石家莊市冬季典型重污染過程分析

徐 曼，張 璇，張曉彤

（石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，河北石家莊 050022）

石家莊市地處河北省中南部，是中國重要的工業(yè)基地之一，大氣污染比較嚴重。2014年石家莊市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)同比改善26.6%，6項主要污染物平均濃度全面下降（數(shù)據(jù)來源于2015年石家莊市政府工作報告）。然而受到地理、氣象條件等因素的影響，石家莊市2014年PM2.5年均濃度超過二級標準2.5倍，重污染天氣仍時有發(fā)生。

重污染過程時，受近地面靜穩(wěn)天氣控制，空氣在水平和垂直方向流動性均非常小，大氣擴散條件非常差，北方冬季燃煤采暖污染排放高，加劇了這一過程的持續(xù)［1-4］。有研究表明石家莊市除受京津冀內(nèi)3省市影響外，同時受區(qū)域外影響較大［5］，石家莊市PM2.5源解析表明PM2.5的23%～30%來自區(qū)域污染傳輸。在本地來源中，燃煤、工業(yè)生產(chǎn)、揚塵、機動車成主因［6-8］。石家莊市正處在由煤煙型污染向復合型污染轉(zhuǎn)變的階段，二次粒子在PM2.5成分中占比加大［9］，重污染時期由于大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，污染源排放、污染物濃度隨氣象條件的變化趨勢能夠體現(xiàn)得更明顯，更有利于分析石家莊地區(qū)PM2.5污染特點及形成機理［10-12］。以2015-01-07至2015-01-10石家莊市發(fā)生的持續(xù)性PM2.5重污染過程為研究對象，從污染過程中氣象條件的演變、PM2.5濃度時間變化及其與其他污染物的關系等方面對石家莊市冬季典型重污染過程進行系統(tǒng)剖析，分析了該次重污染過程的主要影響因素，以深化對PM2.5污染問題的認識。

1 重污染過程基本分析

1.1 空氣質(zhì)量級別演變

2015-01-07 至2015-01-10（下同），石家莊地區(qū)發(fā)生一次嚴重污染過程，表1為重污染過程期間全市平均主要污染物濃度及空氣質(zhì)量級別統(tǒng)計表。1月6日石家莊市空氣質(zhì)量為2級良，首要污染物為PM10；7日污染水平大幅度升高，污染級別直接由2級躍升為4級重度污染；8日PM2.5質(zhì)量濃度繼續(xù)上升，空氣質(zhì)量為5級重度污染；9日達到此次過程的最高污染水平，PM2.5日均質(zhì)量濃度為217μg／m3；10日污染水平有所下降，但日均質(zhì)量濃度仍高達197μg／m3，連續(xù)3天空氣質(zhì)量維持5級重度污染，說明了此次污染過程嚴重，10日下午至夜間受冷空氣影響，污染擴散條件明顯改善；11日空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，此次重污染過程基本結(jié)束。

表1 重污染過程期間全市平均主要污染物濃度及空氣質(zhì)量級別統(tǒng)計表Tab.1 Average concentration of major pollutants and air quality level of Shijiazhuang during heavy air pollution process

重污染過程期間，PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO等污染物AQI變化曲線基本一致，9日之前同步上升，9日達到最高污染水平，之后同步下降直至過程結(jié)束，重污染過程期間首要污染物均為PM2.5。

1．2 污染過程期間PM2．5小時濃度演變

圖1給出1月6月—11日石家莊市空氣質(zhì)量監(jiān)測站點PM2.5小時濃度的變化情況。由圖1可見，1月6日，石家莊地區(qū)PM2.5處于低濃度水平；7日凌晨至上午PM2.5濃度有較明顯的上升；8日午后地面轉(zhuǎn)為低壓輻合區(qū)，偏南風，擴散條件迅速轉(zhuǎn)差，PM2.5濃度出現(xiàn)快速上升；9日凌晨4：00，全市平均PM2.5小時質(zhì)量濃度增至310μg／m3的峰值。

9日上午PM2.5質(zhì)量濃度維持在200μg／m3以上的高污染濃度，中午前后，高空弱冷槽過境，擴散條件稍有好轉(zhuǎn)，PM2.5濃度出現(xiàn)短暫下降，北部站點PM2.5濃度下降先于南部站點。由于冷空氣較弱，高空弱冷槽過境后PM2.5濃度迅速回升，9日污染指數(shù)較8日繼續(xù)上升。

10日地面位于低壓輻合區(qū)，污染再次加重，10日上午，PM2.5小時質(zhì)量濃度在300μg／m3左右的高濃度水平波動，峰值濃度出現(xiàn)在上午10：00。10日中午前隨著冷空氣到來，PM2.5濃度出現(xiàn)較明顯的下降，其中西北部站點PM2.5濃度下降早于東南部站點，16：00左右大部分站點PM2.5質(zhì)量濃度降至100 μg／m3以下。

11日8：00以后石家莊市轉(zhuǎn)為強冷高壓控制，地面轉(zhuǎn)明顯偏北風，全市平均PM2.5小時質(zhì)量濃度下降至90μg／m3以下，此次污染過程結(jié)束。

圖1 1月6日—11日石家莊市空氣質(zhì)量監(jiān)測站點PM2.5小時質(zhì)量濃度演變Fig.1 Hourly variation of PM2.5concentration in Shijiazhuang during 6th JAN and 11th JAN

1.3 氣態(tài)污染物濃度變化

圖2反映了主要氣態(tài)污染物NO2及SO2與PM2.5濃度相關性及日夜變化。NO2小時質(zhì)量濃度能夠在一定程度上反映城市燃煤及機動車尾氣的污染情況，過程期間石家莊市區(qū)NO2濃度與PM2.5濃度相關系數(shù)為0.817。NO2濃度在晚高峰、夜間及早高峰后上升反映了機動車尾氣污染對城市的影響［13］，而過程期間PM2.5的峰值濃度晚于NO2的峰值濃度，體現(xiàn)了NO2向二次粒子轉(zhuǎn)化的化學反應。

SO2濃度主要反映了燃煤的污染情況，過程期間石家莊市區(qū)SO2濃度與PM2.5濃度相關系數(shù)為0.783，略低于NO2與PM2.5的相關系數(shù)。且與NO2不同，SO2的峰值濃度總是伴隨著PM2.5的峰值濃度出現(xiàn)，這也體現(xiàn)了燃煤作為石家莊PM2.5主要來源對城市環(huán)境的巨大影響。

圖2 污染過程期間市區(qū)平均NO2，SO2與PM2.5質(zhì)量濃度Fig.2 Average concentration of NO2，SO2and PM2.5during pollution process

過程期間當相對濕度低于40%時，SO2濃度與相對濕度的相關系數(shù)達到0.526，而當濕度高于50%時，SO2濃度與相對濕度的相關系數(shù)則變?yōu)?0.377。圖2中當SO2質(zhì)量濃度下降時PM2.5質(zhì)量濃度并未隨之下降，說明PM2.5并非簡單的受燃煤排放影響。在夜間高濕度條件下，相對濕度升高，SO2向硫酸鹽轉(zhuǎn)化的速率增加，其轉(zhuǎn)化生成的二次粒子對PM2.5的貢獻增大，而SO2自身的濃度水平得到降低。

2 重污染過程的天氣形勢及氣象影響分析

2.1 天氣形勢分析

這次重污染過程期間，石家莊地區(qū)主要處于低壓輻合區(qū)，見圖3，地面主導風向為偏南風，中層氣流主要為偏西南方向，氣壓梯度力小，相對風速較弱，大氣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導致總體天氣形勢處于靜穩(wěn)狀態(tài)，污染擴散條件非常不利。

圖3 2015-01-07上午8：00地面及高層天氣形勢Fig.3 Surface and upper air synoptic situations at 8：00am 7th JAN

2.2 氣象條件影響分析

2.2.1 基本氣象要素影響

1月7日—10日，石家莊市7個大氣監(jiān)測站測得的平均地面溫度為3.1℃、較近兩年同期氣溫偏高，平均相對濕度為41.1%、地面氣壓1 015.6 hPa、地面風速為0.2m／s，本次重污染過程具有氣壓較低，風速較弱的特點。

圖4 顯示石家莊此次重污染過程期間各氣象要素及PM2.5的變化情況。

圖4 1月6日—11日石家莊市區(qū)基本氣象要素及PM2.5小時質(zhì)量濃度演變Fig.4 Hourly variation of basic meteorological element and PM2.5 average concentration during 6th JAN and 11th JAN

由圖4a）可見，本次重污染過程日夜溫差較為明顯，濕度也呈現(xiàn)日夜變化，且與地面溫度呈負相關。6日地面平均濕度29.1%，而后受地面低壓影響，濕度迅速上升，7日凌晨—10日上午平均濕度較高。

6日午后—10日午后風速明顯較低，隨著10日午后高壓槽入境，10日凌晨風速迅速升高，達到1.0m／s以上。

過程期間地面氣壓總體較低，其中6日午后出現(xiàn)明顯下降，氣壓維持低水平至9日。9日中午前后受弱冷高壓影響，地面氣壓出現(xiàn)暫時升高，9日午后氣壓再次明顯下降，低氣壓持續(xù)至10日午后。

過程期間各氣象要素與PM2.5濃度相關性（見圖5）分別為地面溫度與PM2.5濃度相關性較弱，主要是因為過程期間受低壓槽控制，石家莊市溫度日夜變化總體在4～10℃之間，溫度在較同期高的水平下變化較小，相關性較低。地面濕度與PM2.5濃度相關系數(shù)為0.574，顯著正相關，冬季地面濕度較高時，氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化為粒子、同時凝結(jié)成霧阻礙了空氣的擴撒，造成PM2.5濃度較高。

過程期間石家莊市受閉合低壓系統(tǒng)控制，擴散條件差，PM2.5濃度較高，當冷高壓控制石家莊市時，擴散條件好轉(zhuǎn)，PM2.5濃度迅速下降，地面氣壓與PM2.5濃度相關系數(shù)為-0.401。

7日—10日石家莊市地面主導風向為偏南風，風速較小，近地面層925hPa以下風場較弱。垂直方向中高層大氣系統(tǒng)較強，卻很難擾動近地層，穩(wěn)定的低層系統(tǒng)不利于石家莊市區(qū)內(nèi)污染物的擴散和清除。9日石家莊市受到弱冷空氣影響，中高層風場明顯加強，然而近地層受到影響較小，導致9日污染物濃度短暫下降后重新上升。10日風場繼續(xù)減弱，PM2.5濃度迅速回升至本次過程最高值且在一段時間內(nèi)保持較高濃度。見圖6。

圖5 1月6日—11日過程期間石家莊市區(qū)基本氣象要素及PM2.5濃度相關性Fig.5 Correlation of basic meteorological element and PM2.5concentration in Shijiazhuang during 6th JAN and 11th JAN

圖6 1月6日—11日過程期間石家莊市區(qū)垂直風場Fig.6 Vertical wind field in Shijiazhuang during 6th JAN and 11th JAN

2.2.2 中高層污染分析

垂直風場對城市PM2.5的擴散和消除同樣有較大的影響，近地層PM2.5在不同氣象條件下有不同的垂直分布［13-15］。石家莊市背景站點封龍山監(jiān)測站位于海拔800m，是垂直方向空氣質(zhì)量監(jiān)測的重要站點。圖7給出封龍山站點與市區(qū)PM2.5濃度時間演變對比。

圖7 1月6日—11日過程期間背景站點封龍山與石家莊市區(qū)的PM2.5質(zhì)量濃度Fig.7 Comparison of PM2.5concentration between background Fenglong Mountain and Shijiazhuang City

1月6日，石家莊市區(qū)受冷空氣影響有3級左右偏北風，受垂直風場影響，污染物被帶至中高層，導致7日封龍山站點PM2.5濃度顯著上升，之后石家莊市進入低壓系統(tǒng)，近地層大氣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，封龍山污染物受人為影響因素較少，污染水平降低。1月9日弱冷空氣過境，低壓系統(tǒng)被暫時破壞，市區(qū)內(nèi)PM2.5被帶至更高層的大氣，隨后位于海拔800m的封龍山站點PM2.5濃度迅速上升，隨著冷空氣離開，石家莊市區(qū)再次進入靜穩(wěn)狀態(tài)，直到10日下午冷高壓到來，風速增強將市區(qū)內(nèi)污染物帶至較高海拔的封龍山站點，11日封龍山站點PM2.5濃度再次升高。

3 區(qū)域性污染分析

區(qū)域性污染是影響整個京津冀污染水平的重要因素，京津冀區(qū)域聚集了大量的水泥、鋼鐵、煉油石化等高污染產(chǎn)業(yè)和遍布各地區(qū)無組織零散高危害產(chǎn)業(yè)，這些工業(yè)的廢氣排放量非常大，而本地的地形和氣候系統(tǒng)又很不利于污染擴散。

石家莊這次重污染過程是區(qū)域性污染背景下形成的，過程期間，廊坊，保定，衡水，邢臺，邯鄲都出現(xiàn)重度污染的狀況，個別小時PM2.5的濃度達到爆表，污染狀況很嚴重，過程期間，整個區(qū)域風速較小，大部分地方為偏南風（見圖8），無冷空氣南下，污染較重。

圖8 2015-01-07至2015-01-10重污染過程地面風場演變Fig.8 Surface wind field during 7th JAN and 10th JAN

采集全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺中石家莊周邊城市PM2.5濃度小時均值數(shù)據(jù)進行分析（見圖9），本次重污染過程石家莊北部城市保定PM2.5濃度小時值在9日上午達到最高值，弱冷空氣過境后PM2.5濃度迅速下降；東部城市衡水與石家莊類似，PM2.5濃度在9日上午及10日上午達到最高值；南部城市邢臺受偏南風影響，過程期間PM2.5濃度較高，但與石家莊市PM2.5小時濃度變化趨勢略有差異。01-07—01-10河北地區(qū)進入靜穩(wěn)態(tài)天氣，各城市PM2.5濃度普遍偏高，無法有效的擴散和清除，體現(xiàn)了PM2.5區(qū)域性傳輸?shù)奶攸c。

4 結(jié) 論

1）此次石家莊市重污染過程具有低氣壓、低風速、濕度相對較高的特點，PM2.5濃度與氣壓和風速負相關，與濕度正相關。提示石家莊市出現(xiàn)低壓高濕的氣象條件時，應及時抑塵、控車、減排措施，從控制污染物來源方面降低污染水平。

圖9 2015-01-06至2015-01-11石家莊市周邊城市PM2.5小時濃度變化Fig.9 Hourly variation of PM2.5in Shijiazhuang and surrounding cities during 6th JAN and 11th JAN

2）此次石家莊市重污染過程是在區(qū)域性污染背景下形成的，7日下午石家莊市進入靜穩(wěn)態(tài)天氣，地面轉(zhuǎn)為低壓輻合區(qū)，8日下午PM2.5濃度的迅速增長反映了在靜穩(wěn)態(tài)天氣條件下污染物累積增長及偏南風帶來的區(qū)域性污染傳輸。10日午后強冷空氣入境，污染物才得以擴散，體現(xiàn)了地面氣壓場及風場對PM2.5濃度的重大影響。過程期間河北地區(qū)整體處于閉合低壓系統(tǒng)控制，南部城市區(qū)間呈現(xiàn)區(qū)域性傳輸，提示區(qū)域大氣污染防治協(xié)調(diào)的重要性。海拔800m的封龍山監(jiān)測站PM2.5濃度變化說明，冷高壓同時造成污染物在垂直方向擴散，對中高層大氣造成的影響。

3）過程期間氣態(tài)污染物NO2，SO2與PM2.5相關性對比分析可知，石家莊市NO2濃度與PM2.5濃度相關性高于SO2與PM2.5相關性，體現(xiàn)了石家莊市處在由煤煙型污染向復合型污染轉(zhuǎn)變的階段。PM2.5的峰值濃度滯后于NO2，反映了機動車尾氣二次轉(zhuǎn)化對PM2.5污染的影響。燃煤除造成PM2.5污染外，其排放的SO2在較高濕度條件下可轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，加劇PM2.5的污染水平，提示城市燃煤脫硫的重要性。

／References：

［1］廖曉農(nóng)，張小玲，王迎春，等.北京地區(qū)冬夏季持續(xù)性霧-霾發(fā)生的環(huán)境氣象條件對比分析［J］.環(huán)境科學，2014，35（6）：2031-2044.LIAO Xiaonong，ZHANG Xiaoling，WANG Yingchun，et al.Comparative analysis on meteorological condition for persistent haze cases in summer and winter in Beijing［J］.Environmental Science，2014，35（6）：2031-2044.

［2］張霖琳，高愈霄，刀谞，等.京津冀典型城市采暖季顆粒物濃度與元素分布特征［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2014，30（6）：55-61.ZHANG Linlin，GAO Yuxiao，DAO Xu，et al.Composition and distribution of elements in air particulate matters during heating season of Beijing-Tianjin-Hebei megacities，China［J］.Environmental Monitoring in China，2014，30（6）：55-61.

［3］任毅斌，康蘇花，楊麗杰，等.石家莊市采暖期環(huán)境空氣顆粒物來源解析［J］.河北工業(yè)科技，2015，32（2）：166-171.REN Yibin，KANG Suhua，YANG Lijie，et al.Source identification of ambient air particulate matter in Shijiazhuang City during heating period［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2015，32（2）：166-171.

［4］康蘇花，馬玲，李海峰，等.石家莊市冬季大氣顆粒物中元素組分的特征分析［J］.河北工業(yè)科技，2015，32（2）：172-176.KANG Suhua，MA Ling，LI Haifeng，et al.Feature analysis on elemental composition of atmosphericparticulate matter in winter in Shijiazhuang City［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2015，32（2）：172-176.

［5］薛文博，付飛，王金南，等.中國PM2.5跨區(qū)域傳輸特征數(shù)值模擬研究［J］.中國環(huán)境科學，2014，34（6）：1361-1368.XUE Wenbo，F(xiàn)U Fei，WANG Jinnan，et al.Numerical study on the characteristics of regional transport of PM2.5in China［J］.China Environmental Science，2014，34（6）：1361-1368.

［6］洪綱，周靜博，姜建彪，等.空氣細顆粒物（PM2.5）的污染特征及其來源解析研究進展［J］.河北工業(yè)科技，2015，32（1）：64-71.HONG Gang，ZHOU Jingbo，JIANG Jianbiao，et al.Research progress of characteristics and source apportionmentof air fine particle pollution（PM2.5）［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2015，32（1）：64-71.

［7］楊紅霞，李玉萍.環(huán)境控制對企業(yè)環(huán)境業(yè)績的影響［J］.河北科技大學學報，2013，34（4）：370-376.YANG Hongxia，LI Yuping.Effect of environmental control on corporate environmental performance［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2013，34（4）：370-376.

［8］張慧峰，錢楓，宋洋，等.城市交通對周邊土壤重金屬污染影響的研究［J］.河北科技大學學報，2010，31（1）：57-61.ZHANG Huifeng，QIAN Feng，SONG Yang，et al.Study onheavy metal pollutions in roadside soil［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2010，31（1）：57-61.

［9］戴春嶺，齊堃，張菲菲，等.石家莊市一次典型污染過程的PM2.5污染特征［J］.環(huán)境研究與監(jiān)測，2014，27（3）：19-22.DAI Chunling，QI Kun，ZHANG Feifei，et al.The characteristics of PM2.5pollution in Shijiazhuang during a typical air pollution episode［J］.Environmental Research and Monitoring，2014，27（3）：19-22.

［10］孫峰，張大偉，孫瑞雯，等.北京地區(qū)冬季典型PM2.5重污染案例分析［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2014，30（6）：1-12.SUN Feng，ZHANG Dawei，SUN Ruiwen，et al.Typical heavy pollution episode analysis on PM2.5in winter of Beijing［J］.Environmental Monitoring in China，2014，30（6）：1-12.

［11］許萬智，蔡菁菁，陳仲榆，等.2014年2月華北地區(qū)一次重污染天氣過程的綜合分析［C］∥2014中國環(huán)境科學學會學術年會.［S.l.］：［s.n.］，2014：5153-5159.XU Wanzhi，CAI Jingjing，CHEN Zhongyu，et al.Heavy Pollution Episode Analysis in Feb，2014of North China［C］∥2014Annual Conference of China Environmental Sciences Society.［S.l.］：［s.n.］，2014：5153-5159.

［12］王躍，王莉莉，趙廣娜，等.北京冬季PM2.5重污染時段不同尺度環(huán)流形勢及邊界層結(jié)構(gòu)分析［J］.氣候與環(huán)境研究，2014，19（2）：173-184.WANG Yue，WANG Lili，ZHAO Guangna，et al.Analysis of different-scales circulation patterns and boundary layer structure of PM2.5heavy pollutions in Beijing during winter［J］.Climatic and Environmental Research，2014，19（2）：173-184.

［13］楊龍，賀克斌，張強，等.北京秋冬季近地層PM2.5質(zhì)量濃度垂直分布特征［J］.環(huán)境科學研究，2005，18（2）：173-184.YANG Long，HE Kebin，ZHANG Qiang，et al.Vertical distributive characters of PM2.5at the ground layer in autumn and winter in Beijing［J］.Research of Environmental Sciences，2005，18（2）：173-184.

［14］黃曉鋒，云慧，宮照恒，等.深圳大氣PM2.5來源解析與二次有機氣溶膠估算［J］.中國科學：地球科學，2014，44（4）：723-734.HUANG Xiaofeng，YUN Hui，GONG Zhaoheng，et al.Source apportionment and secondary organic aerosol estimation of PM2.5in an urban atmosphere in Shenzhen［J］.Science China：Earth Sciences，2014，44（4）：723-734.

［15］康蘇花，李會來，楊麗杰，等.石家莊市不同梯度大氣顆粒物碳組分特征分析［J］.河北工業(yè)科技，2014，31（6）：531-535.KANG Suhua，LI Huilai，YANG Lijie，et al.Carbon fraction analysis of different gradients ofatmospheric particles in Shijiazhuang City［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2014，31（6）：531-535.