秋季秸秆焚烧对临汾市空气质量的影响分析

所属分类：农业论文阅读243次时间：2019-08-29 10:39

本文摘要：摘要：利用2016-11-0111-15的可见光红外成像辐射仪热异常火点监测产品(VisibleInfraredImagingRadiometerSuite，VIIRS)以及对应时段的临汾市PM2.5、PM10、CO、SO2浓度观测数据、晋南盆地26个气象站点的气象数据，综合应用相关分析和空间插值等方法分析了周边

　　摘要：利用2016-11-01—11-15的可见光红外成像辐射仪热异常火点监测产品(VisibleInfraredImagingRadiometerSuite，VIIRS)以及对应时段的临汾市PM2.5、PM10、CO、SO2浓度观测数据、晋南盆地26个气象站点的气象数据，综合应用相关分析和空间插值等方法分析了周边区域秸秆焚烧对临汾市大气污染过程的影响。研究结论可为临汾市开展有针对性的协同治理提供科学依据。

　　关键词：秸秆焚烧,污染物,空气质量,时空分布

农业秸秆焚烧

　　生物质燃烧是全球重要的大气污染排放源(KAISERetal.，2011)，据估算，每年约有8700Tg干物质来自生物质燃烧排放(YADAVetal.，2017)，而且大约90%的生物质燃烧与人类活动息息相关(ANDREAE，1991;CHENetal.，2017)。

　　生物质燃烧排放的气溶胶及气态污染物对近地层大气化学、云微物理过程、辐射平衡方面产生着重要的影响(LEVINE，2013)。生物质作为一种重要的资源，长期以来在中国利用效率较低(朱开伟等，2015;马骁轩等，2016)。据估计，每年秸秆焚烧量约为140Tg(曹国良等，2007)，且大多数情况下为露天燃烧，从而排放了大量的气溶胶、CO以及多环芳烃(PAHs)等有毒有害物质(田贺忠等，2011)，对大气环境造成了很大的影响。

　　近年来的研究结果表明，秋冬季节一些城市的重污染过程与周边的秸秆燃烧及其污染物的输送有着重要的联系。尹聪等(2011)研究认为，2008-10苏中和苏北地区秸秆焚烧污染物的输送是导致南京市大气污染事件的主要原因。周悦等(2016)研究发现，在2014-06夏粮收获季节，安徽省北部大面积秸秆焚烧所形成污染气团的输送是导致湖北省中东部地区的重度霾天气的主要原因。

　　程良晓等(2017)认为影响北京空气质量的麦秸焚烧源区主要为华北平原的冬小麦产区，输送路径以偏南和偏东方向为主，其中以西南方向最多，污染最严重。毛慧琴等(2018)研究认为东北地区年内各月秸秆焚烧火点及PM2.5排放在春(3—4月)、秋(10—11月)两季最为明显，春季火点数及排放量多于秋季，同时在火点及其下风向的空气质量指数(AQI)和气溶胶光学厚度(AOD)往往会迅速升高。

　　中国北方地区秸秆焚烧主要发生在夏粮和秋粮收获季的尾声阶段，秸秆焚烧导致或加重大气污染主要是在秋季(徐敬等，2018)。临汾作为生态环境部污染防治重点区域(汾渭平原)的主要城市，每年秋季深受周边秸秆露天焚烧的影响，加之秋冬季节大气污染扩散条件较差，往往会形成持续的严重污染过程。

　　以往类似的研究主要针对华东、华南、华中、京津冀等地区展开，而针对汾渭平原的研究较少。本文选取2016-11-01—11-15这段时期研究前后两段不同的污染过程，综合利用卫星数据、环境监测站污染物观测数据和气象站观测数据，分析了周边区域秸秆焚烧对临汾市大气污染过程的影响，以期为本区大气污染防治提供参考。

　　1数据与方法

　　1.1数据

　　火点监测数据使用为NASA发布的可见光红外成像辐射仪热异常产品(VisibleInfraredImagingRadiometerSuite，VIIRS)，其分辨率为375m，该产品在反演过程中剔除了云覆盖的影响，对面积较小的热源也具有较高的敏感性(CSISZARetal.，2014)。

　　因此，VIIRS能够更加高效地反映火点的真实分布情况，数据时段为2016-11-01—11-15白天和夜间的VIIRS，数据截取范围为110.0°E~112.6°E，34.5°N~37.0°N。为了分析污染过程中临汾市颗粒物、污染气体的变化，还获取了山西省环境监测站临汾市的PM2.5、PM10、CO、SO2小时和日均浓度数据。气象数据来源于山西省气象局信息中心，主要包括风速、风向、相对湿度、温度和降水等要素，观测点包括了晋南城盆地及周边的26个站点，数据时段与VIIRS时段匹配。

　　1.2数据处理方法

　　1.2.1数据的无量纲处理

　　由于卫星的火点监测数据与临汾市的PM2.5、PM10、CO、SO2浓度监测数据两者之间单位不统一，本文对二者进行归一化无量纲处理，将原始数据处理成[0，1]之间的数据，消除原始数据的量纲差异，在日均污染物浓度变化与火点关系分析，逐时PM2.5、PM10、CO与SO2的比值分析时均采用无量处理后进行。计算方法如下：max[]min[]min[]iiiiiXXXXY(1)式(1)中：Yi为归一化无量纲处理数据;Xi为未经处理的原始数据。

　　1.2.2风场数据的处理

　　气象站的风速和风向为测风塔10m高度的观测结果，为了更加直观地分析风场状态，本文将风速和风向分解为纬向(U)和经向风矢量(V)，然后利用克里金插值法分别对U、V风矢量进行插值，从而得到晋南盆地的风场。

　　2结果和分析

　　2.1火点时空分布特征

　　晋南盆地处于山西省西南部汾河下游地带，是汾渭平原的主体部分，该地区人口稠密，工农业较为集中，每年11月份是本区秋收尾声阶段，由于大田管理较为传统，露天焚烧作物秸秆较为普遍。临汾市作为晋南盆地重要的城市，每年秋季空气质量的变化深受周边地区秸秆焚烧的影响。

　　本文统计了晋南盆地2016-11-01—11-15的逐日火点数量，可以看出，火点数量的变化经历了2个时段，即2016-11-01—11-05和2016-11-08—11-15，这些天的火点数量均在20个以上，其中11月3、4、11、13日火点较多，分别达到了95，76，75和80个，对应的临汾市日平均空气质量指数(AQI)分别达到了267，286，229和208，均为重度污染级别，11月6、7日监测到的火点较少，分别为15和12个，对应的临汾市AQI指数分别为82和98，属于二级良好。

　　由于11月3、4、11和13日火点分布较多，本文着重分析这4天的火点分布情况。这4天云层覆盖较为稀疏，霾分布范围和轮廓较为明显，主要分布在地势较为平缓的河谷地带，其中11月4、11、13日霾覆盖的范围较广，且向周围地势较高的地区扩散的迹象较为明显。

　　秸秆火点的分布与霾覆盖的区域较为吻合，河津—侯马—临汾一线火点较为密集，形成了一个密集火点弧形带，其中河津附近火点密度最大，达到了149个，其次为侯马，达到99个。由于这一地带处于狭长的河谷地带，受地形条件的影响，污染扩散也受到了一定的限制，大气污染物在这种地形的限制下往往会构成一种“避风港”效应(徐祥德等，2015)。

　　2.2污染物变化特征及其与火点的关系

　　2016-11-01—11-15临汾市污染物的时间序列呈现双峰结构，即在11-01—11-05和11-08—11-15期间4种污染物均较高，而11月6、7日较低。11-01的PM2.5浓度低于100μg·m-3，11-02，浓度开始超过100μg·m-3并逐渐上升，到11-05，浓度达到一个高峰，且大部分时段PM2.5浓度超过环保部规定的重污染分指数浓度阈值150μg·m-3。

　　11-06—11-07晋南地区有一次降水过程，PM2.5明显下降，与此同时火点数量也明显减少，前期污染过程告一段落。8日PM2.5浓度再次上升，但是波动幅度明显比前期微弱，大部分时段PM2.5分指数在中度污染阈值115~150μg·m-3范围之间，从中也可以看出，前期PM2.5浓度与PM10的变化趋势较为吻合，而后期二者的区别特别明显，PM10的波动幅度较PM2.5更为强烈，这可能是前后两段时期的污染来源发生了一些变化。CO浓度与PM10有类似的波动变化，与SO2浓度变化吻合度有一些差别，前期较差而后期较好。

　　2016-11-01—11-15火点数量与污染物日均浓度的散点二者相关性均呈现出了正相关关系，与PM2.5、PM10、CO的复相关系数(R2)分别为0.495，0.374和0.505，与SO2的关系较差，复相关系数为0.049，说明周边地区火点数量对临汾市SO2浓度的贡献较小。

　　11月份，晋南地区秋收结束，秸秆焚烧较为集中的时段，秸秆露天焚烧为不完全燃烧，燃烧过程中会生成大量CO、气溶胶(唐喜斌等，2014)，从火点数量与固态、气态污染物的相关性来看，这段时期临汾市大气染来源与生物质焚烧有很大的关系。研究认为，一定时期内城市污染源对大气颗粒物与气态污染物的贡献比例相对稳定(BEGUMetal.，2005)，生物质焚烧排放了大量气溶胶和CO，而对SO2贡献较小(HAYSetal.，2005;王英等，2006;蔡宏珂等，2014)，当受外来生物质燃烧污染输送影响时，城市PM10和SO2比值会明显增大(李令军等，2008)。

　　所以，本文可用PM10和SO2比值反映生物质焚烧污染对临汾市空气质量影响过程及强度。从11-01—11-05的PM10和SO2比值来看，比值波动幅度较大，个别时段最高可达到6以上;11-06—11-07后期呈现下降趋势，比值在2～4之间;8—15日比值在2上下波动，趋于平稳。PM2.5和SO2、CO和SO2的比值大体上类似于PM10和SO2的比值。

　　2.3近地面风场与传输过程分析

　　近地面风场情况对大气中污染物的稀释和扩散具有重要作用(孔佑花等，2018)，本文的风场由气象站观测的日均风速和风向转换成U、V风矢量，然后分别插值成格点得到。从11-03风场可以发现，侯马—临汾—翼城一带形成了一个局地的反气旋式环流，临汾南部为西南风、而北部为西北风，临汾正处于风场的辐合带上，风速均小于2m/s，临汾市的大气污染可能受到南北两支气流的影响，污染气团可能在临汾市附近汇集。

　　11-04侯马—临汾一带以西南风为主导，南支气流影响较为显著，有利于污染气团的向北输送，由于11月3、4日的风场分布均有利于污染气团的输送，所以，可能外来污染源对临汾市的污染具有较大影响。11月11、13日地面风场分布较为复杂，临汾市附近风场辐散特征明显，但是平均风速在0.5～0.8m/s，污染物的水平扩散能力有限，不足以对大气污染形成显著的稀释扩散，也说明这两日的外来污染源对该地的贡献较小。

　　3讨论

　　秸秆焚烧活动往往呈现无序状态，存在明显的随机性(王柳伟等，2017)，但是城市的污染源区与秸秆焚烧分布及其污染的传输一致时，在部分时段，城市空气质量与秸秆焚烧及其污染变化的统计关系十分密切(钟方潜等，2017)，这种情况下往往会形成严重的污染事件。

　　大气污染也包括了多种复杂的物理和化学过程，其中气象条件的变化深刻影响着大气污染过程，温度、相对湿度、地面风向和风速、降水量、天气系统等诸多气象因子对污染过程中的气粒转化、吸湿增长、干湿沉降等过程具有重要的影响(张小曳等，2013;WUetal.，2013;LIetal.，2014)，本文选取的研究时段内气象条件也发生了一些复杂的天气变化过程。

　　11月3、4、11、13日的平均风速均低于1m/s，风速较小，污染扩散的动力条件较差，容易造成污染物的积累，且相对湿度处于50%～70%左右，有利于气溶胶的吸湿增长。从地面天气系统来看，高压后部(HPR)、弱低压(WL)、倒槽(IT)、均压场(UPF)等均为不利于污染扩散的天气类型(郭丽君等，2015;周静等，2018;张莹等，2018)，由于11月6、7日地面天气系统分别以弱低压和低压(LP)为主导，由于有降水过程，降水量分别为10.4mm和13.6mm，达到了中雨量级(中雨：日累积降水达到10～25mm)，可能对临汾市污染物清除具有明显的效果。

　　4结论

　　本文利用VIIRS火点监测数据分析了2016-11-01—11-15晋南盆地秸秆火点的时空分布情况，探讨了秸秆火点数量与临汾市空气质量的关系，并且分析了秸秆焚烧污染物输送的风场特征，得到如下结论。

　　2016-11-01—11-15火点数量的变化经历了2个时段，11-01—11-05和11-08—11-15秸秆火点数量较多，对应的临汾市空气质量也出现了持续的重污染过程。从秸秆火点的空间分布来看，在河津—侯马—临汾一带火点分布较为集中，其中河津市周边的秸秆火点密度最大，达到了149个，其次是侯马周边，达到99个，秸秆火点的分布与卫星镇彩图显示的霾分布范围较为吻合。

　　逐日秸秆火点数量与临汾市PM2.5、PM10、CO的相关性较好，R2分别可以达到0.493，0.381，0.505，与SO2的相关系较差，R2为0.059。从PM2.5、PM10、CO与SO2比值来看，三种比值变化趋势较为一致，11-01—11-05各自的比值波动幅度较为剧烈，在11月6、7日比值呈现出了下降趋势，11-08—11-15日比值的振幅明显缩小，波动幅度较为平稳，可以发现在降水前后，临汾市大气污染来源发生了一些变化。

　　从降水前后的风场来看，11-03—11-04临汾市周边的风矢量辐合特征明显，区域内污染物的输送、累积效应较为显著;而11月11、13日临汾市周边风场呈现出来辐散特征，外来污染对其影响较小，但是由于临汾市一带风速较小，平均风速低于1m/s，对污染物的水平扩散稀释的动力条件仍然不足。

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