石家庄市2020年秋冬季首轮灰霾污染过程分析

张璇, 王玮

摘要：为了探究石家庄市秋冬季重污染天气成因，采用石家庄市大气复合污染及灰霾监测超级站监测数据，结合地面空气站实况监测数据及气象资料，对2020年10月8日—11日石家庄市入秋后首轮灰霾污染过程进行分析，并探析污染物的组成及灰霾成因。结果表明：1）在此次污染过程期间，地面湿度较大且处于高压后部的辐合区，污染物形成堆积;2）根据组分重构污染特征分析可知，灰霾过程中NOx向硝酸根离子的转化驱动了PM2.5不断攀升，日均浓度达到中度污染水平;3）与2019年入秋后首次污染过程相比，2020年入秋后首次污染过程移动源占比显著增加，呈现明显的机动车源特征。研究结果能够为石家庄市进一步加强机动车源管控提供依据，调整交通运输结构、提高交通管理水平提供依据，并可为城市环境精细化管理提供技术参考。

关键词：大气污染防治工程; PM2.5; 石家庄; 组分分析; 机动车污染

中图分类号：X610文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx04010

Analysis of the first haze pollution episode in fall and winter

of 2020 in Shijiazhuang

ZHANG Xuan， WANG Wei

（Shijiazhuang Environmental Prediction Center， Shijiazhuang， Hebei 050022， China）

Abstract：In order to explore the cause of pollution in fall and winter of Shijiazhuang， the pollution process of the first haze pollution episode in fall in Shijiazhuang from October 8th to 11th， 2020 was analyzed by using the monitoring data of combined air pollution and haze from super station， combining with monitoring data and meteorological data of ground air station， and the composition of polluants and the causes of haze were explored too. The results show that： 1） during the process of the pollution， with high ground humidity， the pollutants are accumulated in the convergence zone of the back of high pressure; 2） based on the analysis of component reconstruction and pollution characteristics， the concentration of PM2.5 increases due to the conversion of NOx into nitrate， the average daily concentration reaches medium pollution level; 3） compared with the first pollution episode in fall 2019， the proportion of motor vehicle sources increases significantly in the first pollution episode in fall 2020， which presents obvious characteristics of motor vehicle source. The research results can strengthen the management of motor vehicle source， readjust the transportation structure and improve the management level of transportation， provide technical reference for the delicacy management of city envionment.

Keywords：air pollution control project; PM2.5; Shijiazhuang; component analysis; motor vehicle pollution

社会经济快速发展带来的大气环境问题日益突出。近年来，石家庄市励精图治，攻坚克难，空气质量得以明显改善，但由于受产业结构及地理位置等多种因素的制约，目前仍是全国空气污染较重的城市之一。

重污染过程中，近地面受静稳天气控制，气象条件不利于大气污染物的稀释、扩散和清除，同时石家庄市冬季污染物排放量较高，加剧了这一过程的持续[1-5]。齐堃等[6] 选取石家庄市具有代表性的若干工业，借助先进分析测试手段，深入细致地分析了石家庄市PM2.5的工业源谱;段二红等[7]分析了石家庄市大气细颗粒物中PAHs污染水平及分布特征、气象参数与PAHs的相关性，并解析了PAHs污染来源;娄拴柱等[8]、程丽萍等[9]基于卫星遥感和SPAMS技术对石家庄市春节期间和秋冬季重污染过程进行了深入研究;王玮等[10]利用气象和环境监测资料分析了石家庄市一次雨雪过程对各类污染源及污染物浓度的影响;周静博等[11]利用位于石家庄市大气梯度监测站（20 m）的单颗粒气溶胶质谱仪分析了冬、春季大气环境中气溶胶的化学组成及混合状态，并采用ART-2a分类法对气溶胶分类;王筠等[12]对比分析了2015年12月6日—13日和12月21日—26日石家庄市2次持续性重污染天气过程的演变特征及主要影响因素;陈静等[13]利用石家莊市气象观测资料和环境监测资料，重点分析了2013年石家庄市2次重污染天气过程前期PM10及PM2.5污染物浓度快速升高的天气背景、气象要素、边界层特征和污染物输送后向轨迹，并利用20，86和200 m环境梯度观测资料探讨了PM2.5浓度随高度的变化;党磊等[14]根据2013—2015年的PM2.5浓度监测数据，对石家庄市PM2.5浓度的季节和月份变化特征进行了分析;路娜等[15]采用大气细颗粒物实时在线源解析技术，结合气象条件对不同时段细颗粒物来源解析结果和各类源粒径分布、重污染期间各类源的质谱特征进行综合分析。但目前基于大气复合污染及灰霾监测超级站监测数据研究石家庄市空气质量组分及污染成因的成果仍较少。

本文基于石家庄市2020年秋冬季首次灰霾污染过程期间（2020年10月8日—11日）石家庄市大气复合污染及灰霾监测超级站水溶性离子浓度等颗粒物组分特征和实时在线来源解析，探究秋冬季重污染天气发生的原因，明晰石家庄市秋冬季大气污染物的组成和污染来源，以期为今后有效科学地调控秋冬季石家庄市的大气环境提供技术支撑。第4期张璇， 等：石家庄市2020年秋冬季首轮灰霾污染过程分析河北工业科技第38卷

1材料与方法

1.1监测地点与时间

监测地点分别为石家庄市建成区7个大气国控监测点空气质量自动监测站及石家庄市大气复合污染及灰霾监测超级站（东经： 114°31′47.61″，北纬：38°01′26.68″）。

监测时间为2020年10月5日0时至2020年10月12日16时。

1.2数据来源

文中所使用的气象资料来源于石家庄市国家基本气象站气象五参数数据、中央气象台实况天气形势及欧洲中心提供的气候预测资料。

1.3监测设备

大气颗粒物水溶性离子成分在线分析仪（FPI WAGA-100），聚光科技（杭州）股份有限公司提供;大气OCEC在线分析仪（FPI OCEC-100），聚光科技（杭州）股份有限公司提供;大气重金属分析仪（XHAM-2000A），河北先河环保科技股份有限公司提供;单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS 0515），广州禾信仪器股份有限公司提供;VOCs在线分析仪（Airmo VOC C6-C12），科马特泰克贸易（北京）有限公司提供;五参数监测气象传感器（MULTI-5P），深圳市智翔宇仪器设备有限公司提供。

2结果与讨论

2.12020年10月8日—11日石家庄市大气质量整体变化规律

2020年10月8日—11日，石家庄市经历了长达4 d的污染过程，按照《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）评价，期间AQI为105～153，3 d的空气质量等级为轻度污染，1 d中度污染，首要污染物均为PM2.5 ，PM2.5日均质量浓度为79～117 μg/m3。图1为常规污染物的浓度变化曲线，可以看出，自10月5日起，石家庄市颗粒物浓度开始不断攀升，且伴随着PM2.5/PM10比值的增加而增加，污染以细颗粒物为主;10月8日—11日污染期间，PM2.5小时质量浓度持续超出75 μg/m3，小时质量浓度峰值为164 μg/m3（11日10时），达到重度污染水平（见图1）。

本轮污染期间石家庄市PM10质量浓度为174 μg/m3，PM2.5质量浓度为104 μg/m3，SO2质量浓度为16 μg/m3，NO2质量浓度为65 μg/m3，CO质量浓度为1.6 mg/m3，臭氧质量浓度为111 μg/m3，综合指数为8.44。其中PM10，PM2.5分别为24 h平均二级标准的1.16，1.39倍。按照污染物分担率评价，PM10的污染分担率为29.5%;PM2.5的污染物分担率为35.1%;SO2的污染物分担率为3.2%;NO2的污染物分担率为19.3%;CO（95%）的污染物分担率为4.7%;O38 h（90%）的污染物分担率为8.2%。其中，PM10，PM2.5，NO2污染贡献率已高达83.9%。本轮污染过程中PM10，PM2.5，NO2對整体空气质量影响较大。

2.2天气过程分析

10月6日起石家庄市气压场减弱，白天以偏南风为主，午后存在弱风场辐合，夜间天气静稳，湿度增大，相对湿度为80%以上，污染扩散气象条件逐渐变差，污染物浓度累积上升;8日—11日高空受纬向环流影响，以偏西气流为主;地面为高压后部弱气压场/均压场;湿度较大，山前污染物堆积，污染扩散气象条件差，二次污染加剧，10日石家庄市出现中度污染。

10月5日—7日石家庄市地面平均风速为1.6 m/s， 8日—11日污染期间石家庄市地面以东南风为主，风速持续小于2 m/s，平均风速仅为1.3 m/s（见图2），低风速不利于污染物的水平扩散，易于造成污染物的积累;此外，大气增湿明显，10月5日—8日大气相对湿度均值为45%，污染期间大气相对湿度均值达到65%，其中夜间至清晨的相对湿度约为80%（见图2），这种高湿的气象条件更有利于二次颗粒物的生成和吸湿增长。

2.3颗粒物组分分析

8日—11日污染期间PM2.5主要组分为无机水溶性离子和含碳气溶胶，硝酸盐、铵盐、硫酸盐（SNA）三者质量浓度之和占PM2.5主要组分质量浓度的83%，与5日—7日相比，SNA质量浓度占比增加11个百分点，污染期间SNA的迅速增长是推高PM2.5浓度的主要原因（见图3）。8日—11日硝酸盐占比非常突出，达到51%，说明硝酸盐是PM2.5的主要组成部分，硝酸盐与PM2.5浓度呈显著正相关（r2=0.834）;对各组分在PM2.5中占比进行归一化处理，可见8日—11日污染期间SNA中硝酸盐占比明显增加（见图3雷达图），硝酸盐生成在白天，受NO2的控制较大，并且明显受到O3的促进作用，而在夜间主要受到NO2和O3的共同控制[16];8日—11日NO2及臭氧浓度较5日—7日高（见图1），大气光氧化性较强，推断污染期间大气中NOx的二次转化是石家庄市PM2.5浓度的主要贡献者;与5日—7日非污染期对比发现，PM2.5中有机物、硝酸盐、硫酸盐、铵盐等主要组分浓度均上升明显，而贡献占比变化存在差异，其中硝酸盐、铵盐对PM2.5浓度贡献占比上升，有机物、硫酸盐对PM2.5浓度的贡献占比下降，表明硝酸盐的生成是此次PM2.5浓度攀升的主要因素。

2.4 2019年与2020年秋冬季首次污染过程对比

2.4.1颗粒物组分对比

2019年秋冬季首次污染过程出现于2019年10月18日—20日，在低风、高湿的气象条件下，石家庄市PM2.5浓度均值为127 μg/m3，日均值峰值为202 μg/m3，达到重度污染水平。二次污染过程对比见图4。气态前体物SO2，NO2向NO-3和SO2-4的转化过程可以用硫氧化率（SOR）和氮氧化率（NOR）来表示，较高的SOR，NOR值表示大气中存在明显的二次转化过程。计算公式如式（1）和式（2）所示。

SOR=[SO42-][SO42-]+[SO2] ，（1）

NOR=[NO3-][NO3-]+[NO2] 。（2）

与2019年10月18日—20日污染过程相比，2020年秋冬季首轮污染过程期间，硝酸盐质量浓度、占比及NOR均较高，如图5所示。

应用PMF受体模型，结合SOC估算方法，解析环境空气中PM2.5的主要来源及贡献，得到常规源解析结果（见图6）。从PM2.5来源贡献看，2020年10月8日—11日污染期间，二次硝酸盐为主要贡献源，贡献占比达49.9%，其次为二次硫酸盐（16.0%）、燃煤（10.3%）、机动车（9.6%）、二次有机物（6.0%）、工业（4.4%）、扬尘（2.5%）和生物质燃烧（1.5%）。2019年和2020年秋冬季首次污染过程期间，PM2.5来源贡献均以二次硝酸盐为主，受NOx二次转化影响显著;对比来看，2020年秋冬季首次污染过程期间二次硝酸盐贡献占比更高，达到49.9%，表明二次硝酸盐生成的影响进一步增大;对于一次颗粒物，2020年10月8日—11日工业排放影响明显下降，燃煤、机动车排放影响上升。

2.4.2基于SPAMS污染特征对比分析

通过SPAMS的数据分析， PM2.5污染来源解析对比如图7所示。从PM2.5来源贡献看，2020年10月8日—11日污染期间，机动车源为主要贡献源，贡献占比达到51.2%，其次为燃煤源（16.2%）、工业源（15.0%）。过程期间随着PM2.5浓度不断攀升，机动车尾气源占比明显增加，在10日与11日PM2.5浓度高值时段一直维持在55%以上的高占比水平（见图8）。随着灰霾天气发生，采集到的颗粒物大都经历了不同程度的老化，或与二次组分进行了不同程度的混合[11]。研究指出：当苯/甲苯（B/T）>0.4，二甲苯/苯（X/B）<1.1时指示气团老化，过程期间B/T=0.89>0.4，X/B=0.05<1.1，存在气团老化现象，造成单纯含有二次无机盐的颗粒物粒子数占比降低，二次无机源占比有所降低（见图7）。2019年和2020年秋冬季首次污染过程期间，PM2.5來源贡献均以机动车源为主，随着污染等级不断加重，二次污染过程均表现为机动车尾气源占比明显上升，而2020年上升幅度更大。对比来看，2020年秋冬季首次污染过程期间机动车源贡献占比更高，表明机动车源的影响进一步增大;2020年10月8日—11日二次无机源占比较2019年10月18日—20日略有下降，说明2020年污染过程中气团老化程度较高，灰霾过程碳气溶胶与二次无机气溶胶颗粒的混合加剧;2020年10月8日—11日污染过程工业源排放影响明显下降，燃煤源影响略有上升，而2020年机动车尾气源对于污染加剧的贡献更显著。

3结论与建议

3.1结论

本文基于石家庄市2020年秋冬季首次灰霾污染过程期间（2020年10月8日—11日）细颗粒物组分特征和实时在线来源解析，探究秋冬季重污染天气发生的原因。通过分析石家庄市秋冬季大气污染物的组成和污染来源，得到以下结论。

1） 2020年秋冬季首次灰霾污染过程早于2019年同期，推测是受低风、高湿的影响，NOx向硝酸根离子的转化驱动PM2.5不断攀升，日均浓度达到中度污染水平;硝酸盐不仅是PM2.5的最主要组分，还是导致PM2.5升高的主要因素。

2） 与2019年10月18日—20日的空气污染过程相比，2020年的污染持续时间更长，但污染程度较去年有所减弱。对比来看，2020年秋冬季首次污染过程期间二次硝酸盐贡献占比更高，表明二次硝酸盐生成的影响进一步增大;对于一次颗粒物，2020年10月8日—11日工业排放影响明显下降，燃煤、机动车排放影响上升。

3） 基于SPAMS分析结果显示，随着污染等级不断加重，机动车尾气源占比明显上升，随着污染等级不断加重，二次污染过程均表现为机动车尾气源占比明显上升。与2019年10月18日—20日的空气污染过程相比，2020年10月8日—11日机动车源的占比较高，工业工艺源占比降低，机动车尾气源对于污染加剧的贡献更显著。

3.2建议

建议石家庄市吸取本轮污染过程的教训，并保持高度警惕性，进一步强化管控，力争降低全年累计浓度，争取在全国168个重点城市中综合指数排名取得更好的成绩。

1）灰霾天气发生时，机动车源是石家庄市的首要污染源，显著高于工业源及燃煤源，需要提高对机动车尾气源的重视程度，进一步调整交通运输结构和提高交通管理水平。

2）自石家庄市对违法违规设置的限高设施和检查卡点进行拆除后，重型柴油车辆、非道路移动机械进出市区的选择和路线增多，建议交管部门加强对机动车污染源的管控力度，特别要加强凌晨时段对重型柴油车辆、非道路移动机械的监管，早高峰时段加强交通疏导，对有条件的点位周边实施单向通行，降低机动车尾气污染对点位的影响。

3）及时启动预警或强化减排措施，提前采取行动，减轻污染过程前期累积阶段的本地污染物排放量。

笔者利用PMF模型及SPAMS对2020年秋冬季第一次污染过程期间的细颗粒物化学组成进行了分析，并结合空气质量状况及气象条件等对重污染天气成因进行了推定。但是由于城市发展迅速，石家庄市源清单正在更新，本研究未能将PMF模型中的二次无机源与最新源清单结合归为一次污染源，后续研究可结合石家庄市最新源清单，对秋冬季及重污染过程中的细颗粒物组分进行分析，并提出合理化建议。

参考文献/References：

[1]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）：3972-3980.

ZHOU Jingbo，REN Yibin，HONG Gang，et al.Characteristics and formation mechanism of a Multi-Day haze in the winter of Shijiazhuang using a single particle aerosol mass spectrometer （SPAMS）[J].Environmental Science，2015，36（11）：3972-3980.

[2]周静博，张涛，李治国，等.利用SPAMS构建石家庄市PM2.5固定排放源成分谱库[J].河北工业科技，2015，32（5）：443-450.

ZHOU Jingbo，ZHANG Tao，LI Zhiguo，et al.Establishment of stationary source spectral library of PM2.5 by SPAMS in Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2015，32（5）：443-450.

[3]康苏花，马玲，李海峰，等.石家庄市冬季大气颗粒物中元素组分的特征分析[J].河北工业科技，2015，32（2）：172-176.

KANG Suhua，MA Ling，LI Haifeng，et al.Feature analysis on elemental composition of atmospheric particulate matter in winter in Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2015，32（2）：172-176.

[4]康蘇花，高康宁，赵鑫，等.石家庄市春节期间大气颗粒物有机碳和元素碳的变化特征[J].中国环境监测，2014，30（6）：77-82.

KANG Suhua，GAO Kangning，ZHAO Xin，et al.Atmospheric particles of organic carbon and elemental carbon variation during the spring festival in Shijiazhuang[J].Environmental Monitoring in China，2014，30（6）：77-82.

[5]戴春岭，齐堃，张菲菲，等.石家庄市一次典型污染过程的PM2.5污染特征[J].环境研究与监测，2014，27（3）：19-22.

DAI Chunling，QI Kun，ZHANG Feifei，et al.The characteristics of PM2.5 pollution in Shijiazhuang during a typical air pollution episode[J].Environmental Research and Monitoring，2014，27（3）：19-22.

[6]齐堃，戴春岭，冯媛，等.石家庄市PM2.5工业源成分谱的建立及分析[J].河北工业科技，2015，32（1）：78-84.

QI Kun，DAI Chunling，FENG Yuan，et al.Establishment and analysis of PM2.5 industrial source profiles in Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2015，32（1）：78-84.

[7]段二红，张微微，李璇，等.石家庄市采暖期大气细颗粒物中PAHs污染特征[J].环境科学研究，2017，30（2）：193-201.

DUAN Erhong，ZHANG Weiwei，LI Xuan，et al.Characteristics of PAHs in fine atmospheric particulate matter in Shijiazhuang City in heating season[J].Research of Environmental Sciences，2017，30（2）：193-201.

[8]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）：354-362.

LOU Shuanzhu，LIU Yimiao，REN Chunlei，et al.Study on the first pollution process in autumn-winter of 2017 in Shijiazhuang City based on satellite remote sensing and SPAMS[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2018，35（5）：354-362.

[9]程丽萍，李嘉欣，赵纲，等.基于SPAMS的石家庄市2018年春节期间重污染过程研究[J].河北工业科技，2019，36（1）：66-74.

CHENG Liping，LI Jiaxin，ZHAO Gang，et al.Study on the process of heavy pollution during Spring Festival in Shijiazhuang based on SPAMS[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2019，36（1）：66-74.

[10]王玮，强杰，王烁，等.石家庄市一次雨雪过程大气污染特征分析[J].河北工业科技，2016，33（4）：353-358.

WANG Wei，QIANG Jie，WANG Shuo，et al.Characteristics analysis of the atmospheric pollution after a sleet process in Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（4）：353-358.

[11]周静博，张强，戴春岭，等.基于单颗粒质谱技术的石家庄冬春季气溶胶成分特征及混合状态研究[J].安全与环境学报，2017，17（2）：707-713.

ZHOU Jingbo，ZHANG Qiang，DAI Chunling，et al.Analysis and investigation of the composition features and mixing status of aerosol in Shijiazhuang in winter and spring based on the single particle aerosol mass spectrometer[J].Journal of Safety and Environment，2017，17（2）：707-713.

[12]王筠，周静博，徐曼，等.石家庄市冬季重污染过程特征及成因研究[J].科学技术与工程，2016，16（34）：127-133.

WANG Yun，ZHOU Jingbo，XU Man，et al.Study on the characteristics and formation mechanism of winter heavy pollution episodes in Shijiazhuang[J].Science Technology and Engineering，2016，16（34）：127-133.

[13]陈静，钤伟妙，韩军彩，等.石家庄市秋季典型天气背景下重污染特征分析[J].气象与环境学报，2015，31（4）：42-50.

CHEN Jing，QIAN Weimiao，HAN Juncai，et al.Pollution characteristic under typical weather background in autumn over Shijiazhuang[J].Journal of Meteorology and Environment，2015，31（4）：42-50.

[14]党磊，徐振华，任启文，等.石家庄市PM2.5浓度变化规律及治理措施[J].河北林业科技，2016（2）：56-58.

DANG Lei，XU Zhenhua，REN Qiwen，et al.Dynamic changes of PM2.5 concentration and its control measures in Shijiazhuang[J].The Journal of Hebei Forestry Science and Technology，2016（2）：56-58.

[15]路娜，李治国，周静博，等.2015年石家庄市采暖期一次重污染过程细颗粒物在线来源解析[J].环境科学，2017，38（3）：884-893.

LU Na，LI Zhiguo，ZHOU Jingbo，et al.Online source analysis of particulate matter （PM2.5） in a heavy pollution process of Shijiazhuang City during heating period in 2015[J].Environmental Science，2017，38（3）：884-893.

[16]文亮.華北典型地区大气细颗粒硝酸盐及气态亚硝酸变化规律与机理研究[D].济南：山东大学，2019.

WEN Liang.Variation Rules and Mechanisms of the Atmospheric Fine Particulate Nitrate and Gaseous Nitrous Acid Over the North China[D].Jinan：Shandong University，2019.