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中国南京长期霾事件分析
Hanqing Kang, Bin Zhu , Jifeng Su, Honglei Wang, Qiuchen Zhang, Fei Wang
南京信息科学 amp; 技术大学大气物理系, 南京210044
文章信息
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文章历史: 2012年3月29日收到 2012年6月23日收到经修订的表格 2012年8月1日通过 |
从10月15日到 31, 2009, 南京及其周边地区发生了长期的霾事件。研究了该污染事件中气溶胶的物理、化学和光学性质。在长期的阴霾中, 长三角地区受高压系统控制, 地表压力梯度极小。空气污染物的输送和扩散受到极低的表面风速的压制, 稳定的分层大气和较低的混合层深度 (MLD) 。 |
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关键词: 长期持续的烟雾污染 气溶胶 大气边界层 南京 |
后弹道分析表明, 在这一污染过程中, 局部排放和区域运输是重要的。该模式和粗模粒子的平均日变化具有双峰分布, 主要受大气边界层（ABL）日变化和人为排放的影响。累积模式粒子主要受大气日变化的影响;而新的粒子形成过程对成核模式粒子是重要的。气溶胶粒子数浓度的峰值转移到较大的粒径, 可能是由于烟雾通过在Aitken模式粒子的碰撞和凝固中有利于积累模式气溶胶。NO3minus; /SO2minus;的高比率表明 , 在长三角地区, 交通来源变得越来越重要。平均气溶胶散射系数是 696.7plusmn;445.4 mminus;1, 主要是由于在污染过程中直径间隔从0.6 到1.4 mu;m的粒子计数显著增加。较高的堆积模式粒子计数和较高的相对湿度是烟雾中大气能见度损伤的主要原因. |
1. 简介
Husar 等 (1997)发现南亚经常覆盖着褐色气溶胶云, 它被称为亚洲棕云 (ABC)。棕霾由多种气溶胶组成, 如硫酸盐、硝酸盐、炭黑、有机碳、粉尘等, 主要来源于矿物燃料燃烧和生物质燃烧。以前的研究表明, 粒子通过散射和吸收可见光来降低能见度 (Malm 等, 1994, 1996; Latha and Badarinath, 2003; Kim 等, 2006)。烟雾污染引起的能见度损害不仅会增加交通拥堵, 还会引起呼吸系统和心血管疾病 (Husar 等, 1979, 1981, 2000; Leavey and Sweeney, 1990; Hornberg 等, 1998; Schichtel 等, 2001; Field 等, 2004; Chang 等, 2009)。此外, 薄雾通过散射和吸收太阳辐射对农业、气候和生态系统产生影响 (Sachweh and Koepke, 1995; Davies and Unam, 1999; Ramanathan 等, 2001).
改革开放后, 中国的经济、城市化和能源消费迅速增长。烟雾污染频繁发生, 是城市中最重要的问题之一。目前, 中国有四处严重的霾污染地区:环渤海、长江三角洲地区、珠江三角洲地区和四川盆地。长三角地区位于太平洋西海岸, 是中国经济发展最快的地区。在过去十年中, 长三角地区的烟雾污染在增加 (Tie 等, 2006; Fu 等, 2008; Che 等, 2009; Deng, 2011)。一些研究 (Xu 等, 2002; Qian 等, 2008; Yin 等, 2009; Gao 等, 2009) 讨论了该区域的气溶胶特性, 但对持久烟雾污染过程的研究是有限的.
作为长三角地区的第三大城市, 南京占地面积6500多平方公里, 人口超过800万。随着人口快速增长 (部分原因是外来务工人员涌入) 和能源消费, 烟雾污染已成为南京市最重要的环境问题之一。Tong 等 (2007) 发现, 1961年至 2005年, 朦胧日的发生有所增加.
2009年10月15日至31日在南京发生了严重的霾事件。本研究调查了该霾污染事件中的气象条件和气溶胶的物理、化学和光学性质。
2. 方法论
2.1. 数据和站点信息
在南京郊区的信息科学 amp; 技术学院的校园内同时监测了气溶胶的特性、能见度和气象因素, 距离市中心约15公里。一个钢铁厂位于校园东边2公里处, 一个大约10公里的化学工业园区, 东北部, 还有住宅区和农田到西部和北部的校园。它是快速发展的长三角地区郊区的一个缩影, 并且多数气溶胶和雾监视器被安置了在这里 (Kang 等, 2009; Liu 等, 2010, 2011; Lu 等, 2010)。实地研究发生在10月19日至 2009年11月1日, 没有涵盖整个烟雾污染事件 (从10月15日到31日, 2009)。2009年10月南京每日空气污染指数 (API) 取自中华人民共和国环境保护部.NCEP GDAS 1°times;1°气象数据用于初始化混合单粒子拉格朗日集成弹道模型 4.8 (HYSPLIT-4).
2.2. 仪器
宽量程粒子光谱仪 (WPS;MSP 公司型号 1000XP) 用于测量 0.01-10 mu;m 的范围内的气溶胶大小分布。该仪器结合了差分移动分析 (DMA)、冷凝粒子计数 (CPC) 和激光粒子光谱分析 (LPS) 的原理。DMA 将大小范围内的粒子分类为10到500毫微米, 其中24、48或96通道。在本研究中, 我们选择了48通道的采样模式。CPC 测量从 DMA 的气溶胶出口的微粒的数量集中。LPS 是一个单粒子, 广角光学传感器, 用于测量粒子大小从0.35 到 10 mu;m 与固定24通道。本研究将一个采样周期设置为5分钟。FA-3 气溶胶大小分布取样器用于收集小于 10 mu;m 的粒子, 用于进行质量和离子分析。过滤器的质量是用梅特勒托莱多 MX5 电子来确定的。用 Dionex ICS-2000 层析系统分析了颗粒的离子组成。气溶胶光散射系数由模型3563集成 Nephelometer (TSI) 监测, 它有三个带通滤波器, 以波长为 450 nm (蓝色), 550 nm (绿色), 700 nm (红色)。
3. 结果和讨论
3.1. 长期烟雾污染事件的描述
API 是描述中国空气质量的一种简单、通用的方法。它是根据二氧化硫 (SO2)、二氧化氮 (NO2) 和悬浮微粒 (PM10) 的浓度来计算的。单个分数被分配到每一个污染物的水平, 最后的 API 是最高的那三分数。每个污染水平的 API 限制及其对应的质量浓度均显示在表 1。2009 10月15日至31日, 南京及其周边地区发生了长期的大气污染过程。2009年10月在南京及其附近城市的 API 也显示在图 1中。这些城市的 API 值从10月15日增加到28日, 达到或超过中国空气质量标准二级 (100) 的限制。当 API 高于100时, 我们将其定义为烟雾污染过程。从10月16日至30日, 南京的空气污染指数仍高于 100, 平均值为 125, 这是长三角地区地区所有城市中最高的值。当冷锋在11月1日通过长三角地区时, 空气污染物因强风和降水的增加而减少, 这些城市的 API 减少到50左右。由于主要污染物是气溶胶, 我们将此过程命名为一个长期的霾事件. '
3.2. 气象因素
气象条件在空气污染物的运输、扩散和沉积中经常起着重要作用。稳定的大陆高压和低压系统是主要的天气系统, 使其有利于中尺度和大规模的污染形成 (Chen 等, 2007; Zhu 等, 2010). 图 2a 是2009年10月20日08：00东亚的地表天气格局。从这张地图可以看出, 长三角地区处于高压系统的控制之下, 等压线之间的大间距表明了大规模的停滞。整个持久污染过程的表面模式与图 2a 中显示的相似.这种天气系统将导致较低的地表风速和稳定的分层大气, 有利于空气污染物的积聚。为了了解空气气团，通过南京的运输途径，进行了HYSPLIT-4后向轨迹分析。
表1 每个组分的 API 极限和相应的质量浓度。
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图 1.2009年10月1日至11月2日在南京、合肥、上海、镇江、苏州和扬州的每日API. |
图 3给出了2009年从10月20日到30日的72小时回弹道和 MODIS 火分布的聚类分析结果。它清楚地显示了从聚类分析中的三主要途径。第一条路线代表了长途运输过程从西北部, 仅占空气质量运输的8%。第二个途径是最重要的, 大约占空气质量运输的66%。第三条途径表明, 大约26% 的空气质量来自西南方向。在第三条道路上有大量的火源, 这意味着这种烟雾污染事件受生物量燃烧的部分影响。冷锋在11月1日通过长三角地区 (图 2b), 结束了持久的空气污染事件.
图 4显示2009年10月20日至31日南京当地气象条件。表面风、能见度、相对湿度、降雨量和日最大 MLD同时间的函数。在污染期间, 风向为偏东、偏南, 平均风速小于5米/秒, 对空气污染物水平的分散不利。大气能见度不到10公里, 在10月26日至31日的严重污染期间, 平均值仅为2公里;此外, 这些日子的相对湿度为 72.5%, 其他污染日则高于51.7%。大气消光是随气溶胶浓度和相对湿度的增加而增强的, 在整个污染过程中能见度较低。每日最大 MLD 从10月22日到11月1日低于1000米, 10月27日只有248米。这一长期持续的烟雾污染过程的一个重要原因是由于低 MLD 引起的地表附近空气污染物的积聚。虽然污染过程在11月1日结束, 但最大 MLD 仍然低于1000米, 这意味着 MLD 不是这一事件结束的主要贡献者。10月31日下午, 一个冷锋经过南京. 风向变北, 风速和能见度增加, 晚上发生降水, 所有这些都有助于结束这一事件.
3.3. 气溶胶物理、化学和光学属性
3.3.1 气溶胶物理属性
图 5显示0.01 中粒子数大小分布的时间序列-1mu;m. 在这一持久的烟雾污染期间, 气溶胶数浓度主要在0.02 和 0.2 mu;m 之间下降, 其峰值高于70000cmminus;3。10月31日下午, 冷锋通过南京时, 气溶胶数浓度显著下降. 成核模式的日变化 (0.01– 0.02 mu;m), Aitken模式 (0.02 -0.1 mu;m), 累积模式 (0.1-1 mu;m) 和粗模式 (1–10 mu;m) 气溶胶数浓度显示在图 6中。Aitken模式, 粗模式和总气溶胶显示相似的日变化, 以双峰分布。第一个峰值出现在 08：00, 主要受人为排放量增加和低辐射的影响。随着太阳辐射的增强和边界层的增加, 颗粒数浓度下降;他们在15：00达到最低。第二峰值出现在21：00, 边界层高度减小。堆积模态颗粒的数量浓度比大气稳定性影响较小。他们在15：00达到最低。成核模式粒子13：00达到峰值, 可能受新粒子形成过程的影响。然而，成核模式颗粒的数量浓度明显低于Aitken模式或堆积模式，这意味着在高湿度和高浓度大粒子的作用下，新粒子形成过程不明显。
众所周知, 城市大气中的大部分环境粒子都在超细大小范围内 (b0.1 mu;m) (Woo等, 2001;Gao等, 2007)。在本研究中, 在 0.01- 0.1 mu;m 的大小范围内找到了总粒子计数的 62%。这与在亚特兰大报告中的61%相当 (Woo等, 2001), 但小于东德的72% (Tuch 等, 1997) 和太仓的94% (Gao等, 2009)。当新的粒子形成过程很重要时, 这个百分比将非常高。本研究与其他研究中粒子数浓度的比较显示在表 2。
图 2.东亚地区在08:00的地表天气模式a)2009年10月20日和 b) 2009年11月1日.
图 3. 从2009年10月20日到30日, 72 小时后弹道和 MODIS 火力分布的聚类分析 (点)
在这个长期的污染期间, Aitken模式粒子数浓度低于其他研究;然而, 除了北京 (Wu等, 2008) 之外, 积累模式的粒子计数比其他研究的结果要高得多。气溶胶粒子数浓度的峰值转移到较大的粒度, 可能是由于烟雾污染过程通过Aitken模式粒子的碰撞和凝固有利于积累模式气溶胶。北京(Wu等、2008) 和广州 (Tan 等, 2009a)也发现了类似的现象。81%的总表面积浓度在0.1 和 1 mu;m 直径范围之间下降。堆积模式和粗模是体积浓度的两个主要成分, 占总体积浓度的99%。计算了气溶胶总数浓度与表面浓度的关系, 但两者之间没有明显的相关性 (R = 0.28);无论是在数量浓度和体积浓度之间的关系 (R = 0.21)。这与在匹兹堡 (Stanier 、2004) 和济南 (Gao 等, 2007) 观察到的结果是一致的。能见度与总粒数浓度、表面积浓度和体积浓度之间的相关系数分别为 minus;0.04, minus;0.82 和 minus;0.83。气溶胶表面积浓度和体积浓度可能是可见性损伤的良好指标。图 7显示了在污染事件期间粒子数浓度、表面积和体积浓度的平均大小分布。粒子数集中的峰值出现在 0.1 mu;m 上。这与同一地点的其他野外实验不同;例如, Qian (2008) 和Kang等 (2009) 发现峰值通常出现在0.02 和0.05 mu; m 之间的直径间隔内 。粒子表面积和体积浓度的大小分布是双峰的, 每个分布的峰值约为 0.2mu;m 到 3 mu;m, 和0.6 mu;m 到 3mu;m.
3.3.2 气溶胶化学性质
水溶性无机离子是大气颗粒的重要成分, 被认为是可见性损伤的重要贡献者。
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