秦皇島大氣污染物的分布特征及其天氣背景

張寶貴，曹建新，杜建雙，孫麗華

（1.秦皇島市人工影響天氣辦公室，河北 秦皇島 066000；2.秦皇島市防雷中心，河北 秦皇島 066000；3.秦皇島氣象臺(tái)，河北 秦皇島 066000）

秦皇島大氣污染物的分布特征及其天氣背景

張寶貴1，曹建新1，杜建雙2，孫麗華3

（1.秦皇島市人工影響天氣辦公室，河北 秦皇島 066000；2.秦皇島市防雷中心，河北 秦皇島 066000；3.秦皇島氣象臺(tái)，河北 秦皇島 066000）

根據(jù)官方公布的空氣質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)秦皇島城市PM2.5細(xì)顆粒物的分布以及主要污染物（CO、NO2、SO2、O3）進(jìn)行了分析研究。研究結(jié)果顯示：秦皇島城區(qū)年均119 d處于輕度以上污染，冬季年均有16 d處于重度以上污染，NO2是最主要污染物，PM2.5濃度在春夏季早晚各有一個(gè)峰值、秋冬季午夜前后出現(xiàn)極值?！办o穩(wěn)天氣”是空氣污染的必要條件，重度空氣污染與近地面深厚逆溫層緊密相關(guān)，地面風(fēng)速0～3 m/s的風(fēng)場(chǎng)會(huì)發(fā)生空氣污染。

PM2.5分布；主要污染物；霧霾天氣；逆溫層

細(xì)顆粒物（PM2.5）的粒徑小，單位體積中細(xì)顆粒物的“合計(jì)表面積”大，使得大部分有害元素和化合物都富集在細(xì)粒子上。相對(duì)于PM10顆粒，PM2.5在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)，傳播距離遠(yuǎn)，大大提高了在呼吸系統(tǒng)的吸收率，因此對(duì)人體健康的影響也十分嚴(yán)重［4］。PM2.5具有比粗顆粒更強(qiáng)的消光性，降低大氣能見(jiàn)度的能力也更強(qiáng)，細(xì)粒子還是造成霧霾的主要凝結(jié)核。有專家對(duì)河北省大氣污染狀況進(jìn)行了分析［5］，分析得出河北省大氣污染治理難度極大。

1 秦皇島市空氣質(zhì)量狀況

1.1 秦皇島邊界層底部大氣污染狀況

秦皇島市年平均空氣質(zhì)量狀況，如圖1所示年平均有66 d優(yōu)，178 d良，77 d輕度污染，26 d中度污染，13 d重度污染，3 d嚴(yán)重污染。按照空氣質(zhì)量?jī)?yōu)、良和污染來(lái)劃分，則平均每年空氣質(zhì)量?jī)?yōu)秀占18.2%，良好占48.8%，污染占33%。

目前，中國(guó)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)是：PM2.5細(xì)顆粒物年平均濃度限35 μg/m3，24小時(shí)平均濃度小于75 μg/m3。秦皇島市2013年年平均值67.9 μg/ m3，2014年58.7 μg/m3，2015年45.8 μg/m3，數(shù)據(jù)顯示屬于明顯超標(biāo)，但從3年年均值來(lái)看呈現(xiàn)逐年減小趨勢(shì)。2013年秦皇島市全年空氣質(zhì)量?jī)?yōu)秀天數(shù)是37 d，良好是189 d，優(yōu)良合計(jì)226 d；2014年全年空氣質(zhì)量?jī)?yōu)秀天數(shù)是60 d，良好是180 d，優(yōu)良合計(jì)240 d；2015年全年空氣質(zhì)量?jī)?yōu)秀天數(shù)是101 d，良好是166 d，優(yōu)良合計(jì)267 d，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)逐年增多。秦皇島2013年全年污染天數(shù)是137 d，其中輕度污染85 d，中度污染30 d，重度污染18 d，嚴(yán)重污染4 d；2014年全年污染天數(shù)是122 d，其中輕度污染74 d，中度污染29 d，重度污染14 d，嚴(yán)重污染5 d；2015年輕度污染71 d，中度污染20 d，重度污染6 d，嚴(yán)重污染1 d，全年污染天數(shù)是98 d。

圖1 秦皇島市2013—2015年空氣質(zhì)量狀況

GB 3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定監(jiān)測(cè)的4種化學(xué)污染物CO、NO2、SO2、O3的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，秦皇島市年均有27 d NO2超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，CO有10 d超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，SO2有9 d超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，O3有6 d超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。其中NO2是空氣中頭號(hào)化學(xué)污染物，年均將近一個(gè)月時(shí)間超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其他三種化學(xué)污染物年均超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)均在10 d左右。

圖2 秦皇島市最近主要污染物年均超標(biāo)天數(shù)

1.2 污染物隨時(shí)間的分布

從秦皇島市污染物月平均分布可以了解各月PM2.5的平均狀況，圖3中1月大氣邊界層底部PM2.5含量最高為96.5 μg/m3，其次是11月份為94.5 μg/m3；8月份PM2.5含量最低為50.3 μg/m3，其次是6月份濃度為54 μg/m3。圖4是大氣底層PM2.5含量各季節(jié)在24 h平均變化情況，圖中顯示春、夏季00:00～23:00時(shí)刻的變化趨勢(shì)比較接近，春夏季上午8:00、9:00前后有峰值、晚上19:00、20:00前后出現(xiàn)峰值，峰值期間與上下班、居民做飯時(shí)間高度關(guān)聯(lián)。秋冬季PM2.5的24 h變化傾向比較接近，白天PM2.5濃度顯著小于夜間，秋季18:00以后、冬季16:00以后PM2.5的濃度開(kāi)始明顯上升，與此同時(shí)，秋季18:00以后、冬季16:00以后氣溫快速下降，這種氣溫快速下降特征與居民因氣溫低取暖、燃?xì)狻⑷济焊叨汝P(guān)聯(lián)。剔除上游氣流帶來(lái)的PM2.5污染，統(tǒng)計(jì)結(jié)果間接證明春夏季PM2.5污染主要來(lái)自于汽車(chē)尾氣和家用燃?xì)?，秋冬季PM2.5污染主要來(lái)自于化石燃料燃燒。

圖3 PM2.5月平均分布特征

圖4 P M2.5春夏秋冬四季逐小時(shí)變化特征

1.3 大氣邊界層底部PM2.5主要成分的分布

圖5所示為秦皇島市大氣氣溶膠中SO2、NO2、CO、O3每月的平均分布狀況。圖中最下面的曲線是一氧化碳各月均值，其分布比較均勻，值域在0.8～3.0 mg/m3，年平均10 d超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；O3在春季、夏初濃度較高，會(huì)出現(xiàn)光化學(xué)污染現(xiàn)象；NO2和SO2在秋冬季濃度較高，SO2秋冬季要比春夏季高得多，NO2多年月均值的峰值是在11月，月均值為56.6 μg/m3。

圖5 秦皇島市大氣氣溶膠中CO、NO2、SO2、O3每月的分布狀況

2 大氣污染的天氣背景

2.1“靜穩(wěn)天氣”蘊(yùn)含污染

靜力穩(wěn)定的天氣條件（靜穩(wěn)天氣）與空氣污染關(guān)系密切，大氣科學(xué)詞典早已進(jìn)行了描繪［6］，而霧霾天氣則是靜穩(wěn)天氣的典型方式，氣象學(xué)家吳兌認(rèn)為［7］嚴(yán)重的霧霾天氣會(huì)造成惡劣能見(jiàn)度，從而影響車(chē)流速度，緩慢車(chē)速加重污染氣體排放，靜穩(wěn)天氣背景造成程度不同的空氣污染［8-10］。分析秦皇島2013—2016年6月靜穩(wěn)（霧霾） 天氣，2013—2015年有127次靜穩(wěn)天氣，2016年上半年15次靜穩(wěn)天氣，合計(jì)142次。能見(jiàn)度小于10 000 m的輕度霧霾天氣77%出現(xiàn)輕度污染；能見(jiàn)度小于1 000 m的常規(guī)霧霾，中度污染占89%；能見(jiàn)度小于500 m的霧霾天氣100%出現(xiàn)重度以上污染；能見(jiàn)度小于50 m的霧天，重度污染以上占82%；統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示“靜穩(wěn)天氣”背景有87%出現(xiàn)空氣污染，空氣越穩(wěn)定污染越嚴(yán)重。

2.2 造成污染的靜穩(wěn)天氣與逆溫層的關(guān)系

一般情況下，在低層大氣中，氣溫是隨高度的增加而降低的。但有時(shí)在某些層次可能出現(xiàn)相反的情況，氣溫隨高度的增加而升高，這種現(xiàn)象稱為逆溫，出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象的大氣層稱為逆溫層。逆溫層對(duì)空氣對(duì)流有強(qiáng)烈的抑制作用，逆溫的存在，阻擋了上下層物質(zhì)和能量交換，造成大量水汽和氣溶膠粒子聚集在逆溫層下面，細(xì)顆粒物吸濕增長(zhǎng)膨大，降低地面能見(jiàn)度，有利于形成霧霾。前面已經(jīng)論述過(guò)靜穩(wěn)天氣會(huì)導(dǎo)致空氣污染，而霧霾天氣是經(jīng)典的靜穩(wěn)天氣，靜穩(wěn)天氣維持需要在對(duì)流層低層形成并維持逆溫。用氣象遙感資料可以得出表1，它揭示了逆溫層與靜穩(wěn)天氣的高度關(guān)聯(lián)性。

表1 2013—2015年秦皇島市靜穩(wěn)天氣與逆溫層狀況

統(tǒng)計(jì)2013—2015年三年共127次霧霾天氣，霧天存在逆溫層47次，無(wú)逆溫層0次；霾天（80次）存在逆溫層72次，無(wú)逆溫層8次；非霧霾天氣而出現(xiàn)逆溫層11次。通過(guò)產(chǎn)生霧霾天氣時(shí)“溫度對(duì)數(shù)壓力圖”（T-lnP）的分析，可以統(tǒng)計(jì)出霧、霾、非霧霾天氣，逆溫層的厚度差別以及層數(shù)。T-lnP圖反映出逆溫層平均厚度、層數(shù)、層頂和層底高度。有霧時(shí)，逆溫層頂最高可以到達(dá)700 hPa，底部可低到990 hPa；有霾時(shí)逆溫層呈現(xiàn)淺薄結(jié)構(gòu)，逆溫層頂可以到達(dá)850 hPa，逆溫層底的高度可以低到990 hPa。表1顯示形成霧時(shí)，中低空一定有逆溫層存在，可見(jiàn)逆溫層是出霧的前提條件［11］。有10%的霾天氣沒(méi)有逆溫層出現(xiàn)，所以逆溫層不是產(chǎn)生霾天氣的前提條件。霧天逆溫層平均溫差明顯大于霾天的平均溫差，說(shuō)明霧天逆溫層下冷上暖的狀況更加突出。表1也與花叢等［12］的研究結(jié)果比較一致。

2.3 污染天氣與大氣底層風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系

圖6 地面風(fēng)速與秦皇島市大氣邊界層底層PM2.5濃度的關(guān)系

污染天氣經(jīng)常發(fā)生在靜風(fēng)或弱風(fēng)氣象環(huán)境中。用各時(shí)刻地面風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)、對(duì)應(yīng)各時(shí)刻PM2.5濃度，得到2013—2015年地面風(fēng)速與PM2.5濃度關(guān)系如圖6所示，圖中縱坐標(biāo)是PM2.5細(xì)顆粒物的濃度（μg/m3），橫坐標(biāo)是地面風(fēng)速（m/s），可以看出3 m/s以下的水平風(fēng)速極易造成空氣污染，而水平風(fēng)速大于4 m/s時(shí)，大氣邊界層底層的PM2.5含量急速減小。因?yàn)殪F霾天氣跟空氣污染密切關(guān)聯(lián)，表2也能反映空氣污染（霧霾天氣）時(shí)地面風(fēng)的狀況，表2分別統(tǒng)計(jì)了霧日、霾日、晴天情況下地面風(fēng)場(chǎng)和邊界層400 m以下垂直風(fēng)速對(duì)霧霾天氣形成的影響。地面風(fēng)速小于2 m/s時(shí)出現(xiàn)霧，3～4 m/s的風(fēng)速條件下出現(xiàn)霾，當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速增大至4 m/s時(shí)，弱風(fēng)背景遭到破壞，幾乎沒(méi)有霧霾天氣出現(xiàn)，這與吳彬貴等研究結(jié)果［13］一致。要形成和維持霧日，邊界層400 m以下垂直風(fēng)速必須≤4 m/s；而400 m以下垂直風(fēng)速≤3 m/s則是霾的存在條件。低層弱風(fēng)形成穩(wěn)定的大氣層結(jié)不利于污染物的水平和垂直擴(kuò)散。

表2 霧霾與風(fēng)場(chǎng)關(guān)系

3 結(jié)論

（1） 秦皇島市區(qū)年均119 d為輕度以上污染，年均16 d重度以上污染，年均PM2.5濃度呈逐年減小趨勢(shì)。4種化學(xué)污染物CO、NO2、SO2、O3，以NO2的影響最為嚴(yán)重，四種污染物影響主要在秋冬季，O3污染主要發(fā)生在春夏季節(jié)與潘麟麟［14］研究結(jié)果一致。

（2）PM2.5細(xì)顆粒物超標(biāo)主要在秋冬季，月平均最大值在1月份為96.5 μg/m3。細(xì)顆粒物24 h變化特征，春夏季和秋冬季有明顯差別：春夏季上午8:00、9:00前后、晚上19:00、20:00前后各有一個(gè)峰值；秋冬季氣溫越低PM2.5含量越高，極值一般出現(xiàn)在午夜前后。

（3）秦皇島市有87%的霧霾天氣會(huì)出現(xiàn)程度不同的空氣污染，逆溫層是污染天氣的必要條件。重度空氣污染與深厚、貼地逆溫層緊密相關(guān)，冬季極容易出現(xiàn)重度污染天氣。

（4）污染天氣發(fā)生在靜風(fēng)或弱風(fēng)氣象環(huán)境中，“靜穩(wěn)天氣”是空氣污染的必要條件?？諝馕廴局挥性诘孛骘L(fēng)速0～3 m/s的風(fēng)場(chǎng)中才會(huì)發(fā)生；同時(shí)大氣邊界層400 m以下的垂直（向上的）風(fēng)速要小于3 m/s。

［1］藺旭東，孫穎，張孟強(qiáng)，等.京津冀地區(qū)大氣污染物來(lái)源及異地輸送路徑分析［J］.中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，25（6）：29-34.

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（編輯：程 ?。?/p>

The Distribution of The Atmospheric Pollutants and Its Weather Background in Qinhuangdao

Zhang Baogui1，Cao Jianxin1，Du Jianshuang2，Sun Lihua3
（1.Weather Modification Office of Qinhuangdao，Qinhuangdao Hebei 066000，China；2.Lightning Protection Center of Qinhuangdao，Qinhuangdao Hebei 066000，China；3.Qinhuangdao Meteorological Observatory，Qinhuangdao Hebei 066000，China）

Using the official data of the air quality in Qinhuangdao，the distribution of PM2.5and the main pollutants （CO，NO2，SO2，O3），have been researched.The results showed that Qinhuangdao city has 119 days slight pollution days in winter，16 days heavy pollution in winter，NO2is one of the main pollutants，the peak value of PM2.5concentration appears in the morning and evening for springtime and summertime，the peak value appears around midnight in autumn and winter.The static stable weather is the necessary condition for the air pollution，the heavy pollution is related to the deep inversion layer of near-surface，when the surface wind speed is within 0～3 m/s，there will be the air pollution.

PM2.5distribution，main pollutants，fog and haze weather，inversion layer

X51

A

1008-813X（2016）05-0079-04

2016-08-04

張寶貴（1964-），男，河北撫寧人，畢業(yè)于成都?xì)庀髮W(xué)院動(dòng)力氣象專業(yè)，高級(jí)工程師，從事短期天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境氣象學(xué)和人工影響天氣的研究。

10.13358/j.issn.1008-813x.2016.05.21

我國(guó)京津冀地區(qū)是空氣污染的重災(zāi)區(qū)，其污染來(lái)源和移動(dòng)路徑［1］已經(jīng)被深入進(jìn)行了研究，筆者著重研究秦皇島本地的空氣污染狀況，產(chǎn)生空氣污染的天氣背景以及污染與天氣要素的關(guān)系。目前污染狀況和污染特征的研究［2］還在深入進(jìn)行，有學(xué)者指出［3］：“在京津冀地區(qū)，通過(guò)富集因子分析，認(rèn)為空氣污染主要來(lái)源于燃煤燃油，工業(yè)排放，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放等?！?/p>