唐山市兩次爆發(fā)性重污染天氣過程對(duì)比分析

王秀玲，王 冠，張曉東，吳光輝，王海山

（1.唐山市氣象局，河北唐山 063000；2.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050021；3.河北先河環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，石家莊 050035）

唐山位于河北省東部，華北平原的東北部，毗鄰北京和天津，是河北省的中心城市，也是重工業(yè)城市，空氣污染較重，且對(duì)北京的空氣污染有一定的輸送作用.大氣污染主要由PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO形成.霾是指原因不明的大量煙、塵等微粒懸浮而形成的渾濁現(xiàn)象，霾的核心物質(zhì)是空氣中懸浮的灰塵顆粒，氣象學(xué)上稱為氣溶膠顆粒.霾污染中細(xì)顆粒物濃度增長表現(xiàn)為兩種主要形式，一種為“爆發(fā)增長的重污染”過程，表現(xiàn)為在短短數(shù)小時(shí)內(nèi)顆粒物濃度從低值迅速增長到峰值；另一種為“持續(xù)累積的污染”過程，表現(xiàn)為顆粒物濃度穩(wěn)步累積增長［1-2］.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2015—2017年唐山市重污染天氣大多數(shù)是“持續(xù)累積的污染”過程，而“爆發(fā)增長的重污染”過程較少.但“爆發(fā)增長的重污染”對(duì)污染物平均濃度及重污染天數(shù)的增加影響較大.不利的大氣擴(kuò)散氣象條件是重污染天氣發(fā)生的外因，污染物排放和輸送是引起重污染天氣發(fā)生的內(nèi)因，污染源包括本地排放和外來輸送［3-4］.針對(duì)重污染天氣過程特征及形成機(jī)理的研究已經(jīng)很多［5-7］.有研究表明，重污染天氣發(fā)生的氣象條件一般表現(xiàn)為天氣形勢穩(wěn)定、地面氣壓場弱、靜穩(wěn)指數(shù)大、大氣邊界層高度低、近地層逆溫、濕度高、風(fēng)速小等特征［8-12］.本文對(duì)唐山市2016年2月7—8日（簡稱“20160207”過程）和2017年2月11—16日（簡稱“20170211”過程）兩次重污染天氣過程特征、成因及氣象條件異同進(jìn)行對(duì)比分析，以期為唐山天氣污染預(yù)警和天氣污染控制提供科學(xué)依據(jù).

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究中的空氣污染物PM2.5、PM10、CO小時(shí)濃度及空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）數(shù)據(jù)來自河北省環(huán)境氣象業(yè)務(wù)平臺(tái)（http：//10.48.36.29：8088/HJJC/ShiKuang_Hour.aspx）.氣象要素小時(shí)數(shù)據(jù)來源于唐山市西外環(huán)觀測站，包括溫度、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等.

爆發(fā)式增長是以PM2.5在5 h內(nèi)升幅超過100 μg/m3作為依據(jù)，空氣質(zhì)量從優(yōu)良水平快速躍升至重度及以上污染水平［2］.根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》［13］規(guī)定，空氣質(zhì)量分為6個(gè)等級(jí)，各等級(jí)AQI指標(biāo)見表1.

表1 空氣質(zhì)量等級(jí)表Tab.1 Air quality grade table

1.2 方法

排放源影響分析采用污染物相對(duì)比值法.相對(duì)比值法是顆粒物來源研究中的一種常用方法，某污染物濃度相對(duì)于參考標(biāo)準(zhǔn)污染物濃度的比值穩(wěn)定，意味著污染源變化不大，當(dāng)比值發(fā)生明顯變化時(shí)，就意味著污染源的構(gòu)成發(fā)生了改變［14］.李令軍等［15］的研究表明，鞭炮燃放對(duì)空氣中的CO濃度影響較小，但可使ρ（PM2.5）明顯升高.因此，可將CO作為參考標(biāo)準(zhǔn)污染物濃度，利用PM2.5/CO比值分析煙花爆竹燃放對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)［14］.

后向軌跡利用美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的HYSPLIT模式.HYSPLIT模式用于計(jì)算簡單的氣團(tuán)軌跡以及復(fù)雜的傳輸、擴(kuò)散、化學(xué)轉(zhuǎn)換和沉積模擬的專業(yè)模型［16］.

2 結(jié)果與分析

2.1 兩次重污染天氣過程概況

“20160207”和“20170211”兩次重污染天氣過程都是在除夕夜（2016年2月7日傍晚和2017年2月11日傍晚）發(fā)生爆發(fā)性增長，空氣質(zhì)量在1 h內(nèi)由良變成重度污染，ρ（PM2.5）1h增長分別為182 μg/m3和107 μg/m3.但是“20160207”過程維持時(shí)間較短（1 d），“20170211”過程維持較長（5 d），但兩次污染過程的首要污染物均為PM2.5.在重污染期間，“20160207”過程的ρ（PM2.5）/ρ（PM10）為0.7～0.8，“20170211”過程的ρ（PM2.5）/ρ（PM10）為0.6～0.8；“20160207”過 程ρ（PM2.5）最 大 為532.7 μg/m3，“20170211”過 程ρ（PM2.5）最 大 為424.5 μg/m3；“20160207”過程ρ（PM2.5）平均為306 μg/m3，“20170211”過程為196 μg/m3.可見，“20160207”過程PM2.5的小時(shí)增長、最大質(zhì)量濃度、平均質(zhì)量濃度都高于“20170211”過程，但其維持時(shí)間較短.

2.2 兩次空氣重污染過程爆發(fā)性增長及維持原因?qū)Ρ?/h3>

2.2.1 排放源影響對(duì)比分析

“20160207”過程在天氣污染形成前，18時(shí)（北京時(shí)，以下均為北京時(shí)）ρ（PM2.5）/ρ（CO）比值為0.5；污染形成后，19時(shí)ρ（PM2.5）/ρ（CO）比值為1.8.“20170211”過程在空氣污染形成前，18時(shí)ρ（PM2.5）/ρ（CO）比值為0.6；污染天氣形成后，19時(shí)ρ（PM2.5）/ρ（CO）比值為1.0.根據(jù)王哲等［14］的研究，ρ（PM2.5）/ρ（CO）比值發(fā)生明顯變化意味著污染源的構(gòu)成發(fā)生了改變.從這兩次污染天氣形成的時(shí)間（均為中國傳統(tǒng)節(jié)日除夕夜）看，說明煙花爆竹燃放對(duì)污染天氣的爆發(fā)性增長影響較大.從污染天氣發(fā)生前后ρ（PM2.5）/ρ（CO）比值變化來看，“20170211”過程較“20160207”過程小，說明煙花爆竹燃放影響小于“20160207”過程.因此“20160207”過程ρ（PM2.5）增長速度快、過程最大濃度高.

2.2.2 兩次重污染天氣過程與氣象條件的相關(guān)性分析

從這兩次重污染天氣過程ρ（PM2.5）與小時(shí)氣象因子相關(guān)系數(shù)（表2）可以看出，“20160207”過程與氣象要素相關(guān)性不明顯，除了與能見度的相關(guān)性通過了顯著性檢驗(yàn)，與其他要素相關(guān)性都沒通過顯著性檢驗(yàn).“20170211”過程與氣象要素的相關(guān)性通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，可見“20160207”過程主要由高排放引起，“20170211”過程在高排放及不利氣象條件的共同作用下產(chǎn)生.

表2 兩次重污染天氣過程中ρ（PM2.5）與小時(shí)氣象因子間的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficients between ρ（PM2.5）and hourly meteorological factors in two heavy pollution weather processes

2.2.3 兩次重污染天氣過程氣象條件對(duì)比分析

1）“20160207”過程

形成階段：2016年2月7日20時(shí)500 hPa為西北氣流，850 hPa和925 hPa為暖脊，有弱暖平流，此種配置在晚上受輻射降溫影響容易形成逆溫，不利于污染物擴(kuò)散［17］.地面圖上，7日20時(shí)唐山處于干槽中，具有一定的輻合.從圖1（a）可以看出，在垂直速度剖面上，7日19時(shí)唐山近地層以上整層大氣為下沉運(yùn)動(dòng)，700 hPa以上下沉運(yùn)動(dòng)微弱，700 hPa以下略強(qiáng)，中心強(qiáng)度為15×10-2Pa/s，有利于地面污染物的堆積.風(fēng)向、風(fēng)速是影響唐山空氣污染的主要因素，唐山站7日19時(shí)為西風(fēng)，風(fēng)速2.7 m/s，20時(shí)為西風(fēng)，風(fēng)速4.1 m/s，有利于污染物的水平擴(kuò)散和稀釋.由于高濕條件下顆粒物吸濕增長，同時(shí)相對(duì)濕度增大也會(huì)使得氣溶膠的非均相反應(yīng)增強(qiáng)，生成更多的氣溶膠［18］.據(jù)統(tǒng)計(jì)，唐山98%的PM2.5重污染相對(duì)濕度都在50%以上［19］，7日19時(shí)、20時(shí)地面相對(duì)濕度為26%，不利于重污染天氣形成.混合層高度直接關(guān)系到污染物擴(kuò)散稀釋的有效空氣體積，高度越高，越有利于污染物的垂直擴(kuò)散，降低污染物濃度［20-21］.7日20時(shí)唐山混合層高度為1943 m，有利于污染物的垂直擴(kuò)散；靜穩(wěn)指數(shù)7.7，也不利于重污染天氣形成.7日21—23時(shí)，地面偏西風(fēng)較大，風(fēng)速4 m/s左右，相對(duì)濕度30%左右，在有利氣象條件的作用下，污染物快速下降.24時(shí)污染物濃度又開始增長，從圖2（a）也可以看出，ρ（PM2.5）在7日20時(shí)和8日01時(shí)分別達(dá)到峰值，與除夕燃放爆竹時(shí)間比較對(duì)應(yīng).可見，此次重污染天氣爆發(fā)主要由燃放爆竹引起.

維持階段：從圖1（a）可以看出，8日02時(shí)左右，800～300hPa附近大氣上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)-12×10-2Pa/s，下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)下降到800 hPa附近，但是上升運(yùn)動(dòng)區(qū)高度較高，不能打破近地層靜穩(wěn)天氣形勢，而且此時(shí)地面靜穩(wěn)度增加，02時(shí)靜穩(wěn)指數(shù)為10.8.8日02—07時(shí)，地面平均風(fēng)速1.6 m/s，平均相對(duì)濕度42%，平均靜穩(wěn)指數(shù)12.6，氣象條件不利于污染物擴(kuò)散.

2）“20170211”過程

形成階段：2017年2月11日20時(shí)500、850、925 hPa天氣形勢與“20160207”過程相似.地面圖上，唐山處于高壓前部，氣壓場弱，地面風(fēng)速較小，有利于污染物累積.由圖1（b）可以看出，在唐山垂直速度剖面上，11日20時(shí)污染形成階段，地面以上整層大氣下沉運(yùn)動(dòng)微弱，處于靜穩(wěn)狀態(tài).混合層高度為692 m，靜穩(wěn)指數(shù)10.7，不利于污染物垂直擴(kuò)散.地面為偏東南風(fēng)，風(fēng)速1.1 m/s，相對(duì)濕度57%，對(duì)重污染形成有利.可見，此次污染過程是在燃放爆竹及不利氣象條件下產(chǎn)生.

維持階段：圖1（b）顯示，2月11日22時(shí)—15日20時(shí)大氣垂直速度時(shí)空剖面圖上，800 hPa以下大氣一直維持弱上升、下沉運(yùn)動(dòng)，期間13日白天和14日夜間800～300 hPa附近大氣下沉運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)33×10-2Pa/s和21×10-2Pa/s，但是并沒有到達(dá)地面，反而對(duì)地面污染物有壓縮作用，加重了污染.圖2（b）顯示，12日20時(shí)，600～300 hPa間大氣下沉運(yùn)動(dòng)有所增強(qiáng)，中心強(qiáng)度為12×10-2Pa/s，對(duì)應(yīng)ρ（PM2.5）達(dá)到第二個(gè)峰值，隨后下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)抬高，污染減弱.13日08時(shí)左右，800 hPa以上大氣下沉運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，對(duì)近地層污染物起到壓縮作用，13日11時(shí)ρ（PM2.5）達(dá)到第三個(gè)峰值.12—14日午后到傍晚近地層大氣都存在微弱上升運(yùn)動(dòng)，可能由于午后太陽照射使地面升溫、對(duì)流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)所致.由于這種對(duì)流運(yùn)動(dòng)比較弱，只能使污染程度減弱，并不能徹底清除.15日午后近地層大氣雖然也有上升運(yùn)動(dòng)，但是由于地面唐山上游河北東南部西南風(fēng)較大，對(duì)唐山污染物有一定的輸送，污染程度沒有減弱.11日22時(shí)—15日20時(shí)地面平均風(fēng)速1.6 m/s，平均相對(duì)濕度70%，平均靜穩(wěn)指數(shù)12.9，不利于污染物擴(kuò)散.

圖2 唐山市兩次重污染天氣過程中ρ（PM2.5）的變化Fig.2 Changes of ρ（PM2.5）in two heavy pollution weather processes in Tangshan

2.3 兩次重污染天氣過程清除原因?qū)Ρ确治?/h3>

“20160207”過程8日08時(shí)地面等壓線變密，西北風(fēng)加大，唐山站2 min平均風(fēng)速達(dá)8.8 m/s，在西北風(fēng)作用下，污染物很快被清除.圖1（a）顯示，垂直速度剖面圖上，8日08時(shí)整層大氣為下沉運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)到達(dá)地面，中心強(qiáng)度21×10-2Pa/s，高空清潔氣團(tuán)開始置換地面污染氣團(tuán)，打破靜穩(wěn)形勢，靜穩(wěn)指數(shù)05時(shí)為14.4，08時(shí)下降到8.8，11時(shí)下降到3.7，污染進(jìn)入消散階段.地面08時(shí)由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)速逐漸增大，受上游污染氣團(tuán)輸送的影響，10時(shí)ρ（PM2.5）短時(shí)達(dá)到高值，隨后迅速下降，13時(shí)唐山空氣中ρ（PM2.5）達(dá)到26.2 μg/m-3，污染清除.從圖3（a）后向軌跡圖上可見，10 m氣團(tuán)來自西北，為清潔氣團(tuán)，通過置換污染物濃度很快降低.

“20170211”過程16日08時(shí)850 hPa和925 hPa暖脊消失，地面上貝加爾湖附近高壓東移南壓，等壓線密集，東北風(fēng)加大，打破靜穩(wěn)形勢.圖1（b）顯示，垂直速度剖面上，16日08時(shí)，950～250 hPa間大氣上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，中心強(qiáng)度為-36×10-2Pa/s，垂直運(yùn)動(dòng)深厚.強(qiáng)大的抽吸作用打破靜穩(wěn)形勢，靜穩(wěn)指數(shù)由05時(shí)的15.1下降到08時(shí)的11.2，11時(shí)靜穩(wěn)指數(shù)繼續(xù)下降到3.6，空氣垂直交換增強(qiáng).地面08時(shí)東北風(fēng)逐漸增大，污染氣團(tuán)逐漸被清潔氣團(tuán)取代.從圖3（a）后向軌跡圖上可以看出，10 m氣團(tuán)來自高空的清潔氣團(tuán)，不斷置換近地層的污染氣團(tuán)，13時(shí)唐山ρ（PM2.5）為52.8 μg/m3，污染清除.

圖3 唐山市兩次重污染天氣過程中不同高度氣團(tuán)后向軌跡Fig.3 Backward trajectories of air masses at different heights in two heavy pollution weather processes in Tangshan

3 結(jié)論

1）兩次爆發(fā)性重污染天氣過程都是在除夕高強(qiáng)度污染物排放下發(fā)生，首要污染物都為PM2.5.通過排放源對(duì)比分析，“20160207”過程較“20170211”過程排放強(qiáng)度大.ρ（PM2.5）增長快，最大濃度和平均濃度高.

2）形成階段，500 hPa都為西北氣流，850 hPa和925 hPa為暖脊，有弱暖平流.地面圖上，“20160207”過程處于干槽中，“20170211”過程處于高壓前部弱氣壓場中.垂直速度上，“20160207”過程整層大氣為下沉運(yùn)動(dòng)，對(duì)低層大氣有壓縮作用；而“20170211”過程大氣處于靜穩(wěn)狀態(tài).“20160207”過程地面風(fēng)速大，空氣濕度小，靜穩(wěn)指數(shù)小，混合層高度高，不利于污染天氣形成，在高排放下形成重污染；“20170211”過程地面風(fēng)速小，空氣濕度大，混合層高度低，靜穩(wěn)指數(shù)大，在高排放及有利氣象條件下形成重污染.

3）維持階段，“20160207”過程8日02—07時(shí)地面平均風(fēng)速1.6 m/s，平均相對(duì)濕度42%，平均靜穩(wěn)指數(shù)12.6，有利于污染天氣維持.“20170211”過程11日22時(shí)—15日20時(shí)地面平均風(fēng)速1.6 m/s，平均相對(duì)濕度70%，平均靜穩(wěn)指數(shù)12.9，利于重污染天氣維持.垂直速度上，“20160207”過程大氣上升運(yùn)動(dòng)在800～300 hPa之間，沒有到達(dá)近地層，只能減輕污染，不能清除；“20170211”過程800 hPa以下大氣維持弱上升下沉運(yùn)動(dòng)，兩次較強(qiáng)的高空下沉運(yùn)動(dòng)沒能到達(dá)地面，反而加重了地面污染.

4）從后向軌跡上看，兩次重污染天氣過程10 m高度氣團(tuán)都是由高空傳輸下來，“20160207”過程在強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)作用下，高空清潔氣團(tuán)置換地面污染氣團(tuán)及在地面強(qiáng)西北風(fēng)作用下污染被清除；“20170211”過程在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)打破靜穩(wěn)天氣形勢及在地面強(qiáng)東北風(fēng)作用下污染被清除.