廊坊市一次重污染特征與氣象條件影響研究

張艷杰

(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)

1 引言

環(huán)境空氣污染是我國一些地區(qū)當(dāng)前普遍關(guān)注的熱點(diǎn)，重污染天氣形成的原因主要有不利的氣象條件、特殊的地形條件以及污染源排放強(qiáng)度等[1,2]。其中氣象條件通過對(duì)污染物的存在形態(tài)、種類、停留時(shí)間和來源等產(chǎn)生不同的影響，從而影響大氣顆粒物集聚、轉(zhuǎn)移與擴(kuò)散[3,4]。因此研究重污染過程氣象要素演變及成因，對(duì)重污染天氣的預(yù)測和防治意義重大。

廊坊市所在的京津冀地區(qū)是全國大氣污染最嚴(yán)重的區(qū)域之一，受地形地勢影響，自然地理?xiàng)l件極不利于污染物擴(kuò)散。周賀玲[5]、郭立平[6,7]等結(jié)合長期的污染氣象資料從氣象條件演變、污染物區(qū)域傳輸?shù)确矫娣治霰砻骼确皇兄匚廴咎鞖馊諝庀笠囟喑尸F(xiàn)風(fēng)速小、風(fēng)向?yàn)槠?西南風(fēng)或者偏東-東南風(fēng)、相對(duì)濕度大、靜穩(wěn)指數(shù)高、逆溫層較厚且出現(xiàn)頻率高等特征。張衛(wèi)中[8]等從大氣環(huán)流形勢角度研究認(rèn)為廊坊市重污染過程地面環(huán)流形勢以高壓場控制為主，最主要的高、低空配置類型是700 hPa高空為高壓脊，地面為高壓場。本文選取2016 年12月14～23日一次典型重污染過程，通過對(duì)逐時(shí)的環(huán)境污染資料和氣象資料進(jìn)行分析，研究此次重污染過程中不利氣象條件的具體影響，以期為廊坊市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)提供參考和借鑒。

2 資料與方法

研究環(huán)境空氣質(zhì)量資料來自于河北省環(huán)境監(jiān)測中心站提供的國控點(diǎn)逐時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要包括PM2.5、PM10、NO2和SO2。同步地面氣象資料來自河北省氣象服務(wù)中心提供的廊坊氣象自動(dòng)站數(shù)據(jù)，主要包括風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、氣壓、水汽壓、相對(duì)濕度、能見度等。研究方法主要采用統(tǒng)計(jì)和時(shí)間序列分析方法以及spss軟件中的相關(guān)性分析方法。

3 結(jié)果與討論

3.1 污染物變化過程

由圖1可以看出，本次重污染過程最嚴(yán)重時(shí)段主要發(fā)生在12月16～21日，以首要污染物PM2.5為例，自14日凌晨起 PM2.5濃度呈現(xiàn)波動(dòng)性上升和下降，但均位于相對(duì)較低水平，之后開始急速惡化，由15日晚上19:00的13 μg/m3驟然上升至16日凌晨04:00的160 μg/m3，隨后污染物仍呈現(xiàn)快速累積趨勢，直至17日下午14:00達(dá)到第一次峰值389 μg/m3，然后呈脈沖式下降和上升趨勢，19日21:00達(dá)到本次污染過程最高值456 μg/m3，22日02:00以后開始急速下降，在此后8 h，PM2.5濃度由301快速下降至23 μg/m3，此次重污染過程結(jié)束?？傮w上顆粒物濃度呈現(xiàn)“急速上升、高污染持續(xù)時(shí)間長、急速下降”特點(diǎn)。

整個(gè)過程PM10與PM2.5變化趨勢幾乎一致，NO2與PM2.5變化趨勢也較相似，僅變化幅度相對(duì)較小，SO2在18日中午前變化趨勢與SO2較一致，最大峰值(86 μg/m3)出現(xiàn)在16日18:00，18日午后呈現(xiàn)下降趨勢并持續(xù)維持在較低水平(<50 μg/m3)至污染期結(jié)束，此時(shí)PM10與PM2.5等顆粒物均呈現(xiàn)上升趨勢并達(dá)到此次污染過程的最高值，結(jié)合相應(yīng)時(shí)段大氣相對(duì)濕度總體上持續(xù)升高的變化規(guī)律(圖2d)，分析期間存在硫酸鹽轉(zhuǎn)化為顆粒物的可能[9]。

3.2 重污染期間氣象條件分析

圖2給出了重污染天氣期間各地面氣象要素(風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、水汽壓、能見度)隨PM2.5變化情況?？梢钥闯觯涸谥匚廴厩捌?14凌晨至16日上午)，地面氣壓普遍位于1025 hPa以上，水汽壓和相對(duì)濕度也較低，平均風(fēng)速2.1 m/s，15日午后風(fēng)速可達(dá)4 m/s，污染物濃度也驟然下降至極低水平，期間大氣能見度多高于10 km；16日以后隨著風(fēng)速降低，相對(duì)濕度和水汽壓快速上升，地面氣壓轉(zhuǎn)為低壓均壓類系統(tǒng)控制，擴(kuò)散條件迅速轉(zhuǎn)差，污染物濃度急速上升，大氣能見度開始低于5 km，17日以后能見度均低于2 km，進(jìn)入重污染期(16日凌晨至22日上午)，期間地面平均風(fēng)速僅為0.78 m/s，且無固定風(fēng)向，水汽壓和相對(duì)濕度持續(xù)增大，平均相對(duì)濕度可達(dá)82%，大氣能見度平均為1511 m，地面氣壓整體變化不大( 1019.7～1029.1 hPa)，大氣擴(kuò)散能力極差，污染物持續(xù)累積。直至22日上午，隨著水汽壓和相對(duì)濕度驟然下降，1h內(nèi)相對(duì)濕度由96%下降至45%以下，風(fēng)向出現(xiàn)持續(xù)偏北風(fēng)，且風(fēng)速持續(xù)升高，污染物濃度快速下降，能見度驟然增至10 km以上，本次重污染過程基本結(jié)束。

總體上可知，重污染過程前后普遍都是北風(fēng)-東北風(fēng)為主，風(fēng)速較大，地面氣壓、能見度相對(duì)較高，水汽壓、相對(duì)濕度相對(duì)較低；而重污染過程中則無固定風(fēng)向，風(fēng)速較小，水汽壓、相對(duì)濕度相對(duì)較高，地面氣壓、能見度相對(duì)較低。

圖1 廊坊市主要污染物逐時(shí)變化

圖2 2016年12月14～16日廊坊市PM2.5與氣象因子的逐時(shí)變化情況

風(fēng)速大小可以影響污染物的水平擴(kuò)散和傳輸速度，而風(fēng)向決定污染物的來源和擴(kuò)散方向。廊坊地區(qū)西部為太行山脈，北部為燕山山脈，受地形影響，來自西和西北來的冷空氣易受山脈阻擋，導(dǎo)致風(fēng)速降低，同時(shí)當(dāng)風(fēng)向?yàn)槟?偏南風(fēng)時(shí)，邯鄲-邢臺(tái)-石家莊一帶的污染源易通過風(fēng)力傳輸在廊坊境內(nèi)匯聚，造成空氣質(zhì)量惡化。為進(jìn)一步了解風(fēng)向風(fēng)速對(duì)廊坊市重污染過程的影響，圖3給出了此次重污染期間地面風(fēng)速、風(fēng)向與PM2.5濃度和能見度的風(fēng)玫瑰圖?？梢婋S著地面風(fēng)速增大，廊坊市內(nèi)PM2.5濃度降低，能見度上升，風(fēng)速<1 m/s，PM2.5濃度幾乎全部處于重污染水平，風(fēng)速>2 m /s以上，PM2.5濃度幾乎全部位于清潔水平。但當(dāng)風(fēng)速介于1～2 m之間，不同風(fēng)向?qū)M2.5濃度和能見度的影響有所差異。當(dāng)受東北風(fēng)影響時(shí)，風(fēng)速介于1～2 m之間，PM2.5濃度已處于較低水平，能見度也較好；當(dāng)風(fēng)向?yàn)槲?西南風(fēng)影響時(shí)，風(fēng)速介于1～2 m之間，PM2.5和能見度均出現(xiàn)惡化趨勢，當(dāng)風(fēng)向?yàn)闁|-東南風(fēng)影響時(shí)，PM2.5和能見度惡化程度加重?？梢婏L(fēng)向?qū)确皇蓄w粒物清除作用大小的順序?yàn)椋簴|北風(fēng)>西-西南風(fēng)>東-東南風(fēng)，說明當(dāng)受東北風(fēng)影響時(shí)，有利于廊坊市污染物的擴(kuò)散，當(dāng)受東-東南風(fēng)影響時(shí)，更容易造成PM2.5等顆粒物的持續(xù)累積。分析原因?yàn)闁|-東南風(fēng)較濕潤，有利于污染物的吸濕增長，結(jié)合地面的低壓和均壓形勢以及低風(fēng)速，為廊坊市PM2.5的持續(xù)累積提供了有利條件。這與劉曉慧[4]等研究結(jié)果相似。

3.3 顆粒物與主要?dú)庀髼l件的相關(guān)性

通過對(duì)顆粒物(PM10和PM2.5)與主要?dú)庀笠刂g相關(guān)性(表1)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，此次重污染天氣過程中顆粒物質(zhì)量濃度與選取的其他各氣象因子均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性(即均通過了sig.≤0.01的顯著性水平檢驗(yàn))，說明本次重污染天氣發(fā)生是受到多重氣象條件綜合影響的結(jié)果。氣象因子相關(guān)性大小順序?yàn)樗麎?能見度>相對(duì)濕度>風(fēng)速>氣壓>溫度，其中顆粒物與溫度之間相關(guān)性較弱(r<0. 3)；與風(fēng)速、氣壓呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r達(dá)到0.6以上；與相對(duì)濕度、水汽壓呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r達(dá)到0.8以上。分析原因?yàn)榈孛娴蛪壕鶋侯愊到y(tǒng)控制下，天氣持續(xù)靜穩(wěn)，同時(shí)較低的地面風(fēng)速以及高濕度環(huán)境致使空氣中顆粒物不易擴(kuò)散輸送，表明高濕度環(huán)境、地面低氣壓以及低風(fēng)速為本次重污染天氣產(chǎn)生的主要?dú)庀髼l件。這與前面的顆粒物隨氣象演變特征分析結(jié)果以及賈秋剛[10]等研究得到的結(jié)論較一致。

表1 PM2.5小時(shí)值與氣象因素的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

(1)該重污染過程顆粒物濃度呈現(xiàn)“急速上升、高污染持續(xù)時(shí)間長、急速下降”特點(diǎn)。風(fēng)速小且無固定風(fēng)向，水汽壓和相對(duì)濕度較高，地面氣壓和能見度相對(duì)較低為重污染過程形成的主要?dú)庀髼l件。

(2)當(dāng)風(fēng)速<1 m/s，廊坊市內(nèi)PM2.5濃度全部處于重污染水平；當(dāng)風(fēng)速>2 m/s以上，PM2.5濃度幾乎全部位于清潔水平；當(dāng)風(fēng)速介于1～2 m之間，不同風(fēng)向?qū)M2.5濃度和能見度的影響有所差異。風(fēng)向?qū)︻w粒物清除作用大小的順序?yàn)椋簴|北風(fēng)>西-西南風(fēng)>東-東南風(fēng)。

(3)PM2.5與各氣象要素相關(guān)系數(shù)大小順序排列為：水汽壓>能見度>相對(duì)濕度>風(fēng)速>氣壓>溫度。其中，與溫度之間相關(guān)性較弱(r<0.3)；與風(fēng)速、氣壓呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān)(r>0.6)；與相對(duì)濕度、水汽壓呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(r>0.8)。