冀东地区重污染天气及其气象特征分析

郭鸿鸣，毛智政，孙丽华，宋金妹，刘贞

（秦皇岛市气象局，河北秦皇岛066000）

冀东地区重污染天气及其气象特征分析

郭鸿鸣，毛智政，孙丽华，宋金妹，刘贞

（秦皇岛市气象局，河北秦皇岛066000）

利用2013—2015年唐山、秦皇岛环境与气象观测资料，对冀东地区冬半年重污染天气及气象特征进行分析。结果表明：重污染天气呈现西部多于东部，山区和沿海略少的分布特征；地面气象要素分析表明，重污染天气与优良天气相比，日均气压低4 hPa，日均相对湿度高30%。重污染天气下以静风和小风为主，风速小于2.0 m/s的占71.8%；平均风速大于2.0 m/s且持续3～4 h的大风对重污染天气消散有主要作用，弱降水或短时降水对重污染天气的消散作用不明显。

冀东地区；重污染天气；气象特征；消散

空气污染逐步成为了公众关注的焦点，2013年新的《环境空气质量标准》开始执行[1]，增加了PM2.5监测数据，表明由PM2.5导致的重污染天气占较大比重。随着县级环境监测站的建立和数据的公开发布，县级城市的大气污染状况也逐渐受到广泛关注，因此，对冀东地区环境与气象关系的精细化分析研究显得十分必要。很多研究表明，重污染天气的发生、发展和消除与气象条件有紧密的关联[2-7]。张宝贵等[8]对秦皇岛市区空气污染特征进行了研究，总结了污染物浓度的时间变化规律。本研究根据2013—2015年最新气象数据和环境监测数据，对冀东地区重污染特征进行统计分析，总结出重污染天气分布特征及其气象要素的特点。

1 冀东地区重污染天气的时间和空间分布特征

对秦皇岛和唐山主城区的重污染天气进行统计，发现10月至次年3月为重污染天气多发期，秦皇岛和唐山两地这一时期重污染天气分别占到了全年重污染天气的98.0%、76.5%，特别是12月至次年2月为严重污染天气多发时期，两地这一时期严重污染天数分别占到了全年严重污染天气的80.0%、74.5%。对重污染及严重污染天气发生时的首要污染物进行统计，结果显示：秦皇岛地区PM2.5和PM10为首要污染，占比分别达到94.5%和5.5%，唐山地区PM2.5和PM10为首要污染，占比分别达到93.9%和5.6%，因此PM2.5是冀东地区重污染天气主要污染物。

对冀东地区污染物月浓度平均值进行统计分析，结果如图1所示：O3浓度为单波型，夏季（5月—8月）浓度值最大，冬季最小；CO、NO2、SO2三种污染物浓度呈现冬半年（10月至次年3月）高于夏半年（4月—9月）的分布特征，为单波型，NO2浓度全年变化较小；PM2.5和PM10浓度呈双波峰型，12月至次年2月为第一波峰，7月为次波峰，但冬半年浓度平均值高于夏半年。

图12013 —2015年冀东地区主要污染物月平均浓度分布

上述分析表明，10月至次年3月（以下简称冬半年）为冀东地区重污染发生的主要时期。因此，对该地区15个站点的PM2.5、PM10冬半年平均浓度的空间分布进行分析，冀东地区冬半年PM2.5、PM10的浓度分布如图2所示。从图2可以看出，PM2.5浓度分布呈现出以唐山市区、丰润为极大中心，卢龙为次极大中心的分布结构（图2a），总体为西部大于东部，南部沿海地区小于内陆；PM10浓度分布呈现两个中心，一个是唐山西北部5个县，另一个为卢龙和滦县地区（图2b），总体为西部大于东部。据此可以将冀东地区分为三个污染等级区域，分别为：重污染易发生区（年平均重污染50 d以上）、重污染一般发生区（年平均重污染30～50 d），重污染少发生区（年平均重污染低于30 d），见图3。

图2 冀东地区冬半年PM2.5、PM10浓度分布

图3 冀东地区重污染等级精细化分区

冀东地区北靠燕山，南临渤海，重污染易发生区域处于燕山与平原区域之间，此区域受燕山阻挡，累积的污染物不易扩散。同时，该地区处于北纬40°附近，四季分明，重污染天气多发生在冬半年，这与冬半年平均风速小、气压低的气象条件有直接关系，下面从气象条件进行分析研究。

2 气象因素与空气质量的关系

通过冬半年的地面、高空气象观测数据与环境观测数据的对比分析，发现重污染天气的发生、发展和消除与气象条件有着非常紧密的关联。

2.1 地面要素与环境关系

2.1.1 气压

16个站点的气压分析显示：优良天气情况下的气压高于重污染天气约4 hPa，如图4所示。当预测日均气压有4 hPa的升降时，对于重污染天的发生和消散有指示作用。

图4 不同天气下气压分布箱线图

2.1.2 相对湿度

16个站点天气数据显示：重污染天气下相对湿度明显高于优良天气，平均高28个百分点，如图5所示。其原因主要是重污染天气多发生在静稳天气下，而静稳天气多伴随有雾和霾的发生，所以相对湿度大，而优良天气大多是在冷空气影响下，湿度较低，空气干冷，所以重污染天气的相对湿度高于优良天气的相对湿度。当预测日均相对湿度有30%左右的升降时，对于重污染天气的发生和消散有指示作用。

图5 不同天气下湿度分布箱线图

2.1.3 风向风速

对2013—2015年逐小时风向风速与逐小时AQI值进行统计，发现在冬半年重污染天气下发生静风（0.0～0.2 m/s）和小风（0.3～2.0 m/s）天气占比达71.84%，静风、小风是导致重污染发生发展的必要条件，尤其是冀东的西部地区。统计分析表明AQI小于100时，静风和小风占比为44.33%，风速大于等于2.1 m/s的占比达55.7%，比重污染天气情况下增多27%。

分别对秦皇岛和唐山两个气象站在重污染和优良天气下的风向风速玫瑰图进行分析。分析结果表明重污染天气下，秦皇岛有明显的偏西风特征，约占48.7%，如图6a所示，小风和静风占65.3%，优良天气下偏东风明显增多，占12.5%，且风速较大，小风和静风占比降低10个百分点；重污染天气下唐山没有明显的主导风向，小风和静风占70.4%，优良天气下，以西北风为主，风速明显增大，小风和静风占比降低18%，5.1 m/s以上的风速增加9%，如图6b、6d所示。

图6 秦皇岛、唐山重污染和优良天气下的风向风速

分别在重污染天气和优良天气条件下，对冀东16个站的风向风速进行统计，选取每一个站点最多频率和次多频率的两个风向作为主导风向。结果显示：重污染天气下，冀东东部（青龙、秦皇岛、抚宁、昌黎、卢龙、滦县）和南部（滦南、乐亭、曹妃甸）以偏西风为主，冀东西北部（玉田、遵化、迁西、迁安）以静风和偏东风为主（偏西风为第三大频率风向），冀东中西部（丰润、唐山、丰南）主导风向不明显，如图7a所示。重污染天气情况下，华北大部为弱气压控制，东部、南部地区弱的偏西风有利于污染物向南部和东部输送，西部地区静风有利于污染物的聚集，导致出现浓度较高的中心区域；优良天气下，冀东大部分地区以西北风为主，如图7b所示，这是冷空气从西北方向影响冀东地区，使得重污染天气消散，但东部地区的青龙、秦皇岛，南部沿海地区的昌黎、乐亭在受东北风冷空气的影响下也会出现优良天气。

图7 冀东重污染、优良天气主导风向分布

2.2 高空要素与AQI的关系

研究表明重污染天气发生时多数为低层有暖平流，本研究仅对冀东乐亭探空站8:00、20:00的气温变化与日AQI变化作相关性分析。

首先规定高空某一层8:00变温是指该层当日8:00温度与前一日8:00温度的差（20:00变温同理），日温度变化是8:00与20:00变温的平均值，AQI的日变化是指当日的AQI与前一日的差值。对2013—2015年的冬半年探空数据的925 hPa、850 hPa、500 hPa三个层次的日温度变化与冀东16个环境数据日AQI的相关性分析，如表1所示，表明冀东各县区冬半年AQI的日变化与低层925 hPa和850 hPa的日变温呈现正的中度相关，与500 hPa的日变温为正的低度相关，特别是925 hPa的日变温与AQI的日变化相关性最明显，说明近低层大气的温度变化对于重污染天气的发生发展具有指示作用。

表12013 —2015年乐亭探空变温与日AQI变化的相关性

3 降水、大风对重污染天气消散的作用

研究表明，降水、大风对PM10、PM2.5浓度和空气污染指数的下降有显著作用。

3.1 降水

由于冬半年降水较少，重污染天气出现降水的过程则更少，对于降水与重污染天气过程的分析不多。选取秦皇岛、唐山2个站点的天气过程进行分析，结果表明：降水对重污染天气AQI的降低有一定的作用，但时间短、水量小的降水对于降低污染物浓度的作用不大，主要是因为降水期间相对湿度基本在90%左右，容易形成大雾天气，降水时间短暂，量级较小，对污染物的沉降作用刚开始显现降水过程就结束了，在湿度较大的背景下，污染物浓度反而容易再次上升。对于降水时间接近6～10 h的，污染物浓度可以有50%左右的下降。

3.2 大风

大风是重污染天气消散的主要方式，通过对大风导致重污染天气消散过程的分析可以发现，当平均风速超过2.0 m/s，且持续3～4 h以上，同时相对湿度下降35%，对AQI有降低作用，AQI平均每小时下降67，经过3～4 h，重污染天气基本消散。如果风速增大，相对湿度没有明显的下降，则AQI下降幅度不大。当平均风速超过4.0 m/s，AQI下降100～200后，首要污染物会由PM2.5转变为PM10。对于春季，当平均风速大于5.0 m/s，持续3～4 h，且相对湿度小于30%，则PM10的浓度将在3～5 h开始升高，出现沙尘天气，当平均风速降低到2.0 m/s以下，PM10的浓度偏高将持续2～3 h，然后迅速下降。

4 结论

本研究统计分析了冬半年冀东地区污染物的分布特征，以及各气象要素与重污染天气的相互关系，主要结论如下：

（1）冬半年，以PM2.5和PM10为首要污染的天数分别占重污染天数的93.9%和5.6%。除O3外，其他各污染物浓度呈现冬半年（10月至次年3月）高于夏半年（4月—9月）的时间分布特征。重污染天气呈现西部多于东部，内陆地区多于山区和沿海的空间分布特征。

（2）在重污染天气下，地面气压低于优良天气4 hPa，相对湿度高于优良天气30%。重污染天气下，冀东地区以静风和小风为主，占重污染天气的71.8%，优良天气下，以西北风为主。

（3）高空850～925 hPa的平均日变温与唐秦两地的AQI日变化相关性是中度相关；平均风速大于2.0 m/s且持续3～4 h的大风对重污染天气消散有显著作用，如果平均风速持续3 h超过5 m/s容易出现沙尘重污染天气，弱降水或短时降水对重污染天气消散作用不明显。

[1]环境保护部.HJ 633—2012环境空气质量指数（AQI）技术规定[S].北京：中国环境科学出版社，2012.

[2]李小飞，张明军，王圣杰，等.中国空气污染指数变化特征及影响因素分析[J].环境科学，2012，33（6）：1936-1943.

[3]李国翠，王建国，连志鸾.石家庄市大气污染与沙尘天气的关系分析[J].气象与环境学报，2007，23（2）：l-5.

[4]陈镭，马井会，耿福海.上海地区一次典型连续颗粒物污染过程分析[J].气象，2016，42（2）：203-212.

[5]靳军莉，颜鹏，马志强，等.北京及周边地区2013年1-3月PM2.5变化特征[J].应用气象学报，2014，25（6）：690-700.

[6]徐晓峰，李青春，张小玲.北京一次局地重污染过程气象条件分析[J].气象科技，2005，33（6）：543-547.

[7]郭虎，付宗钰，熊亚军，等.北京一次连续重污染过程的气象条件分析[J].气象，2007，33（6）：32-36.

[8]张宝贵，曹建新，杜建双，等.秦皇岛市大气污染物的分布特征及其天气背景[J].中国环境管理干部学院学报，2016，26（5）：79-82.

（编辑：程俊）

Analysis on Heavy Pollution Weather and Meteorological Features in The East of Hebei Province

Guo Hongming,Mao Zhizheng,Sun Lihua,Song Jinmei,Liu Zhen
（Qinhuangdao Meteorological Service,Qinhuangdao Hebei 066000,China）

This article analyzed the distribution of the winter heavy pollution in the eastern part of Hebei Province by using the 2013—2015 environmental and meteorological observation data of Tangshan and Qinhuangdao.The results showed that:The distribution characteristics of heavy polluted weather in the west was more than that in the east,the mountainous area and the coastal area were also less distributed.According to the analysis of surface meteorological factors,the average daily air pressure was 4 hPa lower than that in fine weather,and the average daily relative humidity was 30%higher.The heavy polluted weather was dominated by quiet wind and small wind,the wind speed of less than 2.0 m·s-1was 71.8%.Mean hourly wind speed greater than 2.0 m·s-1and lasting for 3～4 h had mainly effect on the dissipation of heavy polluted weather,weak rainfall or short-time precipitation of heavy pollution weather dissipation effect was not obvious.

the east of Hebei Province,heavy pollution weather,meteorological characteristics, dissipate

X51

A

1008-813X（2017）04-0073-05

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.04.19

2017-06-02

郭鸿鸣（1981-），男，内蒙古丰镇人，毕业于南京信息工程大学大气科学系大气科学专业，工程师，主要从事环境气象预报服务工作。