2020, Vol. 12 
2. 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
2. Institute of Geographic Science, Hebei Academy of Sciences/ Hebei Province Geographic Information Development and Application Engineering Technology Research Center, Shijiazhuang, Hebei 050011, China
石家庄是全国大气污染最严重的城市之一。由于受到地形、地势、气象条件等因素影响，尤其在冬季采暖期，石家庄市重污染天气频发。文献[1-4]从天气形势、气象条件演变及区域性污染传输等多方面对石家庄重污染气象过程进行了综合研究，结果表明重污染发生时相应的气象条件一般为天气形势稳定、大气边界层高度低、湿度高、风速小、气压低等特点; 朱芳等[5]认为高浓度的气溶胶反馈效应造成了石家庄市ρ(PM2.5)进一步增高。
现以2016年12月14—23日石家庄市一次重污染天气过程为例，从污染物浓度变化过程、污染气象条件演变规律以及风向、风速、相对湿度等主要气象条件对颗粒物的影响等方面对整个过程进行分析，定量研究并筛选一次重污染形成的主要不利气象条件，以期为石家庄市大气颗粒物的治理与防控提供依据。
1 研究方法 1.1 数据来源逐时空气质量数据来自河北省环境监测中心站。污染因子为：细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)和二氧化氮(NO2); 同步气象资料来自河北省气象服务中心，气象因子包括风向、风速、气温、气压、水汽压、相对湿度、大气混合层高度等。
1.2 监测时间2016年12月14日00：00—23日24：00。
1.3 分析方法采用SPSS相关性分析法分析了污染过程中PM2.5与主要气象要素的相关性。大气混合层高度采用《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》(GB/T 13201—1991)[6]中方法计算。
2 结果与讨论 2.1 污染过程2016年12月14日—23日，石家庄市大气严重污染天数达到了6 d，空气质量指数(AQI)≥300。图 1为重污染期间石家庄市各主要污染物逐时变化。
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图 1 重污染期间主要污染物逐时变化 |
由图 1可见，自14日凌晨起PM2.5小时均值即处于较高水平并逐步上升，15日中午骤然下降至100 μg/m3以下，但随后又快速回升至200 μg/m3左右; 之后呈持续累积趋势，直至17日中午达到第一次峰值502 μg/m3，之后呈现波脉冲式上升和下降，ρ(PM2.5)>400 μg/m3，其中20日00:00达到最高峰值(779 μg/m3)，21日13：00达到次峰值742 μg/m3，直至22日00:00;在此后10 h，ρ(PM2.5)由533快速下降至54 μg/m3，之后有所回升但值较底，重污染过程基本结束。
该次污染过程ρ(PM2.5)具有缓慢积累、污染级别高、持续时间长和急速消散等特点，且具有明显的日变化特征。ρ(PM2.5)白天相对较低，夜晚相对较高。根据ρ(PM2.5)变化趋势可将此次重污染过程分为4个阶段，分别为污染物积累前期(14—16日凌晨)、积累期(16日凌晨—17日中午)、高浓度污染维持期(17日中午—22日凌晨)和下降期(22日凌晨至结束)。
PM10与PM2.5具有相似的变化趋势，SO2和NO2在污染物积累前期和下降期，与PM2.5变化趋势大致相同，但于积累期和高浓度维持期上升速度较PM2.5缓慢，部分时段甚至出现与PM2.5相反的变化趋势，且整个过程其值较低，SO2小时均值均低于《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级限值，NO2仅19日部分时段超过《GB 3095—2012》二级限值，最高值(216 μg/m3)出现在19日20:00。
2.2 污染期间气象条件重污染期间各气象要素(风速、风向、气压、气温、相对湿度、水汽压、混合层高度)与PM2.5逐时变化见图 2(a)(b)(c)(d)。
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图 2 重污染期间石家庄市气象参数与PM2.5逐时变化 |
(1) 污染物积累前期(14凌晨—16日凌晨)：ρ(PM2.5) < 200 μg/m3; 15日午后出现3 m/s风速，混合层高度抬高至800 m以上，且伴随相对湿度和水汽压的骤然下降，ρ(PM2.5) < 100 μg/m3; 之后风速降低，相对湿度和水汽压回升，ρ(PM2.5)约为200 μg/m3。
(2) 污染物积累期(16凌晨—17日中午)：石家庄地面转为低压均压类系统控制，且气压梯度变化小，扩散条件迅速转差，ρ(PM2.5)持续增高，16日午后风速>2.5 m/s，后达到3.7 m/s，持续时间较短(仅3 h)，且风向为东南暖湿气流，地面水汽压的持续增高，相对湿度也明显高于之前同时段(基本＞40%)，有利于污染物吸湿增长和二次转化，ρ(PM2.5)持续上升。
(3) 高浓度污染维持期(17中午—22日凌晨)：ρ(PM2.5)>400 μg/m3。本阶段石家庄市地面依旧处于低压均压类系统控制下，平均气压为1 012.8 hPa; 风速 < 2.5 m/s，平均风速为1 m/s，混合层高度 < 500 m，最大高度为19日出现的423 m; 水汽压逐步增高，相对湿度持续增大，白天峰谷几乎全部>50%，夜晚峰值均>80%，整体平均相对湿度78.6%。说明 < 2.5 m/s的低风速、< 500 m的混合层高度、持续的低气压和高湿度环境对污染物扩散没有明显作用。
(4) 污染下降期(22日凌晨—结束)：随着风速逐渐上升，风向由东南风转为干燥的西-西北风，混合层高度达到1 323 m，水汽压由7下降至3 hPa，相对湿度急剧下降，ρ(PM2.5) < 100 μg/m3，本次重污染过程基本结束。
各气象要素的时间演变特征表明，地面转为低压均压类系统控制，较高的相对湿度和水汽压、< 2.5 m/s的低风速以及 < 500 m的混合层高度是本次持续性重污染天气过程形成和持续的重要原因，而持续>2.5 m/s风速(6 h)，干燥的西-西北风产生的低湿度和低水汽压是本次重污染过程消散的重要条件。
2.3 主要气象条件对PM2.5的影响重污染过程石家庄市地面风频统计见表 1。
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表 1 重污染过程石家庄市地面风频统计 |
由图 2(c)和表 1可见，整个污染过程风速大多 < 2.5 m/s，尤其在污染物积累期和高浓度维持期，小风(< 1.5 m/s)和静风频率>70%，平均风速为1 m/s左右，大气扩散能力差，污染物更容易聚集。且主导风向不明显，整个污染过程东南风出现频率最大，约18.3%;其次为西风17.9%，北风占15%，其他风向均在12.5%以下，静风(13次)频率5.4%。风向的不稳定，使得石家庄上空出现类似旋转风的情况，大气扩散能力差，大气中的污染物在城市上空不断循环，污染物堆积明显，环境空气质量不断恶化。风向、风速与ρ(PM2.5)的风玫瑰图见图 3。
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图 3 风向、风速与ρ(PM2.5)的风玫瑰图 |
由图 3可见，本次污染过程PM2.5高值几乎全部出现在风速 < 2 m/s时，且当石家庄市内受>2 m/s的西-西北风影响时，环境空气质量相对较好，而短时间的2~4 m/s东南风并未对空气质量起到明显改善作用。
相对湿度和水汽压是影响大气污染的重要气象因素，这是由于高湿环境有利于大气中气粒转化过程，同时相对湿度上升时，大气中气溶胶粒子吸湿性增大加快碰并聚合过程，使得大气中ρ(PM2.5)上升[7-8]。同时在较大的湿度环境下，其他污染物(硫酸盐和硝酸盐等)的二次反应也导致大气污染程度加剧[9-11]。从图 2(b)和图 2(d)中水汽压、相对湿度和PM2.5的逐时变化情况可知，整个污染过程中水汽压和相对湿度总体均呈缓慢上升趋势，在20和21日达到最高值，此时PM2.5污染最为严重。同时相对湿度随气温呈现较好的日变化特征，中午及午后气温较高，相对湿度较低，而在夜晚至凌晨，由于温度较低，相对湿度几乎>80%。22日凌晨后水汽压、相对湿度和ρ(PM2.5)同时出现快速下降，表明空气湿度与污染的发生和转变密切相关。不同风速、湿度和水汽压条件下的ρ(PM2.5)见图 4 (a)(b)。
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图 4 不同风速、相对湿度和水汽压条件下的ρ(PM2.5) |
由图 4可见，风速 < 2.5 m/s，相对湿度>45%或水汽压>3.6 hPa时，ρ(PM2.5)>115 μg/m3，空气质量明显较差; 当风速 < 2 m/s，湿度>65%或水汽压>4 hPa时，ρ(PM2.5)>250 μg/m3，污染级别达到严重污染，说明小风速、高湿的气象条件更有利于污染物的吸湿增高和二次转化，从而加剧重污染的产生。本次污染天气过程地面气压整体呈现由高到低再升高的变化趋势，且气压梯度变化较弱。严重污染期间，地面由低压类天气形势控制。图 5(a)(b)为气压与风速和相对湿度散点图。
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图 5 不同风速、气压和相对湿度条件下ρ(PM2.5) |
由图 5可见，地面气压>1 017 hPa时，环境空气质量相对较好，风速和相对湿度对影响作用相对较小; 当地面气压 < 1 017 hPa时，风速和相对湿度对ρ(PM2.5)影响作用较大，尤其当风速 < 2.5 m/s或相对湿度>45%时，ρ(PM2.5)>250 μg/m3。表明本次重污染形成与维持的地面气压临界值为1 017 hPa。
2.4 主要气象因子与PM2.5相关性表 2是污染期间PM2.5逐时值与相应各小时气象要素(包括气温、气压、水汽压、相对湿度和风速等)相关性分析结果。
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表 2 PM2.5小时值与气象因素的相关系数① |
由表 2可见，除气温以外，各气象要素与实时PM2.5均存在一定的相关性，并全部通过sig.≤0.01的显著性水平检验。相关系数大小顺序排列为：水汽压＞相对湿度＞气压＞风速。其中，与水汽压和相对湿度为明显的正相关，属于显著性相关，与气压和风速为负相关。说明处于低压均压类系统控制下的高湿度环境和低风速对本次重污染天气的形成和维持具有重要影响。
3 结论(1) PM10和PM2.5是此次污染的主要污染物，而SO2和NO2在污染物积累期和高值维持期，上升缓慢甚至出现下降趋势，存在二次转化促进颗粒物吸湿增长的可能。
(2) 地面转为低压均压类系统控制，较高的相对湿度和水汽压、风速 < 2.5 m/s以及混合层高度 < 500 m是本次持续性重污染天气过程形成和持续的重要原因，而持续风速>2.5 m/s，干燥的西-西北风产生的低湿度和低水汽压条件是本次石家庄重污染过程消散的重要条件。
(3) 当风速 < 2.5 m/s，相对湿度>45%或水汽压>3.6 hPa时，空气质量明显较差; 当风速 < 2 m/s，湿度>65%或水汽压>4 hPa时，污染级别达到严重污染。
(4) 该次重污染形成与维持的地面气压临界值为1 017 hPa，当地面气压>1 017 hPa时，环境空气质量相对较好; 当地面气压 < 1 017 hPa，更容易发生严重污染。
(5) 除气温以外，PM2.5与选取的各气象要素均存在一定的相关关系，相关系数大小顺序排列为：水汽压＞相对湿度＞气压＞风速。其中，与水汽压和相对湿度成正相关，与气压和风速呈负相关。
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