2018年冬季河北省气象条件变化对PM2.5影响研究

焦亚音，杨雨灵，马志淳

(河北省环境气象中心，河北 石家庄 050021)

1 引言

京津冀城市群雾霾天气频发，是我国大气环境污染的重灾区[1]。PM2.5、PM10等颗粒物是京津冀地区秋冬季的首要污染物[2]。大气污染排放和不利气象条件是导致大气污染的重要原因[3]。气象条件对空气污染作用的问题至今一直备受关注，国内外诸多研究采用多种分析方法对空气污染气象条件进行讨论：直接采用污染物浓度与地面气象要素进行统计分析，研究二者之间的相关关系[4]；高空形势环流也是影响空气污染的气象因素，部分学者通过分析空气污染过程对应的天气形势，归纳总结出容易导致空气污染的局部天气类型[5]；其次，基于表达空气污染气象条件的量化指数，评估污染气象条件的变化特征和对污染趋势进行预测等。例如：廖碧婷等[6]基于天气预报中的K指数、沙氏指数和抬升指数得出垂直交换系数，应用于对污染物垂直扩散能力的评估。朱蓉等[7]定义大气自净能力指数，用于描述大气通风扩散和降水对污染物的清除能力。相对于以上气象条件指数，PM2.5气象条件评估指数(EMI)物理意义更加明确，包含大气对污染物的稀释扩散、输送、沉降等物理过程，可定量诊断与预测污染期间气象条件的变化，深入理解和掌握PM2.5浓度物理成因。本文在此基础之上利用2017～2018年河北省地面环境监测站PM2.5颗粒物观测数据和CUACE空气质量模式输出的EMI资料，定量分离出河北省气象条件变化和排放变化率变化情况，分析某时段内PM2.5浓度变化的主要驱动因素，通过计算PM2.5浓度变化率和气象条件变化率，定量诊断气象条件对PM2.5浓度的影响。

2 资料与方法

本文利用中国气象局雾-霾数值预报CUACE模式气溶胶示踪模块输出的EMI指数来研究河北省气象条件的定量变化。刘洪利等[8]给出了EMI的定义和计算方法，即EMI为气象条件变化所导致的PM2.5浓度变化的综合指数。EMI指数包括了大气对污染物的稀释扩散、输送、沉降等物理过程。

不同年份之间同期时间段相互比较时，EMI变化量是在排放不变条件下气象条件导致的PM2.5浓度变化率。假定气象条件和人为排放对PM2.5浓度的贡献都是线性的，气象条件和人为排放是变量可分离的。PM2.5浓度分别为A1、A2，人为排放为B1、B2，气象条件为EMI1、EMI2。

(1)

(2)

气象条件变化率为：

(3)

本文以2017年的EMI指数为基准，通过比较2017～2018年同期变化，进行分月份的气象条件变化评估，评价气象条件对大气污染的作用。本文重点分析2018年冬季(11月、12月)河北省气象条件变化率以及2018全年石家庄市的气象条件和PM2.5浓度的具体变化率。

3 结果与分析

3.1 PM2.5浓度和EMI指数的变化趋势分析

图1给出了河北2013～2018年逐月PM2.5浓度和EMI指数的长期变化(2013年9～11月为缺测)，可以看出，河北PM2.5浓度和EMI指数变化趋势较一致，且季节变化明显，均表现为春夏季低、秋冬季高，春季和夏季的气象条件较好，夏季的EMI指数与PM2.5浓度均保持在全年较低的水平，夏季EMI指数基本在3以下，PM2.5浓度不超过100。并且EMI指数的月际变化均有峰谷高低起伏的变化特征，相比而言，PM2.5浓度月际变化幅度较缓慢。通过计算，得到PM2.5浓度和EMI指数二者的相关性为0.77，相关性较好。可见，EMI指数能够较好地体现气象条件在大气污染过程中的作用。

图1 PM2.5和EMI的变化趋势对比及相关性

3.2 冬季气象条件对河北省空气质量改善的贡献评估

根据EMI指数计算了河北省2018年冬季(11～12月份)相比2017年气象条件对PM2.5浓度的变化率，代表气象条件对PM2.5浓度变化的定量变化。根据气象条件的差异，可将河北省分为3个区域：张家口、承德、保定、廊坊、石家庄北部气象条件极为不利，气象条件使PM2.5浓度同比上升28%～45%；邢台西部和邯郸气象条件非常不利，使PM2.5浓度同比上升16%～28%；唐山、秦皇岛、沧州、衡水、石家庄南部、邢台东部等地气象条件影响最小，PM2.5浓度下降8%～16%。总的来说，与2017年同期相比，全省气象条件不利于PM2.5浓度下降，气象条件的变化率存在显著的区域差异。

3.3 石家庄气象条件贡献和减排措施效果分析

表1为2018年石家庄的气象条件同期变化率和PM2.5观测浓度同期变化率。由表1可见，2018年石家庄PM2.5年均浓度同比下降12.7%，其中气象条件使PM2.5浓度下降3.1%，表明人为减排对大气污染防治贡献显著。分析2018年石家庄各月气象条件变化，其中，3～5月、11～12月气象条件十分不利于PM2.5浓度下降，气象条件最不利的4月和11月使PM2.5浓度增加20%以上；1月和7～10月气象条件同比较为有利，最有利的1月和9月使PM2.5浓度下降17%以上。

表1 2018年石家庄气象条件相比(2017年)对PM2.5浓度变化分析 单位(%)

对相近气象条件下不同季节PM2.5浓度下降幅度差异化分析，对比3月和12月、1月和7月两组数据结果，3月、12月气象条件均为有利于污染物增加约11%左右，但在大气污染综合治理措施并举的情况下，12月份 PM2.5浓度同比下降1.7%，而3月份 PM2.5浓度同比上升34.4%；1月、7月气象条件均为有利于污染物减少15%左右，但1月PM2.5浓度同比下降39.5%，7月仅下降12.8%。1月和12月石家庄多次启动重污染应急响应，尤其是12月9～23日采取了Ⅰ级红色应急响应措施，评估结果表明：重污染应急响应对大气污染综合防治贡献显著。

4 结论与讨论

本文应用线性计算和相关分析开展了对2013～2018年河北省EMI指数的长期变化趋势分析以及定量评估2018年冬季河北省气象条件对PM2.5浓度的影响。得到以下初步结论：

(1)环境气象评估指数EMI包含大气对污染物的稀释扩散、输送、沉降等物理过程，通过计算得到2013～2018年河北的EMI指数和PM2.5浓度的相关系数为0.77，EMI指数能够较好地定量表达PM2.5浓度变化中气象条件贡献。

(2)分析河北省冬季气象条件对PM2.5浓度的变化率，与2017年相比，2018年冬季河北省气象条件不利于PM2.5浓度下降，其中，北部、西北部地区气象条件极为不利，使PM2.5浓度同比上升28%～45%，不同城市的气象条件变化存在显著差别。

(3)气象条件和人为排放是造成大气污染的重要原因。通过计算石家庄2018年气象条件变化率，结合PM2.5观测浓度的变化，可在一定程度上评估减排措施的效果，研究表明石家庄大气污染防治和重污染应急响应对PM2.5浓度下降贡献显著。