石家庄市冬季典型重污染过程分析

徐 曼，张 璇，张晓彤

（石家庄市环境监测中心，河北石家庄 050022）

石家庄市地处河北省中南部，是中国重要的工业基地之一，大气污染比较严重。2014年石家庄市空气质量综合指数同比改善26.6%，6项主要污染物平均浓度全面下降（数据来源于2015年石家庄市政府工作报告）。然而受到地理、气象条件等因素的影响，石家庄市2014年PM2.5年均浓度超过二级标准2.5倍，重污染天气仍时有发生。

重污染过程时，受近地面静稳天气控制，空气在水平和垂直方向流动性均非常小，大气扩散条件非常差，北方冬季燃煤采暖污染排放高，加剧了这一过程的持续［1-4］。有研究表明石家庄市除受京津冀内3省市影响外，同时受区域外影响较大［5］，石家庄市PM2.5源解析表明PM2.5的23%～30%来自区域污染传输。在本地来源中，燃煤、工业生产、扬尘、机动车成主因［6-8］。石家庄市正处在由煤烟型污染向复合型污染转变的阶段，二次粒子在PM2.5成分中占比加大［9］，重污染时期由于大气层结构稳定，污染源排放、污染物浓度随气象条件的变化趋势能够体现得更明显，更有利于分析石家庄地区PM2.5污染特点及形成机理［10-12］。以2015-01-07至2015-01-10石家庄市发生的持续性PM2.5重污染过程为研究对象，从污染过程中气象条件的演变、PM2.5浓度时间变化及其与其他污染物的关系等方面对石家庄市冬季典型重污染过程进行系统剖析，分析了该次重污染过程的主要影响因素，以深化对PM2.5污染问题的认识。

1 重污染过程基本分析

1.1 空气质量级别演变

2015-01-07 至2015-01-10（下同），石家庄地区发生一次严重污染过程，表1为重污染过程期间全市平均主要污染物浓度及空气质量级别统计表。1月6日石家庄市空气质量为2级良，首要污染物为PM10；7日污染水平大幅度升高，污染级别直接由2级跃升为4级重度污染；8日PM2.5质量浓度继续上升，空气质量为5级重度污染；9日达到此次过程的最高污染水平，PM2.5日均质量浓度为217μg／m3；10日污染水平有所下降，但日均质量浓度仍高达197μg／m3，连续3天空气质量维持5级重度污染，说明了此次污染过程严重，10日下午至夜间受冷空气影响，污染扩散条件明显改善；11日空气质量明显好转，此次重污染过程基本结束。

表1 重污染过程期间全市平均主要污染物浓度及空气质量级别统计表Tab.1 Average concentration of major pollutants and air quality level of Shijiazhuang during heavy air pollution process

重污染过程期间，PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO等污染物AQI变化曲线基本一致，9日之前同步上升，9日达到最高污染水平，之后同步下降直至过程结束，重污染过程期间首要污染物均为PM2.5。

1．2 污染过程期间PM2．5小时浓度演变

图1给出1月6月—11日石家庄市空气质量监测站点PM2.5小时浓度的变化情况。由图1可见，1月6日，石家庄地区PM2.5处于低浓度水平；7日凌晨至上午PM2.5浓度有较明显的上升；8日午后地面转为低压辐合区，偏南风，扩散条件迅速转差，PM2.5浓度出现快速上升；9日凌晨4：00，全市平均PM2.5小时质量浓度增至310μg／m3的峰值。

9日上午PM2.5质量浓度维持在200μg／m3以上的高污染浓度，中午前后，高空弱冷槽过境，扩散条件稍有好转，PM2.5浓度出现短暂下降，北部站点PM2.5浓度下降先于南部站点。由于冷空气较弱，高空弱冷槽过境后PM2.5浓度迅速回升，9日污染指数较8日继续上升。

10日地面位于低压辐合区，污染再次加重，10日上午，PM2.5小时质量浓度在300μg／m3左右的高浓度水平波动，峰值浓度出现在上午10：00。10日中午前随着冷空气到来，PM2.5浓度出现较明显的下降，其中西北部站点PM2.5浓度下降早于东南部站点，16：00左右大部分站点PM2.5质量浓度降至100 μg／m3以下。

11日8：00以后石家庄市转为强冷高压控制，地面转明显偏北风，全市平均PM2.5小时质量浓度下降至90μg／m3以下，此次污染过程结束。

图1 1月6日—11日石家庄市空气质量监测站点PM2.5小时质量浓度演变Fig.1 Hourly variation of PM2.5concentration in Shijiazhuang during 6th JAN and 11th JAN

1.3 气态污染物浓度变化

图2反映了主要气态污染物NO2及SO2与PM2.5浓度相关性及日夜变化。NO2小时质量浓度能够在一定程度上反映城市燃煤及机动车尾气的污染情况，过程期间石家庄市区NO2浓度与PM2.5浓度相关系数为0.817。NO2浓度在晚高峰、夜间及早高峰后上升反映了机动车尾气污染对城市的影响［13］，而过程期间PM2.5的峰值浓度晚于NO2的峰值浓度，体现了NO2向二次粒子转化的化学反应。

SO2浓度主要反映了燃煤的污染情况，过程期间石家庄市区SO2浓度与PM2.5浓度相关系数为0.783，略低于NO2与PM2.5的相关系数。且与NO2不同，SO2的峰值浓度总是伴随着PM2.5的峰值浓度出现，这也体现了燃煤作为石家庄PM2.5主要来源对城市环境的巨大影响。

图2 污染过程期间市区平均NO2，SO2与PM2.5质量浓度Fig.2 Average concentration of NO2，SO2and PM2.5during pollution process

过程期间当相对湿度低于40%时，SO2浓度与相对湿度的相关系数达到0.526，而当湿度高于50%时，SO2浓度与相对湿度的相关系数则变为-0.377。图2中当SO2质量浓度下降时PM2.5质量浓度并未随之下降，说明PM2.5并非简单的受燃煤排放影响。在夜间高湿度条件下，相对湿度升高，SO2向硫酸盐转化的速率增加，其转化生成的二次粒子对PM2.5的贡献增大，而SO2自身的浓度水平得到降低。

2 重污染过程的天气形势及气象影响分析

2.1 天气形势分析

这次重污染过程期间，石家庄地区主要处于低压辐合区，见图3，地面主导风向为偏南风，中层气流主要为偏西南方向，气压梯度力小，相对风速较弱，大气结构稳定，导致总体天气形势处于静稳状态，污染扩散条件非常不利。

图3 2015-01-07上午8：00地面及高层天气形势Fig.3 Surface and upper air synoptic situations at 8：00am 7th JAN

2.2 气象条件影响分析

2.2.1 基本气象要素影响

1月7日—10日，石家庄市7个大气监测站测得的平均地面温度为3.1℃、较近两年同期气温偏高，平均相对湿度为41.1%、地面气压1 015.6 hPa、地面风速为0.2m／s，本次重污染过程具有气压较低，风速较弱的特点。

图4 显示石家庄此次重污染过程期间各气象要素及PM2.5的变化情况。

图4 1月6日—11日石家庄市区基本气象要素及PM2.5小时质量浓度演变Fig.4 Hourly variation of basic meteorological element and PM2.5 average concentration during 6th JAN and 11th JAN

由图4a）可见，本次重污染过程日夜温差较为明显，湿度也呈现日夜变化，且与地面温度呈负相关。6日地面平均湿度29.1%，而后受地面低压影响，湿度迅速上升，7日凌晨—10日上午平均湿度较高。

6日午后—10日午后风速明显较低，随着10日午后高压槽入境，10日凌晨风速迅速升高，达到1.0m／s以上。

过程期间地面气压总体较低，其中6日午后出现明显下降，气压维持低水平至9日。9日中午前后受弱冷高压影响，地面气压出现暂时升高，9日午后气压再次明显下降，低气压持续至10日午后。

过程期间各气象要素与PM2.5浓度相关性（见图5）分别为地面温度与PM2.5浓度相关性较弱，主要是因为过程期间受低压槽控制，石家庄市温度日夜变化总体在4～10℃之间，温度在较同期高的水平下变化较小，相关性较低。地面湿度与PM2.5浓度相关系数为0.574，显著正相关，冬季地面湿度较高时，气态污染物转化为粒子、同时凝结成雾阻碍了空气的扩撒，造成PM2.5浓度较高。

过程期间石家庄市受闭合低压系统控制，扩散条件差，PM2.5浓度较高，当冷高压控制石家庄市时，扩散条件好转，PM2.5浓度迅速下降，地面气压与PM2.5浓度相关系数为-0.401。

7日—10日石家庄市地面主导风向为偏南风，风速较小，近地面层925hPa以下风场较弱。垂直方向中高层大气系统较强，却很难扰动近地层，稳定的低层系统不利于石家庄市区内污染物的扩散和清除。9日石家庄市受到弱冷空气影响，中高层风场明显加强，然而近地层受到影响较小，导致9日污染物浓度短暂下降后重新上升。10日风场继续减弱，PM2.5浓度迅速回升至本次过程最高值且在一段时间内保持较高浓度。见图6。

图5 1月6日—11日过程期间石家庄市区基本气象要素及PM2.5浓度相关性Fig.5 Correlation of basic meteorological element and PM2.5concentration in Shijiazhuang during 6th JAN and 11th JAN

图6 1月6日—11日过程期间石家庄市区垂直风场Fig.6 Vertical wind field in Shijiazhuang during 6th JAN and 11th JAN

2.2.2 中高层污染分析

垂直风场对城市PM2.5的扩散和消除同样有较大的影响，近地层PM2.5在不同气象条件下有不同的垂直分布［13-15］。石家庄市背景站点封龙山监测站位于海拔800m，是垂直方向空气质量监测的重要站点。图7给出封龙山站点与市区PM2.5浓度时间演变对比。

图7 1月6日—11日过程期间背景站点封龙山与石家庄市区的PM2.5质量浓度Fig.7 Comparison of PM2.5concentration between background Fenglong Mountain and Shijiazhuang City

1月6日，石家庄市区受冷空气影响有3级左右偏北风，受垂直风场影响，污染物被带至中高层，导致7日封龙山站点PM2.5浓度显著上升，之后石家庄市进入低压系统，近地层大气结构稳定，封龙山污染物受人为影响因素较少，污染水平降低。1月9日弱冷空气过境，低压系统被暂时破坏，市区内PM2.5被带至更高层的大气，随后位于海拔800m的封龙山站点PM2.5浓度迅速上升，随着冷空气离开，石家庄市区再次进入静稳状态，直到10日下午冷高压到来，风速增强将市区内污染物带至较高海拔的封龙山站点，11日封龙山站点PM2.5浓度再次升高。

3 区域性污染分析

区域性污染是影响整个京津冀污染水平的重要因素，京津冀区域聚集了大量的水泥、钢铁、炼油石化等高污染产业和遍布各地区无组织零散高危害产业，这些工业的废气排放量非常大，而本地的地形和气候系统又很不利于污染扩散。

石家庄这次重污染过程是区域性污染背景下形成的，过程期间，廊坊，保定，衡水，邢台，邯郸都出现重度污染的状况，个别小时PM2.5的浓度达到爆表，污染状况很严重，过程期间，整个区域风速较小，大部分地方为偏南风（见图8），无冷空气南下，污染较重。

图8 2015-01-07至2015-01-10重污染过程地面风场演变Fig.8 Surface wind field during 7th JAN and 10th JAN

采集全国城市空气质量实时发布平台中石家庄周边城市PM2.5浓度小时均值数据进行分析（见图9），本次重污染过程石家庄北部城市保定PM2.5浓度小时值在9日上午达到最高值，弱冷空气过境后PM2.5浓度迅速下降；东部城市衡水与石家庄类似，PM2.5浓度在9日上午及10日上午达到最高值；南部城市邢台受偏南风影响，过程期间PM2.5浓度较高，但与石家庄市PM2.5小时浓度变化趋势略有差异。01-07—01-10河北地区进入静稳态天气，各城市PM2.5浓度普遍偏高，无法有效的扩散和清除，体现了PM2.5区域性传输的特点。

4 结 论

1）此次石家庄市重污染过程具有低气压、低风速、湿度相对较高的特点，PM2.5浓度与气压和风速负相关，与湿度正相关。提示石家庄市出现低压高湿的气象条件时，应及时抑尘、控车、减排措施，从控制污染物来源方面降低污染水平。

图9 2015-01-06至2015-01-11石家庄市周边城市PM2.5小时浓度变化Fig.9 Hourly variation of PM2.5in Shijiazhuang and surrounding cities during 6th JAN and 11th JAN

2）此次石家庄市重污染过程是在区域性污染背景下形成的，7日下午石家庄市进入静稳态天气，地面转为低压辐合区，8日下午PM2.5浓度的迅速增长反映了在静稳态天气条件下污染物累积增长及偏南风带来的区域性污染传输。10日午后强冷空气入境，污染物才得以扩散，体现了地面气压场及风场对PM2.5浓度的重大影响。过程期间河北地区整体处于闭合低压系统控制，南部城市区间呈现区域性传输，提示区域大气污染防治协调的重要性。海拔800m的封龙山监测站PM2.5浓度变化说明，冷高压同时造成污染物在垂直方向扩散，对中高层大气造成的影响。

3）过程期间气态污染物NO2，SO2与PM2.5相关性对比分析可知，石家庄市NO2浓度与PM2.5浓度相关性高于SO2与PM2.5相关性，体现了石家庄市处在由煤烟型污染向复合型污染转变的阶段。PM2.5的峰值浓度滞后于NO2，反映了机动车尾气二次转化对PM2.5污染的影响。燃煤除造成PM2.5污染外，其排放的SO2在较高湿度条件下可转化为硫酸盐，加剧PM2.5的污染水平，提示城市燃煤脱硫的重要性。

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