2016年冬季乌昌石区域大气重污染过程分析

谷超　郭宇宏　邓婉月

摘 要：针对2016年11月23日-12月9日新疆乌昌石区域出现的一次长达18天的重污染天气过程，详细分析了各项污染物浓度水平及时空分布特征。监测结果显示，颗粒物浓度超标严重，PM2.5、PM10最高日均浓度达287μg/m3、384μg/m3，分别超标2.8倍、1.5倍，比污染前分别上升2.8倍、2.4倍；整个污染过程中各城首要污染物均为PM2.5，且PM2.5/PM10均在70%以上；PM2.5、PM10与气态污染物SO2、NO2浓度波动同步、稍有滞后，虽然4项气态污染物日均浓度均未超标，但SO2、NO2同比增幅显著，二次颗粒如硫酸盐、硝酸盐加倍生成；乌昌石5个城市污染物浓度变化规律一致，体现典型的区域性污染特征。本次重污染过程出现得比往年早，持续时间长、影响范围广且污染程度重，由于污染物浓度易受环境温度、湿度、风速风向等气象参数的影响，本研究结合气象背景及气象条件变化分析发现，地面高压控制，风速小、逆温层低，污染扩散不利，加之气温降、湿度增，易形成二次气溶胶颗粒，污染持续累积，是此次重污染过程形成的重要原因。

关键词：乌昌石区域；持续重污染；颗粒物浓度；风、温、湿变化

随着经济的高速发展、机动车数量的迅猛增加及城市化进程的加快，雾霾天气呈现明显的增加趋势（贺克斌等，2011；曹军骥，2012；Jiang et al.， 2014）。霾污染不仅导致大气能见度降低，严重影响交通运输和人们的正常生活，而且由于污染物载带大量有毒有害物质，对人体健康产生急慢性危害（Dockery et al.， 1992；白志鹏等，2006）。作为远离海洋、腹地沙漠的内陆省份，新疆有其独特的地理位置和气候条件（梁琼等，2005；徐峰，2012），尤其秋冬季节容易出现水平方向静稳、垂直方向逆温等气象条件，不利于大气污染物的扩散，采暖期长、污染排放大和气象要素共同作用极易形成重污染天气（祝煦等，2005；Pu et al.， 2011）。

2016年冬季，新疆乌昌石区域经历了一次持续时间长达18天的重污染，此次重污染天气过程，比往年出现更早、持续时间更长、污染程度更重，引发公众广泛关注。为有效控制大气污染、及时制定冬季强化措施，亟需针对污染类型、污染物浓度水平和气象条件等，开展系统监测和成因研究工作，为区域大气污染防治提供技术支撑。

1 重污染过程分析

受持续大雾影响，自2016年11月23日起到12月10日，新疆乌昌石区域（国家重点建设的10個城市群之一，具体包括乌鲁木齐市、石河子市、昌吉市、阜康市、五家渠市及呼图壁县、玛纳斯县和沙湾县等5市3县）出现一次连续重污染天气过程，比2015年12月14日的首次重污染过程提前了21天。11月24日五家渠、阜康、石河子先后出现重度污染，11月25日阜康达到严重污染，12月2日整个乌昌石区域达到重度污染级别，重污染天气一直持续到12月11号西伯利亚的冷空气入侵后重污染才有所缓解。此次重污染过程中，五家渠、阜康、乌鲁木齐、石河子、昌吉分别出现11天、10天、10天、8天、6天重污染天气。

1.1 颗粒物浓度水平

基于乌昌石区域5城市的空气自动站实时监测数据，分析各项污染物浓度水平及气温、气压、相对湿度、风速风向等。监测结果显示，此次重污染期间各城市PM2.5平均浓度在146μg/m3-171μg/m3之间，比污染前期浓度水平高出1.2倍-4.3倍，其中乌鲁木齐市PM2.5最高日均浓度出现在12月2日，高达271μg/m3，超《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中PM2.5日均浓度二级标准（75μg/m3）2.6倍，小时最高浓度甚至达到414μg/m3，超标4.5倍。各城市PM10平均浓度在203μg/m3-240μg/m3之间，比污染前期浓度水平高出1.5倍-3.3倍，PM10最高日均浓度出现在五家渠，高达384μg/m3，超PM10日均浓度二级标准（150μg/m3）1.5倍。

重污染过程中乌昌石区域内各城市污染物浓度变化规律一致，在11月25和12月1日各城市均出现PM2.5和PM10浓度峰值，反映本次污染的区域性特征；各城市PM2.5、PM10日均浓度变化非常同步，相关系数为0.98；在整个重污染过程中，各城市首要污染物均为PM2.5，且PM2.5占PM10比重很高，均在70%以上，其中乌鲁木齐市PM2.5/PM10最高达87.7%，高出全年平均水平37个百分点，反映本次污染以细颗粒为主，可能受二次生成贡献较大（Wang et al.， 2012； Wang et al.， 2014）。

1.2 气态污染物浓度水平

本次重污染期间，SO2、NO2、CO日均浓度比污染前显著升高，分别上升95%、98%、111%，O3日均浓度下降36%；通过比对SO2、NO2与PM2.5、PM10浓度时间变化规律，发现颗粒物浓度与气态污染物浓度波动同步、稍有滞后，反映气态污染物作为前体物对颗粒物浓度的影响，因此，虽然4项气态污染物日均浓度均未超标，但SO2、NO2同比增幅如此显著，可能导致二次颗粒如硫酸盐、硝酸盐的加倍生成（Wang et al.， 2012）。

1.3 全国排名

此次重污染过程，尽管乌昌石区域5城市优良天数比例同比减少20个百分点以上，但在11月-12月全国城市空气质量排名中（空气质量状况报告），乌鲁木齐基本处于中等偏下水平，但未进入空气质量相对较差的十个城市名单，说明在全球气候变动和全国大气污染形势严峻情况下，新疆乌昌石城市群大气污染同防同治工作取得一定成效。

2 气象背景分析

2.1 大气环流形势

2016年10月，高压还未移动到新疆北部，空气活动较为活跃，大气相对湿度较低，总体气象条件较利于污染物的扩散。11月-12月，新疆北部一直受高压控制，冷空气活动偏北、次数减少，导致乌昌石区域的高空扩散能力整体变差。从图4和图5可以看出，此次重污染过程期间北疆地区的高压明显比去年同期強，高空暖脊也更突出，位置更靠近乌昌石区域，扩散条件明显比去年同期差。

2.2 温度变化分析

2016年9月以来乌昌石区域日均气温的方差为2015年同期的1.2倍，说明气温波动频繁且变化剧烈。从图6可以看出11月15日之后有一次明显的降温，随即重污染天气开始，气温保持在-5.5℃～-10.8℃之间，12月4日之后气温有明显的回升，气温保持在-2.8℃～0.1℃之間，污染逐渐减轻。此次重污染过程，日均气温比去年同期偏低3.4℃，比污染前偏高0.4℃。

2.3 湿度变化分析

2016年9月相对湿度比上年同期平均偏低12%，10月相对湿度平均偏高19%，11月3-4日升温过快导致空气湿度剧减，比同期偏低20%，但随着11月中下旬气温迅速降低，相对湿度回升显著，同比偏高5%，11月18日后空气湿度维持在80-90%，而后进入重污染天气，至12月8日空气湿度蹿升至90-100%接近饱和，比去年同期偏高6%，导致大雾天气持续出现，直至12月10日重污染才逐渐缓解。

2.4 风速

2016年乌昌石区域秋冬季的风速基本小于1m/s，明显小于2015年同期。从图6可以看出，此次重污染过程前期风速明显降低，污染物逐渐累积，重污染期间日均风速比污染前低0.2m/s（降幅25%），12月6日风速增大，利于扩散，此次重污染过程慢慢结束。

2.5 持续大雾天气

2016年9月-12月乌鲁木齐市风速较小，平均偏低1.9m/s，不利于大气污染物扩散，逐渐形成大雾。尤其是12月1日-14日乌鲁木齐每天都有大雾出现，12月大雾日数历年值为8.4天，而2016年12月上旬雾日数就已超过全月平均值。持续大雾天气的出现，主要原因是冷空气缺失和逆温层同时并存所致，11月下旬受冷空气影响，平均气温较往年同期偏低，但12月上旬气温触底反弹，较往年偏高，白天气温基本维持在0℃以上。气温回暖使得积雪加速融化，近地面的空气湿度增加，到了午后，气温逐渐回落，空气中水汽凝结成小雾滴，形成大雾天气。而乌鲁木齐上空稳定的逆温层，使得近地面空气处于静稳状态，雾气不易消散。

3 结论

在2016年11月23日-12月9日期间，新疆乌昌石区域经历了一次长达18天的重污染天气，此次重污染过程出现时间早、波及范围广、持续时间长，5个城市污染物浓度变化规律一致，体现典型的区域性污染特征。

此次重污染期间，PM2.5与PM10协同变化，日均浓度比污染前分別上升2.8倍、2.4倍，最高日均浓度达287μg/m3、384μg/m3，分别超标2.8倍、1.5倍，其中PM2.5占PM10比重平均在70%以上，与首要污染物为PM2.5一致，反映本次污染以细颗粒为主；PM2.5、PM10与气态污染物SO2、NO2浓度波动同步、稍有滞后，虽然4项气态污染物日均浓度均未超标，但SO2、NO2同比增幅显著，可能导致二次颗粒如硫酸盐、硝酸盐的加倍生成。

气象要素分析表明，整个重污染期间乌昌石区域一直受高压控制，地面风速偏小、温度偏低，冷空气活动偏北、次数较少，导致乌昌石区域的高空扩散能力整体较差，结合高空的偏南风容易造成较强的逆温层。受以上不利的污染气象条件影响，持续大雾天气造成湿度持续高达90%，易形成二次气溶胶颗粒，使得首要污染物PM2.5浓度迅速升高。加之总体风速小，逆温层低，污染物极其不易扩散，大气环境容量迅速变小，污染持续累积，AQI指数迅速升高。

应协调联动启动重污染应急响应措施，合力削峰，有效降低重污染程度、缩减持续时间，最大限度减轻空气重污染影响，以保障公众健康，实现共同改善区域环境空气质量的目标。

参考文献：

[1]GB3095-2012.环境空气质量标准[S].中华人民共和国环境保护部，2012.

[2]中国环境监测总站. 空气质量状况报告. 2016年11月-12月.

[3]白志鹏，蔡斌彬，董海燕等. 灰霾的健康效应[J]. 环境污染与防治， 2006，28（3）：198-201.

[4]曹军骥. 我国PM2.5污染现状与控制对策[J]. 地球环境学报， 2012，3（5）：1029-1036.

[5]贺克斌，杨复沫，段凤魁，马永亮.大气颗粒物与区域复合污染 [M].北京 ： 科学出版社 ，2011.

[6]梁琼，尹辉，牟书勇，张道勇，潘响亮. 乌鲁木齐市采暖期大气PM2.5特征分析[J].干旱区研究，2005，32（3）： 543-550.

[7]徐峰.乌鲁木齐市2011年冬季PM2.5/PM10浓度特征分析[J].干旱环境监测，2012，26（2）：81-85.

[8]祝煦，黄正勇，贺磊. 影响环境空气质量的PM2.5与相关因素的关系研究[J]. 安庆师范学院学报（自然科学版）， 2005，21（1）：31-35.

[9]Dockery D W， Schwartz J， Spengler J D. Air pollution and daily mortality： Associations with particulates and acid aerosols[J]. Environmental Research， 1992， 59（2）： 362-373.

[10]Jiang J K， Zhou W， Cheng Z， et al. Particulate Matter Distributions in China during a Winter Period with Frequent Pollution Episodes （January 2013）[J]. Aerosol Air Quality Research， 2014， X： 1-10.

[11] Pu W， Zhao X， Zhang X， et al. Effect of Meteorological Factors on PM2.5 during July to September of Beijing[J]. Procedia Earth & Planetary Science， 2011， 2（0）： 272-277.

[12] Wang L T， Xu J， Yang J， et al. Understanding haze pollution over the southern Hebei area of China using the CMAQ model[J]. Atmospheric Environment， 2012， 56： 69-79.

[13]Wang D X， Hu J L， Xu Y， et al. Source contributions to primary and secondary inorganic particulate matter during a severe wintertime PM2.5 pollution episode in Xi’an， China[J]. Atmospheric Environment， 2014， 97： 182-194.