沙尘暴和有机物耦合,促进了有机物的转化。南通市此次沙尘影响过程中,在沙尘碱性环境条件下,南通市及周边较高的挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NOx)排放导致了二次组分有机物(OM)和硝酸根离子(NO3-)的快速生成,也导致了细颗粒物(PM2.5)值的上升。现选取南通市2019年10月27日—11月4日沙尘污染过程进行分析。

1 研究方法 1.1 监测时间

2019年10月27日—11月4日。

1.2 监测点位

南通大气超级站位于南通市环境教育馆,处在南通市区新城区、老城区和经济技术开发区交界位置,能较好地监控和评估区域大气污染特征和传输途径[7]

南通市国控点:南郊子站、虹桥子站、城中子站、星湖花园子站和紫琅学院子站。

1.3 监测仪器

大气超级站监测仪器为在线离子组分监测仪(MARGA 1S瑞士万通),元素碳/有机碳监测仪(Sunset MODEL 4),气溶胶激光雷达(安徽蓝盾LGJ-01),PM2.5监测仪(美国metone1020)、在线VOCs监测仪(武汉天虹TH-300B); 国控点PM2.5监测仪(美国热电5030 SHARP), PM10监测仪(美国热电FH 62C-14)。

1.4 评价标准

《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)。

2 结果与分析 2.1 污染过程分析

2019年10月28日—11月1日,南通市出现连续5 d轻度污染,其中10月28日首要污染物PM2.5日均值84 μg/m3,空气质量指数(AQI)为112;10月29日—11月1日,首要污染物PM10为192 ~ 224 μg/m3,AQI为121~137;10月30日PM10达日均最大值,为224 μg/m3; 10月29日—11月1日PM10平均值为206 μg/m3,为2018年同期(63 μg/m3)的3倍左右。

10月28日00:00起,虹桥子站、紫琅学院子站、城中子站、南郊子站、星湖花园子站依次出现PM2.5值超标,28日23:00,南通市PM2.5小时值达到峰值(111 μg/m3)。29日至31日,PM2.5整体保持在良水平,部分站点出现轻微超标现象。10月31日20:00—次日09:00,11月1日20:00—次日09:00,再次出现PM2.5小时值连续超标(11月1日23:00 PM2.5峰值167 μg/m3)。11月2日午后PM2.5恢复至优良水平,见图 1(a)

图 1 10月27日—11月3日南通市PM10及PM2.5时序

10月29日05:00,紫琅学院站率先出现ρ(PM10)超标(156 μg/m3),06:00各站点ρ(PM10)均开始超标,10月29日06:00至11月2日04:00,南通市ρ(PM10)处于轻度污染至中度污染水平,10月30日20:00,PM10小时峰值达311 μg/m3(AQI值181),11月1日23:00,峰值304 μg/m3(AQI值143)。11月2日午后PM10恢复至优良水平,见图 1(b)

根据中国环境监测总站实时发布数据,10月28日,PM2.5高值区出现在徐州(97 μg/m3)、淮北(91 μg/m3)、南通(84 μg/m3)等地。10月29日,高值区出现在宿州(153 μg/m3)、淮北(158 μg/m3)、蚌埠(132 μg/m3)等地,南通市ρ(PM2.5)相对较低,见图 2(a)(b)

图 2 10月28—29日长三角PM2.5日均值空间分布

图 2可见,同期长三角各主要城市PM10污染过程呈现明显的区域传输污染特征。10月28日,江苏徐州(322 μg/m3,AQI值186)、安徽淮北(299 μg/m3,AQI值175)等地开始出现ρ(PM10)超标。10月29日,宿州(531 μg/m3,AQI值432)、徐州(384 μg/m3,AQI值249)、淮北(540 μg/m3,AQI值441)、蚌埠(521 μg/m3,AQI值421)等长三角北部城市出现重度污染,且污染逐渐向南扩散,南京、合肥、淮安等地为中度污染,南通、无锡等地为轻度污染,浙江省大部分城市均为良; 10月30—31日,污染再次向南扩散,江苏、安徽、浙江、上海等大部分地区都处于轻度污染至中度污染状态。11月1—2日,仍受沙尘影响,但污染范围逐渐减小,污染逐步减轻,见图 3(a)(b)(c)(d)(e)(f)

图 3 10月28日—11月2日长三角PM10日均值空间分布

此次污染过程中,长三角各城市首次PM10污染高峰值出现时间依次为:徐州10月28日19:00(742 μg/m3)、淮北10月28日23:00(683 μg/m3)、宿州10月29日00:00(625 μg/m3)、蚌埠10月29日04:00(517μg/m3)、南通10月29日09:00(285 μg/m3)。可见,由北往南,PM10峰值时间依次延后,且峰值逐渐减小,此次污染是一次典型的沙尘传输过程。

2.2 污染成因分析 2.2.1 PM2.5化学组分

分别对污染前和污染中PM2.5中主要的化学组分Ca2+、NO3-和有机物(OM)的浓度特征进行分析,其中考虑到污染过程的连续性,污染中的时段为10月27日20:00—11月2日19:00,并将污染前同等时长(10月21日20:00—27日19:00)作为污染前时段进行对比分析。

污染过程中,PM2.5中Ca2+、OM(OM=1.4×OC)和NO3-的平均值较污染前均有不同程度的上升,污染中的平均值分别为0.78,15.4和13.8 μg/m3,分别较污染前上升了7.4倍,96.6 %和34.0 %; 污染中各VOCs组分值较污染前均有明显的升高,污染中芳香烃、烷烃、烯烃和炔烃的平均值分别为7.3×10-9,19.7×10-9,4.1×10-9和2.4×10-9,分别较污染前上升的1.4,1.4,1.2和1.0倍,污染期间,本地及周边区域VOCs的排放及不断累积,导致ρ(VOCs)大幅升高。而SO42-在污染过程中的平均值为5.5 μg/m3,较污染前出现下降,降幅为6.8 %,表明SO42-不是本次污染过程的主导组分。根据中央气象台近地层沙尘浓度和风场的预报结果(图 4),本次污染过程南通近地面在西北气流作用下受沙尘传输影响,颗粒物组分OM和NO3-出现了较大幅度的上升,文献[3]表明,在沙尘传输影响过程中,沙尘颗粒物碱性环境条件下,南通市及周边地区较高的VOCs和NOx排放导致了二次组分OM和NO3-的快速生成,同时偏北气流携带来的北方污染气团也对颗粒物组分升高有贡献,见图 5(a)(b)

图 4 10月29日中国近地层沙尘浓度和风场图
图 5 污染前及污染中PM2.5特征污染组分
2.2.2 特征比值分析

ρ(Ca2+)/ρ(PM2.5)污染中和污染前的占比分别为1.1 %和0.2 %,污染中的占比是污染前的5倍左右,而Ca2+是典型的地壳元素,也说明了此次污染主要受沙尘传输的影响。

ρ(NO3-)/ρ(SO42-)主要用来表征燃煤源与移动源的相对贡献[8]ρ(NO3-)/ρ(SO42-)在污染中(2.5)高于污染前(1.7),这主要是由于污染中SO42-无明显变化,而NO3-出现了一定的增加,这也表明在本次污染过程期间,除了受到明显的沙尘传输影响,本地移动源排放也有一定贡献,见图 6

图 6 污染前和污染中ρ(NO3-)/ρ(SO42-)

EC主要来自机动车尤其是柴油车的排放。从ρ(EC)/ρ(PM2.5)来看,EC在PM2.5中的占比在污染中和污染前分别为4.2 %和3.6 %,污染中较污染前有所上升,说明污染过程中机动车尤其是柴油车排放的贡献有所增加。与前文中的分析结论一致,见图 7

图 7 污染前和污染中ρ(EC)/ρ(PM2.5)和ρ(Ca2+)/ρ(PM2.5)
2.2.3 激光雷达监测结果

激光雷达测量得到的消光系数(颜色越红表示消光系数越大)很大程度上反映ρ(PM2.5)大小,而退偏振比大小(颜色越红表示退偏振比越大)则反映ρ(PM10)高低[9]

10月27日—11月2日的激光雷达监测结果显示,10月28日18:00左右,南通市高空500~2 000 m已测得较高浓度的沙尘气团,但由于恰逢夜间,边界层较为稳定,高空沙尘气团主体没有扩散至地面; 29日上午开始,伴随着边界层的垂直混合,高空沙尘逐渐影响地面,导致地面颗粒物浓度迅速飙升; 10月30日—11月1日,雷达退偏比虽有所减小,但仍是典型的沙尘影响过程,地面ρ(PM10)持续处于较高水平。此外,沙尘污染传输期间,地面消光系数仍然较高,说明除了沙尘颗粒物,本地及周边区域较多的PM2.5生成和累积也是导致本次污染过程的重要原因,见图 8(a)(b)

图 8 颗粒物激光雷达时序图
2.3 气象因素分析 2.3.1 后向轨迹分析

污染期间南通市50 m高度处48 h气流后向轨迹图见图 9(a)(b)

图 9 污染期间南通市50 m高度处48 h气流后向轨迹图

图 9可见,28—29日凌晨,大气较为静稳50 m高度处的气团来自江苏省周边安徽、浙江等地,无高空沉降,PM2.5值的升高主要是受南通本地及江苏省周边地区污染的影响; 29日上午—30日污染期间,南通市主要受偏北方向污染气团的影响,48 h传输距离约1 500 km,传输高度2 000 m以上,高空远距离传输特征明显; 31日白天,50 m高度处污染气团仍来自偏北方向,48 h传输半径400 km以内,传输高度1 000 m以下; 10月31日夜间—11月1日,受海上回流及高空沙尘沉降影响,PM10值依然较高。污染期间,北方沙尘颗粒物的传输以及本地及周边区域的污染物排放累积,是本次污染过程的主要原因[9]

2.3.2 天气形势分析

选取典型沙尘污染传输影响日29日,可以看出,地面气压场较弱,高空500 hPa处于高空槽后,以偏西北气流为主。北方传输的沙尘在地面较为稳定的气象条件下长期盘踞不走,而高空又有持续的偏西北沙尘气流补充,导致沙尘污染过程长时间持续,见图 10(a)(b)

图 10 10月29日08:00地面及500 hPa天气图
3 结论

(1) 本次污染是一次典型沙尘传输影响过程,ρ(Ca2+)升幅最大,此外,在沙尘传输影响过程中,沙尘颗粒物碱性环境条件下,南通市及周边较高的ρ(VOCs)和ρ(NOx)排放导致二次组分OM和NO3-快速生成,也是导致ρ(PM2.5)上升的重要原因。

(2) 污染过程中ρ(Ca2+)/ρ(PM2.5)占比约是污染前的5倍,表明本次污染过程主要受北方沙尘传输和偏北气流携带来的北方污染气团的影响。此外,ρ(NO3-)/ρ(SO42-)、ρ(EC)/ρ(PM2.5)显示,本地移动源的排放尤其是柴油车的排放对本次污染也有一定的贡献。

(3) 高空偏西北气流,地面弱气压场,导致外来输送沙尘气团长时间盘踞,是颗粒物长时间持续超标的主要气象原因。

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