长治市重污染天气特征分析

杨栋（山西省长治市环境监测站山西长治046000）

长治市重污染天气特征分析

杨栋
（山西省长治市环境监测站山西长治046000）

基于2016年1月至2017年2月的长治市空气质量监测数据及气象资料，本文对长治市重污染日逐月分布及其对应的天气类型和气象要素特征进行了系统分析。结果表明:该期间长治市共发生33d重污染天气，12月和1月PM2.5浓度最高；区域稳定的气象条件是形成重污染的主要原因，地面气象要素主要表现为小风(1.23m/s)，湿度较大(52.8%)的特点；高压类、低压类和均压类三种地面天气形势所占污染天数的比例分别为78.8%、9.1%和12.1%，其中500hPa高度场为偏西气流，同时地面处于高压后部，是导致长治市发生重污染天气过程的重要原因之一。

重污染；PM2.5；气象条件

引言

近年来，京津冀地区空气重污染现象频发，并呈现复合性、区域性、周期性特征，引起了政府和公众的广泛关注[1]。研究表明，PM2.5是造成空气重污染的罪魁祸首，以PM2.5为主导因素的灰霾现象日趋严重，对公众健康和能见度构成巨大威胁[2]。2016年12月-2017年1月我国中东部、西南10省区市出现了持续的严重雾霾天气，在此期间长治市的PM2.5日均浓度最高达到了236μg/m3，是污染最为严重的城市之一。2017年初，长治市被纳入京津冀“2+26”大气污染传输通道城市，空气质量改善的压力巨大。

1 资料与方法

2016年1月至2017年2月全市5个空气质量监测点位逐日、逐时浓度资料及气象五参数数据来源于长治市环境监测站；气象资料为中国气象局发布的天气实况资料和数值预报产品。本研究结合2016年1月至2017年2月长治市重污染日AQI变化情况、天气图和气象要素变化情况对重污染日对应的天气类型及气象条件进行详细分析。

2 结果与分析

2.1 长治市PM2.5污染现状

经统计，2016年1月至2017年2月PM2.5均值为73 μg/m3，超标1.09倍，重污染日累积有33天且PM2.5均值为196 μg/m3。时间分布上，PM2.5浓度最高出现在12月和1月，PM2.5浓度冬季（12月、1月、2月）明显高于其他季节，夏秋两季（6-10月）PM2.5浓度较低，夏季影响长治的主要天气系统为副热带高压，地面气压场以弱高压为主，降水量较大，气象条件利于污染物的扩散和稀释，秋季是天气系统转换的季节，伴随着不稳定天气系统变化，中高层北风频率较高，扩散条件较好[3-4]。冬季采暖期间煤炭等燃料消耗大，污染物排放水平高，加之大气垂直扩散条件较差，环境容量小，污染物不易扩散而累积，因此PM2.5浓度偏高，重污染频发[5]。

2.2 重污染气象条件分析

污染物排放水平和气象扩散条件是影响城市大气环境质量的两个主要因子。在污染物排放水平一定的情况下，空气污染与气象条件有着非常紧密的关系[6-7]。

2.2.1 高空、地面环流形势

本研究基于重污染的天气形势进行分类研究。通过分析重污染日的地面和高空天气形势，发现地面气压场和500hPa形势场与污染日有着固定的配置。长治市重污染日高空以平直西风、偏南、偏西气流为主，中低空风场以东南风为主，地面日均相对湿度较大，平均风速持续较小，地面多处于弱气压梯度场。根据地面气压场形势、500hPa形势场，将重污染天气的天气类型分为3类：高压类(高压后部、高压底部、弱高压)；低压类(低压底部、倒槽)；均压类。这3类天气污染形势较为稳定，并且具有连续性，气象扩散条件差，污染物不易扩散和稀释。表1统计了2016年1月至2017年2月长治市重污染日地面天气类型出现的次数，可以看出33天的重污染日中，地面气压形势场高压类、低压类、均压类3种类型各占78.8%、9.1%、12.1%。

表1 长治市重污染天气类型统计

结合高空形势场，500hPa高度场偏西气流，同时地面处于高压后部是长治市发生重污染天气过程中主要的高低空配置类型，占比48.5%。这种高低空天气形势的配置导致区域性连续静稳天气出现，期间少云无降水，为重污染天气的形成及维持提供了稳定的大气环境背景，非常不利于污染物的扩散和稀释，从而加剧空气质量恶化。

2.2.2 地面风向风速

2016年1月至2017年2月，长治市重污染日地面风速表现为小风或静风，平均为1.23 m/s，小于全年平均风速2.3m/s；统计33天的重污染天气过程的平均风速，重污染天气出现时平均风力均在3级之内，并以2级风力以下为主，占84.8%，风力≤2级是连续重污染天气产生的重要气象条件之一。

除地面风力之外，地面风向对污染物的聚集和扩散也有一定的影响。重污染日风向均为东南风向，说明当长治市地面风向为东南风时发生重污染的概率较高。

2.2.3 地面相对湿度条件

图1 2016年12月份PM2.5日均浓度与日均相对湿度之间的关系

图1 统计了2016年12月份PM2.5日均浓度与日均相对湿度之间的关系，两者之间呈基本一致的对应关系，相关系数为0.757，呈中度正相关。这表明，在重污染期间，地面相对湿度的增加也会导致空气质量的进一步恶化。

图2 2016年1月至2017年2月长治市重污染日湿度分布

图2 分析了33天重污染天气过程中的相对湿度条件发现，相对湿度平均为52.8%，主要介于33%～72%之间，在40%～70%之间重污染天数最多，比例高达81.8%，并以50%～60%之间的比例为最高，占30.3%。而相对湿度＜40%的时段比例只有9%，主要出现在重污染天气过程的结束日。

可见，若空气日均相对湿度达到50%以上，则产生空气重污染的概率将明显增大。

2.3 SO2浓度变化对PM2.5的影响分析

SO2浓度主要反映了燃煤的污染情况，以2016年12月30日-2017年1月5日重污染过程为例，过程期间长治市主城区SO2小时浓度与PM2.5小时浓度相关系数为0.675（如图3），且SO2的峰值浓度总是伴随着PM2.5的峰值浓度出现（如图4），这说明燃煤燃烧造成的大量SO2排放也是导致长治市主城区有严重灰霾天气的重要因素之一。

图3 PM2.5浓度与SO2浓度的关系

图4PM2.5浓度和SO2浓度变化

图5 显示了当过程期间当湿度高于60%时，SO2浓度与相对湿度呈中度负相关，相关系数为-0.762。说明在高湿度条件下，相对湿度升高，SO2向硫酸盐转化的速率增加，硫酸盐等二次粒子的形成导致SO2自身的浓度降低。

图5 SO2浓度与相对湿度之间的关系

结论

（1）数据显示，PM2.5最高出现在12月和1月，2016年1月至2017年2月长治市重度污染日累计有33 d，占比7.8%。

（2）通过对2016年1月-2017年2月长治市重污染日发生的天气背景和气象要素分析，可将长治市重污染日的地面天气形势可分为三种类型，分别为高压类、低压类和均压类，各占78.8%、9.1%、12.1%。其中500hPa高度场为偏西气流，同时地面处于高压后部，是长治市发生重污染天气过程的主要高低空配置。

（3）重污染日地面气象要素主要表现为小风(1.23m/ s)，湿度较大(52.8%)的特点。PM2.5浓度变化与相对湿度呈中度正相关，湿度越高越利于PM2.5增长。

（4）SO2浓度主要反映了燃煤的污染情况，SO2小时浓度与PM2.5小时浓度表现为正相关性，且SO2的峰值浓度总是伴随着PM2.5的峰值浓度出现。较高湿度条件下（相对湿度60%以上），气态SO2易转化为硫酸盐，越利于PM2.5浓度的升高，SO2浓度与相对湿度表现为负相关性。

（5）33d重污染日风向均为东南风向，东南方向的污染物输送作用可能是造成长治市重污染的重要原因之一。

[1]李令军，王英，李金香，等.2000-2010北京大气重污染研究[J].中国环境科学，2012，32（1）：23-30.

[2]高愈霄，霍晓芹，闫慧，等.京津冀区域大气重污染过程特征初步分析[J].中国环境监测，2016，32（6）：26-35.

[3]朱乾根,林锦瑞,寿绍文,等.天气学原理与方法[M].北京:气象出版社,2000.

[4]关月,何立富.2013年1月大气环流和天气分析[J].气象,2013,39(4):531-536.

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[6]程念亮，李云婷，张大伟，等．2014年10月北京市4次典型空气重污染过程成因分析[J]．环境科学研究，2015，28(2):163-170．

[7]孙峰，张大伟，孙瑞雯，等．北京地区冬季典型PM2. 5重污染案例分析[J]．中国环境监测，2014，30(6):1-12．