夏冬，涂建文，陳均，邱曉群

（1.珠海市公共氣象服務中心，廣東珠?！?19000；2.東莞市氣象局，廣東東莞　523086）

珠三角地區(qū)2015年2月一次重污染天氣污染物的時空分布特征

夏冬1.2，涂建文1，陳均2，邱曉群1

（1.珠海市公共氣象服務中心，廣東珠海519000；2.東莞市氣象局，廣東東莞523086）

利用廣東省環(huán)保、氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，對珠三角地區(qū)春季一次重污染天氣過程中污染物濃度的變化特征、空間分布及其相互影響進行了分析，結(jié)果表明：該次過程中珠三角主要城市的AQI日均值最高超過150、東莞和深圳超過了200，空氣質(zhì)量達到了中度到重度污染等級；AQI首先從珠三角西側(cè)開始升高，逐漸擴散為全區(qū)域性的污染天氣；該次污染過程以氣溶膠污染為主，PM2.5和PM10超標率分別達到了0.990和0.993；PM2.5占PM10比例的日均值在52%～79%之間，細粒子污染特征明顯，細粒子對能見度的影響很大。

大氣環(huán)境；重污染天氣；空氣質(zhì)量指數(shù)；珠三角地區(qū)

夏冬，涂建文，陳均，等.珠三角地區(qū)2015年2月一次重污染天氣污染物的時空分布特征［J］.廣東氣象，2016，38（4）：12-16.

近年來空氣污染問題日益凸顯，對社會交通和人體健康造成嚴重的影響。氣象條件與空氣污染有十分重要的關(guān)系［1］。張人禾等［2］分析了2013年1月中國東部持續(xù)性強霧霾天氣過程的熱力和動力因子，認為氣象因子可以解釋超過2/3的霧霾天氣逐日變化的方差，方差貢獻達到0.68。近年來對珠三角地區(qū)污染天氣的分析也越來越多，夏冬等［3］分析了2013年珠三角地區(qū)夏季出現(xiàn)的連續(xù)灰霾天氣過程，認為熱帶氣旋外圍下沉氣流是導致灰霾天氣出現(xiàn)的主導氣象因素；吳兌等［4-5］分析了多次珠三角地區(qū)出現(xiàn)的嚴重灰霾天氣，認為大尺度天氣系統(tǒng)、中小尺度環(huán)流、近地面輸送條件、均能對灰霾天氣的產(chǎn)生、發(fā)展和清除產(chǎn)生重要作用；廖志恒等［6］分析了2006—2012年珠三角地區(qū)SO2、NO2、O3和PM10濃度的年、月變化及空間分布特征，發(fā)現(xiàn)SO2、NO2和PM10濃度呈下降趨勢，O3濃度呈上升趨勢，并認為VOCs排放與氣候變化的共同作用可能是導致二次污染（尤其是O3污染）加劇的原因；肖嫻等［7］分析了2011年10月18—25日珠江三角洲地區(qū)出現(xiàn)的一次區(qū)域性空氣污染過程，發(fā)現(xiàn)重污染區(qū)域集中在西部，后期向中部轉(zhuǎn)移，PM10為首要污染物；張寶春等［8］在2006—2010年珠三角區(qū)域空氣質(zhì)量的時空分布研究中，認為珠三角空氣質(zhì)量整體上逐年改善，區(qū)域污染高值中心由東莞西部逐步向佛山中部轉(zhuǎn)移。雖然對珠三角地區(qū)空氣污染的長期變化趨勢、氣象條件和數(shù)值模擬等方面的研究很多，但總體而言，系統(tǒng)性的對比分析不同種類主要污染物的演變、分布特征，特別是對各種污染物之間相互影響的研究并不多見。本研究對重污染天氣過程中空氣污染物的時空分布進行分析，了解各種污染物的演變和區(qū)域分布特征并探討其原因，對于重污染天氣應急管理、空氣質(zhì)量預報和預警均有重要的意義。

1　資料數(shù)據(jù)

本研究主要利用環(huán)境保護部門公開發(fā)布的珠三角地區(qū)的大氣成分監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)，時間段為2015年2月8—13日，包括珠三角地區(qū)主要城市：廣州、東莞、深圳、珠海、佛山、江門、肇慶和惠州的49個監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)均為小時平均質(zhì)量濃度（μg·m-3），日平均值由小時平均值計算得到。利用的空氣質(zhì)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)有：空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index，AQI）、PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO。其中AQI是定量描述空氣質(zhì)量狀況的量綱一指數(shù)，根據(jù)PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO的質(zhì)量濃度計算所得（環(huán)境空氣質(zhì)量標準（GB3095-2012））。根據(jù)AQI的值，把空氣質(zhì)量劃分為6個等級，分別為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染。此外，本研究還使用了珠三角地區(qū)主要氣象觀測站的能見度自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及相對濕度等常規(guī)氣象要素的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2　天氣背景

該次重污染天氣過程是一次典型的冷空氣影響過后，地面高壓脊變性過程中出現(xiàn)的重污染天氣。圖1展示了2月8—13日08：00地面等壓線的變化趨勢。可以看到，8日08：00珠三角地區(qū)仍受較強的冷高壓脊控制，等壓線較為密集，地面受較強的偏北風影響，風力可達3～4級。9—11日冷高壓脊逐漸減弱變性，等壓線逐漸疏散，11日08：00冷高壓中心已東移出海，導致地面風力減弱，11日風力降至2級左右。12日08：00冷高壓脊已減弱消失，整個華南地區(qū)處于均壓場中，地面風力極弱，非常有利于重污染天氣的產(chǎn)生。13日有一股新的弱冷空氣補充，風力增大，擴散條件轉(zhuǎn)好，污染天氣緩解。

圖1　2015年2月8—13日08：00地面等壓線圖a.8日；b.9日；c.10日；d.11日；e.12日；f.13日

3　空氣污染物的時空變化特征

3.1時間變化趨勢

定義某市所轄區(qū)域內(nèi)所有站點的平均值為該市的AQI值。從珠三角主要城市2015年2月 8—13日的AQI值逐小時的變化趨勢（圖2），可以看出，各城市AQI的變化趨勢具有很好的一致性，說明這是一次區(qū)域性的大范圍空氣污染過程。

圖2　2015年2月8—13日珠三角主要城市AQI值逐小時變化

過程前AQI的最低值出現(xiàn)8日下午，各城市的AQI值均低于80，之后AQI逐漸上升，到9日上午已經(jīng)上升到100左右，廣州、東莞、深圳、珠海、佛山和惠州已經(jīng)達到了輕度污染。9日下午到10日這段時間，各城市的AQI變化出現(xiàn)差別。位于珠三角西側(cè)的肇慶、佛山和珠海總體是上升趨勢，平均AQI在100左右震蕩上升；位于珠三角東側(cè)的深圳、惠州則出現(xiàn)了下降的趨勢，平均AQI降至100以下；而位于珠三角中部的廣州和東莞以及江門的平均AQI則是在60～120之間震蕩起伏。11日以后到12日的凌晨至上午這段時間，整個珠三角區(qū)域的AQI值均出現(xiàn)了急劇上升的趨勢，從100左右上升到150以上，最高的東莞和深圳超過了200，整個珠三角地區(qū)的空氣質(zhì)量達到了中度到重度污染等級。12日上午以后，AQI開始迅速下降，到13日，所有城市的平均AQI均降至100以下，空氣質(zhì)量等級回歸至良，該次污染天氣過程結(jié)束。

3.2AQI的變化特征

進一步分析了AQI的空間分布特征。圖3為2015年2月8—13日珠三角地區(qū)AQI日均值的分布。從圖3可以看到，8日珠三角區(qū)域的日均AQI均在100以下，9日AQI比8日有所上升，10日珠三角西側(cè)的肇慶、佛山以及東側(cè)的惠州AQI上升幅度大于其他區(qū)域，到11日西側(cè)的AQI進一步增大，其余地區(qū)的AQI也繼續(xù)上升，12日整個珠三角區(qū)域的AQI都上升到150以上，出現(xiàn)了全區(qū)域的嚴重污染。到13日，AQI明顯降低，污染過程結(jié)束。

圖3　2015年2月8—13日珠三角地區(qū)AQI日均值的分布a.8日；b.9日；c.10日；d.11日；e.12日；f.13日

3.3各污染物的分布特征

為了分析各種污染物的分布特征，將2015年2月8—13日逐日的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO的日均值的分布列出（圖略）。顆粒物質(zhì)量濃度（PM2.5和PM10）的分布與AQI類似，說明該次污染天氣過程主要是顆粒物污染。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度從8日開始逐漸升高，一直到12日達到峰值。其中珠三角地區(qū)12日的PM2.5質(zhì)量濃度日均值普遍達到100 μg·m-3左右，最高達到150 μg·m-3左右，而12日的PM10濃度日均值普遍達到了150 μg·m-3，最大達到200 μg·m-3左右。從分布特征來講，珠三角西部的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度略高于中部和東部，內(nèi)部地區(qū)高于沿海地區(qū)，這可能與大氣輸送條件有關(guān)。

氣體污染物質(zhì)量濃度的時間和空間分布均與顆粒物質(zhì)量濃度有較大差別。其中SO2和NO2質(zhì)量濃度的空間分布和時間變化趨勢較為相似?？傮w來講，從8日到12日，SO2和NO2的日均質(zhì)量濃度呈逐日上升的趨勢。但與顆粒物質(zhì)量濃度不同的是，SO2和NO2的日均質(zhì)量濃度的最大值出現(xiàn)在11日，12日的日均質(zhì)量濃度已經(jīng)有所下降。到13日時，SO2的日均質(zhì)量濃度已經(jīng)降至20 μg·m-3左右，但是NO2的日均質(zhì)量濃度又開始增大。SO2和NO2的質(zhì)量濃度的空間分布均呈現(xiàn)了顆粒物質(zhì)量濃度不同的特征，可見珠三角邊緣地區(qū)高于中心區(qū)域，其中珠三角邊緣地區(qū)的SO2的日均質(zhì)量濃度要比中心區(qū)域高出10～20 μg·m-3左右，而NO2則要高出30～50 μg·m-3。

O3的質(zhì)量濃度變化和分布呈現(xiàn)出了獨特的特征。在整個污染過程中，O3日均值的最小值出現(xiàn)在11日，整個珠三角區(qū)域的值多數(shù)低于50 μg·m-3。而在其他時間，O3質(zhì)量濃度的日均值區(qū)域差異非常大。珠三角外圍區(qū)域的值要遠遠高于中心區(qū)域，平均高出約50 μg·m-3以上。O3分布與顆粒物質(zhì)量濃度的分布正好相反，這主要是因為顆粒物質(zhì)量濃度上升導致地面的太陽輻射下降，降低了光化學反應的強度，使得O3質(zhì)量濃度下降。

CO的質(zhì)量濃度分布比較有特點，高值區(qū)域主要在珠三角中心偏東的區(qū)域，日均質(zhì)量濃度值從8日起到12日逐日增加，到13日則明顯降低。

3.4污染超標率與PM2.5/PM10值等的特征

計算得到了該次過程珠三角主要城市各站點監(jiān)測的各種污染物質(zhì)量濃度總的超標率，結(jié)果表明：該次污染天氣過程是一次以大氣顆粒物為首要污染物的污染天氣過程，PM2.5和PM10超標率分別達到了0.990和0.993；NO2的超標率也很高，達到了0.683；而O3的超標率相對較低，為0.273；SO2和CO幾乎不超標，分別只有0.003和0.023。

從圖4的各種污染物的空氣質(zhì)量分指數(shù)的概率分布（Probability Distribution，PD），可以看到，IAQI-PM2.5在75～100出現(xiàn)的概率最高，接近0.4，其次為100～125，約為0.3。IAQI-PM10在80～100出現(xiàn)的概率幾乎達到1/2。相對而言，IAQI-NO2的概率分布較為平均，在30～45、45～60、60～75和75～90都在0.2左右。而IAQI-O3、IAQI-SO2和IAQI-CO則主要集中在50以下。

PM2.5被稱為細顆粒物，由于其粒徑更小，對太陽光的散射作用更強，對能見度影響更大［6］。吳兌等［6］曾分析過2008—2011年廣州的細粒子污染問題，認為當時PM2.5占PM10比例可達51%～79%。本研究分析了該次過程中PM2.5占PM10比例（表1）?？梢钥吹?，該次污染過程中珠三角各城市的PM2.5占PM10比例的日均值在52%～ 79%之間，與吳兌等［6］的分析結(jié)果一致。污染過程中（8—11日）PM2.5占PM10比例可達60%～80%，污染過程結(jié)束后降至50%～70%，說明了細粒子對污染天氣的貢獻更大。各城市的PM2.5占PM10比例差異性并不大，只有江門低于70%，其余城市10—11日的日均值都超過了70%，說明整個珠三角地區(qū)的細粒子污染特征較為一致。

表1　各城市PM2.5質(zhì)量濃度占PM10質(zhì)濃度比例的日均值%

從能見度與PM2.5/PM10值的相關(guān)系數(shù)來看（表略），兩者呈較好的負相關(guān)關(guān)系，其中相關(guān)系數(shù)在佛山達到了-0.72，在東莞、深圳和珠海都超過了-0.5。這也說明了當前細粒子是導致能見度下降重要原因。氣溶膠吸濕增長后粒徑增大，散射作用增強，導致能見度進一步下降。從相對濕度與能見度的相關(guān)性看（表略），兩者呈明顯的負相關(guān)性，說明該次污染過程氣溶膠吸濕增長明顯。

4　結(jié)論

1）該次過程是一次大范圍、區(qū)域性的空氣污染過程，珠三角主要城市的AQI日均值最高超過150，東莞和深圳超過了200，空氣質(zhì)量達到了中度到重度污染等級。

2）該次污染過程以氣溶膠污染為主，PM2.5和PM10超標率分別達到了0.990和0.993，NO2的超標率也達到了0.683，O3的超標率相對較低，為0.273，SO2和CO幾乎不超標。

3）該次過程中整個珠三角地區(qū)的細粒子污染特征較為一致，PM2.5占PM10比例的日均值在52%～79%之間。污染過程中PM2.5占PM10比例的逐小時值可達60%～80%，細粒子對污染天氣的貢獻更大。相對濕度對能見度的影響也非常大，兩者呈很好的負相關(guān)關(guān)系。

［1］朱佳雷，王體健，邢莉，等.江蘇省一次重霾污染天氣的特征和機理分析［J］.中國環(huán)境科學，2011，31（12）：1943-1950.

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［4］吳兌，劉啟漢，梁延剛，等.粵港細粒子（PM2.5）污染導致能見度下降與灰霾天氣形成的研究［J］.環(huán)境科學學報，2012，32（11）：2660-2669.

［5］Wu D，Tie X.An extremely low visibility event over the Guangzhou region：A case study［J］.Atmospheric Environment，2005，39（35）：6568-6577.

［6］廖志恒，孫家仁，范紹佳，等.2006—2012年珠三角地區(qū)空氣污染變化特征及影響因素［J］.中國環(huán)境科學，2015，35（3）：329-336.

［7］肖嫻，范紹佳，蘇冉，等.2011年10月珠江三角洲一次區(qū)域性空氣污染過程特征分析［J］.環(huán)境科學學報，2014，34（2）：90-296.

［8］張寶春，陳彥軍，李偉鏗，等.基于GIS的珠三角區(qū)域空氣質(zhì)量時空特征研究［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2011，20（4）：600-605.

Characteristics Analysis of Temporal and Spatial Distributions of Air Pollutants in PRD：A Case Study

XIA Dong1，2，TU Jian-wen1，CHEN Jun2，QIU Xiao-qun1
（1.Zhuhai Public Meteorological Service Center，Zhuhai 519000；2.Dongguan Meteorological Observatory，Dongguan 523086）

Extreme air pollution weather，which can influent the economic and social development and human health considerably，attracted increasing attentions in recent years.In this research，environmental and meteorological data are used to analyze the variations and spatial distributions of air pollutant concentrations and interrelationship of pollutants in a severe air pollution process in spring in Pearl River Delta（PRD）region.Results show that the maximum diurnal air quality index（AQI）in main cities in PRD region gets higher than 150 and overpasses 200 in Dongguan and Shenzhen，which means the air quality levels in PRD reach moderate to heavy pollution levels.AQI in the east of PRD begins to rise firstly，then the whole region drops into high air pollution state.Aerosol pollution dominates the whole air pollution progress. The probability for over-the-standard PM2.5and PM10pollution to appear reaches 0.990 and 0.993，respectively.The diurnal values of the proportion of PM2.5in PM10vary between 52%and 79%.Fine particulates dominate in the pollution progress and affect the visibility dramatically.

atmospheric environment；severe air pollution；air quality index；Pearl River Delta region

X51

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.003

2015-12-10

廣東省氣象局科學技術(shù)研究項目（2015B39）“重污染天氣產(chǎn)生的氣象條件分析及應用”

夏冬（1982年生），男，碩士研究生，高級工程師，主要從事大氣環(huán)境研究工作。E-mail：584131440@163.com