2014年8月河北省空气质量与气象条件分析

2015-08-05郭蕊等

绿色科技 2015年6期

郭蕊等

摘要：利用空气质量监测和气象资料，分析得到2014年8月河北全省各市平均AQI（空气质量指数）普遍在200以下；温度、相对湿度、平均风速和降水对局地污染物浓度增加有一定贡献；在无显著降水期间，混合层高度的高/低对应着AQI值的低/高；与2013年同期相比，全省空气污染物浓度有所下降。

关键词：空气质量；气象条件；混合层高度

中图分类号： X82

文献标识码： A 文章编号： 16749944（2015）06000504

1 引言

随着经济和城市化进程的加速，大气环境污染已成为群众反映强烈的突出环境问题，近年来，我国中东部地区持续出现大范围重污染天气，多个城市的PM2.5值突破警戒线，最严重的京津冀地区陷入十面霾伏，大气污染十分严重且持续时间长、影响范围广，为近年来所罕见。准确监测、预测重污染天气，减少和降低重污染天气带来的不利影响，是当前经济社会环境友好、生态文明、和谐发展的迫切需要。

污染物浓度变化和气象条件有着显著的相关关系，针对大气污染与气象要素的研究中发现，污染物的时空分布特征及其与地面气象要素密切相关，大气稳定度和逆温天气是影响空气污染气象因素之一[1～5]，地面辐合，加上低层逆温和下沉运动可以阻碍污染物在水平和垂直方向的扩散[6]。不稳定天气则有利于大气污染物的垂直扩散，而大气层结稳定则不利于低层污染物的扩散。强降水对空气有稀释净化作用，弱降水会使空气质量变的更差[7，8]。李文杰等人对京津石三市的污染指数和地面气象要素研究表明，气象要素对空气污染的影响存在较大时空差异，北京春季受沙尘的影响、天津和石家庄冬季受取暖的影响导致对应季节的空气质量最差[9]。谢付莹等人研究了2008年奥运会期间北京地区PM10污染天气形势和气象条件，认为该时期内PM10污染过程多与台风系统或热带低压的北上，从而阻滞了华北地区天气系统的南下东移有关[10]。蒲维维等人研究了北京地区夏末秋初气象要素对PM2.5污染的影响，结果表明，城区站月平均PM2.5质量浓度明显高于郊区站，地面风的风速和风向与大气对扩散物的扩散能力密切相关，当混合层高度突破1500m时，垂直扩散对污染物的稀释扩散效果明显[11]。李德平等人研究认为，风向是造成SO2、NO2、和PM10污染的主要原因之一，污染日存在两重或多重逆温层，且逆温层较低较厚[12]。

气象要素对大气污染的影响随时间变化特征明显，以往的研究也大量给出了影响趋势分析，但针对月际尺度的污染物与气象要素区域特征的精细化研究仍较少。因此，本文针对河北地区2014年8月份的污染物时空分布特征，研究不同气象要素在该时间段对污染的影响，得到了一些初步结论，为进一步做好污染天气预报预警提供参考。

2 空气质量资料和气象资料

本文所使用的空气质量监测资料来自河北省环境监测站，污染物数据为11个地市市区观测站的平均值，内容包括污染物浓度、首要污染物、空气质量指数和空气质量级别等。气象资料采用逐日自动站、常规气象资料等。

3 空气质量概况

2014年8月河北全省各市平均AQI（空气质量指数）普遍在200以下（表1），重污染呈局地性、分散性特征，有6个地市整月没有出现重度污染。全省重度污染共出现6d，主要时间分布在月初1～3日、16日和20～21日，地理上则主要分布于邯郸、廊坊、唐山、保定、张家口。位于北部地区的张家口、唐山、秦皇岛为本月平均空气质量相对最好的区域，AQI指数在80以下，唐山、沧州两个沿海地区稍差，AQI指数也在100以下，其余6地区的AQI指数则接近或超过100，但仍在130以下，为空气质量相对较差区域。空气质量分布特征为为山区和沿海地区最好，由北向南，由沿海向内陆，空气质量逐渐转差。

8月各地首要污染物以颗粒物为主，多数地区超过70%的时间首要污染物为PM2.5或PM10，其中，处于沿海的沧州、秦皇岛、唐山地区以PM10为首要污染物的频率明显高于其它内陆地区，可能与沿海地区海盐飞沫有关。承德、保定、廊坊地区首要污染物为O3的频率较高，而张家口、秦皇岛地区首要污染物为SO2、NO2的频率也值得注意。此外，张家口出现重度污染时首要污染

物中的O3比重较大，而不是较为常见的PM2.5或PM10，一方面说明张家口地区工业原因造成的空气污染程度较轻，另一方面表征张家口地区大气的光化学反应潜力巨大，出现了多种污染物水平接近的情况。

4 气象条件分析

4.1 基本气象要素

2014年8月全省平均气温为24.7℃（表2），其中长城以南大部分地区在24℃以上，长城以北大部分地区在24℃以下，但南北温度差别不大，除北部坝上地区外大部分地区均在20℃以上。大部分地区最低气温（除张家口、承德地区外）都在19℃以上，最高气温（除张家口、秦皇岛外）都在30℃以上。较高的温度使近地面空气湍流运动旺盛，有利于污染物在垂直方向上的扩散，这也是夏季空气污染物浓度明显低于冬季的主要原因之一。

全省8月平均相对湿度为67.8%，当相对湿度较大时，空气污染物粒子吸湿增长，并可以诱发一系列化学反应，使污染物粒径增大，成分更加复杂。秦皇岛、唐山地区相对湿度高于其它地区，这两个地区位于渤海北岸并受偏南季风影响，造成8月相对湿度比其他地区偏高的现象，由此可知秦皇岛、唐山地区PM10为首要污染物的频率偏高，其中有相对湿度较高的贡献。

8月全省平均风速为1.65m/s，小风平均出现日数6.1d。其中石家庄、邢台、秦皇岛、唐山地区风速小于1m/s的时间接近一半，石家庄、邢台地区风速小于2m/s的时间更是达到85%以上。较小的近地面风速对空气污染物的扩散和稀释作用有限，在不同的地形、天气形势下，会导致局地污染物累积，污染物浓度较大。

全省平均降水量为78.0mm，各地降水量在12.3～216.0mm之间，呈现北多南少的特征。其中张家口中部、承德中部和南部、唐山大部、秦皇岛西部、廊坊中部、保定中西部、石家庄西北部和中部以及沧州和衡水的部分地区降水量超过100mm。较强的降水过程主要发生在4～5日、13日、16～17日、28～31日，其中4～5日的降水过程影响程度最重。对于空气质量来讲，较强的降水有很好的湿沉降作用，能够迅速清除空气污染物，而较弱的降水反而会在一定程度上促进污染物的吸湿增长，造成局地空气质量下降。

4.2 混合层高度

大气边界层的高度（或厚度）和结构与大气边界层内的温度分布或大气稳定度密切相关。中性或不稳定时，由于动力或热力湍流的作用，边界层内上下层之间产生强烈的动量或热量交换，通常把出现这一现象的层称为混合层。混合层向上发展时，常受到位于边界层上边缘的逆温层底部的限制，与此同时也限制了混合层内污染物的再向上扩散。因此混合层高度能够表征大气近地面层的稳定度和垂直交换能力，也是影响大气污染物扩散的主要气象因子之一。

Nozaki 等人1973年提出一种用地面气象资料估算混合层高度的方法。他们认为大气混合层是由热力湍流和机械湍流共同作用的结果，而且边界层上部大气运动状况与地面气象参数间存在着相互联系和反馈作用，因此可以用常规气象资料来估算大气混合层高度。计算公式如下：

H=121[]6（6-P）（T-Td）+0.169P（uz+0.257）[]12fIn（z/z0）（1）

式中：H为混合层高度，单位为m；T为地面气温，单位为K；Td为露点温度，单位为K；uz为z高度处的平均风速，单位为m/s；z0为地面粗糙度，单位为m；f为柯氏参数单位为1/s，f=2Ωsinφ，Ω为地转角速度，φ为地理纬度；P为帕斯圭尔稳定度级别（大气稳定度级别为A至F时，P值依次为1至6）。

根据以上方法，计算了2014年8月石家庄、张家口地区的逐日混合层高度（图1），并与AQI值进行同期比对。发现张家口地区（月平均1415.3m）的混合层高度明显高于石家庄地区（月平均1002.6m），而AQI值低于石家庄地区，说明张家口地区的低层大气层结比较有利于空气污染物的稀释、扩散和消除。张家口较好的空气质量，不仅与排放量有关，气象条件也起着重要的作用。石家庄地区受海拔和周围地形的影响，即使在夏季湍流旺盛的背景下，混合层高度仍较低，近地面层扩散能力明显低于张家口地区，局地气象条件不利于空气污染物的扩散，容易发生污染物累积，造成重污染天气。

在无显著降水期间，混合层高度的较高的时段对应着污染物浓度较低时段；混合层高度较低的时段对应着污染物浓度的高值时期，这一对应关系在石家庄地区体现得更加明显。说明在没有显著降水的时候，低层大气层结对空气污染物扩散起着举足轻重的作用，低层扩散能力的强弱，混合层高度的大小对空气质量的好坏有较强的影响。

当出现显著降水时，空气湿度较大，式（1）中项取值随之变小并随湿度增大而趋近于0，因此显著降水时虽然低层为不稳定层结，但混合层高度也比较低。伴随着显著降水的湿沉降作用，使空气污染物浓度明显下降，会出现图1方框中混合层高度和AQI同时较低的情况。此外，由于夏季降水对流性较强，经常伴有飑线、雷暴大风等强对流天气，大风会造成近地面颗粒物浓度增加，较大的空气湿度又促进颗粒物吸湿增长，容易造成短时PM10浓度暴涨，从而导致AQI上涨的情况出现。所以夏季对流性降水对空气污染物不仅有显著的湿沉降作用，也有大风造成的污染物暴涨作用，需要综合考虑进行分析。

5 与历史同期对比分析

2014年8月全省平均温度较常年偏高0.2℃，比2013年偏低1.5℃；全省平均降水量77.96mm，较常年（122.9mm）显著偏少，比去年同期偏少38.9mm；降水日数9.7d，与去年同期基本持平，小雨日偏多；全省平均风速比去年同期偏小0.15m/s，小风（<1m/s）平均出现日数6.1d，与去年同期相比增多0.9d。平均相对湿度67.8%，比去年同期偏小14.7%。总的来说，温度越高、降水越多、风速越大，越有利于空气污染物的稀释、扩散和消除，但高温也会导致空气中化学反应活跃，空气污染物内容复杂，中雨（10mm）以上的降水对于污染物有明显的清除作用，而地面小风速区的出现则较易产生污染物的积累，因此，与去年同期相比，气象条件对污染物扩散的作用略低。

在这样的气象条件下，2014年8月全省市6种主要污染物月均浓度比2013年同期有所下降（图 2），SO2、PM2.5、PM10三种污染物月均浓度下降比较明显，全省平均下降率分别达到了32.6%、22.0%、20.6%，石家庄、邢台、唐山六种污染物月均浓度均呈下降趋势，六个地市SO2月均浓度下降超过40%。说明大气污染源有所减弱，导致气象扩散条件变差的环境下，污染物浓度比去年同期普遍下降。

图2 2014年8月全省市6种污染物浓度较上年同期增长率分布（深黑色线段为对应污染物平均增长率）

6种主要污染物中，月均浓度下降率最小的污染物为O3，而O3月均浓度的变化在不同地区呈现不同特征。保定SO2、O3月均浓度同比上升超过40%，沧州地区NO2月均浓度较上年同期增长率超过了100%，承德SO2、NO2月均浓度较上年同期增长20%以上。这说明河北省空气污染物二次反应潜力巨大，有发生化学反应的充足原料，在适合的气象条件下，有造成污染物浓度爆发性增长的能力，目前污染物浓度降低的状态还需要进一步巩固。

6 结论

本文利用环境监测资料和气象资料，对2014年8月河北省空气质量情况和相关气象要素进行了分析，得到以下结论。

（1） 2014年8月河北全省各市平均AQI普遍在200以下，重度污染共出现6d，北部地区空气质量好于南部地区，首要污染物以颗粒物为主，不同地区的首要污染物有着不同的特征；

（2）时处夏季，8月河北省平均气温为24.7℃，南北温度差别不大，相对湿度较大的地区PM10为首要污染物的频率偏高，平均风速较小，对局地污染物浓度增加有一定贡献，全月有4次显著降水过程，其他时段未出现可有效湿沉降污染物的显著降水；

（3）在无显著降水期间，混合层高度的高/低对应着AQI值的低/高，当出现显著降水时，会出现混合层高度和AQI同时较低的情况；

（4） 2014年8月与2013年同期相比，全省平均温度偏低，降水量偏少，降水日数基本持平，风速偏小，相对湿度偏小，总体来讲气象条件对污染物扩散的作用略低，而空气污染物浓度有所下降，说明空气污染物的排放量有了一定的降低，但污染物的二次反应潜力大。

参考文献：

[1]王淑英，张小玲.北京地区PM10污染的气象特征[J].应用气象学报，2002，13（s1）：177～184.

[2]陈月霞，曹琳，杨淑萍.气温对大气主要污染物的影响[J].现代农业科技，2011，10：277～278.

[3]隋珂珂，王自发，杨军，等.北京PM10持续污染及与常规气象要素的关系[J].环境科学研究，2007，20（6）：83～86.

[4]王丛梅，袁引琪，张海霞.京津冀采暖期区域大气污染天气特征分析[J].气象科技，2010，38（6）：689～694.

[5]马翠平，吴彬贵，于雷，等.一次持续性大雾边界层结构特征及诊断分析[J].气象，2014，40（6）：715～722.