珠江三角洲一次灰霾天氣過(guò)程特征分析

珠江三角洲一次灰霾天氣過(guò)程特征分析

灰雨（又名霧）是一種存在于氛圍中的大量微顆粒、煙粒徑或鹽粒的集合，使空氣渾濁，并將水平能見度降低10km以下。能見度惡化,必然嚴(yán)重影響海陸空交通運(yùn)輸。不僅如此,大氣灰霾還引發(fā)了諸如環(huán)境、健康、生態(tài)等深層次的問(wèn)題:使空氣質(zhì)量惡化,誘發(fā)呼吸道疾病;使生物氣溶膠更加活躍,傳染病增多;使植物的光合作用變?nèi)?農(nóng)作物減產(chǎn)。在我國(guó),近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的迅速擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的快速發(fā)展,各地灰霾天氣急劇增多,灰霾問(wèn)題也越來(lái)越引起了廣泛關(guān)注。根據(jù)(2006年廣東省氣候公報(bào)),2006年廣東省平均出現(xiàn)灰霾74.5d/站,珠江三角洲大部分區(qū)域大于100d,其中新會(huì)、珠海、恩平、東莞霾日在200d以上。作為中國(guó)四大灰霾嚴(yán)重污染地區(qū)之一,珠江三角洲覆蓋廣州、深圳、東莞、佛山、中山、珠海、江門、肇慶、惠州9個(gè)城市,約3000萬(wàn)人口。因此,揭示珠江三角洲灰霾與環(huán)境的關(guān)系對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)人民群眾的身體健康有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。1長(zhǎng)三角區(qū)域空氣污染狀況2006年10月21日廣州市氣象臺(tái)發(fā)布黃色灰霾預(yù)警信號(hào),廣州市區(qū)最小能見度低至1.5km,并且周邊城市也出現(xiàn)不同程度灰霾。期間珠三角地區(qū)受副熱帶高壓控制,大氣比較穩(wěn)定。從灰霾的累積、爆發(fā)、消退全過(guò)程來(lái)考慮,我們選取2006年10月19日至2006年10月24日這個(gè)時(shí)段進(jìn)行分析。本文所用空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)均來(lái)自粵港珠江三角洲區(qū)域空氣監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(以下簡(jiǎn)稱PRD網(wǎng))的監(jiān)測(cè)結(jié)果。PRD網(wǎng)是我國(guó)第一個(gè)區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),廣東省內(nèi)有13個(gè)監(jiān)測(cè)子站,覆蓋珠江三角洲所有9個(gè)城市。監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括SO2、NO2、PM10、O3、CO,部分站點(diǎn)還能監(jiān)測(cè)PM2.5。珠三角區(qū)域空氣質(zhì)量狀況圖由PRD網(wǎng)各站點(diǎn)的RAQI指數(shù)插值而得,RAQI綜合了4種主要空氣污染物(SO2、NO2、PM10、O3)的污染總量水平,適合用于表示大范圍區(qū)域空氣污染的分布形勢(shì)。由珠三角空氣質(zhì)量狀況圖大致可以看出:19日佛山、廣州大部、東莞部分地區(qū)處于污染累積狀態(tài);20～23日珠三角處于污染爆發(fā)狀態(tài),不僅佛山、廣州、東莞全部處于污染核心區(qū),周邊的肇慶、江門、中山、珠海、深圳、惠州也存在不同程度污染;24日污染減弱消退。這初步表明,灰霾的出現(xiàn)引起空氣質(zhì)量惡化。2結(jié)果與討論2.1年均值限值一次污染物包括SO2、NO2、PM10,此次灰霾期間三者的區(qū)域平均濃度分別為0.062mg/m3、0.051mg/m3、0.098mg/m3,可見PM10接近國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的年均值限值,而SO2和NO2均未超出。若與對(duì)應(yīng)的2006年區(qū)域年均值(0.052mg/m3、0.045mg/m3、0.077mg/m3)比較,則分別高出19.2%、13.3%、27.3%,可見一次污染物水平全部偏高,PM10漲幅最大。2.2灰病期間、、0.5的比較二次污染物包括O3和PM2.5。期間O3區(qū)域平均濃度為0.067mg/m3,比2006年區(qū)域年均值(0.048mg/m3)高出39.6%,漲幅明顯超過(guò)一次污染物?；姻脖举|(zhì)上是由細(xì)粒子PM2.5污染造成,PRD網(wǎng)在天湖、萬(wàn)頃沙有監(jiān)測(cè)PM2.5。這兩個(gè)子站都是區(qū)域站,其中天湖位于珠三角最北端,工業(yè)、人為活動(dòng)干擾少,可以反映珠三角相對(duì)清潔地區(qū)的空氣質(zhì)量狀況;萬(wàn)頃沙位于廣州南部郊區(qū),在珠三角的幾何中心,用于監(jiān)測(cè)珠三角地區(qū)內(nèi)部污染物的傳輸過(guò)程。此次灰霾期間天湖和萬(wàn)頃沙PM2.5濃度均值分別為0.081mg/m3和0.076mg/m3。與2006年年均值(天湖0.047mg/m3,萬(wàn)頃沙0.061mg/m3)比較,高出72.3%和24.6%,表明灰霾期間PM2.5顯著升高;由于我國(guó)目前并沒(méi)有出臺(tái)PM2.5標(biāo)準(zhǔn),若與美國(guó)最新標(biāo)準(zhǔn)比較——美國(guó)環(huán)保署在2006年將PM2.5的24h標(biāo)準(zhǔn)大幅收緊由原先的65μg/m3下降到35μg/m3,超日均標(biāo)準(zhǔn)1倍以上。郊區(qū)如此,城區(qū)污染就更為嚴(yán)重了。魏復(fù)盛等研究過(guò)廣州等4個(gè)大城市的PM2.5污染,1996年廣州近郊的年均值0.062mg/m3,城區(qū)為0.140mg/m3?？梢?2006年廣州郊區(qū)的PM2.5年均濃度水平與1996年相比變化不大。PM2.5占PM10百分比可以反映PM2.5對(duì)PM10的貢獻(xiàn)。期間天湖和萬(wàn)頃沙的PM2.5占PM10百分比分別為85.6%和73.3%,表明可吸入顆粒物中細(xì)顆粒物的比重遠(yuǎn)大于粗顆粒物,特別是天湖,其水平已與廣州市街道的年均值相當(dāng);2006年天湖和萬(wàn)頃沙的年均值為74.1%和67.1%,對(duì)比可知灰霾天氣下細(xì)粒子在顆粒物中所占比例較平時(shí)會(huì)升高。同樣與魏復(fù)盛等的研究結(jié)果比較,2006年廣州郊區(qū)的PM2.5占PM10百分比年均值與1996年(70.1%)相近。與北方城市蘭州、北京相比,天湖和萬(wàn)頃沙的PM2.5占PM10百分比明顯偏高,原因可能是北方天氣干燥且受沙塵暴影響較大,粗顆粒的比例比南方高。2.3o3超標(biāo)項(xiàng)目表1匯總了珠三角各站19日至24日超標(biāo)污染物的分布情況:珠三角在20日首先出現(xiàn)較大范圍的超標(biāo),13個(gè)子站中有6個(gè)監(jiān)測(cè)到超標(biāo),且超標(biāo)項(xiàng)目合計(jì)有10項(xiàng);22日情況最為嚴(yán)重,作為二次污染物的O3大規(guī)模爆發(fā),共造成8個(gè)站點(diǎn)超標(biāo),超標(biāo)項(xiàng)目合計(jì)有11項(xiàng);然后23日、24日趨于緩和。從表1簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)可得,SO2、NO2、PM10、O3的超標(biāo)次數(shù)分別為5、5、7、18,此次灰霾過(guò)程首要污染物無(wú)疑是臭氧,這與臭氧表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性污染直接相關(guān)。另一方面,PM2.5的污染也不容忽視,因沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),不在此處討論。2.4時(shí)間推移特征2.4.1從污染指數(shù)的時(shí)間特征看圖1是珠三角區(qū)域各污染物的逐日變化趨勢(shì)圖,從SO2、NO2、PM10三條曲線來(lái)看,19日污染開始累積,20日到達(dá)最高峰,21、22、23日較20日有所下降但仍維持較高水平,24日大幅下降;觀察PM2.5和O3曲線,可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象,最高峰并不是出現(xiàn)在20日,而是在22日和23日,這種高峰滯后效應(yīng)也許與PM2.5和O3都是二次污染物有關(guān)。圖2是珠三角區(qū)域兩種污染指數(shù)的逐日變化趨勢(shì)圖,由于RAQI數(shù)值較小,故放大20倍以比較趨勢(shì)。兩條曲線最明顯的區(qū)別在于RAQI曲線是23日出現(xiàn)最高峰,這是因?yàn)閮煞N指數(shù)計(jì)算方法不同,并且RAQI比API增加了O3作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。2.4.2按是否發(fā)生頻率的關(guān)系分析SO2、NO2、PM10、O3的逐時(shí)變化曲線如圖3所示。NO2逐時(shí)變化曲線可分為三類:①雙峰型。城市站基本上都是雙峰型變化,雙峰分別出現(xiàn)在上午和晚上,與市民上下班高峰期一致,是由機(jī)動(dòng)車密集排放造成。一般來(lái)說(shuō),下午是一天中空氣擴(kuò)散條件最好的時(shí)段,所以污染物在下午會(huì)呈現(xiàn)低谷。荔園和紫馬嶺就代表了此類城市站點(diǎn);②單峰型。只有萬(wàn)頃沙是單峰型變化,萬(wàn)頃沙位于郊區(qū),站點(diǎn)附近以農(nóng)村居民為主,機(jī)動(dòng)車流量的變化跟上下班關(guān)系不大,因此我們推斷這種單峰現(xiàn)象與距離30km處的火力燃煤電廠群有關(guān)。早上9點(diǎn)后太陽(yáng)開始照射,地面溫度上升,逆溫層被破壞,空氣垂直對(duì)流加強(qiáng),電廠高空排放的污染物向低層注入,導(dǎo)致了峰值出現(xiàn)。③平直型。這類站點(diǎn)一般處于珠三角外圍,受排放干擾小,相對(duì)清潔,濃度變化幅度十分小,因此表現(xiàn)為一條比較平緩的曲線。比如天湖就是如此。SO2逐時(shí)變化曲線與NO2非常相似。O3逐時(shí)變化曲線都是單峰型,在14時(shí)左右達(dá)到最高,此時(shí)紫外輻射最強(qiáng),光化學(xué)反應(yīng)最強(qiáng)。值得注意的是,天湖峰值持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng),14時(shí)至19時(shí)都處于高峰期,究其原因可能是:天湖站點(diǎn)處于山林之中,植被多,天然排放的VOCs應(yīng)該不少并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),因此形成O3的前驅(qū)物可謂充足。當(dāng)然地形也是一個(gè)重要的因素。另外,對(duì)比NO2與O3的逐時(shí)變化圖可以發(fā)現(xiàn),O3最高值出現(xiàn)的時(shí)段14時(shí)正好是NO2最低值出現(xiàn)的時(shí)段,符合O3形成的光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。PM10逐時(shí)變化曲線可分為兩類:①雙峰型。與NO2和SO2類似,城市站基本上都是雙峰型變化,雙峰分別出現(xiàn)在上午和晚上(或傍晚)。如圖中的黨校、豪崗和紫馬嶺,PM10濃度凌晨低,白天高,與人們活動(dòng)密切相關(guān)。②無(wú)規(guī)律型。區(qū)域站的PM10主要受遠(yuǎn)程輸送和氣象條件影響,比較復(fù)雜,無(wú)明顯規(guī)律。萬(wàn)頃沙和天湖都屬此類。萬(wàn)頃沙和天湖的PM2.5逐時(shí)變化曲線與PM10走勢(shì)一致,都無(wú)明顯規(guī)律。2.5布特點(diǎn)的區(qū)域性特征2.5.1污染分布NO2濃度高值區(qū)分布佛山、廣州、深圳等大城市,SO2濃度高值區(qū)集中佛山-廣州-東莞一帶,PM10與SO2類似,高值區(qū)也集中佛山-廣州-東莞一帶,這些地區(qū)工業(yè)多,能源消耗大,交通繁忙,污染物排放十分密集。O3的分布特征與其它3種污染物有很大不同,恰恰廣州-佛山一帶是濃度最低的區(qū)域。濃度分布表現(xiàn)為珠三角東部和南部城市高于中西部城市,郊區(qū)高于市區(qū)。如珠海、江門、中山、東莞、惠州城區(qū)比廣州、佛山城區(qū)高,從化天湖、惠州金果灣比廣州城區(qū)的麓湖和惠州城區(qū)的下埔高。這可能有兩方面的原因:一方面市區(qū)NO濃度較高,抑制了O3的生成;另一方面前驅(qū)物進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)大致需要數(shù)小時(shí)的時(shí)間,相當(dāng)部分被輸送到下風(fēng)向幾十到上百km的區(qū)域才完成反應(yīng)生成O3。圖4對(duì)SO2、NO2、PM10、O34種污染物進(jìn)行了區(qū)域性特征分析,可以看出,珠三角許多站點(diǎn)具有相同的變化趨勢(shì),區(qū)域性特征比較明顯。由圖4還可以看出,萬(wàn)頃沙的4種污染物都分別與其它多個(gè)城市站點(diǎn)趨勢(shì)一致。萬(wàn)頃沙作為一個(gè)位于郊區(qū)的區(qū)域站,卻表現(xiàn)得與周圍城市密切相關(guān),這從另一個(gè)角度反映了珠三角的區(qū)域性不僅僅存在于城市中,也擴(kuò)展到了城市與城市之間的鄉(xiāng)村。實(shí)際上,這并不奇怪。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,珠江三角洲已經(jīng)變成以大型城市為中心,發(fā)達(dá)的高速公路網(wǎng)連接中小城市的城市群和城鄉(xiāng)復(fù)合帶的一個(gè)整體區(qū)域。污染源大量集中,污染物在城市間輸送轉(zhuǎn)化作用造成珠三角各城市環(huán)境污染相互關(guān)聯(lián),區(qū)域性大氣污染問(wèn)題確實(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了。2.6日進(jìn)行時(shí)段分布為了研究不同污染物間的相關(guān)性,選取區(qū)域站兩個(gè)代表(天湖、萬(wàn)頃沙)和城市站2個(gè)代表(麓湖、惠景城),用19日至24日的小時(shí)均值做相關(guān)系數(shù)分析。計(jì)算結(jié)果見表2。O3的小時(shí)均值變化每天有固定的周期性,故不考慮其與其他污染物之間的相關(guān)問(wèn)題。從表2可以看出,相關(guān)系數(shù)最高的是PM10與PM2.5,出乎意料的是,天湖的NO2與SO2的相關(guān)性也非常高,可能與地理位置附近無(wú)NO2和SO2排放源,而且兩污染物空氣動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散特征相似有關(guān);其它污染物之間存在一定的相關(guān)性,但普遍來(lái)說(shuō)不是太顯著。3灰病相關(guān)系數(shù)的特征(1)灰霾引起空氣質(zhì)量惡化,灰霾期間一次污染物和二次污染物區(qū)域平均濃度水平都較相應(yīng)的年均值偏高,其中O3、PM10和PM2.5漲幅較大。(2)對(duì)廣州郊區(qū)的兩個(gè)區(qū)域站研究表明,珠三角PM2.5污染形勢(shì)嚴(yán)峻,灰霾更加重了污染。濃度方面,年均值10a前后相比變化不大,而灰霾期間超出美國(guó)最新日均標(biāo)準(zhǔn)(0.035mg/m3)1倍以上。PM2.5占PM10百分比方面,年均值10a前后相近(均為70%左右),灰霾期間比年均值偏高,說(shuō)明珠三角可吸入顆粒物中細(xì)顆粒物的比重大于粗顆粒物,灰霾天氣下細(xì)顆粒物的比重還會(huì)上升。(3)灰霾期間多項(xiàng)污染物超標(biāo),其中臭氧在多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)超標(biāo),是首要污染物。(4)PM2.5和O3日均值濃度出現(xiàn)峰值相比SO2、NO2、PM10滯后數(shù)日,可能與PM2.5和O3是二次污染物有關(guān)。(5)隨著主要影響因素不同,逐時(shí)變化曲線表現(xiàn)出不同的特征。NO2可分為雙峰、單峰、平直型三類:城市站主要受城區(qū)機(jī)動(dòng)車排放影響,呈雙峰型;個(gè)別區(qū)域站受附近高架電源和垂直對(duì)流影響,呈單峰型;珠三角外圍站受人為干擾小,呈平直型。SO2與NO2類似。O3受太陽(yáng)輻射影響,所有站都是在14時(shí)左右達(dá)到最高,呈明顯的單峰型。城市站PM10與人們活動(dòng)密切相關(guān),凌晨低,白天高,呈雙峰型,而區(qū)域站PM10主要受遠(yuǎn)程輸送和氣象條件影響,無(wú)明顯規(guī)律。PM2.5與PM10走勢(shì)一致。(6)對(duì)于SO2、NO2、PM10,佛山-廣州-東莞一帶是珠三角的污染核心區(qū),這些地區(qū)工業(yè)多,