秋季秸稈焚燒對臨汾市空氣質(zhì)量的影響分析

　　摘要：利用2016-11-01—11-15的可見光紅外成像輻射儀熱異常火點(diǎn)監(jiān)測產(chǎn)品(VisibleInfraredImagingRadiometerSuite，VIIRS)以及對應(yīng)時(shí)段的臨汾市PM2.5、PM10、CO、SO2濃度觀測數(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)域秸稈焚燒對臨汾市大氣污染過程的影響。研究結(jié)論可為臨汾市開展有針對性的協(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)污染物對近地層大氣化學(xué)、云微物理過程、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，長期以來在中國利用效率較低(朱開偉等，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)，對大氣環(huán)境造成了很大的影響。

　　近年來的研究結(jié)果表明，秋冬季節(jié)一些城市的重污染過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)往往會迅速升高。

　　中國北方地區(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，往往會形成持續(xù)的嚴(yán)重污染過程。

　　以往類似的研究主要針對華東、華南、華中、京津冀等地區(qū)展開，而針對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程，綜合利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測站污染物觀測數(shù)據(jù)和氣象站觀測數(shù)據(jù)，分析了周邊區(qū)域秸稈焚燒對臨汾市大氣污染過程的影響，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)測數(shù)據(jù)使用為NASA發(fā)布的可見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)品在反演過程中剔除了云覆蓋的影響，對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)來源于山西省氣象局信息中心，主要包括風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度、溫度和降水等要素，觀測點(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)的無量綱處理

　　由于衛(wèi)星的火點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與臨汾市的PM2.5、PM10、CO、SO2濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)兩者之間單位不統(tǒng)一，本文對二者進(jìn)行歸一化無量綱處理，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)場數(shù)據(jù)的處理

　　氣象站的風(fēng)速和風(fēng)向?yàn)闇y風(fēng)塔10m高度的觀測結(jié)果，為了更加直觀地分析風(fēng)場狀態(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U、V風(fēng)矢量進(jìn)行插值，從而得到晉南盆地的風(fēng)場。

　　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，均為重度污染級別，11月6、7日監(jiān)測到的火點(diǎn)較少，分別為15和12個(gè)，對應(yīng)的臨汾市AQI指數(shù)分別為82和98，屬于二級良好。

　　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，濃度開始超過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，前期污染過程告一段落。8日PM2.5濃度再次上升，但是波動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的變化趨勢較為吻合，而后期二者的區(qū)別特別明顯，PM10的波動幅度較PM2.5更為強(qiáng)烈，這可能是前后兩段時(shí)期的污染來源發(fā)生了一些變化。CO濃度與PM10有類似的波動變化，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，說明周邊地區(qū)火點(diǎn)數(shù)量對臨汾市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，燃燒過程中會生成大量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)性來看，這段時(shí)期臨汾市大氣染來源與生物質(zhì)焚燒有很大的關(guān)系。研究認(rèn)為，一定時(shí)期內(nèi)城市污染源對大氣顆粒物與氣態(tài)污染物的貢獻(xiàn)比例相對穩(wěn)定(BEGUMetal.，2005)，生物質(zhì)焚燒排放了大量氣溶膠和CO，而對SO2貢獻(xiàn)較小(HAYSetal.，2005;王英等，2006;蔡宏珂等，2014)，當(dāng)受外來生物質(zhì)燃燒污染輸送影響時(shí)，城市PM10和SO2比值會明顯增大(李令軍等，2008)。

　　所以，本文可用PM10和SO2比值反映生物質(zhì)焚燒污染對臨汾市空氣質(zhì)量影響過程及強(qiáng)度。從11-01—11-05的PM10和SO2比值來看，比值波動幅度較大，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，比值在2～4之間;8—15日比值在2上下波動，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)場與傳輸過程分析

　　近地面風(fēng)場情況對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)場由氣象站觀測的日均風(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)場分布均有利于污染氣團(tuán)的輸送，所以，可能外來污染源對臨汾市的污染具有較大影響。11月11、13日地面風(fēng)場分布較為復(fù)雜，臨汾市附近風(fēng)場輻散特征明顯，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，不足以對大氣污染形成顯著的稀釋擴(kuò)散，也說明這兩日的外來污染源對該地的貢獻(xiàn)較小。

　　3討論

　　秸稈焚燒活動往往呈現(xiàn)無序狀態(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)過程，其中氣象條件的變化深刻影響著大氣污染過程，溫度、相對濕度、地面風(fēng)向和風(fēng)速、降水量、天氣系統(tǒng)等諸多氣象因子對污染過程中的氣粒轉(zhuǎn)化、吸濕增長、干濕沉降等過程具有重要的影響(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)散的動力條件較差，容易造成污染物的積累，且相對濕度處于50%～70%左右，有利于氣溶膠的吸濕增長。從地面天氣系統(tǒng)來看，高壓后部(HPR)、弱低壓(WL)、倒槽(IT)、均壓場(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)，由于有降水過程，降水量分別為10.4mm和13.6mm，達(dá)到了中雨量級(中雨：日累積降水達(dá)到10～25mm)，可能對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，對應(yīng)的臨汾市空氣質(zhì)量也出現(xiàn)了持續(xù)的重污染過程。從秸稈火點(diǎn)的空間分布來看，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比值來看，三種比值變化趨勢較為一致，11-01—11-05各自的比值波動幅度較為劇烈，在11月6、7日比值呈現(xiàn)出了下降趨勢，11-08—11-15日比值的振幅明顯縮小，波動幅度較為平穩(wěn)，可以發(fā)現(xiàn)在降水前后，臨汾市大氣污染來源發(fā)生了一些變化。

　　從降水前后的風(fēng)場來看，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)場呈現(xiàn)出來輻散特征，外來污染對其影響較小，但是由于臨汾市一帶風(fēng)速較小，平均風(fēng)速低于1m/s，對污染物的水平擴(kuò)散稀釋的動力條件仍然不足。

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