2015年国庆期间我国城市空气污染特征及成因分析

分类：论文范文 发表时间：2020-09-08 09:06

　　摘 要 ：本文基于我 国 31个省会城市 283个环境监测站的实时观测数据 ，分析 了2015年 国庆期间我 国 城市空气污染特征 ，并结合 MODIS／Terra数据、欧洲 中期天气预报 中心 (ECMWF)气压场及风场数据 对其成 因进行 了讨论 。结果表明：本次 区域性 空气污染最先 出现在华 中和华东地区，但是在华北地区最 为严重。不 同城 市的主要 污染物具有显著的时空差异。除西安和鸟鲁木齐以外，其他城市的颗粒物污染 主要 由细颗粒物主导。NO2、CO和 SO 的变化趋势基本一致 ，而 O 仅在北京、天津和济南三个城 市与 其他污染气体 同步变化 ；在其他城 市则与 NO 和 CO等呈现相反的变化趋势。由卫星影像、天气形势和 风场变化分析得知：不考虑本地背景排放源的前提下，本次污染事件主要由我国秋季的秸秆燃烧和不利 的气象条件共 同作用造成的。

　　关键词：空气污染；时空变化；标准污染物；形成机制

　　近几十年来 ，随着 经济的飞速 发展和城市化 进程的加快 ，我 国的大气污染形势 日益严峻 (曹 军骥 ，2012)，具体表现为极端灰霾事件频繁发生 ， 大气能见度急剧下降。从 1961年到 2011年期 间， 全国平均 年霾 日数在五 十年 内几乎增加 了五倍 ； 而平 均 能 见度 也 从 1961年 的 4— 10krn减 小 到 2—4km (丁一汇和柳艳菊 ，2014)。此外 ，我国 大气污染 的空间分 布格局 和污染物组成也发生 了 显著改变。首先 ，大城市重污染企业 向中小城市 的转移改变 了我国的污染源分布 ，使我 国的大气污染从二十世纪八九十年代 的点 源型污染发展成 为 当前 的区域性污染 ，我 国东部三大污染区域 已 经基 本 连成 一 片 (vanDonkelaaretal，2010)。 其次 ，我国以煤 为主的能源结构没有发生根本性 变化 (国家统计局 能源统计 司 ，2011)，而机动 车 的保有量又在持续增加 ，多种高浓度 的污染物 被集 中排放到大气 中，通过复杂 的光化学反应最 终形成一次排放和二次转化 污染物并存 的复合型 污染 (吴兑 ，2012)。长期暴露在 这种高浓度空 气 污染 物 中 会对 人 体健 康 产生 严 重影 响 (Fannetal，2012；Correiaetal，2013)。2013年 10 月 ，世界卫生组织 (WHO)下属国际癌症研究机 构 (IARC)正式 确认 室 外空 气污 染为 一级致 癌 物。而近期研究结果 显示 ：全球范 围内室外空气 污染每年会造成 330万人过早死亡 ，其 中仅 中国 每年就分别有 140万人 口因室外空气污染而早亡 (Lelieveldetal，2015)。 因此 ，如 何减 缓 、防 治和应对灰霾天气 已经成为当前 我国各级政府 和 社会公众普遍关 注的重要问题 。

　　l 数据与方法

　　1,1 地面环境监测站点数据

　　2012年 2月 ，国务 院常务会议上正式通过新 的 《环 境空 气质 量标 准 》 (GB3095-2012)， 首次把细颗粒物 (PM：)和臭氧写入 “国标 ”， 纳入各省市强制监测范畴 ，并规定了相应浓度 限 值。会议要求 2013年在 113个环境保护重点城市 和 国家环境保护模范城市开展监测 ，同步对外发 布各站点污染物浓度和环境空气质量指数 AQI(Air QualityIndex)数据 ；2015年覆盖所有地级以上城 市 ；2016年在全 国正式实施新的空气质量标准。 与此 同时 ，环境保护部发布了 国家环境保护标准 《环境空气质量指数技术规定 (HJ633-2012)(试 行 )》，该标 准规定 了环境空气质量指数 AQI的 分级方案 、计算 方法 等；参与空气质量评 价的主 要污染物除了原有 的二氧化硫 (SO )、氮氧化物 (如 NO )和大气 可吸入颗粒物 (PM 。)以外 ， 还增加 了一氧化碳 (CO)、臭氧 (O，)和 PM 。 本文基于我 国 31个省会城市 (不含 台北、香港和 澳门 ，见图 1)的 283个环境监测站数据 ，通过在 城市尺度上取平均 ，分析 了我国 2015年国庆期间 (10月 1一 l0日)AQI和主要污染物的变化特征。

　　1．2 卫星数据及气象场数据

　　地面环境监测站能够全天候直接获取 污染物 的地表浓度 ，并准确捕捉到其时间变化规律；但是 由于仪器成本和设施维护等方 面的限制 ，地 面观 测站点在空间覆盖上还存在很大局 限性。为了弥 补地面观测的不足 ，本文采用 了搭载于 Terra卫星 上的中分辨率成像仪 MODIS (Moderate—resolution ImagingSpec~o-radiometer)观测资料 ，包括气溶 胶 光学 厚度 AOD(AerosolOpticalDepth)(Kaufman etal，1997)、RGB真彩图像 (Taoetal，2012) 和火 点 分布 (Justiceetal，2002)。 由于气象 条 件在我 国灰霾事件 的形成和发展 中起着重要作用 (张人 禾 等 ，2014)，本 文利 用 欧 洲 中期 天 气 预报 中心 ECMWF地 表海 平面气 压场 和 850hpa 高度 (约 1．5km)的风场 数据 (0．5。分辨 率 )， 结 合卫星影像及火点分布 ，对本次 污染事件 的成 因进行了讨论 。

　　2 结果与讨论

　　2．1 国庆 期 间我 国空气 污 染的 空间分 布特 征

　　为了获取同庆期间我 国空气污染的总体特征， 本 文综 合采 用气 溶胶 卫 星遥感 产 品 和地 基空 气 质量监测 网数据 首先 ，本节基 于 MODIS／Terra Level2AOD产 品 (分 辨 率 为 10km， https：／／ ladsweb．nascom．nasa．gov／index．htm1)， 计 算 得 到我 同 2015年 10月 1— 7日期 间 AOD 的空 间 分布 (图 1a)。如图所 示 ，AOD的高 值 区主要 集 中在我国华北 、东北 、华东北部及华南地 。 图 1b则给出了该段时间我国 31个省会 城市的平 均 AQ1分 布 。 比较 两 图可 以 发 现 ，AOD 和 AOI 的高值区分布大体一致 ，主要集 中在华北和华东 北部地 区。值得注意 的是在东北 、华南和两北地 ， 两者 区别较大 。我国东北和华南地 区的 AQI 数 值 相 对较 低 ，但 是 相 应 的 AOD却 相 对 比较 高；两北 地 区则相反 ：较 高 的 AQI对应 的 AOD 却 不高 。这种 刖可能是 南两者物理含义的不同 造 成 的 。AOD 表 征 的 是 整 个 大 气 柱 内 颗 粒 物 的 消 光 效 应 ；除 了地 表 颗 粒 物 浓 度 以外 ，它 还跟 其 垂直分布 、相对湿度等气象要素有关 (Wangand Christopher，2003)。而 AQI则 由地 表 首 要 污 染 物 (颗粒 物或者污染气体 )浓度直接换算得 到， 是地表污染物浓度的直接 反映 。在本文的研究时 段 ，我国绝 大多数地 区的首要污染物都是颗粒物 (约 占 89％，其 中有近 60％ 的情 况为 PM )， l大l此 图 1b中 的 AQI主要 表 征 的 是 地 表 颗 粒 物 的 浓度 。周顺武等 (20l5)研究发现 我国相对湿度 呈现 “南 北高 ，中间低 ”的空间分布特征 ，因此 考虑到颗粒物的吸湿增 长 ，同等浓度的地表颗粒 物在我 国南方和北方 可能会造成更为显著的消光 效应 ，即具有相对较高 的 AOD。而西北地区较低 的 AOD可能跟 MODIS反演算法 中的暗背景似设 有关。西北地 区的地表反射率较高 ，可能会影响 到 MODIS气溶 胶产品在 该区域 的反演精度 。此 外 ，由于 MODIS只能 在无 云条件下 获取 其过境 时刻的气溶胶信息 ，而 AQI则是基于各个站点小 时 AQI值在 24小时 内求得 的平 均数值 ，反映的 是近地 面颗粒物 的 日均浓度 ，这可 能也会使得两 者最终的结果存在差异 。

　　2．2 国庆 期 间我 国不 同 区域 AQI的 时 间变 化

　　根 据 所 处 地 理 位 置 ，大 致 把 31个 省 级 行 政 区 (不含港澳 台 )分 为华 东 一华 中 (EC．CC)、 华北 ．东北 (NC．NEC)、华南 一西南 (SC．SWC) 和西北 (NWC)四部分 ，并在图 2给出了城市的 划分细节和相应各 区域 AQI的 日变化 。由图可知， 总的看来华 东 一华 中区域 和华北 一东北 区域 在 同 庆 期 问 (10月 1— 7日 )都 经 历 了轻 度 (100< AQI< 150)到 严 重 (AQI>300)的空 气 污 染 ； 而 华 南 ．西 南 地 I 除 了成 都 (四 川 省 )以外 ，其 他省份城 市 的平均空气质 量均 比较 良好 (AQI< 1()(】)。进一步 比较华东 一华 中地区和华北 一东北 地 区可 以发现 ，前 者的空 气污染大多集中在 国庆 前期 ，即 4日以前 ；而华北 一东北地 区除 了太 原 市 以外 ，污染则大多出现在 4日以后 。10月 5日、 6日和 7日，北 京甚 至 现 了 连 续 三 天 污 染 程 度都 在重度 以上 (AQI>250)的情况 。西北 地 区 的污染特征与其他三 区区别较大。兰州 、银川 和 西 宁在 国庆期 间污染程度起伏不 明显 ，且 空气 质 量大多处 于 良好状态 ；而西安和乌鲁木齐则 出现 了轻度 到重度 的空气 污染 ，其 中乌鲁木齐的空 气 质量变 化与其他城市 区别较大 。为 了进一步获取 l 2 3 4 5 6 7 8 9 l0 2015年 10N Octoberin2015 我 国不同区域 国庆期 间的空气污染特征 ，并探讨 其成因 ，根据不 同城市 AQI变化曲线在四大分区 中选取了几个 污染程度较为严重的城市 (北京 、 天津 、济南 、郑州 、合肥 、成都 、西安和乌鲁木 齐 )，并 在下文 中针对其主要污染 物组分进行详 细 分 析 。

　　3 结论

　　本文基于我 国 31个城市 283个环境监测站点 的数据 ，分析了 2015年 国庆期 间出现的一次区域 性空气污染事件 的时空变化特征 ，并结合卫星数 据和天气形势 图对其成因进行 了讨论 。主要结论 如下 ： (1)2015年国庆期 间我国出现的空气污染事 件具有 明显 的区域性 ，华北 、华 东、东北 、西北 及 西南地 区均出现 了不 同程度 的空气污染 ，部分 地 区达到 了严重污染等级。从 时间上来看 ，华 中 和华东地区的污染要先于华北和东北地 区。 (2)不同城市 的主要污染物具有显著的时间 及 空间差异 。除西安和乌鲁木齐 以外 ，其他城市 的颗粒物污染主要 由细颗粒物主导。NO，、CO和 SO。的变化趋势基本一致 ， O 的变化规律则较为 复杂 。在北京、天津和济南三个城市 ，O 的变化 基本与其他污染气体同步 ；而在其他城市 ，O 则 与 NO 和 CO等气体呈现相反的趋势。 (3)除本地背景排放源以外 ，我国秋季 的秸 秆燃烧 、区域性 的污染物输送和不利的气象条件 是造成我 国 2015年 国庆期问华东及华北地 区污染 事件 的主要因素。

　　参 考文 献

　　曹 军 骥 ．2012．我 国 PM2污 染 现 状 与 控 制 对 策 [J]’地 琳 环 境 学 报 ，3(5)：1030—1036．[CaoJJ．2012．Pollution statusandcontrolstrategiesofPM25inChina[J]．Journal ofEarthEnvironment,3(5)：1030-1036．】

　　丁一汇 ，柳艳 菊 ．2014．近 50年我 国雾和 霾的长期 变化特 征及其与大气湿度的关系 [J]．中国 学 地对 学 ， 44：37—48．[DingY H，LiuY J．2014．Analysisoflongterm variationsoffogandhazeinChinainrecent50years andtheirrelationswithatmospherichumidity[J]．Science China．"EarthSciences，57：36—46．]

　　作者苏小莉 冯 添 曹军骥

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