秦皇岛市冬季一次污染过程特征及气象因素影响研究

靳甜甜 张晨宇 刘昊野 刘冰玉

（秦皇岛市气象局 河北秦皇岛 066000）

0 引言

近年来，随着经济的发展和城市化进程的加快，京津冀地区污染问题日趋严重。国内外诸多学者已经开展了很多关于气象条件对颗粒物污染影响的研究工作，研究表明：大气污染排放和不利气象条件是导致空气污染的重要原因［1-2］。江琪等［3］通过分析北京市PM2.5浓度与气象要素关系发现，PM2.5浓度与风速、混合层高度和降水呈负相关。吕梦瑶等［4］从大尺度环流形势、大气温湿垂直结构、边界层物理量等多方面气象因素对京津冀两次重污染过程的影响进行分析和讨论。樊梦等［5］、张建忠等［6］等对京津冀地区的重污染天气的污染气象条件进行了分析和模拟，指出不利的气象条件和地形是主要的影响因子。杨孝文等［7］、桂海林等［8］、汪靖 等［9］等指出北京 和天津地区 的重污染天气均是由大气静稳、扩散条件差、地形特点和外来输送产生的。秦皇岛作为全国生态文明城市、绿色生态旅游城市，在减排防控的基础上，2019 年秦皇岛沿海地区PM2.5浓度不降反升，污染逐渐加重，因此对其原因需进一步分析研究。本文通过对2021 年2 月19 日至21 日秦皇岛市冬季一次污染天气过程的天气形势、气象条件、输送路径、减排措施及管控效果进行分析，为秦皇岛市大气污染预报预警和减排防控提供技术参考。

1 资料与方法

1.1 资料介绍

本文主要利用2021 年2 月19 日至21 日秦皇岛市环境监测站和气象观测站数据，5 个监测点分别为市监测站、文明里、北戴河环保分局、第一关和建设大厦，依次位于市区的东南、东南、西南、东北和西北位置，可以表征市区污染物浓度的变化情况。气象数据包括平均温度、最高气温、风向风速、相对湿度和静稳指数。

1.2 静稳指数

静稳指数（SWI）综合水平风速、气温、相对湿度等多项指标，可以综合反映一个地区大气扩散能力，定量反映大气静稳程度，表征大气对污染物的传输扩散能力。指数越大，表明气象条件越不利。根据秦皇岛市具体情况构建本地静稳指数，主要步骤如下：①筛选有关静稳天气形成的气象要素，结合预报经验最终选取近地面温度、露点、相对湿度、风速风向、变温、变压、925 hPa 垂直速度、1 000 hPa～850 hPa 逆温、海平面气压等气象要素；②确定各气象要素的阈值和分配权重，计算得到静稳指数，为污染天气过程预报预警和减排管控提供数据支撑。

2 结果与分析

2.1 空气质量状况

2 月19 日至21 日秦皇岛市环境空气质量监测数据整理见表1，秦皇岛市2 月19 日至21 日各项污染物浓度变化时序见图1。

表1 2021 年2 月19 日至21 日秦皇岛市空气质量概况

对比图1 可见：PM2.5在21 日07 时开始连续16 个小时超过115 μg/m3，达到中度以上污染，并在21 日13 时开始连续8个小时超过150 μg/m3，达到重度污染，直到21 日23 时开始下降，造成21 日以PM2.5为首要污染物的中度污染过程。

图1 2021 年2 月19 日至21 日秦皇岛市6 项污染物变化时序

2.2 气象条件分析

通过2 月20 日至21 日500 hPa 平均高度场（图2）可以看出：亚洲中高纬为两槽一脊型，全市500 hPa 高度上一直受暖脊控制，有利于污染物的生成和累积。

图2 2021 年2 月20 日至21 日500 hPa 平均高度场和距平场

从2 月19 日至21 日秦皇岛AQI 和气象要素时序图（图3）可以看出：对应AQI 的峰值区，19 日至21 日总体温度都比较高［图3（a）、（b）］，19 日14 时气温达到15.2 ℃，20 日14 时气温达到10.5 ℃，随后温度下降。19 日至20 日温度较高，为21 日的污染累积提供了有利条件；温度较高且存在逆温，垂直气象扩散条件明显不利，污染物被压缩在近地层，导致污染程度加重。

从相对湿度方面来看［图3（c）］，20 日早晨至21 日相对湿度一直维持在90%左右，为污染物提供了吸湿增长的有利条件，促进了PM2.5的爆发性增长和二次转化。

从静稳指数可以看出［图3（d）］：从20 日开始静稳指数开始增大，在20 日08 时，静稳指数达到17.73，在21 日有小幅的下降，之后迅速回升，达到14.23，经过20 日的不利条件，不断累积，致使21 日综合气象扩散条件最为不利。

图3 秦皇岛市2021 年2 月19 日至21 日AQI 和气象要素时序

风向风速方面［图3（e）］，19 日午后开始一直以西北风和西风为主，20 日上午和21 日上午存在明显的辐合，且风力较小，以西风和西南风为主，将污染物输送至秦皇岛市上空，并且通过沉降聚集在近地层，致使污染加重。

2.3 NO2、SO2 和PM2.5 的相互关系

PM2.5二次转化微观机理十分复杂，硝酸盐、硫酸盐、铵盐和二次有机物等组分快速生成，都会助推PM2.5爆发式增长。

高湿条件提升颗粒物中液态水含量，进而增加O3等氧化剂在颗粒物中的溶解量。大气中SO2和NO2附着在颗粒物表面或内部，与氧化剂发生反应，向硫酸盐和硝酸盐转化，并与大气中的氨进一步反应，生成硫酸铵和硝酸铵，增加区域PM2.5浓度。

2021 年2 月19 日至21 日出现SO2和NO2浓度明显积累过程（图4），均在其浓度达到峰值之后的一段时间内，出现PM2.5浓度的升高。随着污染过程的结束，SO2和NO2浓度随之下降，可见污染期间SO2和NO2等气态污染物发生了强烈的二次转化，是不断推高PM2.5浓度的重要原因。

图4 2021 年2 月秦皇岛市NO2、SO2 和PM2.5 日变化时序

3 结论

此次污染天气过程500 hPa 形势场为暖脊控制，有利于污染物的生成和累积；2 月19 日至20 日温度较高且存在逆温，致使21 日污染程度加重。相对湿度一直维持在90%左右，为污染物提供了吸湿增长的有利条件，促进了PM2.5的爆发性增长和二次转化。静稳指数20 日至21 日均大于14，综合气象扩散条件不利。污染期间SO2和NO2等气态污染物发生了强烈的二次转化，也是不断推高PM2.5浓度的重要原因。