2018年冬季河北省氣象條件變化對PM2.5影響研究

焦亞音，楊雨靈，馬志淳

(河北省環(huán)境氣象中心，河北 石家莊 050021)

1 引言

京津冀城市群霧霾天氣頻發(fā)，是我國大氣環(huán)境污染的重災(zāi)區(qū)[1]。PM2.5、PM10等顆粒物是京津冀地區(qū)秋冬季的首要污染物[2]。大氣污染排放和不利氣象條件是導(dǎo)致大氣污染的重要原因[3]。氣象條件對空氣污染作用的問題至今一直備受關(guān)注，國內(nèi)外諸多研究采用多種分析方法對空氣污染氣象條件進(jìn)行討論：直接采用污染物濃度與地面氣象要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究二者之間的相關(guān)關(guān)系[4]；高空形勢環(huán)流也是影響空氣污染的氣象因素，部分學(xué)者通過分析空氣污染過程對應(yīng)的天氣形勢，歸納總結(jié)出容易導(dǎo)致空氣污染的局部天氣類型[5]；其次，基于表達(dá)空氣污染氣象條件的量化指數(shù)，評估污染氣象條件的變化特征和對污染趨勢進(jìn)行預(yù)測等。例如：廖碧婷等[6]基于天氣預(yù)報(bào)中的K指數(shù)、沙氏指數(shù)和抬升指數(shù)得出垂直交換系數(shù)，應(yīng)用于對污染物垂直擴(kuò)散能力的評估。朱蓉等[7]定義大氣自凈能力指數(shù)，用于描述大氣通風(fēng)擴(kuò)散和降水對污染物的清除能力。相對于以上氣象條件指數(shù)，PM2.5氣象條件評估指數(shù)(EMI)物理意義更加明確，包含大氣對污染物的稀釋擴(kuò)散、輸送、沉降等物理過程，可定量診斷與預(yù)測污染期間氣象條件的變化，深入理解和掌握PM2.5濃度物理成因。本文在此基礎(chǔ)之上利用2017～2018年河北省地面環(huán)境監(jiān)測站PM2.5顆粒物觀測數(shù)據(jù)和CUACE空氣質(zhì)量模式輸出的EMI資料，定量分離出河北省氣象條件變化和排放變化率變化情況，分析某時(shí)段內(nèi)PM2.5濃度變化的主要驅(qū)動因素，通過計(jì)算PM2.5濃度變化率和氣象條件變化率，定量診斷氣象條件對PM2.5濃度的影響。

2 資料與方法

本文利用中國氣象局霧-霾數(shù)值預(yù)報(bào)CUACE模式氣溶膠示蹤模塊輸出的EMI指數(shù)來研究河北省氣象條件的定量變化。劉洪利等[8]給出了EMI的定義和計(jì)算方法，即EMI為氣象條件變化所導(dǎo)致的PM2.5濃度變化的綜合指數(shù)。EMI指數(shù)包括了大氣對污染物的稀釋擴(kuò)散、輸送、沉降等物理過程。

不同年份之間同期時(shí)間段相互比較時(shí)，EMI變化量是在排放不變條件下氣象條件導(dǎo)致的PM2.5濃度變化率。假定氣象條件和人為排放對PM2.5濃度的貢獻(xiàn)都是線性的，氣象條件和人為排放是變量可分離的。PM2.5濃度分別為A1、A2，人為排放為B1、B2，氣象條件為EMI1、EMI2。

(1)

(2)

氣象條件變化率為：

(3)

本文以2017年的EMI指數(shù)為基準(zhǔn)，通過比較2017～2018年同期變化，進(jìn)行分月份的氣象條件變化評估，評價(jià)氣象條件對大氣污染的作用。本文重點(diǎn)分析2018年冬季(11月、12月)河北省氣象條件變化率以及2018全年石家莊市的氣象條件和PM2.5濃度的具體變化率。

3 結(jié)果與分析

3.1 PM2.5濃度和EMI指數(shù)的變化趨勢分析

圖1給出了河北2013～2018年逐月PM2.5濃度和EMI指數(shù)的長期變化(2013年9～11月為缺測)，可以看出，河北PM2.5濃度和EMI指數(shù)變化趨勢較一致，且季節(jié)變化明顯，均表現(xiàn)為春夏季低、秋冬季高，春季和夏季的氣象條件較好，夏季的EMI指數(shù)與PM2.5濃度均保持在全年較低的水平，夏季EMI指數(shù)基本在3以下，PM2.5濃度不超過100。并且EMI指數(shù)的月際變化均有峰谷高低起伏的變化特征，相比而言，PM2.5濃度月際變化幅度較緩慢。通過計(jì)算，得到PM2.5濃度和EMI指數(shù)二者的相關(guān)性為0.77，相關(guān)性較好。可見，EMI指數(shù)能夠較好地體現(xiàn)氣象條件在大氣污染過程中的作用。

圖1 PM2.5和EMI的變化趨勢對比及相關(guān)性

3.2 冬季氣象條件對河北省空氣質(zhì)量改善的貢獻(xiàn)評估

根據(jù)EMI指數(shù)計(jì)算了河北省2018年冬季(11～12月份)相比2017年氣象條件對PM2.5濃度的變化率，代表氣象條件對PM2.5濃度變化的定量變化。根據(jù)氣象條件的差異，可將河北省分為3個(gè)區(qū)域：張家口、承德、保定、廊坊、石家莊北部氣象條件極為不利，氣象條件使PM2.5濃度同比上升28%～45%；邢臺西部和邯鄲氣象條件非常不利，使PM2.5濃度同比上升16%～28%；唐山、秦皇島、滄州、衡水、石家莊南部、邢臺東部等地氣象條件影響最小，PM2.5濃度下降8%～16%?？偟膩碚f，與2017年同期相比，全省氣象條件不利于PM2.5濃度下降，氣象條件的變化率存在顯著的區(qū)域差異。

3.3 石家莊氣象條件貢獻(xiàn)和減排措施效果分析

表1為2018年石家莊的氣象條件同期變化率和PM2.5觀測濃度同期變化率。由表1可見，2018年石家莊PM2.5年均濃度同比下降12.7%，其中氣象條件使PM2.5濃度下降3.1%，表明人為減排對大氣污染防治貢獻(xiàn)顯著。分析2018年石家莊各月氣象條件變化，其中，3～5月、11～12月氣象條件十分不利于PM2.5濃度下降，氣象條件最不利的4月和11月使PM2.5濃度增加20%以上；1月和7～10月氣象條件同比較為有利，最有利的1月和9月使PM2.5濃度下降17%以上。

表1 2018年石家莊氣象條件相比(2017年)對PM2.5濃度變化分析 單位(%)

對相近氣象條件下不同季節(jié)PM2.5濃度下降幅度差異化分析，對比3月和12月、1月和7月兩組數(shù)據(jù)結(jié)果，3月、12月氣象條件均為有利于污染物增加約11%左右，但在大氣污染綜合治理措施并舉的情況下，12月份 PM2.5濃度同比下降1.7%，而3月份 PM2.5濃度同比上升34.4%；1月、7月氣象條件均為有利于污染物減少15%左右，但1月PM2.5濃度同比下降39.5%，7月僅下降12.8%。1月和12月石家莊多次啟動重污染應(yīng)急響應(yīng)，尤其是12月9～23日采取了Ⅰ級紅色應(yīng)急響應(yīng)措施，評估結(jié)果表明：重污染應(yīng)急響應(yīng)對大氣污染綜合防治貢獻(xiàn)顯著。

4 結(jié)論與討論

本文應(yīng)用線性計(jì)算和相關(guān)分析開展了對2013～2018年河北省EMI指數(shù)的長期變化趨勢分析以及定量評估2018年冬季河北省氣象條件對PM2.5濃度的影響。得到以下初步結(jié)論：

(1)環(huán)境氣象評估指數(shù)EMI包含大氣對污染物的稀釋擴(kuò)散、輸送、沉降等物理過程，通過計(jì)算得到2013～2018年河北的EMI指數(shù)和PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)為0.77，EMI指數(shù)能夠較好地定量表達(dá)PM2.5濃度變化中氣象條件貢獻(xiàn)。

(2)分析河北省冬季氣象條件對PM2.5濃度的變化率，與2017年相比，2018年冬季河北省氣象條件不利于PM2.5濃度下降，其中，北部、西北部地區(qū)氣象條件極為不利，使PM2.5濃度同比上升28%～45%，不同城市的氣象條件變化存在顯著差別。

(3)氣象條件和人為排放是造成大氣污染的重要原因。通過計(jì)算石家莊2018年氣象條件變化率，結(jié)合PM2.5觀測濃度的變化，可在一定程度上評估減排措施的效果，研究表明石家莊大氣污染防治和重污染應(yīng)急響應(yīng)對PM2.5濃度下降貢獻(xiàn)顯著。