石家庄市春季典型霾和沙尘混合污染天气过程特征分析

徐曼　程丽萍　王玮

摘 要：为研究春季典型的混合污染天气过程的发生机理和发展变化规律，利用单颗粒气溶胶质谱仪对大气细颗粒物进行了成分分析及来源解析，并综合利用地面空气污染监测数据、雷达数据、常规气象观测数据等，分析了2018年石家庄市春季典型霾加沙尘过境的混合污染天气过程的发生成因。结果表明，这次污染过程中机动车直接排放的细粒子是PM2.5的重要来源，最高达到35.5%，同时机动车尾气源数浓度的增加随PM2.5小时质量浓度的增加最为明显。北方三、四月份是沙尘多发期，应提前预估沙尘污染的影响，并做好本地防御;应在继续巩固保持秋冬季雾霾防治措施的基础上，重点做好预测工作;提前对机动车排污、工业排污以及无机源和燃煤等污染源进行管控，强化对春季霾和沙尘混合污染的预防。

关键词：大气污染防治工程;石家庄市; 春季;混合污染;SPAMS

中图分类号：X610

文献标识码：A

Abstract：In order to study the mechanism and development of the typical mixed pollution weather process in spring， the causes of the mixed pollution weather process

were analyzed by single particle Aerosol Mass spectrometer（SPAMS） in the spring of 2018 in Shijiazhuang City， where typical haze and sanddust pass through，using the composition and source analysis of fine particles in the atmosphere，combined with the ground air pollution monitoring data， radar data， and conventional meteorological observation data. The results show that fine particles directly discharged by vehicles are an important source of PM2.5， the maximum is 35.5%， and the increase of the concentration of motor vehicle exhaust gas is the most obvious with the increase of PM2.5 mass concentration. In northern China， March and April are the seasons of dust， so the impact of dust pollution should be estimated in advance， and local defense should be done. On the basis of smog prevention measures in autumn and winter， forecasting work will be valued，and pollution sources such as motor vehicle sewage， industrial sewage， inorganic sources and coal burning need to be controlled in advance to strengthen prevention of mixed pollution of spring haze and sand dust.

Keywords：air pollution prevention and control project; Shijiazhuang City; spring; mixed pollution; SPAMS

3月份是中國华北地区大气环流形势较为活跃的时期，冷暖空气势力相当，随着副热带高压的北抬，系统性东南暖湿气流将大量的水汽输送至华北地区，易出现静稳、高湿的不利气象条件，但由于春季气温的回升，地面干燥，在中国北方地区的三、四月份还是沙尘天气的多发期。目前，学者们对华北地区的气候特征及其与沙尘天气关系方面的研究较多。王金艳等[1]、杨续超等[2]、阎访等[3]从华北地区春季沙尘暴与气候因子的关系、对流层各层风场的关系、春季大风变化特征等角度进行了深入分析，探究了污染的形成和发展机理，取得了针对性较强的研究结果。

石家庄市作为全国空气严重污染的城市之一，虽然秋冬季节是空气重污染过程的高发季节，占全年重污染天气的90%左右，但春季的污染特征也比较典型。石家庄市位于河北省中南部，北纬37°27′～38°45′，东经113°30′～115°29′，西邻太行山，市域地势西高东低，地貌复杂多样[35]。3月中旬前后随着供暖期的结束，污染源会发生明显的变化，污染过程复杂多变，尤其2018年3月9日—3月15日发生了非常典型的持续重度霾加沙尘过境的混合污染过程。本文通过分析这次典型污染过程的气象条件、颗粒物组分变化特征、各污染物之间的相互关系以及管控措施，探讨类似春季典型的混合污染天气过程发生的机理和发展变化规律，以期做到过程前精准预报，过程中更好管控，为环境管理部门科学有效地治理石家庄市大气污染提供重要依据[67]。

1 材料与方法

1.1 样品点位

本文所采用的环境空气质量监测数据均来自石家庄市国控、省控、市控监测点位实时在线监测数据;组分监测数据和雷达监测数据利用设置在石家庄市电视塔上的大气梯度监测站20 m层级处东经114°31′49″，北纬38°01′11″的SPAMS在线监测设备和微脉冲激光雷达监测设备;天气图和遥感数据来源于中央气象台和遥感所，采集时间段为2018年3月9日—3月15日[811]。

1.2 研究方法

根据国家标准《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012）中规定的重污染天气定义，判定重污染过程的开始和结束时间段。综合天气形势以及重污染过程中气象要素、地面污染物浓度变化分析此过程特征条件及演变规律。利用单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）分析此次霾和沙尘重污染过程中细颗粒物的化学组成及来源分析[1214]。

2 结果与讨论

2.1 重污染过程简述及阶段划分

采样期间2018年3月9日—3月15日，整个京津冀及周边地区经历了一次较大面积的重污染过程，石家庄市是本次污染过程影响最大的城市，期间共出现了95 h的重度以上污染，其中严重污染52 h。3月14日凌晨1：00时PM2.5出现本轮污染过程的峰值质量浓度406 μg/m3，点位PM10峰值出现在3月15日早晨7：00，市区西北部西北水源监测点位，小时质量浓度达到745 μg/m3，如图1所示。

本次污染过程划分成2个不同阶段：9日—14日为高湿静稳的霾天气过程，15日凌晨开始有明显的沙尘输送过程。3月9日上午空气质量逐步开始转差，为中度污染水平，并出现4 h的重度污染。10日，扩散条件持续转差，空气质量为重度污染水平，出现21 h的重度污染，11日，石家庄市的扩散条件略好转，污染形势被打断，空气质量为轻度污染。12日开始，空气质量重新恶化，污染程度加重，并持续重度污染，直到14日PM2.5浓度达到了本轮污染过程的峰值。15日凌晨受冷高压影响，污染水平略有回落，7：00—9：00受内蒙古中部部分地区的沙尘输送影响，PM10浓度飙升，达到小时峰值，其后受冷空气影响，各项污染物浓度回落，实时空气质量于13：00降为良，污染过程结束。

本次污染过程石家庄市污染综合指数与PM2.5浓度均在“2+26”城市中排倒数第一，大气污染物的平均质量浓度分别为PM2.5：274 μg/m3，PM10：380 μg/m3，SO2：31 μg/m3，CO（95%）：3.5 μg/m3，其中PM2.5和PM10分别超过国家日均二级标准3.65倍和2.53倍，SO2和CO濃度达标。

2.2 天气形势分析[ST][1518]

进入3月，西南暖低压活动加强，热力场向春季转变，京津冀中南部高空环流形势稳定，近地面湿度大且出现区域性逆温，边界层高度显著降低，大气环境容量大幅下降。在西南暖低压和东北气旋共同作用下，中国中东部形成了一条强劲的南风通道，暖湿气流大举北上，受系统性南风影响，污染物被推送至太行山以东和燕山以南地区，保定、石家庄等沿山城市出现污染辐合，大气污染物快速累积并发生二次转化，推高PM2.5污染。9日，石家庄市处高空暖脊，地面处低压底部，受低空持续的西南气流影响，考虑地面相对湿度开始上升，白天至夜间近地面逆温层明显，扩散条件开始转差。10日，高空槽后转暖脊，地面受东北高压影响，地面逐渐转东北风，但是考虑近地面相对湿度较大，扩散条件持续不利。11 日，高空环流形势趋于稳定，中层开始缓慢升温，但由于地面受持续东北弱冷高压影响，本地污染形势缓解。12 日开始，高空弱西北气流，环流形势进一步稳定，中层升温明显，近地面湿度较大并出现区域性逆温，在系统性南风的持续影响下，污染物被推送至太行山以东和燕山以南地区，石家庄市形成污染物只进不出、反复叠加的典型风场辐合作用，且随着静稳大气结构的形成，大气边界层高度持续下降，污染物持续在本地累积，不易扩散，重污染过程持续，如图2所示。

2.3 气溶胶光学特征分析

通过雷达数据分析（见图3），污染成因主要以本地辐合及外来污染传输为主。9日—11日早晨，城市近地面雷达退偏比在0.13左右，说明城市近地面污染辐合明显，通过雷达消光系数时空图可看到9日早晨及10日下午城市上空有气溶胶团过境，加剧了近地面污染积累。11日夜间开始，城市上空过境的气溶胶团开始发生下沉，同时城市PBL层开始逐渐降低，近地面污染逐渐积累加重。15日，7：00至9：00沙尘沉降最为明显，随着上午城市风力增强PBL层逐渐升高至1 000 m以上，污染扩散条件转好，污染物得到扩散，雷达消光系数明显减小，污染减轻，重污染过程结束。

2.4 PM2.5成分特征分析

通过SPAMS的数据分析，石家庄市细颗粒物污染来源归结为7大类，分别为扬尘、生物质燃烧、机动车尾气、燃煤源、工业工艺源、二次无机源和其他。PM2.5污染来源解析结果如图4所示。从图中可以看出3月9日—15日细颗粒物首要污染来源为机动车尾气，贡献率为28.3%;第二大污染源为工业工艺源，贡献率为21.6%;第三大污染源为二次无机源和燃煤源，贡献率分别为20.1%和19.4%。

2.5 PM2.5来源分析

从细颗粒物的污染来源数浓度和贡献率随PM2.5小时质量浓度变化来看（见图5），在11日—14日的整个重污染过程中，机动车尾气源对于细颗粒物的贡献均为最高，保持在25%以上的水平，最高达到35.5%。同时机动车尾气源数浓度的增加随PM2.5小时质量浓度的增加最为明显。可见，在静稳天气下不利于污染物的扩散，其中机动车尾气源排放的污染物发生了更快的累积，导致污染的持续加重。15日污染结束后，机动车尾气源的贡献率降至15%左右。

在12日—14日污染快速攀升的过程中，二次无机源的贡献率增加最为明显，由11日13：00的19.1%上升至12日22：00的25.1%，14日0：00—22：00的污染高峰时段二次无机源的贡献率为25.5%，成为细颗粒物的第二大污染源。15日受沙尘过境沉降的影响，PM2.5浓度大幅降低，二次无机源的贡献率降至12.9%（15日20：00）。由此可见此次重污染期间伴随着较为强烈的二次转化反应。

整个污染过程中，燃煤源和工业工艺源的贡献率一直保持在20%左右的水平，14日污染高峰时段，两类源的贡献率分别仅为16.8%和18.3%，由此可见本轮重污染过程石家庄市对于企业的管控取得了较为明显的效果。

2.6 区域性污染分析

石家庄市这次重污染过程是区域性污染背景下形成的，过程期间，北京、保定、邢台、邯郸等城市都出现了重度污染的状况。然而，春季温度升高，中东部形成了一条强劲的南风通道，暖湿气流大举北上，受系统性南风影响，污染物被推送至太行山以东和燕山以南地区，午后盛行南风，河北南部城市邯郸、邢台较石家庄市风速大，导致南部城市污染物向石家庄市传输并沉降，加重了石家庄市污染物的累积，后期受沙尘过境影响，加剧了污染程度。如图6所示。13日—14日重污染过程中，邯郸市和邢台市均凌晨至上午的污染较重，然而午后受南风影响，污染物被推送至太行山一带，受风场辐合影响，污染物在石家庄市沉降、累积，太行山沿线的保定市和北京市同样受此影响。受前期输送、累积及本地排放的影响，14日石家庄市PM2.5浓度最高，污染最重。15日凌晨受冷空气前锋影响，污染程度自北向南有所缓解，其后沙尘被后续冷空气推进，进一步抬升东移南下，河北省内自北向南出现沙尘天气，冷锋移动迅速，沙尘迅速过境，后续未出现浮尘影响。

3 结 语

3月份是中国华北地区大气环流形势较为活跃的时期，也是沙尘天气的多发期，本文针对2018年石家庄市春季出现的非常典型的持续重度霾加沙尘过境的混合污染过程，利用单颗粒气溶胶质谱仪对大气细颗粒物进行了成分分析及来源解析，并综合利用地面空气污染监测数据、雷达数据、常规气象观测数据等，分析了污染发生成因。

1）通过污染源谱库的对比分析石家庄市春季典型的静稳加沙尘混合污染过程，机动车直接排放的细粒子是PM2.5的重要来源，建议重污染期间提前启动机动车单双号减排措施，扩大大型、重型车辆的限行范围，建议使用清洁能源车。

2）本次典型污染过程中，石家庄市高空环流形势稳定，地面处于低压前侧，弱气压场控制，风力较小，近地面湿度较大且存在区域性强逆温，垂直和水平扩散条件均不利，逆温现象严重，易造成污染物累积的气象条件;受系统性南风影响，污染气团北移，也易于造成南部区域污染物向石家莊市的传输;加上环境容量本身就小于周边城市，因此在重污染天气条件下，更增大了本地区的污染值，从而比周边城市更容易发生长时间、连续性的重污染过程。

3）在中国北方地区的三、四月份是沙尘天气的多发期，静稳天气过后的冷空气容易携带沙源地大量沙尘，应提前预估沙尘污染的影响，并做好本地防御。

4）研究了霾沙混合污染对石家庄市空气质量的影响，可以为今后的大气污染防治提供参考。但由于没有霾沙传输通道城市过程中的源解析数据，仅对石家庄市的成分进行了来源解析，不能发现和研判主要成分在传输过程中的变化，今后需在这方面加强研究。未来希望与其他省市联合，深挖数据潜力，联防联控，使大气污染防治工作更加系统化、科学化。

参考文献/References：

[1] 王金艳，王式功，马艳，等.中国北方春季沙尘暴与气候因子之关系[J]. 中国沙漠， 2007，27（2）：296300.

WANG Jinyan， WANG Shigong， MA Yan， et al. Relation between climatic characters and dust storm in spring in Northern China[J]. Journal of Desert Research， 2007，27（2）：296300.

[2] 杨续超，刘晓东.中国北方强沙尘暴活动与亚洲地区对流层风场的联系[J]. 气候与环境研究， 2006，11（1）：94100.

YANG Xuchao， LIU Xiaodong. The relationship between severe dust storms of Northern China and the Asian tropospheric wind field[J]. Climatic and Environmental Research， 2006，11（1）：94100.

[3] 阎访，周顺武，马悦.石家庄春季大风变化特征及天气分型[J]. 干旱气象，2014，32（2）：207214.

YAN Fang， ZHOU Shunwu， MA Yue.Variation characteristics of gale in spring and its weather patterns in Shijiazhuang[J]. Journal of Arid Meteorology，2014，32（2）：207214.

[4] 许万智，朱春涛，陈仲榆，等.华北地区一次重污染天气的气象变化过程分析[J].中国环境监测， 2015，31（6）：3440.

XU Wanzhi， ZHU Chuntao， CHEN Zhongyu， et al. The comprehensive analysis of a heavy air pollution episode in North China region in February[J]. Environmental Monitoring in China，2015，31（6）：3440.

[5] 曹鹏，王路光，崔立昌，等. 河北省大气污染状况分析及防治对策探讨[J].煤炭与化工，2014，37（8）：144152.

CAO Peng， WANG Luguang， CUI Lichang， et al. Analysis of atmospheric pollution and countermeasures in Hebei Province[J]. Coal and Chemical Industry， 2014，37（8）：144152.

[6] 熊亚军，唐宜西，寇星霞，等.北京春季一次霾和沙尘混合污染天气过程分析[J].干旱氣象，2017，35（1）：100107.

XIONG Yajun， TANG Yixi， KOU Xingxia， et al. Analysis of a haze and sanddust mixed pollution weather in spring of Beijing[J]. Journal of Arid Meteorology，2017，35（1）：100107.

[7] 张亚茹，陈永金，刘永芳，等.沙尘影响下华北地区一次重污染天气形成与消散过程分析[J].干旱区地理，2018，41（6）：12411250.

ZHANG Yaru， CHEN Yongjin， LIU Yongfang， et al. Formation and dissipation processes of a severe atmospheric pollution in north China under the influence of dust[J]. Arid Land Geography，2018，41（6）：12411250.

[8] 黄正旭，李梅，李磊，等.单颗粒气溶胶质谱仪研究进展[J].上海大学学报（自然科学版），2011，17（4）：562566.

HUANG Zhengxu， LI Mei， LI Lei， et al. Progress in research of single particle aerosol mass spectrometer[J] . Journal of Shanghai University（Natural Science）， 2011， 17（4）： 562566.

[9] 李秋芳，路娜，程丽萍，等.基于污染贡献率的石家庄市大气污染特征分析[J].河北工业科技，2019，36（1）：5965.

LI Qiufang， LU Na， CHENG Liping， et al. Analysis of air pollution characteristics in Shijiazhuang City based on pollution contribution rate[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology， 2019，36（1）：5965.

[10]樊文智，秦凯，韩旭，等.基于移动激光雷达观测的徐州市区气溶胶分布特征[J].中国环境科学， 2018，38（8）：28572864.

FAN Wenzhi， QIN Kai， HAN Xu， et al. Aerosol distribution characteristics in Xuzhou based on mobile lidar observation[J]. China Environmental Science，2018，38（8）：28572864.

[11]娄拴柱，刘乙淼，任春雷，等.基于卫星遥感及SPAMS的石家庄市2017年秋冬季首次污染过程研究[J].河北工业科技，2018，35（5）：354362.

LOU Shuanzhu， LIU Yimiao， REN Chunlei， et al. Study on the first pollution process in autumnwinter of 2017 in Shijiazhuang City based on satellite remote sensing and SPAMS[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology， 2018， 35（5）： 354362.

[12]虢俊龙. 石家庄霾污染过程大气颗粒物化学组分分析及来源解析[D].北京：北京化工大学，2015.

GUO Junlong.Study of Chemical Composition Features and Sources Apportionment of Atmospheric Particulate Matter During Haze in Shijiazhuang[D]. Beijing： Beijing University of Chemical Technology， 2015.

[13]周静博，任毅斌，洪纲，等.利用SPAMS研究石家庄市冬季连续灰霾天气的污染特征及成因[J].环境科学，2015，36（11）：39723980.

ZHOU Jingbo， REN Yibin， HONG Gang， et al. Characteristics and formation mechanism of a multiday haze in the wnter of Shijiazhuang using a single particle aerosol mass spectrometer（ SPAMS） [J]. Environmental Science， 2015， 36（11）： 39723980.

[14]付怀于，闫才青，郑玫，等.在线单颗粒气溶胶质谱SPAMS对细颗粒物中主要组分提取方法的研究[J].环境科学，2014，35（11）：40704077.

FU Huaiyu， YAN Caiqing， ZHENG Mei， et al. Application of online single particle aerosol mass spectrometry （ SPAMS ） for studying major components in fine particulate matter[J]. Environmental Science，2014，35（11）：40704077.

[15]张志刚，陈万隆.影响北京沙塵源地的气候特征与北京沙尘天气分析[J].环境科学研究，2003，16（2）：69.

ZHANG Zhigang， CHEN Wanlong. Climate character affecting Beijing′s dust sources and analysis of the dust weather in Beijing[J]. Research of Environmental Sciences，2003，16（2）：69.

[16]陈静，张艳品，杨鹏，等.石家庄一次沙尘气溶胶污染过程及光学特性[J].中国环境科学，2016，36（4）：979989.

CHEN Jing， ZHANG Yanpin，YANG Peng， et al. Pollution process and optical properties during a dust aerosol event in Shijiazhuang[J]. China Environmental Science，2016，36（4）：979989.

[17]李国翠，王建国，连志鸾.石家庄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）：15.

LI Guocui， WANG Jianguo， LIAN Zhiluan. Relationship between atmospheric pollution and sandy weather in Shijiazhuang[J]. Journal of Meteorology and Environment，2007，23（2）：15.

[18]张亚妮，张碧辉，宗志平，等.影响北京的一例沙尘天气过程的起沙沉降及输送路径分析[J].气象，2013，39（7）：911922 .

ZHANG Yani， ZHANG Bihui， ZONG Zhiping， et al. Analysis on sand entrainment and transportation pathways of one sanddust process in Beijing [J]. Meteorological Monthly，2013，39（7）：911922.