郭蕊等

摘要：利用空氣質量監(jiān)測和氣象資料，分析得到2014年8月河北全省各市平均AQI（空氣質量指數(shù)）普遍在200以下；溫度、相對濕度、平均風速和降水對局地污染物濃度增加有一定貢獻；在無顯著降水期間，混合層高度的高/低對應著AQI值的低/高；與2013年同期相比，全省空氣污染物濃度有所下降。

關鍵詞：空氣質量；氣象條件；混合層高度

中圖分類號： X82

文獻標識碼： A 文章編號： 16749944（2015）06000504

1 引言

隨著經(jīng)濟和城市化進程的加速，大氣環(huán)境污染已成為群眾反映強烈的突出環(huán)境問題，近年來，我國中東部地區(qū)持續(xù)出現(xiàn)大范圍重污染天氣，多個城市的PM2.5值突破警戒線，最嚴重的京津冀地區(qū)陷入十面霾伏，大氣污染十分嚴重且持續(xù)時間長、影響范圍廣，為近年來所罕見。準確監(jiān)測、預測重污染天氣，減少和降低重污染天氣帶來的不利影響，是當前經(jīng)濟社會環(huán)境友好、生態(tài)文明、和諧發(fā)展的迫切需要。

污染物濃度變化和氣象條件有著顯著的相關關系，針對大氣污染與氣象要素的研究中發(fā)現(xiàn)，污染物的時空分布特征及其與地面氣象要素密切相關，大氣穩(wěn)定度和逆溫天氣是影響空氣污染氣象因素之一[1～5]，地面輻合，加上低層逆溫和下沉運動可以阻礙污染物在水平和垂直方向的擴散[6]。不穩(wěn)定天氣則有利于大氣污染物的垂直擴散，而大氣層結穩(wěn)定則不利于低層污染物的擴散。強降水對空氣有稀釋凈化作用，弱降水會使空氣質量變的更差[7，8]。李文杰等人對京津石三市的污染指數(shù)和地面氣象要素研究表明，氣象要素對空氣污染的影響存在較大時空差異，北京春季受沙塵的影響、天津和石家莊冬季受取暖的影響導致對應季節(jié)的空氣質量最差[9]。謝付瑩等人研究了2008年奧運會期間北京地區(qū)PM10污染天氣形勢和氣象條件，認為該時期內PM10污染過程多與臺風系統(tǒng)或熱帶低壓的北上，從而阻滯了華北地區(qū)天氣系統(tǒng)的南下東移有關[10]。蒲維維等人研究了北京地區(qū)夏末秋初氣象要素對PM2.5污染的影響，結果表明，城區(qū)站月平均PM2.5質量濃度明顯高于郊區(qū)站，地面風的風速和風向與大氣對擴散物的擴散能力密切相關，當混合層高度突破1500m時，垂直擴散對污染物的稀釋擴散效果明顯[11]。李德平等人研究認為，風向是造成SO2、NO2、和PM10污染的主要原因之一，污染日存在兩重或多重逆溫層，且逆溫層較低較厚[12]。

氣象要素對大氣污染的影響隨時間變化特征明顯，以往的研究也大量給出了影響趨勢分析，但針對月際尺度的污染物與氣象要素區(qū)域特征的精細化研究仍較少。因此，本文針對河北地區(qū)2014年8月份的污染物時空分布特征，研究不同氣象要素在該時間段對污染的影響，得到了一些初步結論，為進一步做好污染天氣預報預警提供參考。

2 空氣質量資料和氣象資料

本文所使用的空氣質量監(jiān)測資料來自河北省環(huán)境監(jiān)測站，污染物數(shù)據(jù)為11個地市市區(qū)觀測站的平均值，內容包括污染物濃度、首要污染物、空氣質量指數(shù)和空氣質量級別等。氣象資料采用逐日自動站、常規(guī)氣象資料等。

3 空氣質量概況

2014年8月河北全省各市平均AQI（空氣質量指數(shù)）普遍在200以下（表1），重污染呈局地性、分散性特征，有6個地市整月沒有出現(xiàn)重度污染。全省重度污染共出現(xiàn)6d，主要時間分布在月初1～3日、16日和20～21日，地理上則主要分布于邯鄲、廊坊、唐山、保定、張家口。位于北部地區(qū)的張家口、唐山、秦皇島為本月平均空氣質量相對最好的區(qū)域，AQI指數(shù)在80以下，唐山、滄州兩個沿海地區(qū)稍差，AQI指數(shù)也在100以下，其余6地區(qū)的AQI指數(shù)則接近或超過100，但仍在130以下，為空氣質量相對較差區(qū)域?？諝赓|量分布特征為為山區(qū)和沿海地區(qū)最好，由北向南，由沿海向內陸，空氣質量逐漸轉差。

8月各地首要污染物以顆粒物為主，多數(shù)地區(qū)超過70%的時間首要污染物為PM2.5或PM10，其中，處于沿海的滄州、秦皇島、唐山地區(qū)以PM10為首要污染物的頻率明顯高于其它內陸地區(qū)，可能與沿海地區(qū)海鹽飛沫有關。承德、保定、廊坊地區(qū)首要污染物為O3的頻率較高，而張家口、秦皇島地區(qū)首要污染物為SO2、NO2的頻率也值得注意。此外，張家口出現(xiàn)重度污染時首要污染

物中的O3比重較大，而不是較為常見的PM2.5或PM10，一方面說明張家口地區(qū)工業(yè)原因造成的空氣污染程度較輕，另一方面表征張家口地區(qū)大氣的光化學反應潛力巨大，出現(xiàn)了多種污染物水平接近的情況。

4 氣象條件分析

4.1 基本氣象要素

2014年8月全省平均氣溫為24.7℃（表2），其中長城以南大部分地區(qū)在24℃以上，長城以北大部分地區(qū)在24℃以下，但南北溫度差別不大，除北部壩上地區(qū)外大部分地區(qū)均在20℃以上。大部分地區(qū)最低氣溫（除張家口、承德地區(qū)外）都在19℃以上，最高氣溫（除張家口、秦皇島外）都在30℃以上。較高的溫度使近地面空氣湍流運動旺盛，有利于污染物在垂直方向上的擴散，這也是夏季空氣污染物濃度明顯低于冬季的主要原因之一。

全省8月平均相對濕度為67.8%，當相對濕度較大時，空氣污染物粒子吸濕增長，并可以誘發(fā)一系列化學反應，使污染物粒徑增大，成分更加復雜。秦皇島、唐山地區(qū)相對濕度高于其它地區(qū)，這兩個地區(qū)位于渤海北岸并受偏南季風影響，造成8月相對濕度比其他地區(qū)偏高的現(xiàn)象，由此可知秦皇島、唐山地區(qū)PM10為首要污染物的頻率偏高，其中有相對濕度較高的貢獻。

8月全省平均風速為1.65m/s，小風平均出現(xiàn)日數(shù)6.1d。其中石家莊、邢臺、秦皇島、唐山地區(qū)風速小于1m/s的時間接近一半，石家莊、邢臺地區(qū)風速小于2m/s的時間更是達到85%以上。較小的近地面風速對空氣污染物的擴散和稀釋作用有限，在不同的地形、天氣形勢下，會導致局地污染物累積，污染物濃度較大。

全省平均降水量為78.0mm，各地降水量在12.3～216.0mm之間，呈現(xiàn)北多南少的特征。其中張家口中部、承德中部和南部、唐山大部、秦皇島西部、廊坊中部、保定中西部、石家莊西北部和中部以及滄州和衡水的部分地區(qū)降水量超過100mm。較強的降水過程主要發(fā)生在4～5日、13日、16～17日、28～31日，其中4～5日的降水過程影響程度最重。對于空氣質量來講，較強的降水有很好的濕沉降作用，能夠迅速清除空氣污染物，而較弱的降水反而會在一定程度上促進污染物的吸濕增長，造成局地空氣質量下降。

4.2 混合層高度

大氣邊界層的高度（或厚度）和結構與大氣邊界層內的溫度分布或大氣穩(wěn)定度密切相關。中性或不穩(wěn)定時，由于動力或熱力湍流的作用，邊界層內上下層之間產(chǎn)生強烈的動量或熱量交換，通常把出現(xiàn)這一現(xiàn)象的層稱為混合層?；旌蠈酉蛏习l(fā)展時，常受到位于邊界層上邊緣的逆溫層底部的限制，與此同時也限制了混合層內污染物的再向上擴散。因此混合層高度能夠表征大氣近地面層的穩(wěn)定度和垂直交換能力，也是影響大氣污染物擴散的主要氣象因子之一。

Nozaki 等人1973年提出一種用地面氣象資料估算混合層高度的方法。他們認為大氣混合層是由熱力湍流和機械湍流共同作用的結果，而且邊界層上部大氣運動狀況與地面氣象參數(shù)間存在著相互聯(lián)系和反饋作用，因此可以用常規(guī)氣象資料來估算大氣混合層高度。計算公式如下：

H=121[]6（6-P）（T-Td）+0.169P（uz+0.257）[]12fIn（z/z0）（1）

式中：H為混合層高度，單位為m；T為地面氣溫，單位為K；Td為露點溫度，單位為K；uz為z高度處的平均風速，單位為m/s；z0為地面粗糙度，單位為m；f為柯氏參數(shù)單位為1/s，f=2Ωsinφ，Ω為地轉角速度，φ為地理緯度；P為帕斯圭爾穩(wěn)定度級別（大氣穩(wěn)定度級別為A至F時，P值依次為1至6）。

根據(jù)以上方法，計算了2014年8月石家莊、張家口地區(qū)的逐日混合層高度（圖1），并與AQI值進行同期比對。發(fā)現(xiàn)張家口地區(qū)（月平均1415.3m）的混合層高度明顯高于石家莊地區(qū)（月平均1002.6m），而AQI值低于石家莊地區(qū)，說明張家口地區(qū)的低層大氣層結比較有利于空氣污染物的稀釋、擴散和消除。張家口較好的空氣質量，不僅與排放量有關，氣象條件也起著重要的作用。石家莊地區(qū)受海拔和周圍地形的影響，即使在夏季湍流旺盛的背景下，混合層高度仍較低，近地面層擴散能力明顯低于張家口地區(qū)，局地氣象條件不利于空氣污染物的擴散，容易發(fā)生污染物累積，造成重污染天氣。

在無顯著降水期間，混合層高度的較高的時段對應著污染物濃度較低時段；混合層高度較低的時段對應著污染物濃度的高值時期，這一對應關系在石家莊地區(qū)體現(xiàn)得更加明顯。說明在沒有顯著降水的時候，低層大氣層結對空氣污染物擴散起著舉足輕重的作用，低層擴散能力的強弱，混合層高度的大小對空氣質量的好壞有較強的影響。

當出現(xiàn)顯著降水時，空氣濕度較大，式（1）中項取值隨之變小并隨濕度增大而趨近于0，因此顯著降水時雖然低層為不穩(wěn)定層結，但混合層高度也比較低。伴隨著顯著降水的濕沉降作用，使空氣污染物濃度明顯下降，會出現(xiàn)圖1方框中混合層高度和AQI同時較低的情況。此外，由于夏季降水對流性較強，經(jīng)常伴有颮線、雷暴大風等強對流天氣，大風會造成近地面顆粒物濃度增加，較大的空氣濕度又促進顆粒物吸濕增長，容易造成短時PM10濃度暴漲，從而導致AQI上漲的情況出現(xiàn)。所以夏季對流性降水對空氣污染物不僅有顯著的濕沉降作用，也有大風造成的污染物暴漲作用，需要綜合考慮進行分析。

5 與歷史同期對比分析

2014年8月全省平均溫度較常年偏高0.2℃，比2013年偏低1.5℃；全省平均降水量77.96mm，較常年（122.9mm）顯著偏少，比去年同期偏少38.9mm；降水日數(shù)9.7d，與去年同期基本持平，小雨日偏多；全省平均風速比去年同期偏小0.15m/s，小風（<1m/s）平均出現(xiàn)日數(shù)6.1d，與去年同期相比增多0.9d。平均相對濕度67.8%，比去年同期偏小14.7%?？偟膩碚f，溫度越高、降水越多、風速越大，越有利于空氣污染物的稀釋、擴散和消除，但高溫也會導致空氣中化學反應活躍，空氣污染物內容復雜，中雨（10mm）以上的降水對于污染物有明顯的清除作用，而地面小風速區(qū)的出現(xiàn)則較易產(chǎn)生污染物的積累，因此，與去年同期相比，氣象條件對污染物擴散的作用略低。

在這樣的氣象條件下，2014年8月全省市6種主要污染物月均濃度比2013年同期有所下降（圖 2），SO2、PM2.5、PM10三種污染物月均濃度下降比較明顯，全省平均下降率分別達到了32.6%、22.0%、20.6%，石家莊、邢臺、唐山六種污染物月均濃度均呈下降趨勢，六個地市SO2月均濃度下降超過40%。說明大氣污染源有所減弱，導致氣象擴散條件變差的環(huán)境下，污染物濃度比去年同期普遍下降。

圖2 2014年8月全省市6種污染物濃度較上年同期增長率分布（深黑色線段為對應污染物平均增長率）

6種主要污染物中，月均濃度下降率最小的污染物為O3，而O3月均濃度的變化在不同地區(qū)呈現(xiàn)不同特征。保定SO2、O3月均濃度同比上升超過40%，滄州地區(qū)NO2月均濃度較上年同期增長率超過了100%，承德SO2、NO2月均濃度較上年同期增長20%以上。這說明河北省空氣污染物二次反應潛力巨大，有發(fā)生化學反應的充足原料，在適合的氣象條件下，有造成污染物濃度爆發(fā)性增長的能力，目前污染物濃度降低的狀態(tài)還需要進一步鞏固。

6 結論

本文利用環(huán)境監(jiān)測資料和氣象資料，對2014年8月河北省空氣質量情況和相關氣象要素進行了分析，得到以下結論。

（1） 2014年8月河北全省各市平均AQI普遍在200以下，重度污染共出現(xiàn)6d，北部地區(qū)空氣質量好于南部地區(qū)，首要污染物以顆粒物為主，不同地區(qū)的首要污染物有著不同的特征；

（2） 時處夏季，8月河北省平均氣溫為24.7℃，南北溫度差別不大，相對濕度較大的地區(qū)PM10為首要污染物的頻率偏高，平均風速較小，對局地污染物濃度增加有一定貢獻，全月有4次顯著降水過程，其他時段未出現(xiàn)可有效濕沉降污染物的顯著降水；

（3） 在無顯著降水期間，混合層高度的高/低對應著AQI值的低/高，當出現(xiàn)顯著降水時，會出現(xiàn)混合層高度和AQI同時較低的情況；

（4） 2014年8月與2013年同期相比，全省平均溫度偏低，降水量偏少，降水日數(shù)基本持平，風速偏小，相對濕度偏小，總體來講氣象條件對污染物擴散的作用略低，而空氣污染物濃度有所下降，說明空氣污染物的排放量有了一定的降低，但污染物的二次反應潛力大。

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