河北省2013年1月与2014年1月大气污染对比分析

赵 娜，刘晓慧，郭 蕊，郭卫红，李二杰，李 洋

(1. 河北省环境气象中心，河北 石家庄 050021; 2. 河北省气象服务中心，河北 石家庄 050021)



河北省2013年1月与2014年1月大气污染对比分析

赵 娜1，刘晓慧1，郭 蕊2，郭卫红1，李二杰1，李 洋1

(1. 河北省环境气象中心，河北 石家庄 050021; 2. 河北省气象服务中心，河北 石家庄 050021)

摘要：应用河北省环保局环境监测站提供的2014年1月和2013年1月逐小时及逐日平均AQI值、首要污染物、加密自动站及常规气象资料，并结合NCEP/NCAR再分析资料，对2014年1月、2013年1月的大气环流背景、AQI、污染浓度、气象要素进行了对比分析。结果表明：2013年1月与2014年1月的大气环流存在明显的差异，这是造成2014年1月全省空气质量明显优于2013年同期的主要原因。2014年1月逆温厚度和逆温差值明显低于2013年1月，逆温差值和逆温厚度越大，大气层结越稳定，稳定的大气层结为维持重污染天气提供了有利条件，2014年石家庄日均混合高度明显高于2013年。同时2014年政府加强了排放源的防控和降污治理，有效降低了大气污染物排放，使得2014年1月大气污染物成分较2013年1月少了O3和NO22项污染物；2014年严重污染日数和重污染范围较2013年同期明显减少。

关键词：大气污染；AQI值；气象条件；逆温；对比分析

1引言

2013年1月华北平原严重污染日久久挥之不去，长达29 d(2013年1月4日～2月1日)的重度污染(AQI值≥200)天气使得PM2.5数值突破警戒线，受影响最严重的京津冀地区，雾霾笼罩，大气污染严重[1]。这次污染影响范围之广、持续时间之长、浓度水平之高史上罕见。在2013年环境保护部公布的多份“十大污染城市”的月度榜单中，河北唐山、邯郸、石家庄、邢台、保定5个城市始终榜上有名，石家庄因大气污染问题几度“名扬全国”。针对持续重度污染天气的频发，将2014年1月和2013年1月两个月的大气环流背景、AQI值、污染浓度、气象要素进行综合对比分析，试图找出连续性重度污染天气的原因及变化规律，为这类污染天气预报提供一些参考依据。

随着经济发展和城市化进程加速，河北地区大气环境污染越来越严重，大气气溶胶粒子大量增加，空气污染不断加重，PM2.5严重超标。大气环境污染，尤其是城市霾天气日益增多，已成为群众反响强烈的突出环境问题。对于这一问题诸多研究给出了污染物的时空分布特征，理化特性及其与地面气象要素的相关关系[2-9]。另外在大气稳定度和降水方面的研究表明[10-13]，大气稳定度和逆温天气是影响空气污染气象因素之一，不稳定天气则有利于大气污染物垂直扩散，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得更差。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[14,15]，在污染源一定的条件下，稳定的大气层结和区域内特殊地形的影响也是导致区域污染形成的重要原因[16,17]。因此，科学准确、定量地描述城市大气环境质量情况, 进而为实施有效科学的城市环境管理以及城市未来发展规划提供正确的科学依据, 成为当前大气环境质量评价与相关研究的关键问题[18]。

2资料来源

资料利用河北省环保局环境监测站提供的2014年1月和2013年1月逐小时AQI、逐日平均AQI、PM10与PM2.5浓度及首要污染物资料。其中2014年1月资料缺4日、5日、13日、21日、27日、31日，有效日25 d。相应日期的加密自动站和常规气象资料、并结合NCEP/NCAR分析资料，从天气背景及气象条件和空气质量对比分析2014年1月和2013年1月两个月的异同。研究通过对形势场和气象要素及空气质量各种资料的综合应用分析，总结一些容易忽视的特征，加强对此类重污染天气的认识，旨在提高此类灾害性天气的预报水平。

3环境空气质量对比分析

3.1空气质量对比分析

1月，正值华北平原的冬季，由于特殊气象条件及大量采暖需求，使得该季节是全年大气质量最差的季节。环境空气质量主要由空气污染物的浓度进行表征，目前，我国主要通过SO2、PM2.5和PM10的质量浓度来衡量城市环境空气质量。根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ663-2012)[19]，对2014年1月和2013年1月河北省11地市空气质量实况监测数据进行了对比(表1)。

调查中以每天AQI小时值达到500，即作为一个爆表日，以AQI日均值>200作为重污染指标统计从中可看到：2014年1月全省空气质量明显优于2013年同期。张家口、承德、秦皇岛重度污染日数较2013年1月减少1～4 d，其他地市重度污染日数较2013年1月减少7～12 d，廊坊、唐山、沧州、张家口达标日数提高了4～6 d，其他地市提高不明显。2014年1月河北省爆表日数超过10 d的只有邢台和石家庄两个地市，而2013年1月爆表日数超过10 d为石家庄、邢台、保定、衡水、邯郸5个地区。且2014年1月爆表频率和持续重污染范围明显减小，石家庄爆表日减少最多为11 d，严重污染日数和范围较上年同期明显减少。2013年1月为全年出现重度污染最多的月份，除张家口、承德、秦皇岛外，其他地市重度污染日数均在20 d以上，其中石家庄、邢台、邯郸最多为28 d(不含2月1日)，首要污染物为PM2.5或PM10；2014年1月除张家口、承德、秦皇岛外，其他地市重度污染日数较上年同期减少10 d以上，但达标日数没有明显改观。

表1　2013年1月与2014年1月空气质量对比

根据河北省重污染应急预案分区标准(全省分区为：一区：保定、衡水、石家庄、邢台、邯郸；二区：唐山、廊坊、沧州；三区：张家口、承德、秦皇岛)，当有3个地市连续3日出现AQI日均值大于200，则与河北省环境保护厅共同发布大气污染预警信号。由于河北平原重度污染与太行山、燕山地形密切相关，太行山东麓容易形成气流停滞区。因气流下沉增温，容易在近地层形成逆温，使山前平原地区空气流动性差，污染物和水汽容易聚集而导致相对湿度增加，气溶胶快速吸湿增长，导致雾霾发生，造成能见度下降。特殊的气象地域特征是导致河北中南部地区(一区)大气环境污染的重要原因之一。因此，研究中AQI值分析主要以一区为主。图1给出了一区2014年1月与2013年1月AQI日均分布图，图中红色点线为AQI日均值200，为重度污染。从图中可以得到，2014年1月(图1a)共出现3次连续3 d以上AQI日均值大于200的过程：6～12日，14～19日，21～26日，共19 d，持续日期最长达7d；出现严重污染日期为：7日，10～11日，14～19日，22～23日，共出现11 d，持续严重污染最长达6 d。2013年1月(图1b)共出现1次连续3 d以上AQI日均值大于200的过程：4～31日，持续日期长达28 d(不包含2月1日)；出现严重污染日期为：5～19日，22～24日，27～31日共出现22 d，持续严重污染最长达15 d。

以上统计得到：2013年1月比2014年1月严重污染日多达1倍，重度污染天气也明显多于2014年1月，持续严重污染日也远超2014年1月。

图1　河北省一区2014年1月(a)、2013年1月(b)AQI时间序列

3.2首要污染物对比分析

从图2中2014年1月保定、邯郸、衡水、廊坊、沧州、唐山、秦皇岛大部地区首要污染物以PM2.5为主，石家庄、邢台、张家口、承德地区首要污染物则以PM10为主。特别值得注意的是张家口首要污染物SO2出现的次数远大于PM2.5。从全区首要污染物(图2c)分析可得到，PM2.5全区占比达60 %，PM10为36 %，SO2为4 %。而一区PM2.5占比高达68 %，PM10为23 %，SO2为9 %。总体而言，污染物主要以PM2.5和PM10为主，大气中的SO2污染也不容忽视。

2013年1月大气污染物较2014年1月复杂得多(图2b)，除PM2.5和PM10、SO2外，还出现了NO2和O3两个污染物。首要污染物除石家庄PM10多于PM2.5，张家口SO2多于PM2.5和PM10外，全区首要污染物均为PM2.5多于PM10，占比分别为66 %和23 %(图2d)，SO2占8 %，NO2占2 %、O3占1 %。一区PM2.5占比58 %，PM10占40 %，SO2占1 %，NO2占1 %。

分析得到:2013年1月由于受工业排放和大气环流的共同作用，多个地区不但出现SO2，而且还出现了O3和NO2。2014年SO2污染物主要集中分布在三区和二区的张家口、唐山两个地区，这可能与本区的产业结构有关(张家口冬季以燃煤排放烟尘为主，唐山以重工业污染为主)，2014年，由于河北省委、省政府作出着力改善“两个环境”的重大战略决策，明确了“生产转型、天蓝水净、地绿山青”的总目标，对主要排放源的防控和降污加强了治理，有效降低了大气污染物排放。

图2　河北省2014年1月(a)、2013年1月(b)首要污染物分布及一区、全区各污染物的占比分布(c为2014年；d为2013年)

4气象条件对比分析

4.12014年1月和2013年1月环流场的对比分析

大气环流背景直接影响到大尺度的流场和气压场，进而对污染物的堆积、扩散产生重要的影响[20]。2014年1月(图3a)500 hPa高度北半球极涡呈偶极型[21]，欧亚大陆极涡较为偏南偏强，且分别有两个明显大槽，大槽分别位于亚洲东岸(东亚大槽)和欧洲东部，其中欧洲东部大槽轴向为ENE-WSW向，有利冷空气不断南下影响中国，因此2014年1月大气环流形势为多槽脊交替型，冷空气活动较为频繁，但冷空气势力较弱，且冷空气移动速度快而偏北，而导致槽前西南暖湿气流偏弱，造成1月降水量异常偏少，地面湿度条件较差，不利于大雾天气的出现，有利于间断性霾天气形成，因而持续较长时间重度污染天气共出现3次。2013年1月(图3b)500 hPa高度北半球极涡呈偶极型[22]，欧亚大陆极涡中心为两个，分别位于80°E和160°E附近，且极涡较2014年1月的极涡偏西偏北。另外，位于80°E附近的槽线与2014年1月明显不同，槽线呈南北向，且槽区不深，中国大陆为一平直的宽槽区控制，形势较为稳定，冷空气多以小槽或弱槽形势影响华北而导致大雾和霾天气的持续发展和形成，致使重污染天气维持长达29 d(其中包含2月1日)，统计得到2013年1月雾的高发区位于平原东部，邯郸东部的邱县雾日数达19 d。

2014年1月500 hPa高度距平图上，西西伯利亚、中西伯利亚以及远东地区为明显的负距平[21]，负距平中心呈NE-SW向，中心位于贝加尔湖北部，中心强度达-10 dagpm，负高度距平正好与地面冷高压相对应，说明蒙古高压强度大。而在2013年1月500 hPa高度距平图上，与平均高度场低槽相对应的500 hPa距平图上是中心数值为-5 dagpm的负距平，表明低涡及槽频繁在西西伯利亚活动，欧亚地区环流经向度不大。由于来自西西伯利亚的冷空气路径偏北，冷空气频繁影响华北地区，远比2014年1月明显偏弱，且位置偏西。同样在地面平均气压场上(图4b)，高压中心强度虽然与2014年1月(图4a)一致，但其中心位置比2014年略为偏东一些，2014年1月高压轴向呈东西走向，而2013年高压轴向则为东北-西南走向，特别是气压距平值存在很大的差异：①2014年1月气压负距平呈南北走向的块状分布，这种形势有利于冷空气一次次向南爆发，不利于雾、霾和长时间持续的重污染天气发生。2013年1月气压负距平则呈东西走向的带状分布，这种形势不利于冷空气的爆发，有利于中国国土静稳天气的形成，在这种稳定的天气形势下，空气中的污染物在水平和垂直方向上都不容易向外扩散，使得污染物在大气的浅层积聚，从而导致污染的状况越来越严重。这也是导致华北平原出现大范围、长时间维持重污染天气的重要原因。②2014年1月气压负距平中心强度达-30 hPa，说明地面高压的异常强盛，中心位于贝加尔湖到蒙古国东部，而2013年1月气压负距平中心强度为-20 hPa，且中心位置位于西亚，从地面气压负距平强度中心比较，2014年1月远比2013年1月强得多。

大气环流形势分析表明：两年1月的大气环流存在明显的不同，2014年1月大气环流形势为多槽脊交替型，不利超长时间重污染天气的形成。2013年1月中国大陆为一平直的宽槽区控制，大气环流稳定，而导致重污染天气维持，有利超长时间重污染天气的形成。另外，2014年1月华北地面气压负距平的异常强盛，与2013年1月华北地面气压负距平的偏弱形成一鲜明对比。

图3　2014年1月(a)、2013年1月(b)500hPa平均高度与距平

注：彩色阴影区为距平场，等值线为气压场

4.2地面气象条件对比分析

在不同气象条件下, 同一污染源排放所造成的地面污染物浓度可相差几十倍乃至几百倍，这是由于大气对污染物的稀释扩散能力随着气象条件的不同而发生巨大变化[23]。很显然，污染源相对稳定的条件下，气象条件决定了空气质量的好坏。表2给出了2014年1月、2013年1月各地市气象要素统计，从中得到2013年1月比2014年1月不但累计降水量大，而且降水日数也偏多，同时平均气温较历史平均偏低，相对湿度明显偏大，平均风速偏小。异常的气象条件导致2013年1月重污染范围和天数明显增加。

2014年1月降水日数少，除张家口、承德、唐山、秦皇岛出现了一次小面积的降雪天气外，中南部地区基本没有出现降水；全省平均降水量0.1 mm，平均降水量近90 %的县(市)偏少9成以上，属异常偏少。2013年1月降水量则明显多于2014年1月(图5)。全省平均降水量偏多近7成，中南部大部地区、张家口西南部、承德东南部偏多5成，张家口、承德、石家庄局部地区降水量较常年偏多近2倍以上。从降雪日数分析，2013年1月中南部地区降雪日数偏多，邢台市出现微量以上降雪日数多达9 d，除1次达到中雪以上，其它每次降水量均较小。较强降水有利于污染物浓度降低，而弱降水不足以净化空气，反而增加了地面湿度，不利于污染物扩散。

2014年1月全省平均气温-1.8 ℃，比常年偏高2.8 ℃，是1951年以来同期第2个高温年份。全省各地市平均气温偏高3.0 ℃以上的站点主要分布在张家口大部、承德东南部、邯郸、石家庄、邢台西部地区，其中，张家口的北部和西南部7个站偏高4 ℃以上，石家庄偏高达4.7 ℃。温度上升导致相对湿度变小，湍流加强，降低了大雾发生几率，有效抑制气态污染物光化反应，降低2次气溶胶污染物的贡献，重污染天数明显减少。2013年全省平均气温较常年偏低1.5 ℃。最低为保定，偏低3.3 ℃。与2014相比较发现(图6)，除邯郸和邢台、衡水2地区的南部地区与2014年平均气温持平外，其它各地市平均气温均偏低2.8～4.7 ℃，石家庄平均气温较2014年偏低达4.7 ℃。降温可促使地面水汽凝结导致能见度急剧下降，有利于污染增强。

2014年1月与2013年1月地面月平均风速比较(表2)，风速变化不明显，除张家口月平均风速大于2 m/s外，其它地区月平均风速均在2 m/s以下。较小的

风速不利于水汽和污染物的扩散，而使污染物在原地聚积，形成近地面重污染。这也是2013年1月份持续雾、霾天气多发主要原因。

较高的相对湿度，偏低的气温，较小的风速为严重污染事件提供了有利的气象条件，同时污染物又为雾霾天气的形成提供了水汽凝结核，减少了太阳辐射，从而导致地面气温降低，加重了雾霾天气[24]。

表2　2013年1月、2014年1月各地市气象要素统计

4.3稳定条件的对比分析

研究表明，混合层高度可表征污染物在垂直方向被热力对流与动力湍流输送所能达到的高度，是影响污染物扩散的重要参数。在污染物排放量不变的条件下，混合层高度越低，大气扩散能力越差，越有利于污染物的积累，促进雾和灰霾的形成和发展[25]。

为了解混合层高度对空气污染的影响，根据气象观测数据适用情况选取了国标法，分别计算了2014年1月和2013年1月全省各地市混合层高度，考虑到河北污染最重地区是石家庄，因此以石家庄为例，分析了石家庄日均混合高度层与日均AQI值，并进行了2014年1月和2013年1月比较。结果表明，日均混合层高度与AQI之间有反相关关系(图7)，AQI值越大，混合高度层就越低，当混合层高度维持在200～300 m高度时，常常导致AQI值出现爆表和持续的重污染天气。从图8中也可清晰地看到，2014年石家庄日均混合高度明显高于2013年，因而2014年1月石家庄重的污染比去年同期好得多。

图5　2014年1月(a)和2013年1月(b)累计降水量分布(单位：mm)

图6　2014年1月(a)和2013年1月(b)平均温度分布(单位：℃)

注：图中细实线为月平均值

注：图中细实线为月平均值

混合层高度越低，越容易造成污染物在近地面层积聚，同时也不利于污染物的扩散，而导致空气质量变差，形成严重污染天气。

5小结

通过2014年1月和2013年1月的大气污染对比分析，得到以下结果。

(1)2014年1月大气环流形势为多槽脊交替型，不利超长时间重污染天气的形成。2013年1月中国大陆为平直的宽槽区控制，大气环流稳定，而导致重污染天气持续，有利超长时间重污染天气的形成。

(2)2014年1月华北地面气压负距平的异常强盛，与2013年1月华北地面气压负距平的偏弱形成鲜明对比。

(3)2013年1月比2014年1月严重污染日多达1倍，重度污染天气也明显多于2014年1月，持续严重污染日也远超于2014年1月。且2013年1月大气污染物成分较2014年1月复杂得多。

(4)稳定度计算表明：2014年1月逆温厚度和逆温差值均明显低于2013年1月。日均混合层高度与AQI之间有反相关关系，AQI值越大，混合高度层就越低，2014年石家庄日均混合高度明显高于2013年。

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Comparative Analysis of Air Pollution Between January in 2013 and 2014 of Hebei Province

Zhao Na1, Liu Xiaohui1,Guo Rui2, Guo Weihong1,Li Erjie1,Li Yang1

(1.HebeiProvincialEnvironmentalMeteorologicalCenter,Shijiazhuang050021,China;2.HebeiProvincialMeteorologicalServiceCenter,Shijiazhuang050021，China)

Abstract:Based on the hourly AQI, primary pollutants, conventional meteorological data and NCEP/NCARreanalysis data,the air circulation background,AQI,pollution concentration and meteorological factors in January of 2013 and 2014 were compared.The results show that therewas obvious differenceinatmospheric circulation between January in 2013 and 2014,which wasthe reasonwhythe airquality of whole provinceinJanuary in 2014was higher than thatofthe same time in 2013.The thickness and difference of thetemperature inversion in 2014 were lower than thosein 2013.The higher thickness and differencewas,the more stable atmosphericwas.The beneficial condition causing the event were the strong stability of atmospheric stratification.The average daily mixing height in 2014 was higher than 2013.The emission source wascontrolled by government in 2014, NO2 and O3 were less than 2013,serious pollution in 2014 was less than the same period in 2013.

Key words:air pollution; AQI; meteorological condition; temperatureinversion; comparison

收稿日期：2016-02-29

基金项目:国家自然科学基金项目(编号：41075004)；河北省科技厅项目(编号：12277114D)

作者简介：赵娜(1983—) ,女，工程师，主要从事气象环境研究工作。

中图分类号：X511

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2016)10-0001-07