石家莊市一次重污染過程氣象條件分析

賈秋剛 ,張艷杰

(1. 中地泓科(天津)環(huán)境科技有限公司，天津 301700；2.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，河北省地理信息開發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050011)

石家莊是全國大氣污染最嚴(yán)重的城市之一。由于受到地形、地勢、氣象條件等因素影響，尤其在冬季采暖期，石家莊市重污染天氣頻發(fā)。文獻[1-4]從天氣形勢、氣象條件演變及區(qū)域性污染傳輸?shù)榷喾矫鎸κ仪f重污染氣象過程進行了綜合研究，結(jié)果表明重污染發(fā)生時相應(yīng)的氣象條件一般為天氣形勢穩(wěn)定、大氣邊界層高度低、濕度高、風(fēng)速小、氣壓低等特點；朱芳等[5]認為高濃度的氣溶膠反饋效應(yīng)造成了石家莊市ρ(PM2.5)進一步增高。

現(xiàn)以2016年12月14—23日石家莊市一次重污染天氣過程為例，從污染物濃度變化過程、污染氣象條件演變規(guī)律以及風(fēng)向、風(fēng)速、相對濕度等主要氣象條件對顆粒物的影響等方面對整個過程進行分析，定量研究并篩選一次重污染形成的主要不利氣象條件，以期為石家莊市大氣顆粒物的治理與防控提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

逐時空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來自河北省環(huán)境監(jiān)測中心站。污染因子為： 細顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)和二氧化氮(NO2)；同步氣象資料來自河北省氣象服務(wù)中心，氣象因子包括風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、氣壓、水汽壓、相對濕度、大氣混合層高度等。

1.2 監(jiān)測時間

2016年12月14日00：00—23日24：00。

1.3 分析方法

采用SPSS相關(guān)性分析法分析了污染過程中PM2.5與主要氣象要素的相關(guān)性。大氣混合層高度采用《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》(GB/T 13201—1991)[6]中方法計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染過程

2016年12月14日—23日，石家莊市大氣嚴(yán)重污染天數(shù)達到了6 d，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)≥300。圖1為重污染期間石家莊市各主要污染物逐時變化。

圖1 重污染期間主要污染物逐時變化

由圖1可見，自14日凌晨起PM2.5小時均值即處于較高水平并逐步上升，15日中午驟然下降至100 μg/m3以下，但隨后又快速回升至200 μg/m3左右；之后呈持續(xù)累積趨勢，直至17日中午達到第一次峰值502 μg/m3，之后呈現(xiàn)波脈沖式上升和下降，ρ(PM2.5)>400 μg/m3，其中20日00:00達到最高峰值(779 μg/m3)，21日13：00達到次峰值742 μg/m3，直至22日00:00；在此后10 h，ρ(PM2.5)由533快速下降至54 μg/m3，之后有所回升但值較底，重污染過程基本結(jié)束。

該次污染過程ρ(PM2.5)具有緩慢積累、污染級別高、持續(xù)時間長和急速消散等特點，且具有明顯的日變化特征。ρ(PM2.5)白天相對較低，夜晚相對較高。根據(jù)ρ(PM2.5)變化趨勢可將此次重污染過程分為4個階段，分別為污染物積累前期(14—16日凌晨)、積累期(16日凌晨—17日中午)、高濃度污染維持期(17日中午—22日凌晨)和下降期(22日凌晨至結(jié)束)。

PM10與PM2.5具有相似的變化趨勢，SO2和NO2在污染物積累前期和下降期，與PM2.5變化趨勢大致相同，但于積累期和高濃度維持期上升速度較PM2.5緩慢，部分時段甚至出現(xiàn)與PM2.5相反的變化趨勢，且整個過程其值較低，SO2小時均值均低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級限值，NO2僅19日部分時段超過《GB 3095—2012》二級限值，最高值(216 μg/m3)出現(xiàn)在19日20:00。

2.2 污染期間氣象條件

重污染期間各氣象要素(風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫、相對濕度、水汽壓、混合層高度)與PM2.5逐時變化見圖2(a)(b)(c)(d)。

(1)污染物積累前期(14凌晨—16日凌晨)：ρ(PM2.5)<200 μg/m3；15日午后出現(xiàn)3 m/s風(fēng)速，混合層高度抬高至800 m以上，且伴隨相對濕度和水汽壓的驟然下降，ρ(PM2.5)<100 μg/m3；之后風(fēng)速降低，相對濕度和水汽壓回升，ρ(PM2.5)約為200 μg/m3。

(2)污染物積累期(16凌晨—17日中午)：石家莊地面轉(zhuǎn)為低壓均壓類系統(tǒng)控制，且氣壓梯度變化小，擴散條件迅速轉(zhuǎn)差，ρ(PM2.5)持續(xù)增高，16日午后風(fēng)速>2.5 m/s，后達到3.7 m/s，持續(xù)時間較短(僅3 h)，且風(fēng)向為東南暖濕氣流，地面水汽壓的持續(xù)增高，相對濕度也明顯高于之前同時段(基本>40%)，有利于污染物吸濕增長和二次轉(zhuǎn)化，ρ(PM2.5)持續(xù)上升。

(3)高濃度污染維持期(17中午—22日凌晨)：ρ(PM2.5)>400 μg/m3。本階段石家莊市地面依舊處于低壓均壓類系統(tǒng)控制下，平均氣壓為1 012.8 hPa；風(fēng)速<2.5 m/s，平均風(fēng)速為1 m/s，混合層高度<500 m，最大高度為19日出現(xiàn)的423 m；水汽壓逐步增高，相對濕度持續(xù)增大，白天峰谷幾乎全部>50%，夜晚峰值均>80%，整體平均相對濕度78.6%。說明<2.5 m/s的低風(fēng)速、<500 m的混合層高度、持續(xù)的低氣壓和高濕度環(huán)境對污染物擴散沒有明顯作用。

圖2 重污染期間石家莊市氣象參數(shù)與PM2.5逐時變化

(4)污染下降期(22日凌晨—結(jié)束)：隨著風(fēng)速逐漸上升，風(fēng)向由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為干燥的西-西北風(fēng)，混合層高度達到1 323 m，水汽壓由7 下降至3 hPa，相對濕度急劇下降，ρ(PM2.5)<100 μg/m3，本次重污染過程基本結(jié)束。

各氣象要素的時間演變特征表明，地面轉(zhuǎn)為低壓均壓類系統(tǒng)控制，較高的相對濕度和水汽壓、<2.5 m/s的低風(fēng)速以及<500 m的混合層高度是本次持續(xù)性重污染天氣過程形成和持續(xù)的重要原因，而持續(xù)>2.5 m/s風(fēng)速(6 h)，干燥的西-西北風(fēng)產(chǎn)生的低濕度和低水汽壓是本次重污染過程消散的重要條件。

2.3 主要氣象條件對PM2.5的影響

重污染過程石家莊市地面風(fēng)頻統(tǒng)計見表1。

表1 重污染過程石家莊市地面風(fēng)頻統(tǒng)計

由圖2(c)和表1可見，整個污染過程風(fēng)速大多<2.5 m/s，尤其在污染物積累期和高濃度維持期，小風(fēng)(<1.5 m/s)和靜風(fēng)頻率>70%，平均風(fēng)速為1 m/s左右，大氣擴散能力差，污染物更容易聚集。且主導(dǎo)風(fēng)向不明顯，整個污染過程東南風(fēng)出現(xiàn)頻率最大，約18.3%；其次為西風(fēng)17.9%，北風(fēng)占15%，其他風(fēng)向均在12.5%以下，靜風(fēng)(13次)頻率5.4%。風(fēng)向的不穩(wěn)定，使得石家莊上空出現(xiàn)類似旋轉(zhuǎn)風(fēng)的情況，大氣擴散能力差，大氣中的污染物在城市上空不斷循環(huán)，污染物堆積明顯，環(huán)境空氣質(zhì)量不斷惡化。風(fēng)向、風(fēng)速與ρ(PM2.5)的風(fēng)玫瑰圖見圖3。

圖3 風(fēng)向、風(fēng)速與ρ(PM2.5)的風(fēng)玫瑰圖

由圖3可見，本次污染過程PM2.5高值幾乎全部出現(xiàn)在風(fēng)速<2 m/s時，且當(dāng)石家莊市內(nèi)受>2 m/s的西-西北風(fēng)影響時，環(huán)境空氣質(zhì)量相對較好，而短時間的2～4 m/s東南風(fēng)并未對空氣質(zhì)量起到明顯改善作用。

相對濕度和水汽壓是影響大氣污染的重要氣象因素，這是由于高濕環(huán)境有利于大氣中氣粒轉(zhuǎn)化過程，同時相對濕度上升時，大氣中氣溶膠粒子吸濕性增大加快碰并聚合過程，使得大氣中ρ(PM2.5)上升[7-8]。同時在較大的濕度環(huán)境下，其他污染物(硫酸鹽和硝酸鹽等)的二次反應(yīng)也導(dǎo)致大氣污染程度加劇[9-11]。從圖2(b)和圖2(d)中水汽壓、相對濕度和PM2.5的逐時變化情況可知，整個污染過程中水汽壓和相對濕度總體均呈緩慢上升趨勢，在20和21日達到最高值，此時PM2.5污染最為嚴(yán)重。同時相對濕度隨氣溫呈現(xiàn)較好的日變化特征，中午及午后氣溫較高，相對濕度較低，而在夜晚至凌晨，由于溫度較低，相對濕度幾乎>80%。22日凌晨后水汽壓、相對濕度和ρ(PM2.5)同時出現(xiàn)快速下降，表明空氣濕度與污染的發(fā)生和轉(zhuǎn)變密切相關(guān)。不同風(fēng)速、濕度和水汽壓條件下的ρ(PM2.5)見圖4 (a)(b)。

圖4 不同風(fēng)速、相對濕度和水汽壓條件下的ρ(PM2.5)

由圖4可見，風(fēng)速<2.5 m/s，相對濕度>45%或水汽壓>3.6 hPa時，ρ(PM2.5)>115 μg/m3，空氣質(zhì)量明顯較差；當(dāng)風(fēng)速<2 m/s，濕度>65%或水汽壓>4 hPa時，ρ(PM2.5)>250 μg/m3，污染級別達到嚴(yán)重污染，說明小風(fēng)速、高濕的氣象條件更有利于污染物的吸濕增高和二次轉(zhuǎn)化，從而加劇重污染的產(chǎn)生。本次污染天氣過程地面氣壓整體呈現(xiàn)由高到低再升高的變化趨勢，且氣壓梯度變化較弱。嚴(yán)重污染期間，地面由低壓類天氣形勢控制。圖5(a)(b)為氣壓與風(fēng)速和相對濕度散點圖。

由圖5可見，地面氣壓>1 017 hPa時，環(huán)境空氣質(zhì)量相對較好，風(fēng)速和相對濕度對影響作用相對較??；當(dāng)?shù)孛鏆鈮?1 017 hPa時，風(fēng)速和相對濕度對ρ(PM2.5)影響作用較大，尤其當(dāng)風(fēng)速<2.5 m/s或相對濕度>45%時，ρ(PM2.5)>250 μg/m3。表明本次重污染形成與維持的地面氣壓臨界值為1 017 hPa。

圖5 不同風(fēng)速、氣壓和相對濕度條件下ρ(PM2.5)

2.4 主要氣象因子與PM2.5相關(guān)性

表2是污染期間PM2.5逐時值與相應(yīng)各小時氣象要素(包括氣溫、氣壓、水汽壓、相對濕度和風(fēng)速等)相關(guān)性分析結(jié)果。

表2 PM2.5小時值與氣象因素的相關(guān)系數(shù)①

由表2可見，除氣溫以外，各氣象要素與實時PM2.5均存在一定的相關(guān)性，并全部通過sig.≤0.01的顯著性水平檢驗。相關(guān)系數(shù)大小順序排列為：水汽壓>相對濕度>氣壓>風(fēng)速。其中，與水汽壓和相對濕度為明顯的正相關(guān)，屬于顯著性相關(guān)，與氣壓和風(fēng)速為負相關(guān)。說明處于低壓均壓類系統(tǒng)控制下的高濕度環(huán)境和低風(fēng)速對本次重污染天氣的形成和維持具有重要影響。

3 結(jié)論

(1)PM10和PM2.5是此次污染的主要污染物，而SO2和NO2在污染物積累期和高值維持期，上升緩慢甚至出現(xiàn)下降趨勢，存在二次轉(zhuǎn)化促進顆粒物吸濕增長的可能。

(2)地面轉(zhuǎn)為低壓均壓類系統(tǒng)控制，較高的相對濕度和水汽壓、風(fēng)速<2.5 m/s以及混合層高度<500 m是本次持續(xù)性重污染天氣過程形成和持續(xù)的重要原因，而持續(xù)風(fēng)速>2.5 m/s，干燥的西-西北風(fēng)產(chǎn)生的低濕度和低水汽壓條件是本次石家莊重污染過程消散的重要條件。

(3)當(dāng)風(fēng)速<2.5 m/s，相對濕度>45%或水汽壓>3.6 hPa時，空氣質(zhì)量明顯較差；當(dāng)風(fēng)速<2 m/s，濕度>65%或水汽壓>4 hPa時，污染級別達到嚴(yán)重污染。

(4)該次重污染形成與維持的地面氣壓臨界值為1 017 hPa，當(dāng)?shù)孛鏆鈮?1 017 hPa時，環(huán)境空氣質(zhì)量相對較好；當(dāng)?shù)孛鏆鈮?1 017 hPa，更容易發(fā)生嚴(yán)重污染。

(5)除氣溫以外，PM2.5與選取的各氣象要素均存在一定的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大小順序排列為：水汽壓>相對濕度>氣壓>風(fēng)速。其中，與水汽壓和相對濕度成正相關(guān)，與氣壓和風(fēng)速呈負相關(guān)。