秦皇岛大气污染物的分布特征及其天气背景

张宝贵，曹建新，杜建双，孙丽华

（1.秦皇岛市人工影响天气办公室，河北 秦皇岛 066000；2.秦皇岛市防雷中心，河北 秦皇岛 066000；3.秦皇岛气象台，河北 秦皇岛 066000）

秦皇岛大气污染物的分布特征及其天气背景

张宝贵1，曹建新1，杜建双2，孙丽华3

（1.秦皇岛市人工影响天气办公室，河北 秦皇岛 066000；2.秦皇岛市防雷中心，河北 秦皇岛 066000；3.秦皇岛气象台，河北 秦皇岛 066000）

根据官方公布的空气质量观测数据，对秦皇岛城市PM2.5细颗粒物的分布以及主要污染物（CO、NO2、SO2、O3）进行了分析研究。研究结果显示：秦皇岛城区年均119 d处于轻度以上污染，冬季年均有16 d处于重度以上污染，NO2是最主要污染物，PM2.5浓度在春夏季早晚各有一个峰值、秋冬季午夜前后出现极值。“静稳天气”是空气污染的必要条件，重度空气污染与近地面深厚逆温层紧密相关，地面风速0～3 m/s的风场会发生空气污染。

PM2.5分布；主要污染物；雾霾天气；逆温层

细颗粒物（PM2.5）的粒径小，单位体积中细颗粒物的“合计表面积”大，使得大部分有害元素和化合物都富集在细粒子上。相对于PM10颗粒，PM2.5在大气中的停留时间长，传播距离远，大大提高了在呼吸系统的吸收率，因此对人体健康的影响也十分严重［4］。PM2.5具有比粗颗粒更强的消光性，降低大气能见度的能力也更强，细粒子还是造成雾霾的主要凝结核。有专家对河北省大气污染状况进行了分析［5］，分析得出河北省大气污染治理难度极大。

1 秦皇岛市空气质量状况

1.1 秦皇岛边界层底部大气污染状况

秦皇岛市年平均空气质量状况，如图1所示年平均有66 d优，178 d良，77 d轻度污染，26 d中度污染，13 d重度污染，3 d严重污染。按照空气质量优、良和污染来划分，则平均每年空气质量优秀占18.2%，良好占48.8%，污染占33%。

目前，中国的污染物排放标准是：PM2.5细颗粒物年平均浓度限35 μg/m3，24小时平均浓度小于75 μg/m3。秦皇岛市2013年年平均值67.9 μg/ m3，2014年58.7 μg/m3，2015年45.8 μg/m3，数据显示属于明显超标，但从3年年均值来看呈现逐年减小趋势。2013年秦皇岛市全年空气质量优秀天数是37 d，良好是189 d，优良合计226 d；2014年全年空气质量优秀天数是60 d，良好是180 d，优良合计240 d；2015年全年空气质量优秀天数是101 d，良好是166 d，优良合计267 d，空气质量优良天数逐年增多。秦皇岛2013年全年污染天数是137 d，其中轻度污染85 d，中度污染30 d，重度污染18 d，严重污染4 d；2014年全年污染天数是122 d，其中轻度污染74 d，中度污染29 d，重度污染14 d，严重污染5 d；2015年轻度污染71 d，中度污染20 d，重度污染6 d，严重污染1 d，全年污染天数是98 d。

图1 秦皇岛市2013—2015年空气质量状况

GB 3095-2012环境空气质量标准所规定监测的4种化学污染物CO、NO2、SO2、O3的监测数据值的统计结果看，秦皇岛市年均有27 d NO2超过国家二级标准，CO有10 d超过国家二级标准，SO2有9 d超过国家二级标准，O3有6 d超过国家二级标准。其中NO2是空气中头号化学污染物，年均将近一个月时间超过国家二级标准，其他三种化学污染物年均超过二级标准的天数均在10 d左右。

图2 秦皇岛市最近主要污染物年均超标天数

1.2 污染物随时间的分布

从秦皇岛市污染物月平均分布可以了解各月PM2.5的平均状况，图3中1月大气边界层底部PM2.5含量最高为96.5 μg/m3，其次是11月份为94.5 μg/m3；8月份PM2.5含量最低为50.3 μg/m3，其次是6月份浓度为54 μg/m3。图4是大气底层PM2.5含量各季节在24 h平均变化情况，图中显示春、夏季00:00～23:00时刻的变化趋势比较接近，春夏季上午8:00、9:00前后有峰值、晚上19:00、20:00前后出现峰值，峰值期间与上下班、居民做饭时间高度关联。秋冬季PM2.5的24 h变化倾向比较接近，白天PM2.5浓度显著小于夜间，秋季18:00以后、冬季16:00以后PM2.5的浓度开始明显上升，与此同时，秋季18:00以后、冬季16:00以后气温快速下降，这种气温快速下降特征与居民因气温低取暖、燃气、燃煤高度关联。剔除上游气流带来的PM2.5污染，统计结果间接证明春夏季PM2.5污染主要来自于汽车尾气和家用燃气，秋冬季PM2.5污染主要来自于化石燃料燃烧。

图3 PM2.5月平均分布特征

图4 P M2.5春夏秋冬四季逐小时变化特征

1.3 大气边界层底部PM2.5主要成分的分布

图5所示为秦皇岛市大气气溶胶中SO2、NO2、CO、O3每月的平均分布状况。图中最下面的曲线是一氧化碳各月均值，其分布比较均匀，值域在0.8～3.0 mg/m3，年平均10 d超过二级标准；O3在春季、夏初浓度较高，会出现光化学污染现象；NO2和SO2在秋冬季浓度较高，SO2秋冬季要比春夏季高得多，NO2多年月均值的峰值是在11月，月均值为56.6 μg/m3。

图5 秦皇岛市大气气溶胶中CO、NO2、SO2、O3每月的分布状况

2 大气污染的天气背景

2.1“静稳天气”蕴含污染

静力稳定的天气条件（静稳天气）与空气污染关系密切，大气科学词典早已进行了描绘［6］，而雾霾天气则是静稳天气的典型方式，气象学家吴兑认为［7］严重的雾霾天气会造成恶劣能见度，从而影响车流速度，缓慢车速加重污染气体排放，静稳天气背景造成程度不同的空气污染［8-10］。分析秦皇岛2013—2016年6月静稳（雾霾） 天气，2013—2015年有127次静稳天气，2016年上半年15次静稳天气，合计142次。能见度小于10 000 m的轻度雾霾天气77%出现轻度污染；能见度小于1 000 m的常规雾霾，中度污染占89%；能见度小于500 m的雾霾天气100%出现重度以上污染；能见度小于50 m的雾天，重度污染以上占82%；统计结果显示“静稳天气”背景有87%出现空气污染，空气越稳定污染越严重。

2.2 造成污染的静稳天气与逆温层的关系

一般情况下，在低层大气中，气温是随高度的增加而降低的。但有时在某些层次可能出现相反的情况，气温随高度的增加而升高，这种现象称为逆温，出现逆温现象的大气层称为逆温层。逆温层对空气对流有强烈的抑制作用，逆温的存在，阻挡了上下层物质和能量交换，造成大量水汽和气溶胶粒子聚集在逆温层下面，细颗粒物吸湿增长膨大，降低地面能见度，有利于形成雾霾。前面已经论述过静稳天气会导致空气污染，而雾霾天气是经典的静稳天气，静稳天气维持需要在对流层低层形成并维持逆温。用气象遥感资料可以得出表1，它揭示了逆温层与静稳天气的高度关联性。

表1 2013—2015年秦皇岛市静稳天气与逆温层状况

统计2013—2015年三年共127次雾霾天气，雾天存在逆温层47次，无逆温层0次；霾天（80次）存在逆温层72次，无逆温层8次；非雾霾天气而出现逆温层11次。通过产生雾霾天气时“温度对数压力图”（T-lnP）的分析，可以统计出雾、霾、非雾霾天气，逆温层的厚度差别以及层数。T-lnP图反映出逆温层平均厚度、层数、层顶和层底高度。有雾时，逆温层顶最高可以到达700 hPa，底部可低到990 hPa；有霾时逆温层呈现浅薄结构，逆温层顶可以到达850 hPa，逆温层底的高度可以低到990 hPa。表1显示形成雾时，中低空一定有逆温层存在，可见逆温层是出雾的前提条件［11］。有10%的霾天气没有逆温层出现，所以逆温层不是产生霾天气的前提条件。雾天逆温层平均温差明显大于霾天的平均温差，说明雾天逆温层下冷上暖的状况更加突出。表1也与花丛等［12］的研究结果比较一致。

2.3 污染天气与大气底层风场的关系

图6 地面风速与秦皇岛市大气边界层底层PM2.5浓度的关系

污染天气经常发生在静风或弱风气象环境中。用各时刻地面风观测数据、对应各时刻PM2.5浓度，得到2013—2015年地面风速与PM2.5浓度关系如图6所示，图中纵坐标是PM2.5细颗粒物的浓度（μg/m3），横坐标是地面风速（m/s），可以看出3 m/s以下的水平风速极易造成空气污染，而水平风速大于4 m/s时，大气边界层底层的PM2.5含量急速减小。因为雾霾天气跟空气污染密切关联，表2也能反映空气污染（雾霾天气）时地面风的状况，表2分别统计了雾日、霾日、晴天情况下地面风场和边界层400 m以下垂直风速对雾霾天气形成的影响。地面风速小于2 m/s时出现雾，3～4 m/s的风速条件下出现霾，当地面风速增大至4 m/s时，弱风背景遭到破坏，几乎没有雾霾天气出现，这与吴彬贵等研究结果［13］一致。要形成和维持雾日，边界层400 m以下垂直风速必须≤4 m/s；而400 m以下垂直风速≤3 m/s则是霾的存在条件。低层弱风形成稳定的大气层结不利于污染物的水平和垂直扩散。

表2 雾霾与风场关系

3 结论

（1） 秦皇岛市区年均119 d为轻度以上污染，年均16 d重度以上污染，年均PM2.5浓度呈逐年减小趋势。4种化学污染物CO、NO2、SO2、O3，以NO2的影响最为严重，四种污染物影响主要在秋冬季，O3污染主要发生在春夏季节与潘麟麟［14］研究结果一致。

（2）PM2.5细颗粒物超标主要在秋冬季，月平均最大值在1月份为96.5 μg/m3。细颗粒物24 h变化特征，春夏季和秋冬季有明显差别：春夏季上午8:00、9:00前后、晚上19:00、20:00前后各有一个峰值；秋冬季气温越低PM2.5含量越高，极值一般出现在午夜前后。

（3）秦皇岛市有87%的雾霾天气会出现程度不同的空气污染，逆温层是污染天气的必要条件。重度空气污染与深厚、贴地逆温层紧密相关，冬季极容易出现重度污染天气。

（4）污染天气发生在静风或弱风气象环境中，“静稳天气”是空气污染的必要条件。空气污染只有在地面风速0～3 m/s的风场中才会发生；同时大气边界层400 m以下的垂直（向上的）风速要小于3 m/s。

［1］蔺旭东，孙颖，张孟强，等.京津冀地区大气污染物来源及异地输送路径分析［J］.中国环境管理干部学院学报，2015，25（6）：29-34.

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［6］《大气科学词典》编委会.大气科学词典［M］.北京：气象出版社，1994.408，677.

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［14］潘麟麟.秦皇岛市环境空气质量现状及主要污染物浓度变化规律［J］.中国环境管理干部学院学报，2015，25（4）：77-81.

（编辑：程 俊）

The Distribution of The Atmospheric Pollutants and Its Weather Background in Qinhuangdao

Zhang Baogui1，Cao Jianxin1，Du Jianshuang2，Sun Lihua3
（1.Weather Modification Office of Qinhuangdao，Qinhuangdao Hebei 066000，China；2.Lightning Protection Center of Qinhuangdao，Qinhuangdao Hebei 066000，China；3.Qinhuangdao Meteorological Observatory，Qinhuangdao Hebei 066000，China）

Using the official data of the air quality in Qinhuangdao，the distribution of PM2.5and the main pollutants （CO，NO2，SO2，O3），have been researched.The results showed that Qinhuangdao city has 119 days slight pollution days in winter，16 days heavy pollution in winter，NO2is one of the main pollutants，the peak value of PM2.5concentration appears in the morning and evening for springtime and summertime，the peak value appears around midnight in autumn and winter.The static stable weather is the necessary condition for the air pollution，the heavy pollution is related to the deep inversion layer of near-surface，when the surface wind speed is within 0～3 m/s，there will be the air pollution.

PM2.5distribution，main pollutants，fog and haze weather，inversion layer

X51

A

1008-813X（2016）05-0079-04

2016-08-04

张宝贵（1964-），男，河北抚宁人，毕业于成都气象学院动力气象专业，高级工程师，从事短期天气预报、环境气象学和人工影响天气的研究。

10.13358/j.issn.1008-813x.2016.05.21

我国京津冀地区是空气污染的重灾区，其污染来源和移动路径［1］已经被深入进行了研究，笔者着重研究秦皇岛本地的空气污染状况，产生空气污染的天气背景以及污染与天气要素的关系。目前污染状况和污染特征的研究［2］还在深入进行，有学者指出［3］：“在京津冀地区，通过富集因子分析，认为空气污染主要来源于燃煤燃油，工业排放，机动车尾气排放等。”