【专家解读】长治市2月16~19日大气重污染过程分析

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导   读

2月16-19日长治市经历了一次大气重污染过程。国家大气污染防治攻关联合中心积极组织专家，对本次重污染过程的来源成因进行了初步分析，邀请长治市跟踪研究工作组负责人彭林教授对此次污染过程进行了解读。

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总体状况

2018年2月16日~19日，长治市遭遇了一次大气重污染过程。较之前的重污染过程不同，此次重污染过程几乎全部波及了包括长治在内的京津冀及周边地区“2+26”城市，具有多点并发、持续时间长、污染严重的特征（图1）。

图1   2月16日~19日京津冀及周边地区“2+26”城市AQI分布

长治市的污染过程从2月16日20时开始，至19日16时结束（图2），期间AQI均值为238，峰值达到324（2月18日13时），首要污染物为PM2.5，平均浓度为190μg/m3，峰值达到274μg/m3（2月18日13时）（图3）。本次污染过程共持续69小时，其中重度污染及以上的污染时段达到57小时，占总污染时段的83%；从2月16日23时至2月18日17时出现连续43小时的重度污染和严重污染的现象。2月18日13时，长治市PM2.5浓度达到274μg/m3，PM10浓度达到347μg/m3，是2017~2018年秋冬季以来浓度的峰值。区别于2017~2018年秋冬季以来其他污染过程，本次污染过程首次出现了严重污染的现象，也是持续时间最长、污染最严重的污染过程。

图2   长治市2月16日~19日污染过程中AQI小时值变化趋势

图3   长治市2月16日~19日常规污染物浓度时间序列图

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污染分析

1、污染物变化趋势

长治市2月16日19时至19日17时各项污染物浓度逐时变化趋势（图3）所示，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2等污染物浓度变化趋势与AQI变化趋势较为一致。16日20时~22时，长治市空气质量为轻度污染~中度污染，此过程中PM2.5的平均浓度为111μg/m3，PM10的浓度为150μg/m3，SO2为78μg/m3；从16日23时开始至17日12时空气质量为重度污染，此过程中PM2.5的平均浓度为184μg/m3，PM10的浓度为234μg/m3，SO2为91μg/m3；从17日13时开始至17日16时，空气污染进一步加重为严重污染水平，此过程中PM2.5的平均浓度为258μg/m3，PM10的浓度为333μg/m3，SO2为121μg/m3；17日17时~18日10时，空气质量为重度污染，PM2.5的平均浓度为216μg/m3，PM10的浓度为263μg/m3，SO2为43μg/m3；随后，长治市又经历了长达5小时的严重污染过程（18日11时~18日15时），PM2.5的平均浓度为263μg/m3，PM10的浓度为327μg/m3，SO2为139μg/m3；此后环境空气质量得到了轻微的好转，经历了两个小时的重污染（17日16时~17日17时），在17日18时~23时略有好转为轻度~中度污染；从19日0时开始至19日14时，空气质量恶化为重污染水平，此过程中PM2.5的平均浓度为171μg/m3，PM10的浓度为208μg/m3，SO2为45μg/m3；此后，各项污染物浓度持续下降，至19日17时，环境空气质量好转为良，PM2.5的浓度为65μg/m3，PM10的浓度为93μg/m3，SO2为16μg/m3。

2、成因分析

（1）气象条件分析

本次污染过程发生前（2月16日19时），环境空气相对湿度为30%（图4），边界层高度为1478m（图5），风力为3级（图4），PM2.5浓度为60μg/m3。从2月16日20时起，空气相对湿度持续升高，边界层高度不断下降，在华北平原的弱均压场控制下风力经过短暂持平后迅速降低（图6），上空强逆温的存在导致大气污染物在垂直方向扩散能力差（图7），并在2月17日9时相对湿度达到52%，风力下降为0级，致使此后PM2.5浓度出现爆发性增长，到14时PM2.5达到261μg/m3，环境空气质量达到严重污染；消光系数图和退偏振比图看出（图8），此时间段在上空3.6~5km之间存在明显较高消光系数的气团，显示边界层上方存在细颗粒物跨区域传输和向下输送。此后，虽然短暂出现了2~3级风力的风导致环境空气质量稍有缓解，但边界层高度出现骤降（从2月17日15时的653m降低至18时的203m）并维持在200m~400m，同时出现的降水天气导致环境空气中的相对湿度暴涨（从2月17日16时的39%升至18时的91%）并维持在90%以上（图4），扩散条件继续恶化并持续，PM2.5在2月17日17时~18日8时维持在200μg/m3~246μg/m3的高位；此时间段的消光系数图显示，地面产生的高浓度的PM2.5存在向上进入上部气团现象。2月18日10时~12时，受华北平原大面积的弱气压场影响，环境空气的相对湿度达到本次污染过程中的最高值97%，边界层降低至300m左右，高空风场（图7）和后向轨迹图（图9）均显示此段时间下沉气流严重，较厚的逆温层加剧了污染物的聚集，导致出现了本次污染过程中的第二个严重污染时段（2月18日11时~15时），并在13时出现了2017年秋冬季以来PM2.5的峰值（274μg/m3）；此时间段地面消光系数持续较高，退偏振比较低，表明此阶段明显存在细颗粒物污染，且在上空3.6~5km之间存在明显较高消光系数的气团，显示边界层上方存在细颗粒物跨区域传输和向下输送（图8）。从2月18日16时开始，边界层短暂抬升至1298m（18时）、相对湿度下降至49%（16时），PM2.5浓度出现了短暂下降（19时达到109μg/m3），环境空气质量在19时~21时好转至轻度污染。伴随着环境空气相对湿度新一轮的增长（到18日23时和19日0时达到82%），同时边界层高度降低至700~800m，导致PM2.5浓度出现了再次上升，至19日1时上升至176μg/m3。此后，受到了华北平原上持续的弱气压影响，边界层的持续走低、较强逆温的出现和对流层底层的低风速湍流均显示了污染物在垂直方向的扩散能力较差（图6、图7、图9），从19日0时~14时，长治市再次出现了较长时间的重污染时段，在19日12时PM2.5达到215μg/m3。从19日13时开始，空气中相对湿度不断下降，边界层不断抬升，环境空气中污染物浓度不断下降，至19日16时，环境空气相对湿度下降至31%，边界层抬升至1808m，17时风力达到5级，较低的相对湿度和较好的扩散条件致使PM2.5浓度下降至65μg/m3，环境空气质量达到良级别。

图4   长治市2月16日~19日气象条件变化趋势

图5    长治市2月16日~19日边界层变化趋势

图6    长治市2月16日~19日天气形势图

图7    长治市2月16日~19日大气垂直方向风场（上）和温度-对数压力图（下）

  图8   长治市2月16日~19日大气退偏比（上）和消光系数（下）

图9 长治市2月16日~19日后向轨迹聚类图

气象条件分析显示，高湿条件、弱气压场、较低的边界层、较重的逆温现象推动了PM2.5的积累和增长，整体扩散条件不利导致污染物大量累积，是长治市污染物浓度长期处于高位水平的重要原因。

（2）污染物排放影响

2018年2月16日20时至19日16时重污染过程期间，PM2.5/PM10比值平均为0.80（图3），远高于2月1日~2月16日19时（重污染发生前）的比值平均值0.49；发生严重污染和重污染时段，硫酸根离子、氨根离子和OC的浓度达到47μg/m3、22μg/m3和24μg/m3，高于发生轻度污染和中度污染期间的36μg/m3、19μg/m3和18μg/m3（图10）。以上分析说明在重污染过程中，在高湿度的影响下，SO2、NOx、碳颗粒等一次污染物迅速导致了二次颗粒物的爆发性增长，造成PM2.5浓度高居不下，环境空气质量持续恶化。

图10 长治市2月16日~19日颗粒物组分浓度

研究显示，燃放烟花爆竹过程中会释放氯离子、钾离子和镁离子等，从而影响环境空气质量。本次重污染过程中，长治市空气中钾离子浓度为6μg/m3，与除夕夜（2月15日19时~2月16日6时）的钾离子浓度持平，而氯离子和镁离子的浓度分别达到15μg/m3和0.4μg/m3，高于除夕夜的9μg/m3和0.3μg/m3。结果显示，虽然长治市已经禁止燃放烟花爆竹，但长治市周边区域在2月16日（初一）~19日（初四）期间存在的烟花爆竹燃放现象仍对此次污染过程造成影响。

重污染过程期间，SO2/NO2比值平均为1.86（图3），严重污染的9个小时内该比值飙升至2.52，远高于2月1日~2月16日19时（重污染发生前）的比值平均值1.53；发生严重污染和重污染时段，SO2、CO和EC的浓度达到69μg/m3、1.8mg/m3和13μg/m3，高于发生轻度污染和中度污染期间的48μg/m3、2.9mg/m3和13μg/m3（图3、图10）。F-可以作为燃煤排放的标示性离子，发生严重污染和重污染时段F-的浓度为0.22μg/m3，高于发生轻度污染和中度污染期间0.20μg/m3（图10）。结果显示，燃煤排放是导致此次重污染过程的主要排放源，污染过程中明显高的CO和EC浓度显示散煤燃烧有重要影响。

（3）区域来源影响

“中国环境科学研究院空气质量预测与分析试验系统”对长治市PM2.5的区域来源贡献的结果显示（图11），本次污染过程中长治本地排放源对PM2.5的贡献较大，在16~19日的本地贡献平均达到70%。后向轨迹同样显示，在本次污染时段，影响长治市的气团主要是在长治本地区域传输，且传输高度均低于500m，本地排放的污染物会跟随气团在低空传输，影响长治市环境空气质量。不利的扩散条件导致本地污染物在本地大量，造成了PM2.5等污染物浓度居高不下。

图11长治市2月16日~19日本地污染源对PM2.5贡献变化趋势

经过气象条件、污染物排放影响分析、区域来源影响分析等综合分析，本地燃煤等污染源排放的污染物在高湿的条件下生成二次污染物加重了PM2.5的污染，弱气压场、较低的边界层、较重的逆温现象导致整体扩散条件不利造成PM2.5的大量累积，再加上周边区域的烟花爆竹燃放影响，致使长治市2月16日~19日出现了2017年~2018年秋冬季以来最重的污染过程。

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应急预警

2018年2月15日0时，长治市启动重污染橙色预警，落实重污染天气应急预案要求，同时对重污染管控企业实行错峰生产，重污染预警至2月20日08时尚未解除。应急措施及减排量主要包括：

1、主要应急措施及减排量

24家焦化企业实施延长出焦时间至72小时措施，SO2、NOx、PM和VOCs减排量分别为4841kg/天、13823kg/天、9903kg/天和54344kg/天；5家钢铁企业实施错峰生产、应急停产、烧结机停产等措施，限产比例为50%等措施，SO2、NOx、PM和VOCs减排量分别为779kg/天、878kg/天、4816kg/天和381kg/天；31家石灰、石膏、石膏板生产企业实施错峰生产停产措施，SO2、NOx、PM和VOCs减排量分别为889kg/天、1799kg/天、946kg/天和3.61kg/天；57家化工类企业实施错峰生产、应急停产和错峰运输措施，SO2、NOx、PM和VOCs减排量分别为3504kg/天、5805kg/天、2343kg/天和1615kg/天；147家建材企业实施错峰生产停产措施，SO2、NOx、PM和VOCs减排量分别为6111kg/天、2155kg/天、2859kg/天和19943kg/天；12家水泥生产企业（含粉磨站）实施错峰生产停产措施，SO2、NOx、PM和VOCs减排量分别为1732kg/天、11466kg/天、5318kg/天和1348kg/天；56家粘土砖、砖瓦厂实施错峰生产停产措施，SO2、NOx、PM和VOCs减排量分别为16981kg/天、1359kg/天、3594kg/天和477kg/天；3家铸造企业实施错峰生产停产措施，SO2、NOx、PM减排量分别为12kg/天、9kg/天、38kg/天。

长治市橙色预警机动车管控措施：停驶渣土车，涉及大宗货物运输的工业企业实行错峰运输；在全市范围内禁止本地及过境黄标车、中型和重型货车通行。根据应急措施，橙色预警下，NOx、PM和VOCs减排量分别为：13.65吨/天，0.46吨/天和0.43吨/天。206家施工工地应全面停工，PM减排量共计3.856吨。

2、重污染应急措施评估

此次重污染应对工作参与应急减排企业共计749家，SO2、NOx、PM和VOCs减排量分别为34.85吨/天、50.94吨/天、34.13吨/天和78.54吨/天，减排力度分别占总排放量的20.50%、26.90%、22.16%、41.26%。

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