石家莊市一次雨雪過(guò)程大氣污染特征分析

王 瑋,強(qiáng) 杰,王 爍，任振科

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河北石家莊 050022)

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石家莊市一次雨雪過(guò)程大氣污染特征分析

王 瑋,強(qiáng) 杰,王 爍，任振科

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河北石家莊 050022)

為了研究氣象條件與大氣污染之間的關(guān)系，結(jié)合氣象資料和環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了2015-11-21至2015-11-25石家莊市一次雨雪過(guò)程對(duì)各類(lèi)污染源及污染物濃度的影響，并利用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析不同污染物之間及污染物濃度與氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明:此次雨雪過(guò)程對(duì)面源影響最大，揚(yáng)塵接近零排放;對(duì)移動(dòng)源的影響主要表現(xiàn)為機(jī)動(dòng)車(chē)早晚高峰時(shí)段及車(chē)輛怠速時(shí)間的延長(zhǎng)；對(duì)工業(yè)點(diǎn)源影響較小。顆粒態(tài)污染物與SO2，NO2和O3(8 h)的濃度呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明污染物來(lái)源呈現(xiàn)一定的同源性。雨雪期間主要污染物濃度與溫度呈顯著相關(guān)性，風(fēng)速的擴(kuò)散和稀釋作用僅對(duì)PM2.5有較明顯的影響。

大氣污染防治工程；污染特征；雨雪天氣；氣象條件；石家莊市

近年來(lái)隨著城市工業(yè)化進(jìn)程的加快以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市大氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。大量研究表明，造成城市空氣污染的原因一方面在于大量污染物的排放，另一方面則與氣象條件密切相關(guān)[1]。曲曉黎等[2]研究發(fā)現(xiàn)石家莊市的空氣污染指數(shù)與降水量、露點(diǎn)溫度、能見(jiàn)度和氣溫呈負(fù)相關(guān)。孫峰等[3]、徐曼等[4]分別針對(duì)北京、石家莊出現(xiàn)的重污染過(guò)程，從氣象條件、天氣形勢(shì)和區(qū)域輸送等方面進(jìn)行了污染原因分析。任毅斌等[5]、康蘇花等[6]分別對(duì)石家莊市采暖期及冬季環(huán)境空氣中的顆粒物進(jìn)行了來(lái)源解析及組分特征分析。但目前中國(guó)對(duì)區(qū)域極端雨雪過(guò)程中污染物之間及污染物與氣象要素之間的影響關(guān)系等研究的相關(guān)文獻(xiàn)相對(duì)較少。

石家莊市人口過(guò)度密集，主城區(qū)面積狹小，一環(huán)以內(nèi)面積為30.56 km2，人口密度為3.27萬(wàn)人/ km2，二環(huán)至一環(huán)區(qū)域的人口密度也高達(dá)2萬(wàn)人/ km2，是全國(guó)人口密度較大的省會(huì)城市之一。同時(shí)，石家莊市地處太行山東麓，地勢(shì)西高東低，落差幾百米，呈“避風(fēng)港”式地形[7]，污染物不易擴(kuò)散，是全國(guó)“焚風(fēng)效應(yīng)”較嚴(yán)重、“熱島效應(yīng)”較明顯的城市之一。2015-11-21至2015-11-25，石家莊市出現(xiàn)了一次極端雨雪天氣過(guò)程，受雨雪過(guò)程對(duì)污染源及擴(kuò)散條件的影響，期間石家莊市空氣質(zhì)量達(dá)到二級(jí)。本文以此次雨雪天氣過(guò)程為研究對(duì)象，結(jié)合氣象圖分析雨雪過(guò)程中氣象因子的變化，探討雨雪過(guò)程對(duì)污染源的影響，分析石家莊市雨雪過(guò)程中污染物濃度的時(shí)間分布特征及污染物之間和污染物與氣象要素之間的相關(guān)性。

1 資料與方法

地面大氣污染物濃度的資料來(lái)源于2015-11-21至2015-11-25石家莊市建成區(qū)7個(gè)大氣國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的實(shí)況資料。石家莊市環(huán)境保護(hù)部門(mén)在監(jiān)測(cè)儀器的使用、維護(hù)和質(zhì)量控制與質(zhì)量保證等方面已積累了多年經(jīng)驗(yàn)，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中嚴(yán)格按照《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行質(zhì)量控制程序。本文中所使用的氣象資料包括石家莊市國(guó)家基本氣象站提供的氣象五參數(shù)數(shù)據(jù)、韓國(guó)氣象廳(KMA)提供的氣候預(yù)測(cè)資料。主要采用Pearson積差相關(guān)系數(shù)法研究污染物之間和污染物與氣象要素之間的相關(guān)性[8]。

2 結(jié)果分析

2.1 天氣過(guò)程分析

從圖1可以看出，從500 hPa的高度場(chǎng)分析，在貝加爾湖一帶有明顯的橫槽，槽后來(lái)自西西伯利亞的冷空氣堆積，在橫槽槽前的平直西風(fēng)鋒區(qū)中不斷有小波動(dòng)?xùn)|移，橫槽前部為明顯的階梯槽的形勢(shì)且等高線明顯疏散。槽前的正渦度平流加大，負(fù)變高加大，與此同時(shí)相應(yīng)的變高梯度加大，同時(shí)由于冷空氣不斷進(jìn)入橫槽堆積，此橫槽的斜壓性也不斷加大，并向南加深并且逐漸轉(zhuǎn)豎(橫槽明顯發(fā)展)。同時(shí)由于500 hPa高度場(chǎng)多波動(dòng)，南支和北支波動(dòng)活躍，因此華北和南方的部分地區(qū)多降水。由于強(qiáng)冷空氣“紫杉”的分支部隊(duì)南下影響北方地區(qū)，從850 hPa高度場(chǎng)看，北方地區(qū)鋒區(qū)明顯，同時(shí)副熱帶高壓邊緣的南風(fēng)輸送強(qiáng)，水氣不斷供應(yīng)，從地面看，從西北地區(qū)東部到華北一帶有倒槽發(fā)展，因此華北地區(qū)有明顯的降水天氣，由于氣溫低，降水以雪的形式出現(xiàn)，以濕雪為主。

受南壓冷空氣影響，21日—22日有小雨或雨夾雪，偏北風(fēng)1—2級(jí)，雨雪有利于污染物的稀釋擴(kuò)散，空氣質(zhì)量以良為主。23日—24日受較強(qiáng)冷空氣影響，雨雪天氣持續(xù)，局地大雪，有3級(jí)左右偏北風(fēng)，氣溫明顯下降，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良；25日—26日大氣環(huán)流調(diào)整，高空逐漸轉(zhuǎn)為受西北氣流控制，天氣多云轉(zhuǎn)晴，偏北風(fēng)3級(jí)左右，持續(xù)的陰?kù)F雨(雪)天氣結(jié)束；26日下午隨著冷空氣的東移南壓，石家莊市轉(zhuǎn)入高壓后部，氣壓場(chǎng)減弱，天氣形勢(shì)靜穩(wěn)，風(fēng)速基本在1 m/s以下，空氣處于停滯區(qū)，且濕度在80%左右，風(fēng)速小、濕度大，污染物濃度高，出現(xiàn)持續(xù)重污染天氣，污染物濃度波動(dòng)累積上升。

圖1 2015-11-21 12：00高層及近地面天氣形勢(shì)Fig.1 Surface and upper air synoptic situations at 12:00 AM on November 21, 2015

2.2 雨雪對(duì)污染源的影響

此次石家莊雨雪過(guò)程對(duì)面源、點(diǎn)源、移動(dòng)源等污染源均有不同程度的影響(如表1所示)。首先，對(duì)于面源，由于此時(shí)已入冬，受降雪條件的影響，室外施工難以進(jìn)行，且雪層覆蓋較厚，可認(rèn)為24日市區(qū)建筑施工及路面的揚(yáng)塵基本為零排放；其次，點(diǎn)源方面，由于工業(yè)源為固定靜態(tài)源，大雪天氣并未造成停水停電等對(duì)工業(yè)生產(chǎn)影響較大的事件，因此認(rèn)為工業(yè)污染的日排放規(guī)律和排放量基本保持不變，但城中村取暖所需燃煤量應(yīng)有所增加，故造成污染物的排放量有所增大；最后，移動(dòng)源方面，考慮到受雨雪天氣影響造成路面濕滑，部分車(chē)主選擇主動(dòng)放棄駕車(chē)或根據(jù)雨雪情況延遲出門(mén)時(shí)間，車(chē)流總量應(yīng)有所下降，但車(chē)輛受此時(shí)路況的影響，怠速狀態(tài)時(shí)間會(huì)有所延長(zhǎng)，導(dǎo)致污染物排放量的增加?？紤]到正負(fù)效應(yīng)會(huì)有一定疊加，因而判斷移動(dòng)源總排放量變化相對(duì)較小，但早晚高峰時(shí)段會(huì)延長(zhǎng)[9]。

表1 雨雪天氣對(duì)不同污染源的環(huán)境影響

2.3 大氣污染特征

2.3.1 雨雪過(guò)程前后污染物濃度變化

參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》[10]及《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》[11]評(píng)價(jià)雨雪過(guò)程前后AQI及各項(xiàng)污染物濃度的變化情況(見(jiàn)圖2)。從圖2可以看出，21日的降雨過(guò)程對(duì)各項(xiàng)污染物的清洗作用更加明顯，AQI及SO2，PM10和PM2.5的濃度下降幅度超過(guò)40%，但22日—25日除NO2與CO外，其余各項(xiàng)污染物均有不同程度的上升?？紤]到21日主要為降雨，SO2，PM10和PM2.5濃度已相對(duì)較低，而22日—25日為固態(tài)冰晶形式的降雪，清洗系數(shù)比雨水稍弱[12]，因此可認(rèn)為屬正常波動(dòng)范圍。26日與25日相比，AQI和污染物濃度均有小幅提升，主要與雪后天氣系統(tǒng)較穩(wěn)定，不利于污染物擴(kuò)散清除，且社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)逐步恢復(fù)有關(guān)。

圖2 2015-11-20至2015-11-26(雨雪過(guò)程期間)石家莊市大氣污染特征Fig.2 Characteristics of atmospheric pollutants during the period of rain and snow in Shijiazhuang City on November 20 to 26, 2015

2.3.2 污染物濃度日變化

2015-11-21至2015-11-25石家莊市各項(xiàng)污染物的濃度維持低位震蕩(見(jiàn)圖3)，O3(8 h)濃度變化較平緩，SO2濃度于14:00達(dá)到峰值，其余4項(xiàng)污染物的濃度基本呈現(xiàn)“M型”變化。但2015-11-25的 0:00～12:00，受持續(xù)的強(qiáng)降雪及大風(fēng)影響，6項(xiàng)污染物濃度維持在較低水平，但隨著降雪強(qiáng)度逐步減弱，溫度有所抬升，社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)重新活躍起來(lái)，大氣污染物的濃度逐步上升，污染物濃度日變化特征有明顯的改變(見(jiàn)圖4)。

圖4 2015-11-25 (雪停前)石家莊市各項(xiàng)污染物小時(shí)變化特征Fig.4 Hour variation characteristics of atmospheric pollutants before the snow stopped in Shijiazhuang City on November 20 to 25, 2015

對(duì)比圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，SO2濃度均在14:00～15:00達(dá)到峰值，結(jié)合此時(shí)的大氣層結(jié)狀態(tài)，分析這主要是由于日出后隨著太陽(yáng)輻射作用增強(qiáng)，溫度上升導(dǎo)致混合層高度抬升，電廠和工業(yè)等高架源排放的SO2隨混合層變化而引起的氣體上下傳輸所致[13]；隨著氣象條件逐步改善，16:00的SO2小時(shí)濃度有所下降，19:00～23:00的SO2濃度維持在較低水平；SO2濃度的“單峰型”日變化規(guī)律也說(shuō)明了雨雪期間工業(yè)源污染物的排放量變化較小。NO2，CO，PM10，PM2.54項(xiàng)污染物在雨雪期間濃度較低，且?guī)缀跬接?:00前后達(dá)到一波“小高峰”，這主要是與施工車(chē)、渣土車(chē)、社會(huì)生產(chǎn)生活供應(yīng)的運(yùn)輸車(chē)等大型車(chē)輛受雨雪天氣影響相對(duì)較小，且多活動(dòng)于夜間有關(guān)。大型機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣直接排放的一次粒子及經(jīng)轉(zhuǎn)化生成的二次粒子造成了PM10和PM2.5幾乎同步達(dá)到“小高峰”。25日12:00后，降雪逐漸停止，社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)逐步恢復(fù)，NO2，CO，PM10，PM2.54項(xiàng)污染物于17:00達(dá)到峰值，由于排除了工地?fù)P塵污染，各項(xiàng)污染物濃度升高的原因應(yīng)是：隨著降雪停止，社會(huì)活動(dòng)時(shí)間提前，路況相對(duì)于雨雪期間較好，停駛車(chē)輛逐漸上路，造成道路晚高峰時(shí)段相對(duì)提前且較雨雪期間相對(duì)擁堵，機(jī)動(dòng)車(chē)怠速時(shí)間延長(zhǎng)造成尾氣氮氧化物和CO排放量開(kāi)始增加。同時(shí)，氮氧化物和CO經(jīng)二次轉(zhuǎn)化生成顆粒物，造成PM10和PM2.5濃度的增加。

2.4 污染物之間及其與氣象要素之間相關(guān)性分析

2.4.1 污染物之間相關(guān)性分析

大氣中存在多種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，各種污染物并不是孤立存在的，氣態(tài)污染物與氣溶膠之間存在一定的轉(zhuǎn)化[14]。研究污染物之間的關(guān)聯(lián)性，不僅可以了解它們之間的相關(guān)關(guān)系，而且可為石家莊市制訂相關(guān)污染控制對(duì)策提供重要參考[15]。以2015-11-21至2015-11-25(雨雪期間)石家莊市區(qū)6項(xiàng)污染物小時(shí)濃度為研究對(duì)象，采用Pearson積差相關(guān)系數(shù)法對(duì)污染物之間相關(guān)性進(jìn)行分析(見(jiàn)表2)。從表2可以看出，雨雪期間石家莊市區(qū)顆粒態(tài)污染物與SO2，NO2，O3(8 h)均通過(guò)了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，呈顯著相關(guān)狀態(tài)，說(shuō)明顆粒態(tài)污染物與氣態(tài)污染物具有一定的同源性。PM2.5，PM10與SO2的相關(guān)系數(shù)接近1，說(shuō)明石家莊市的顆粒物污染主要來(lái)源于燃煤(燃煤電廠、集中供熱、居民散燒)。NO2與SO2，CO，O3(8 h)之間通過(guò)了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，但NO2與CO之間相關(guān)系數(shù)明顯高于NO2與SO2之間的相關(guān)系數(shù)，這說(shuō)明NO2的排放源主要是機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣，在雨雪天氣中機(jī)動(dòng)車(chē)行駛緩慢而使怠速時(shí)間與行駛時(shí)間延長(zhǎng)，加大了汽油不完全燃燒的幾率，致使NO2和CO排放量增加； 而工業(yè)排放對(duì)NO2濃度的影響相對(duì)較小。NO2與O3(8 h)呈負(fù)相關(guān)，這主要是由于當(dāng)光化學(xué)反應(yīng)需要的光照和溫度等條件不足時(shí)，O3氧化NO2生成NO與O2的反應(yīng)占主導(dǎo)[9]。

表2 2015-11-21至2015-11-25(雨雪期間)石家莊市區(qū)主要污染物間的相關(guān)系數(shù)

注：**表示通過(guò)α=0.01顯著性檢驗(yàn)。

2.4.2 污染物與氣象要素之間的相關(guān)性分析

以2015-11-21至2015-11-25(雨雪期間)石家莊市區(qū)6項(xiàng)污染物小時(shí)濃度為研究對(duì)象，采用Pearson積差相關(guān)系數(shù)法對(duì)污染物與氣象要素之間的相關(guān)性進(jìn)行分析(見(jiàn)表3)。從表3可以看出：1)2015-11-21至2015-11-25(雨雪期間)石家莊市區(qū)各污染物的濃度均與溫度呈顯著相關(guān)，并均通過(guò)了α=0.01顯著性檢驗(yàn)，PM10，PM2.5，SO2與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，而NO2，CO與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，說(shuō)明隨著溫度逐步降低，工業(yè)供暖等生產(chǎn)活動(dòng)逐步加強(qiáng)，而機(jī)動(dòng)車(chē)出行相對(duì)減少；2)本次雨雪期間由于面源排放相對(duì)減少，點(diǎn)源排放基本保持不變，各項(xiàng)污染物的濃度相對(duì)較低，風(fēng)速僅對(duì)PM2.5有較明顯的清除作用，呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，并隨著風(fēng)力加大，PM2.5的濃度降低；3)NO2，CO與相對(duì)濕度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與水平氣壓呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，而水平氣壓較高、相對(duì)濕度較低時(shí)段與降雪同期，移動(dòng)源排放相對(duì)減少。

表3 2015-11-21至2015-11-25(雨雪期間)石家莊市區(qū)主要污染物濃度與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

注：**表示通過(guò)α=0.01顯著性檢驗(yàn)；*表示通過(guò)α=0.05顯著性檢驗(yàn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)2015-11-21至2015-11-25石家莊市的雨雪天氣對(duì)該市的社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)有一定影響，各類(lèi)型污染源的污染物排放也發(fā)生了一些變化。揚(yáng)塵面源基本為零排放；工業(yè)點(diǎn)源所受影響相對(duì)較小，但由于雨雪而大幅降溫，造成城中村取暖燃煤量增加，使污染物排放量上升；機(jī)動(dòng)車(chē)出行量相對(duì)減少，但路滑情況下車(chē)輛怠速行駛時(shí)間增長(zhǎng)以及道路早晚高峰時(shí)段延長(zhǎng)導(dǎo)致污染物的排放量增加，正負(fù)效應(yīng)會(huì)有一定疊加。

2)在此次雨雪過(guò)程的影響下，石家莊市環(huán)境空氣質(zhì)量得以改善，污染物濃度日變化規(guī)律發(fā)生改變。2015-11-21至2015-11-25石家莊市各項(xiàng)污染物的濃度維持低位震蕩，其中O3(8h)變化較平緩，SO2日變化呈“單峰型”，其余4項(xiàng)污染物基本呈現(xiàn)“M型”變化。2015-11-21空氣質(zhì)量狀況為良，AQI和顆粒物濃度下降明顯；但22日—25日除NO2與CO外，其余各項(xiàng)污染物濃度均有不同程度升高。

3)此次石家莊雨雪過(guò)程中6項(xiàng)污染物之間及污染物與基本氣象要素之間的相關(guān)性較好。顆粒態(tài)污染物與SO2，NO2，O3(8h)濃度呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明污染物來(lái)源具有一定的同源性；PM2.5和PM10與SO2相關(guān)系數(shù)接近1，說(shuō)明其主要來(lái)源于燃煤(燃煤電廠、集中供熱、居民散燒)；NO2與CO的相關(guān)系數(shù)高于NO2與SO2的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明NO2的濃度主要受機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放影響，而工業(yè)排放對(duì)它的影響相對(duì)較??；主要污染物濃度與溫度呈顯著相關(guān)，說(shuō)明隨著溫度的降低，工業(yè)供暖等生產(chǎn)活動(dòng)會(huì)相應(yīng)加強(qiáng)，而機(jī)動(dòng)車(chē)出行會(huì)相對(duì)減少。此外，由于雨雪期間污染源排放相對(duì)減少，各項(xiàng)污染物濃度相對(duì)較低，風(fēng)速僅對(duì)PM2.5有較明顯的清除作用。

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Characteristics analysis of the atmospheric pollution >after a sleet process in Shijiazhuang City

WANG Wei, QIANG Jie, WANG Shuo, REN Zhenke

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang, Hebei 050022, China)

In order to study the relationship between meteorological conditions and air pollution, the influence of a sleet process, which is from November 21, 2015 to November 25, 2015 in Shijiazhuang City, to the different atmospheric pollution sources and the concentration of atmospheric pollutants is analyzed by combining meteorological conditions and environmental monitoring data. The relationship between different pollutants and the relationship between the pollutant concentrations and meteorological elements are analyzed by using the Pearson correlation coefficient method. The results show that the effect of the sleet process on non-point sources is the greatest, and the dust emission is close to zero; the effect of the sleet process on mobile sources is mainly manifested in the extended morning and evening peak time and the motor vehicles' idle time; the sleet process has less influence on industrial point sources. There is significant positive correlation between the particle sized pollutants and the concentration of SO2, NO2and O3(8 h), which illustrates that the pollution sources have certain homology. There is significant correlation between the temperature and concentration of major pollutants during the sleet process, and the diffusion and dilution effect by wind speed is obvious just for PM2.5.

air pollution control engineering；pollution characteristics；sleet weather；meteorological condition；Shijiazhuang City

1008-1534(2016)04-0353-06

2016-03-30;

2016-04-12；責(zé)任編輯：王海云

河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(16273714D)

王 瑋(1986-)，男，河北石家莊人，工程師，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的研究。

E-mail:wayever@126.com

X51

A

10.7535/hbgykj.2016yx04017

王 瑋,強(qiáng) 杰,王 爍，等.石家莊市一次雨雪過(guò)程大氣污染特征分析[J].河北工業(yè)科技,2016,33(4):353-358. WANG Wei, QIANG Jie, WANG Shuo, et al.Characteristics analysis of the atmospheric pollution after a sleet process in Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(4):353-358.