成都大气污染物在焚烧秸秆时的溯源初步探究

中图分类号：X823
文献标志码：A
文章编号：1002 -6002 ( 2014 ) 03 - 0047 - 08
The Preliminary Atmospheric Pollutant Tracing Study in Chengdu When Burning Straw ZHOU Wen1 ,CHEN Jian-wen2 ,WANG Bin1 ,LIU Pei-chuan2 1. School of Architecture and Environment,Sichuan University,Chengdu 610065,China 2. Sichuan Province Environmental Monitoring Centre,Chengdu 610041,China Abstract:Based on the Air Pollution Index, the local and regional transport effect of urban air quality caused by straw burning was analyzed. The characteristics of different air pollution events( local, the integration of the local and regional, and transport) and atmospheric pollutant tracing analysis in the condition of heavy pollution were discussed by combining with the use of satellite remote sensing, back trajectory and meteorological data. key words:straw burning;back trajectory;satellite remote sensing;meteorology;pollutant tracing analysis
Terra 和 Aqua 卫星的 MODIS,MODIS 是 NASA 的 EOS 系列卫星的主要探测仪器,探测器每天覆盖 全球 1 次,具有 36 个光谱通道,分布在 0. 4 ~ 14 μm 波谱范围内, MODIS 遥感器的仪器特征参数 从设 计 上 考 虑 到 了 火 灾 监 测。 相 对 AVHRR, MODIS 的仪器专门对高温敏感的波段做了优化, 使其监测火灾能力提高,能确切反映秸秆焚烧的 现状[17] 。 1. 4 MICAPS 系统
始,草堂寺与人民公园两监测点的 PM2. 5 日均浓度 连续 6 天超标,18 日 草 堂 寺 监 测 点 出 现 最 高 值 0. 227 mg / m3 , 超出了标 准 限 值 0. 075 mg / m3 的 2. 03 倍。 人民南路监测点也在同日出现最高值 0. 261 mg / m3 ,超出了标准限值的 2. 48 倍[20] 。 当 日的空气质 量 达 到 中 度 污 染, API 为 213。 2012 年 6 月 15 日,API 为 126,空气质量属轻微污染。 当成都空气污染严重时,其周边城市空气质量也 不乐观,部分城市一度出现重污染天气,为结合后 向轨迹分析,列出部分日期的 API,见表 1。
目前对成都的大气污染物溯源研究多集中在 无秸秆燃烧时,正常气候下气溶胶化学组成[7-8] 、 市区源解析[9-10] 及方法[11-12] ,该研究将卫星遥感 监测到的火点、云覆盖信息与后向轨迹模拟结合, 通过分析,总结了秸秆焚烧对城市空气质量的影 响;秸秆焚烧期气象条件对空气污染事件形成的 作用;以及有云时,根据部分火点和气团后向轨迹 分析、上下风城市的污染情况,大致推测重污染条 件时大气污染物来源地。
气象信息综合分析处理系统,即 MICAPS 系 统 ( Meteorological Information Combine and Analysis System) ,是一款基于气象资料的分析处 理系统,同时也是对业务预报员日常工作提供全 程支持的自动化系统。 它以 WIN-DOWS95 作为 操作平台,数据组织层次清晰、检索方便、图形操 作和编辑便捷、可利用数据资源丰富,并提供了多 种数据检索方式和较强的数据预处理和系统处理 功能[18] 。
2012-06-13 50
Ⅰ
66
Ⅱ
65
Ⅱ
60
Ⅱ
83
Ⅱ
41
Ⅰ
2012-06-14 73
Ⅱ
87
Ⅱ 120 Ⅲ1 72
Ⅱ
96
Ⅱ
65
Ⅱ
2012-06-15 83
Ⅱ
83
Ⅱ
69
Ⅱ
77
Ⅱ
117 Ⅲ1
70
Ⅱ
注:空气质量状况Ⅰ为优;Ⅱ为良;Ⅲ1 为轻微污染,Ⅲ2 为轻度污染;Ⅳ2 为中度重污染;Ⅴ为重污染。
资阳
空气质量
摘 要：在空气污染指数( API) 的数据基础上，结合卫星遥感、气团后向轨迹及气象数据，通过初步分析秸秆焚烧对本地
及区域范围输送对城市空气质量影响，研究不同空气污染类型( 本地型、本地区域相结合型、输送型) 特征，探索重污染
条件的大气污染物溯源方法。
关键词：焚烧秸秆；气团后向轨迹；卫星遥感；气象；污染物溯源法
HYSPLIT 模 型 是 美 国 国 家 海 洋 大 气 总 署
48
中国环境监测
第 30 卷 第 3 期 2014 年 6 月
( National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) 和澳大利亚气象局( Australia' s Bureau of Meteorology, ABOM) 的联合研究成果,利用气象 场中的四维数据通过电脑计算简单气团运行的轨 迹 来 模 拟 颗 粒 物 复 杂 的 运 移、 扩 散 与 沉 积 过 程。 NOAA 的 空 气 资 源 实 验 室 ( Air Resources Laboratory) 运行的 HYSPLIT 模型所用数据主要来 源 于 美 国 国 家 环 保 中 心 ( National Centers for Environmental Prediction,NCEP) ,数据齐全并不断 更新,准确度也相对较高,可以在线或单机使用。 1. 3 卫星遥感原理
表 1 成都周边七城市历史空气质量统计
德阳
绵阳
自贡
乐山
重庆
眉山
日期
空气质量
空气质量
空气质量
空气质量
空气质量
空气质量
API 级别 API 级别 API 级别 API 级别 API 级别 API 状况
2009-05-16 96
Ⅱ
67
Ⅱ
65
Ⅱ
57
Ⅱ
56
Ⅱ
52
Ⅱ
2009-05-17 77
Ⅱ
144 Ⅲ1
71
Ⅱ
54
Ⅱ
71
Ⅱ
56
Ⅱ
2009-05-18 106 Ⅲ1
92
Ⅱ
72
Ⅱ
72
Ⅱ
66
Ⅱ
83
Ⅱ
2009-06-03 74
Ⅱ
64
Ⅱ
67
Ⅱ
53
Ⅱ
94
Ⅱ
56
Ⅱ
2009-06-04 95
Ⅱ
74
Ⅱ
78
Ⅱ
54
Ⅱ
100
Ⅱ
57
Ⅱ
2009-06-05 117 Ⅲ1
86
Ⅱ
74
Ⅱ
54
Ⅱ
118 Ⅲ1
77
Ⅱ
2010-05-23 165 Ⅲ2 176 Ⅲ2
2011-05-19 100
Ⅱ
79
Ⅱ
109 Ⅲ1 106 Ⅲ1
82
Ⅱ 193 Ⅲ2
2012-05-16 123 Ⅲ1 124 Ⅲ1
78
Ⅱ
78
Ⅱ
64
Ⅱ
76
Ⅱ
2012-05-17 295 Ⅳ2 195 Ⅲ2
57
Ⅱ
84
Ⅱ
78
Ⅱ
94
Ⅱ
2012-05-18 121 Ⅲ1 127 Ⅲ1
70
Ⅱ
93
Ⅱ
74
Ⅱ 105 Ⅲ1
2 部分秸秆焚烧时成都及周边城市空气 质量
图 1 中,有污染日的首要污染物均为可吸入 颗粒物。
图 1 2009、2010、2011、2012 年部分时段成都空气质量日报
周 雯等: 成都大气污染物在焚烧秸秆时的溯源初步探究
49
5-6 月正值小麦、油菜成熟期,为不耽误耕 种,许多农民将收割下来的秸秆就地焚烧,焚烧点 多面广。 虽然近年国家发布了“ 禁烧令”,但是仍 然有农民在晚上大量焚烧秸秆。 2009 年 5 月 18 日的成都空气质量为轻微污染,API 为 104;2009 年 6 月 5 日 API 为 99;2010 年 5 月中下旬成都被 烟雾包围,能见度低,空气中弥漫着焚烧秸秆的呛 鼻味道,25 日 API 为 255,空气质量达到中度重污 染[19] ;2011 年 5 月 19-20 日,空气质量均达到轻 度污染,API 分别为 174、168;2012 年 5 月 16 日开
56
Ⅱ
58
Ⅱ
78
Ⅱ
64
Ⅱ
2010-05-24 382
Ⅴ
160 Ⅲ2
62
Ⅱ
69
Ⅱ
77
Ⅱ
87
Ⅱ
2010-05-25 415
Ⅴ
159 Ⅲ2
73
Ⅱ
76
Ⅱ
70
Ⅱ
91
Ⅱ
2011-05-17 84
Ⅱ
82
Ⅱ
99
Ⅱ
60
Ⅱ
81
Ⅱ 183 Ⅲ2
2011-05-18 109 Ⅲ1
82
Ⅱ 102 Ⅲ1 78
Ⅱ
84
Ⅱ 184 Ⅲ2
近年来每当春耕秋收时节,享有“ 天府之国” 美誉的成都则会出现连续多日位居中国空气污染 指数城市排行榜前列的现象,究其原因主要是周 边地区焚烧秸秆所致。 秸秆露天焚烧过程中释放 的各种气态污染物和颗粒物,是中国大气污染的 重要来源之一。 焚烧秸秆会排放大量的颗粒物、 CO、VOC、SO2 、NO2 及 PAHs 等有毒有害物质[1-3] , 严重污染环境,最终影响全球气候[4-6] 。 且大范围 的秸秆焚烧可使大气能见度急剧下降,危害身体 健康,也威胁交通安全。
第 30 卷 第 3 期 2014 年 6 月
中国环境监测 Environmental Monitoring in China
Vol. 30 No. 3 Jun. 2014
成都大气污染物在焚烧秸秆时的溯源初步探究
周 雯1 ，陈建文2 ，王 斌1 ，刘培川2
1. 四川大学建筑与环境学院,四川 成都 610065 2. 四川省环境监测中心站,四川 成都 610041
API
级别
49
Ⅰ
70
Ⅱ
60
Ⅱ
58
Ⅱ
64
Ⅱ
73
Ⅱ
67
Ⅱ
94
Ⅱ
109 Ⅲ1
65
Ⅱ
72
Ⅱ
69
Ⅱ
78
Ⅱ
76
Ⅱ
78
Ⅱ
73
Ⅱ
Βιβλιοθήκη Baidu78
Ⅱ
76
Ⅱ
由表 1 可见,2010 年 5 月 18 日、2011 年 5
月 20 日秸秆 焚 烧 时, 成 都 市 污 染 物 PM10 、 SO2 、 NO2 浓度 升 高 非 常 显 著 ( 图 2 ) , 尤 其 PM10 数 值 波动大;从 市 环 保 局 统 计 介 绍, 通 常 情 况 下, 成
MODIS 火产品的算法原理是通过计算中心 点像元与周围像元温度的统计特征,并设置若干 判据和阈值来实现热异常的探测[15] 。 根据斯蒂 芬 - 波尔兹曼定律,只要黑体温度有很小的变化, 就会引起辐射的很大变化。 而林火、地表火等高 温热源目标则会引起辐射的急剧变化,这种变化 有利于高温热源的判识。 根据维恩位移定律,黑 体温度和辐射峰值波长呈反比,即温度越高,辐射 峰值波长越小。 常温下地表辐射峰值波长在 10 μm 左右,而火焰温度一般在 227 ~ 427 ℃ 以上, 其辐射峰值波长在 3 ~ 5 μm,物体的温度越高,辐 射能力越强,反应在遥感图像上是温度越高颜色 越深[16] 。 秸 秆 焚 烧 的 卫 星 遥 感 监 测 传 感 器 是
收稿日期：2013-10-09;修订日期：2014-01-01 作者简介：周 雯(1988-) ,女,四川广安人,硕士. 通讯作者：王 斌
1 数据来源和研究方法
1. 1 数据来源 Hysplit 后向轨迹模式所需要的气象场资料
采用的是 1*1NCEP GDAS 的数据。 MODIS 火点 图 来 源 于 The Fire Information for Resource Management System ( FIRMS) 的 Web Fire Mapper 网站[13] , 该 网 站 提 供 由 MODIS 1 km 火 产 品 (MOD14) 得到的火点位置文件。 获取日期是全 球标准时( UTC) 时间,每颗星每天过境两次。 该 网站的所有历史火点数据均是用 collection 5 版本 的算法得到,时间尺度上具有连贯性[14] 。 云图资 料来自 ENVF 网站的 Satellite 专栏,能见度来源 于中国气象信息中心,空气污染指数( API) 资料 来源于中华人民共和国环境保护部网站以及四川 省环境监测中心站发布结果,部分气象资料来自 MICAPS 系统。 1. 2 HYSPLIT 模型简介