秋季秸稈焚燒對(duì)臨汾市空氣質(zhì)量的影響分析

　　摘要：利用2016-11-01—11-15的可見(jiàn)光紅外成像輻射儀熱異�；瘘c(diǎn)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品(VisibleInfraredImagingRadiometerSuite，VIIRS)以及對(duì)應(yīng)時(shí)段的臨汾市PM2.5、PM10、CO、SO2濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)、晉南盆地26個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，綜合應(yīng)用相關(guān)分析和空間插值等方法分析了周邊區(qū)域秸稈焚燒對(duì)臨汾市大氣污染過(guò)程的影響。研究結(jié)論可為臨汾市開(kāi)展有針對(duì)性的協(xié)同治理提供科學(xué)依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：秸稈焚燒,污染物,空氣質(zhì)量,時(shí)空分布

　　生物質(zhì)燃燒是全球重要的大氣污染排放源(KAISERetal.，2011)，據(jù)估算，每年約有8700Tg干物質(zhì)來(lái)自生物質(zhì)燃燒排放(YADAVetal.，2017)，而且大約90%的生物質(zhì)燃燒與人類活動(dòng)息息相關(guān)(ANDREAE，1991;CHENetal.，2017)。

　　生物質(zhì)燃燒排放的氣溶膠及氣態(tài)污染物對(duì)近地層大氣化學(xué)、云微物理過(guò)程、輻射平衡方面產(chǎn)生著重要的影響(LEVINE，2013)。生物質(zhì)作為一種重要的資源，長(zhǎng)期以來(lái)在中國(guó)利用效率較低(朱開(kāi)偉等，2015;馬驍軒等，2016)。據(jù)估計(jì)，每年秸稈焚燒量約為140Tg(曹國(guó)良等，2007)，且大多數(shù)情況下為露天燃燒，從而排放了大量的氣溶膠、CO以及多環(huán)芳烴(PAHs)等有毒有害物質(zhì)(田賀忠等，2011)，對(duì)大氣環(huán)境造成了很大的影響。

　　近年來(lái)的研究結(jié)果表明，秋冬季節(jié)一些城市的重污染過(guò)程與周邊的秸稈燃燒及其污染物的輸送有著重要的聯(lián)系。尹聰?shù)?2011)研究認(rèn)為，2008-10蘇中和蘇北地區(qū)秸稈焚燒污染物的輸送是導(dǎo)致南京市大氣污染事件的主要原因。周悅等(2016)研究發(fā)現(xiàn)，在2014-06夏糧收獲季節(jié)，安徽省北部大面積秸稈焚燒所形成污染氣團(tuán)的輸送是導(dǎo)致湖北省中東部地區(qū)的重度霾天氣的主要原因。

　　程良曉等(2017)認(rèn)為影響北京空氣質(zhì)量的麥秸焚燒源區(qū)主要為華北平原的冬小麥產(chǎn)區(qū)，輸送路徑以偏南和偏東方向?yàn)橹�，其中以西南方向最多，污染最�?yán)重。毛慧琴等(2018)研究認(rèn)為東北地區(qū)年內(nèi)各月秸稈焚燒火點(diǎn)及PM2.5排放在春(3—4月)、秋(10—11月)兩季最為明顯，春季火點(diǎn)數(shù)及排放量多于秋季，同時(shí)在火點(diǎn)及其下風(fēng)向的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)和氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)往往會(huì)迅速升高。

　　中國(guó)北方地區(qū)秸稈焚燒主要發(fā)生在夏糧和秋糧收獲季的尾聲階段，秸稈焚燒導(dǎo)致或加重大氣污染主要是在秋季(徐敬等，2018)。臨汾作為生態(tài)環(huán)境部污染防治重點(diǎn)區(qū)域(汾渭平原)的主要城市，每年秋季深受周邊秸稈露天焚燒的影響，加之秋冬季節(jié)大氣污染擴(kuò)散條件較差，往往會(huì)形成持續(xù)的嚴(yán)重污染過(guò)程。

　　以往類似的研究主要針對(duì)華東、華南、華中、京津冀等地區(qū)展開(kāi)，而針對(duì)汾渭平原的研究較少。本文選取2016-11-01—11-15這段時(shí)期研究前后兩段不同的污染過(guò)程，綜合利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)站污染物觀測(cè)數(shù)據(jù)和氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了周邊區(qū)域秸稈焚燒對(duì)臨汾市大氣污染過(guò)程的影響，以期為本區(qū)大氣污染防治提供參考。

　　1數(shù)據(jù)與方法

　　1.1數(shù)據(jù)

　　火點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)使用為NASA發(fā)布的可見(jiàn)光紅外成像輻射儀熱異常產(chǎn)品(VisibleInfraredImagingRadiometerSuite，VIIRS)，其分辨率為375m，該產(chǎn)品在反演過(guò)程中剔除了云覆蓋的影響，對(duì)面積較小的熱源也具有較高的敏感性(CSISZARetal.，2014)。

　　因此，VIIRS能夠更加高效地反映火點(diǎn)的真實(shí)分布情況，數(shù)據(jù)時(shí)段為2016-11-01—11-15白天和夜間的VIIRS，數(shù)據(jù)截取范圍為110.0°E~112.6°E，34.5°N~37.0°N。為了分析污染過(guò)程中臨汾市顆粒物、污染氣體的變化，還獲取了山西省環(huán)境監(jiān)測(cè)站臨汾市的PM2.5、PM10、CO、SO2小時(shí)和日均濃度數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于山西省氣象局信息中心，主要包括風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度、溫度和降水等要素，觀測(cè)點(diǎn)包括了晉南城盆地及周邊的26個(gè)站點(diǎn)，數(shù)據(jù)時(shí)段與VIIRS時(shí)段匹配。

　　1.2數(shù)據(jù)處理方法

　　1.2.1數(shù)據(jù)的無(wú)量綱處理

　　由于衛(wèi)星的火點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與臨汾市的PM2.5、PM10、CO、SO2濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)兩者之間單位不統(tǒng)一，本文對(duì)二者進(jìn)行歸一化無(wú)量綱處理，將原始數(shù)據(jù)處理成[0，1]之間的數(shù)據(jù)，消除原始數(shù)據(jù)的量綱差異，在日均污染物濃度變化與火點(diǎn)關(guān)系分析，逐時(shí)PM2.5、PM10、CO與SO2的比值分析時(shí)均采用無(wú)量處理后進(jìn)行。計(jì)算方法如下：max[]min[]min[]iiiiiXXXXY(1)式(1)中：Yi為歸一化無(wú)量綱處理數(shù)據(jù);Xi為未經(jīng)處理的原始數(shù)據(jù)。

　　1.2.2風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理

　　氣象站的風(fēng)速和風(fēng)向?yàn)闇y(cè)風(fēng)塔10m高度的觀測(cè)結(jié)果，為了更加直觀地分析風(fēng)場(chǎng)狀態(tài)，本文將風(fēng)速和風(fēng)向分解為緯向(U)和經(jīng)向風(fēng)矢量(V)，然后利用克里金插值法分別對(duì)U、V風(fēng)矢量進(jìn)行插值，從而得到晉南盆地的風(fēng)場(chǎng)。

　　2結(jié)果和分析

　　2.1火點(diǎn)時(shí)空分布特征

　　晉南盆地處于山西省西南部汾河下游地帶，是汾渭平原的主體部分，該地區(qū)人口稠密，工農(nóng)業(yè)較為集中，每年11月份是本區(qū)秋收尾聲階段，由于大田管理較為傳統(tǒng)，露天焚燒作物秸稈較為普遍。臨汾市作為晉南盆地重要的城市，每年秋季空氣質(zhì)量的變化深受周邊地區(qū)秸稈焚燒的影響。

　　本文統(tǒng)計(jì)了晉南盆地2016-11-01—11-15的逐日火點(diǎn)數(shù)量，可以看出，火點(diǎn)數(shù)量的變化經(jīng)歷了2個(gè)時(shí)段，即2016-11-01—11-05和2016-11-08—11-15，這些天的火點(diǎn)數(shù)量均在20個(gè)以上，其中11月3、4、11、13日火點(diǎn)較多，分別達(dá)到了95，76，75和80個(gè)，對(duì)應(yīng)的臨汾市日平均空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)分別達(dá)到了267，286，229和208，均為重度污染級(jí)別，11月6、7日監(jiān)測(cè)到的火點(diǎn)較少，分別為15和12個(gè)，對(duì)應(yīng)的臨汾市AQI指數(shù)分別為82和98，屬于二級(jí)良好。

　　由于11月3、4、11和13日火點(diǎn)分布較多，本文著重分析這4天的火點(diǎn)分布情況。這4天云層覆蓋較為稀疏，霾分布范圍和輪廓較為明顯，主要分布在地勢(shì)較為平緩的河谷地帶，其中11月4、11、13日霾覆蓋的范圍較廣，且向周圍地勢(shì)較高的地區(qū)擴(kuò)散的跡象較為明顯。

　　秸稈火點(diǎn)的分布與霾覆蓋的區(qū)域較為吻合，河津—侯馬—臨汾一線火點(diǎn)較為密集，形成了一個(gè)密集火點(diǎn)弧形帶，其中河津附近火點(diǎn)密度最大，達(dá)到了149個(gè)，其次為侯馬，達(dá)到99個(gè)。由于這一地帶處于狹長(zhǎng)的河谷地帶，受地形條件的影響，污染擴(kuò)散也受到了一定的限制，大氣污染物在這種地形的限制下往往會(huì)構(gòu)成一種“避風(fēng)港”效應(yīng)(徐祥德等，2015)。

　　2.2污染物變化特征及其與火點(diǎn)的關(guān)系

　　2016-11-01—11-15臨汾市污染物的時(shí)間序列呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，即在11-01—11-05和11-08—11-15期間4種污染物均較高，而11月6、7日較低。11-01的PM2.5濃度低于100μg·m-3，11-02，濃度開(kāi)始超過(guò)100μg·m-3并逐漸上升，到11-05，濃度達(dá)到一個(gè)高峰，且大部分時(shí)段PM2.5濃度超過(guò)環(huán)保部規(guī)定的重污染分指數(shù)濃度閾值150μg·m-3。

　　11-06—11-07晉南地區(qū)有一次降水過(guò)程，PM2.5明顯下降，與此同時(shí)火點(diǎn)數(shù)量也明顯減少，前期污染過(guò)程告一段落。8日PM2.5濃度再次上升，但是波動(dòng)幅度明顯比前期微弱，大部分時(shí)段PM2.5分指數(shù)在中度污染閾值115~150μg·m-3范圍之間，從中也可以看出，前期PM2.5濃度與PM10的變化趨勢(shì)較為吻合，而后期二者的區(qū)別特別明顯，PM10的波動(dòng)幅度較PM2.5更為強(qiáng)烈，這可能是前后兩段時(shí)期的污染來(lái)源發(fā)生了一些變化。CO濃度與PM10有類似的波動(dòng)變化，與SO2濃度變化吻合度有一些差別，前期較差而后期較好。

　　2016-11-01—11-15火點(diǎn)數(shù)量與污染物日均濃度的散點(diǎn)二者相關(guān)性均呈現(xiàn)出了正相關(guān)關(guān)系，與PM2.5、PM10、CO的復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.495，0.374和0.505，與SO2的關(guān)系較差，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.049，說(shuō)明周邊地區(qū)火點(diǎn)數(shù)量對(duì)臨汾市SO2濃度的貢獻(xiàn)較小。

　　11月份，晉南地區(qū)秋收結(jié)束，秸稈焚燒較為集中的時(shí)段，秸稈露天焚燒為不完全燃燒，燃燒過(guò)程中會(huì)生成大量CO、氣溶膠(唐喜斌等，2014)，從火點(diǎn)數(shù)量與固態(tài)、氣態(tài)污染物的相關(guān)性來(lái)看，這段時(shí)期臨汾市大氣染來(lái)源與生物質(zhì)焚燒有很大的關(guān)系。研究認(rèn)為，一定時(shí)期內(nèi)城市污染源對(duì)大氣顆粒物與氣態(tài)污染物的貢獻(xiàn)比例相對(duì)穩(wěn)定(BEGUMetal.，2005)，生物質(zhì)焚燒排放了大量氣溶膠和CO，而對(duì)SO2貢獻(xiàn)較小(HAYSetal.，2005;王英等，2006;蔡宏珂等，2014)，當(dāng)受外來(lái)生物質(zhì)燃燒污染輸送影響時(shí)，城市PM10和SO2比值會(huì)明顯增大(李令軍等，2008)。

　　所以，本文可用PM10和SO2比值反映生物質(zhì)焚燒污染對(duì)臨汾市空氣質(zhì)量影響過(guò)程及強(qiáng)度。從11-01—11-05的PM10和SO2比值來(lái)看，比值波動(dòng)幅度較大，個(gè)別時(shí)段最高可達(dá)到6以上;11-06—11-07后期呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，比值在2～4之間;8—15日比值在2上下波動(dòng)，趨于平穩(wěn)。PM2.5和SO2、CO和SO2的比值大體上類似于PM10和SO2的比值。

　　2.3近地面風(fēng)場(chǎng)與傳輸過(guò)程分析

　　近地面風(fēng)場(chǎng)情況對(duì)大氣中污染物的稀釋和擴(kuò)散具有重要作用(孔佑花等，2018)，本文的風(fēng)場(chǎng)由氣象站觀測(cè)的日均風(fēng)速和風(fēng)向轉(zhuǎn)換成U、V風(fēng)矢量，然后分別插值成格點(diǎn)得到。從11-03風(fēng)場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，侯馬—臨汾—翼城一帶形成了一個(gè)局地的反氣旋式環(huán)流，臨汾南部為西南風(fēng)、而北部為西北風(fēng)，臨汾正處于風(fēng)場(chǎng)的輻合帶上，風(fēng)速均小于2m/s，臨汾市的大氣污染可能受到南北兩支氣流的影響，污染氣團(tuán)可能在臨汾市附近匯集。

　　11-04侯馬—臨汾一帶以西南風(fēng)為主導(dǎo)，南支氣流影響較為顯著，有利于污染氣團(tuán)的向北輸送，由于11月3、4日的風(fēng)場(chǎng)分布均有利于污染氣團(tuán)的輸送，所以，可能外來(lái)污染源對(duì)臨汾市的污染具有較大影響。11月11、13日地面風(fēng)場(chǎng)分布較為復(fù)雜，臨汾市附近風(fēng)場(chǎng)輻散特征明顯，但是平均風(fēng)速在0.5～0.8m/s，污染物的水平擴(kuò)散能力有限，不足以對(duì)大氣污染形成顯著的稀釋擴(kuò)散，也說(shuō)明這兩日的外來(lái)污染源對(duì)該地的貢獻(xiàn)較小。

　　3討論

　　秸稈焚燒活動(dòng)往往呈現(xiàn)無(wú)序狀態(tài)，存在明顯的隨機(jī)性(王柳偉等，2017)，但是城市的污染源區(qū)與秸稈焚燒分布及其污染的傳輸一致時(shí)，在部分時(shí)段，城市空氣質(zhì)量與秸稈焚燒及其污染變化的統(tǒng)計(jì)關(guān)系十分密切(鐘方潛等，2017)，這種情況下往往會(huì)形成嚴(yán)重的污染事件。

　　大氣污染也包括了多種復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，其中氣象條件的變化深刻影響著大氣污染過(guò)程，溫度、相對(duì)濕度、地面風(fēng)向和風(fēng)速、降水量、天氣系統(tǒng)等諸多氣象因子對(duì)污染過(guò)程中的氣粒轉(zhuǎn)化、吸濕增長(zhǎng)、干濕沉降等過(guò)程具有重要的影響(張小曳等，2013;WUetal.，2013;LIetal.，2014)，本文選取的研究時(shí)段內(nèi)氣象條件也發(fā)生了一些復(fù)雜的天氣變化過(guò)程。

　　11月3、4、11、13日的平均風(fēng)速均低于1m/s，風(fēng)速較小，污染擴(kuò)散的動(dòng)力條件較差，容易造成污染物的積累，且相對(duì)濕度處于50%～70%左右，有利于氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)。從地面天氣系統(tǒng)來(lái)看，高壓后部(HPR)、弱低壓(WL)、倒槽(IT)、均壓場(chǎng)(UPF)等均為不利于污染擴(kuò)散的天氣類型(郭麗君等，2015;周靜等，2018;張瑩等，2018)，由于11月6、7日地面天氣系統(tǒng)分別以弱低壓和低壓(LP)為主導(dǎo)，由于有降水過(guò)程，降水量分別為10.4mm和13.6mm，達(dá)到了中雨量級(jí)(中雨：日累積降水達(dá)到10～25mm)，可能對(duì)臨汾市污染物清除具有明顯的效果。

　　4結(jié)論

　　本文利用VIIRS火點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了2016-11-01—11-15晉南盆地秸稈火點(diǎn)的時(shí)空分布情況，探討了秸稈火點(diǎn)數(shù)量與臨汾市空氣質(zhì)量的關(guān)系，并且分析了秸稈焚燒污染物輸送的風(fēng)場(chǎng)特征，得到如下結(jié)論。

　　2016-11-01—11-15火點(diǎn)數(shù)量的變化經(jīng)歷了2個(gè)時(shí)段，11-01—11-05和11-08—11-15秸稈火點(diǎn)數(shù)量較多，對(duì)應(yīng)的臨汾市空氣質(zhì)量也出現(xiàn)了持續(xù)的重污染過(guò)程。從秸稈火點(diǎn)的空間分布來(lái)看，在河津—侯馬—臨汾一帶火點(diǎn)分布較為集中，其中河津市周邊的秸稈火點(diǎn)密度最大，達(dá)到了149個(gè)，其次是侯馬周邊，達(dá)到99個(gè)，秸稈火點(diǎn)的分布與衛(wèi)星鎮(zhèn)彩圖顯示的霾分布范圍較為吻合。

　　逐日秸稈火點(diǎn)數(shù)量與臨汾市PM2.5、PM10、CO的相關(guān)性較好，R2分別可以達(dá)到0.493，0.381，0.505，與SO2的相關(guān)系較差，R2為0.059。從PM2.5、PM10、CO與SO2比值來(lái)看，三種比值變化趨勢(shì)較為一致，11-01—11-05各自的比值波動(dòng)幅度較為劇烈，在11月6、7日比值呈現(xiàn)出了下降趨勢(shì)，11-08—11-15日比值的振幅明顯縮小，波動(dòng)幅度較為平穩(wěn)，可以發(fā)現(xiàn)在降水前后，臨汾市大氣污染來(lái)源發(fā)生了一些變化。

　　從降水前后的風(fēng)場(chǎng)來(lái)看，11-03—11-04臨汾市周邊的風(fēng)矢量輻合特征明顯，區(qū)域內(nèi)污染物的輸送、累積效應(yīng)較為顯著;而11月11、13日臨汾市周邊風(fēng)場(chǎng)呈現(xiàn)出來(lái)輻散特征，外來(lái)污染對(duì)其影響較小，但是由于臨汾市一帶風(fēng)速較小，平均風(fēng)速低于1m/s，對(duì)污染物的水平擴(kuò)散稀釋的動(dòng)力條件仍然不足。

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