廊坊市一次重污染特征与气象条件影响研究

张艳杰

(河北省科学院地理科学研究所/河北省地理信息开发应用工程技术研究中心，河北 石家庄 050011)

1 引言

环境空气污染是我国一些地区当前普遍关注的热点，重污染天气形成的原因主要有不利的气象条件、特殊的地形条件以及污染源排放强度等[1,2]。其中气象条件通过对污染物的存在形态、种类、停留时间和来源等产生不同的影响，从而影响大气颗粒物集聚、转移与扩散[3,4]。因此研究重污染过程气象要素演变及成因，对重污染天气的预测和防治意义重大。

廊坊市所在的京津冀地区是全国大气污染最严重的区域之一，受地形地势影响，自然地理条件极不利于污染物扩散。周贺玲[5]、郭立平[6,7]等结合长期的污染气象资料从气象条件演变、污染物区域传输等方面分析表明廊坊市重污染天气日气象要素多呈现风速小、风向为偏西-西南风或者偏东-东南风、相对湿度大、静稳指数高、逆温层较厚且出现频率高等特征。张卫中[8]等从大气环流形势角度研究认为廊坊市重污染过程地面环流形势以高压场控制为主，最主要的高、低空配置类型是700 hPa高空为高压脊，地面为高压场。本文选取2016 年12月14～23日一次典型重污染过程，通过对逐时的环境污染资料和气象资料进行分析，研究此次重污染过程中不利气象条件的具体影响，以期为廊坊市空气质量预报提供参考和借鉴。

2 资料与方法

研究环境空气质量资料来自于河北省环境监测中心站提供的国控点逐时监测数据，主要包括PM2.5、PM10、NO2和SO2。同步地面气象资料来自河北省气象服务中心提供的廊坊气象自动站数据，主要包括风向、风速、气温、气压、水汽压、相对湿度、能见度等。研究方法主要采用统计和时间序列分析方法以及spss软件中的相关性分析方法。

3 结果与讨论

3.1 污染物变化过程

由图1可以看出，本次重污染过程最严重时段主要发生在12月16～21日，以首要污染物PM2.5为例，自14日凌晨起 PM2.5浓度呈现波动性上升和下降，但均位于相对较低水平，之后开始急速恶化，由15日晚上19:00的13 μg/m3骤然上升至16日凌晨04:00的160 μg/m3，随后污染物仍呈现快速累积趋势，直至17日下午14:00达到第一次峰值389 μg/m3，然后呈脉冲式下降和上升趋势，19日21:00达到本次污染过程最高值456 μg/m3，22日02:00以后开始急速下降，在此后8 h，PM2.5浓度由301快速下降至23 μg/m3，此次重污染过程结束。总体上颗粒物浓度呈现“急速上升、高污染持续时间长、急速下降”特点。

整个过程PM10与PM2.5变化趋势几乎一致，NO2与PM2.5变化趋势也较相似，仅变化幅度相对较小，SO2在18日中午前变化趋势与SO2较一致，最大峰值(86 μg/m3)出现在16日18:00，18日午后呈现下降趋势并持续维持在较低水平(<50 μg/m3)至污染期结束，此时PM10与PM2.5等颗粒物均呈现上升趋势并达到此次污染过程的最高值，结合相应时段大气相对湿度总体上持续升高的变化规律(图2d)，分析期间存在硫酸盐转化为颗粒物的可能[9]。

3.2 重污染期间气象条件分析

图2给出了重污染天气期间各地面气象要素(风速、风向、气压、气温、相对湿度、水汽压、能见度)随PM2.5变化情况。可以看出：在重污染前期(14凌晨至16日上午)，地面气压普遍位于1025 hPa以上，水汽压和相对湿度也较低，平均风速2.1 m/s，15日午后风速可达4 m/s，污染物浓度也骤然下降至极低水平，期间大气能见度多高于10 km；16日以后随着风速降低，相对湿度和水汽压快速上升，地面气压转为低压均压类系统控制，扩散条件迅速转差，污染物浓度急速上升，大气能见度开始低于5 km，17日以后能见度均低于2 km，进入重污染期(16日凌晨至22日上午)，期间地面平均风速仅为0.78 m/s，且无固定风向，水汽压和相对湿度持续增大，平均相对湿度可达82%，大气能见度平均为1511 m，地面气压整体变化不大( 1019.7～1029.1 hPa)，大气扩散能力极差，污染物持续累积。直至22日上午，随着水汽压和相对湿度骤然下降，1h内相对湿度由96%下降至45%以下，风向出现持续偏北风，且风速持续升高，污染物浓度快速下降，能见度骤然增至10 km以上，本次重污染过程基本结束。

总体上可知，重污染过程前后普遍都是北风-东北风为主，风速较大，地面气压、能见度相对较高，水汽压、相对湿度相对较低；而重污染过程中则无固定风向，风速较小，水汽压、相对湿度相对较高，地面气压、能见度相对较低。

图1 廊坊市主要污染物逐时变化

图2 2016年12月14～16日廊坊市PM2.5与气象因子的逐时变化情况

风速大小可以影响污染物的水平扩散和传输速度，而风向决定污染物的来源和扩散方向。廊坊地区西部为太行山脉，北部为燕山山脉，受地形影响，来自西和西北来的冷空气易受山脉阻挡，导致风速降低，同时当风向为南-偏南风时，邯郸-邢台-石家庄一带的污染源易通过风力传输在廊坊境内汇聚，造成空气质量恶化。为进一步了解风向风速对廊坊市重污染过程的影响，图3给出了此次重污染期间地面风速、风向与PM2.5浓度和能见度的风玫瑰图。可见随着地面风速增大，廊坊市内PM2.5浓度降低，能见度上升，风速<1 m/s，PM2.5浓度几乎全部处于重污染水平，风速>2 m /s以上，PM2.5浓度几乎全部位于清洁水平。但当风速介于1～2 m之间，不同风向对PM2.5浓度和能见度的影响有所差异。当受东北风影响时，风速介于1～2 m之间，PM2.5浓度已处于较低水平，能见度也较好；当风向为西-西南风影响时，风速介于1～2 m之间，PM2.5和能见度均出现恶化趋势，当风向为东-东南风影响时，PM2.5和能见度恶化程度加重。可见风向对廊坊市颗粒物清除作用大小的顺序为：东北风>西-西南风>东-东南风，说明当受东北风影响时，有利于廊坊市污染物的扩散，当受东-东南风影响时，更容易造成PM2.5等颗粒物的持续累积。分析原因为东-东南风较湿润，有利于污染物的吸湿增长，结合地面的低压和均压形势以及低风速，为廊坊市PM2.5的持续累积提供了有利条件。这与刘晓慧[4]等研究结果相似。

3.3 颗粒物与主要气象条件的相关性

通过对颗粒物(PM10和PM2.5)与主要气象要素之间相关性(表1)进行分析发现，此次重污染天气过程中颗粒物质量浓度与选取的其他各气象因子均呈现极显著相关性(即均通过了sig.≤0.01的显著性水平检验)，说明本次重污染天气发生是受到多重气象条件综合影响的结果。气象因子相关性大小顺序为水汽压>能见度>相对湿度>风速>气压>温度，其中颗粒物与温度之间相关性较弱(r<0. 3)；与风速、气压呈现高度负相关，相关系数r达到0.6以上；与相对湿度、水汽压呈现极显著正相关，相关系数r达到0.8以上。分析原因为地面低压均压类系统控制下，天气持续静稳，同时较低的地面风速以及高湿度环境致使空气中颗粒物不易扩散输送，表明高湿度环境、地面低气压以及低风速为本次重污染天气产生的主要气象条件。这与前面的颗粒物随气象演变特征分析结果以及贾秋刚[10]等研究得到的结论较一致。

表1 PM2.5小时值与气象因素的相关系数

4 结论

(1)该重污染过程颗粒物浓度呈现“急速上升、高污染持续时间长、急速下降”特点。风速小且无固定风向，水汽压和相对湿度较高，地面气压和能见度相对较低为重污染过程形成的主要气象条件。

(2)当风速<1 m/s，廊坊市内PM2.5浓度全部处于重污染水平；当风速>2 m/s以上，PM2.5浓度几乎全部位于清洁水平；当风速介于1～2 m之间，不同风向对PM2.5浓度和能见度的影响有所差异。风向对颗粒物清除作用大小的顺序为：东北风>西-西南风>东-东南风。

(3)PM2.5与各气象要素相关系数大小顺序排列为：水汽压>能见度>相对湿度>风速>气压>温度。其中，与温度之间相关性较弱(r<0.3)；与风速、气压呈现高度负相关(r>0.6)；与相对湿度、水汽压呈现极显著正相关(r>0.8)。