徐 曼，張 璇，張曉彤

（石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，河北石家莊 050022）

石家莊市地處河北省中南部，是中國重要的工業(yè)基地之一，大氣污染比較嚴(yán)重。2014年石家莊市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)同比改善26.6%，6項(xiàng)主要污染物平均濃度全面下降（數(shù)據(jù)來源于2015年石家莊市政府工作報(bào)告）。然而受到地理、氣象條件等因素的影響，石家莊市2014年P(guān)M2.5年均濃度超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)2.5倍，重污染天氣仍時(shí)有發(fā)生。

重污染過程時(shí)，受近地面靜穩(wěn)天氣控制，空氣在水平和垂直方向流動(dòng)性均非常小，大氣擴(kuò)散條件非常差，北方冬季燃煤采暖污染排放高，加劇了這一過程的持續(xù)［1-4］。有研究表明石家莊市除受京津冀內(nèi)3省市影響外，同時(shí)受區(qū)域外影響較大［5］，石家莊市PM2.5源解析表明PM2.5的23%～30%來自區(qū)域污染傳輸。在本地來源中，燃煤、工業(yè)生產(chǎn)、揚(yáng)塵、機(jī)動(dòng)車成主因［6-8］。石家莊市正處在由煤煙型污染向復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變的階段，二次粒子在PM2.5成分中占比加大［9］，重污染時(shí)期由于大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，污染源排放、污染物濃度隨氣象條件的變化趨勢能夠體現(xiàn)得更明顯，更有利于分析石家莊地區(qū)PM2.5污染特點(diǎn)及形成機(jī)理［10-12］。以2015-01-07至2015-01-10石家莊市發(fā)生的持續(xù)性PM2.5重污染過程為研究對象，從污染過程中氣象條件的演變、PM2.5濃度時(shí)間變化及其與其他污染物的關(guān)系等方面對石家莊市冬季典型重污染過程進(jìn)行系統(tǒng)剖析，分析了該次重污染過程的主要影響因素，以深化對PM2.5污染問題的認(rèn)識(shí)。

1 重污染過程基本分析

1.1 空氣質(zhì)量級(jí)別演變

2015-01-07 至2015-01-10（下同），石家莊地區(qū)發(fā)生一次嚴(yán)重污染過程，表1為重污染過程期間全市平均主要污染物濃度及空氣質(zhì)量級(jí)別統(tǒng)計(jì)表。1月6日石家莊市空氣質(zhì)量為2級(jí)良，首要污染物為PM10；7日污染水平大幅度升高，污染級(jí)別直接由2級(jí)躍升為4級(jí)重度污染；8日PM2.5質(zhì)量濃度繼續(xù)上升，空氣質(zhì)量為5級(jí)重度污染；9日達(dá)到此次過程的最高污染水平，PM2.5日均質(zhì)量濃度為217μg／m3；10日污染水平有所下降，但日均質(zhì)量濃度仍高達(dá)197μg／m3，連續(xù)3天空氣質(zhì)量維持5級(jí)重度污染，說明了此次污染過程嚴(yán)重，10日下午至夜間受冷空氣影響，污染擴(kuò)散條件明顯改善；11日空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，此次重污染過程基本結(jié)束。

表1 重污染過程期間全市平均主要污染物濃度及空氣質(zhì)量級(jí)別統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Average concentration of major pollutants and air quality level of Shijiazhuang during heavy air pollution process

重污染過程期間，PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO等污染物AQI變化曲線基本一致，9日之前同步上升，9日達(dá)到最高污染水平，之后同步下降直至過程結(jié)束，重污染過程期間首要污染物均為PM2.5。

1．2 污染過程期間PM2．5小時(shí)濃度演變

圖1給出1月6月—11日石家莊市空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)PM2.5小時(shí)濃度的變化情況。由圖1可見，1月6日，石家莊地區(qū)PM2.5處于低濃度水平；7日凌晨至上午PM2.5濃度有較明顯的上升；8日午后地面轉(zhuǎn)為低壓輻合區(qū)，偏南風(fēng)，擴(kuò)散條件迅速轉(zhuǎn)差，PM2.5濃度出現(xiàn)快速上升；9日凌晨4：00，全市平均PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度增至310μg／m3的峰值。

9日上午PM2.5質(zhì)量濃度維持在200μg／m3以上的高污染濃度，中午前后，高空弱冷槽過境，擴(kuò)散條件稍有好轉(zhuǎn)，PM2.5濃度出現(xiàn)短暫下降，北部站點(diǎn)PM2.5濃度下降先于南部站點(diǎn)。由于冷空氣較弱，高空弱冷槽過境后PM2.5濃度迅速回升，9日污染指數(shù)較8日繼續(xù)上升。

10日地面位于低壓輻合區(qū)，污染再次加重，10日上午，PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度在300μg／m3左右的高濃度水平波動(dòng)，峰值濃度出現(xiàn)在上午10：00。10日中午前隨著冷空氣到來，PM2.5濃度出現(xiàn)較明顯的下降，其中西北部站點(diǎn)PM2.5濃度下降早于東南部站點(diǎn)，16：00左右大部分站點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度降至100 μg／m3以下。

11日8：00以后石家莊市轉(zhuǎn)為強(qiáng)冷高壓控制，地面轉(zhuǎn)明顯偏北風(fēng)，全市平均PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度下降至90μg／m3以下，此次污染過程結(jié)束。

圖1 1月6日—11日石家莊市空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度演變Fig.1 Hourly variation of PM2.5concentration in Shijiazhuang during 6th JAN and 11th JAN

1.3 氣態(tài)污染物濃度變化

圖2反映了主要?dú)鈶B(tài)污染物NO2及SO2與PM2.5濃度相關(guān)性及日夜變化。NO2小時(shí)質(zhì)量濃度能夠在一定程度上反映城市燃煤及機(jī)動(dòng)車尾氣的污染情況，過程期間石家莊市區(qū)NO2濃度與PM2.5濃度相關(guān)系數(shù)為0.817。NO2濃度在晚高峰、夜間及早高峰后上升反映了機(jī)動(dòng)車尾氣污染對城市的影響［13］，而過程期間PM2.5的峰值濃度晚于NO2的峰值濃度，體現(xiàn)了NO2向二次粒子轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)。

SO2濃度主要反映了燃煤的污染情況，過程期間石家莊市區(qū)SO2濃度與PM2.5濃度相關(guān)系數(shù)為0.783，略低于NO2與PM2.5的相關(guān)系數(shù)。且與NO2不同，SO2的峰值濃度總是伴隨著PM2.5的峰值濃度出現(xiàn)，這也體現(xiàn)了燃煤作為石家莊PM2.5主要來源對城市環(huán)境的巨大影響。

圖2 污染過程期間市區(qū)平均NO2，SO2與PM2.5質(zhì)量濃度Fig.2 Average concentration of NO2，SO2and PM2.5during pollution process

過程期間當(dāng)相對濕度低于40%時(shí)，SO2濃度與相對濕度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.526，而當(dāng)濕度高于50%時(shí)，SO2濃度與相對濕度的相關(guān)系數(shù)則變?yōu)?0.377。圖2中當(dāng)SO2質(zhì)量濃度下降時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度并未隨之下降，說明PM2.5并非簡單的受燃煤排放影響。在夜間高濕度條件下，相對濕度升高，SO2向硫酸鹽轉(zhuǎn)化的速率增加，其轉(zhuǎn)化生成的二次粒子對PM2.5的貢獻(xiàn)增大，而SO2自身的濃度水平得到降低。

2 重污染過程的天氣形勢及氣象影響分析

2.1 天氣形勢分析

這次重污染過程期間，石家莊地區(qū)主要處于低壓輻合區(qū)，見圖3，地面主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，中層氣流主要為偏西南方向，氣壓梯度力小，相對風(fēng)速較弱，大氣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導(dǎo)致總體天氣形勢處于靜穩(wěn)狀態(tài)，污染擴(kuò)散條件非常不利。

圖3 2015-01-07上午8：00地面及高層天氣形勢Fig.3 Surface and upper air synoptic situations at 8：00am 7th JAN

2.2 氣象條件影響分析

2.2.1 基本氣象要素影響

1月7日—10日，石家莊市7個(gè)大氣監(jiān)測站測得的平均地面溫度為3.1℃、較近兩年同期氣溫偏高，平均相對濕度為41.1%、地面氣壓1 015.6 hPa、地面風(fēng)速為0.2m／s，本次重污染過程具有氣壓較低，風(fēng)速較弱的特點(diǎn)。

圖4 顯示石家莊此次重污染過程期間各氣象要素及PM2.5的變化情況。

圖4 1月6日—11日石家莊市區(qū)基本氣象要素及PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度演變Fig.4 Hourly variation of basic meteorological element and PM2.5 average concentration during 6th JAN and 11th JAN

由圖4a）可見，本次重污染過程日夜溫差較為明顯，濕度也呈現(xiàn)日夜變化，且與地面溫度呈負(fù)相關(guān)。6日地面平均濕度29.1%，而后受地面低壓影響，濕度迅速上升，7日凌晨—10日上午平均濕度較高。

6日午后—10日午后風(fēng)速明顯較低，隨著10日午后高壓槽入境，10日凌晨風(fēng)速迅速升高，達(dá)到1.0m／s以上。

過程期間地面氣壓總體較低，其中6日午后出現(xiàn)明顯下降，氣壓維持低水平至9日。9日中午前后受弱冷高壓影響，地面氣壓出現(xiàn)暫時(shí)升高，9日午后氣壓再次明顯下降，低氣壓持續(xù)至10日午后。

過程期間各氣象要素與PM2.5濃度相關(guān)性（見圖5）分別為地面溫度與PM2.5濃度相關(guān)性較弱，主要是因?yàn)檫^程期間受低壓槽控制，石家莊市溫度日夜變化總體在4～10℃之間，溫度在較同期高的水平下變化較小，相關(guān)性較低。地面濕度與PM2.5濃度相關(guān)系數(shù)為0.574，顯著正相關(guān)，冬季地面濕度較高時(shí)，氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化為粒子、同時(shí)凝結(jié)成霧阻礙了空氣的擴(kuò)撒，造成PM2.5濃度較高。

過程期間石家莊市受閉合低壓系統(tǒng)控制，擴(kuò)散條件差，PM2.5濃度較高，當(dāng)冷高壓控制石家莊市時(shí)，擴(kuò)散條件好轉(zhuǎn)，PM2.5濃度迅速下降，地面氣壓與PM2.5濃度相關(guān)系數(shù)為-0.401。

7日—10日石家莊市地面主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，風(fēng)速較小，近地面層925hPa以下風(fēng)場較弱。垂直方向中高層大氣系統(tǒng)較強(qiáng)，卻很難擾動(dòng)近地層，穩(wěn)定的低層系統(tǒng)不利于石家莊市區(qū)內(nèi)污染物的擴(kuò)散和清除。9日石家莊市受到弱冷空氣影響，中高層風(fēng)場明顯加強(qiáng)，然而近地層受到影響較小，導(dǎo)致9日污染物濃度短暫下降后重新上升。10日風(fēng)場繼續(xù)減弱，PM2.5濃度迅速回升至本次過程最高值且在一段時(shí)間內(nèi)保持較高濃度。見圖6。

圖5 1月6日—11日過程期間石家莊市區(qū)基本氣象要素及PM2.5濃度相關(guān)性Fig.5 Correlation of basic meteorological element and PM2.5concentration in Shijiazhuang during 6th JAN and 11th JAN

圖6 1月6日—11日過程期間石家莊市區(qū)垂直風(fēng)場Fig.6 Vertical wind field in Shijiazhuang during 6th JAN and 11th JAN

2.2.2 中高層污染分析

垂直風(fēng)場對城市PM2.5的擴(kuò)散和消除同樣有較大的影響，近地層PM2.5在不同氣象條件下有不同的垂直分布［13-15］。石家莊市背景站點(diǎn)封龍山監(jiān)測站位于海拔800m，是垂直方向空氣質(zhì)量監(jiān)測的重要站點(diǎn)。圖7給出封龍山站點(diǎn)與市區(qū)PM2.5濃度時(shí)間演變對比。

圖7 1月6日—11日過程期間背景站點(diǎn)封龍山與石家莊市區(qū)的PM2.5質(zhì)量濃度Fig.7 Comparison of PM2.5concentration between background Fenglong Mountain and Shijiazhuang City

1月6日，石家莊市區(qū)受冷空氣影響有3級(jí)左右偏北風(fēng)，受垂直風(fēng)場影響，污染物被帶至中高層，導(dǎo)致7日封龍山站點(diǎn)PM2.5濃度顯著上升，之后石家莊市進(jìn)入低壓系統(tǒng)，近地層大氣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，封龍山污染物受人為影響因素較少，污染水平降低。1月9日弱冷空氣過境，低壓系統(tǒng)被暫時(shí)破壞，市區(qū)內(nèi)PM2.5被帶至更高層的大氣，隨后位于海拔800m的封龍山站點(diǎn)PM2.5濃度迅速上升，隨著冷空氣離開，石家莊市區(qū)再次進(jìn)入靜穩(wěn)狀態(tài)，直到10日下午冷高壓到來，風(fēng)速增強(qiáng)將市區(qū)內(nèi)污染物帶至較高海拔的封龍山站點(diǎn)，11日封龍山站點(diǎn)PM2.5濃度再次升高。

3 區(qū)域性污染分析

區(qū)域性污染是影響整個(gè)京津冀污染水平的重要因素，京津冀區(qū)域聚集了大量的水泥、鋼鐵、煉油石化等高污染產(chǎn)業(yè)和遍布各地區(qū)無組織零散高危害產(chǎn)業(yè)，這些工業(yè)的廢氣排放量非常大，而本地的地形和氣候系統(tǒng)又很不利于污染擴(kuò)散。

石家莊這次重污染過程是區(qū)域性污染背景下形成的，過程期間，廊坊，保定，衡水，邢臺(tái)，邯鄲都出現(xiàn)重度污染的狀況，個(gè)別小時(shí)PM2.5的濃度達(dá)到爆表，污染狀況很嚴(yán)重，過程期間，整個(gè)區(qū)域風(fēng)速較小，大部分地方為偏南風(fēng)（見圖8），無冷空氣南下，污染較重。

圖8 2015-01-07至2015-01-10重污染過程地面風(fēng)場演變Fig.8 Surface wind field during 7th JAN and 10th JAN

采集全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)中石家莊周邊城市PM2.5濃度小時(shí)均值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（見圖9），本次重污染過程石家莊北部城市保定PM2.5濃度小時(shí)值在9日上午達(dá)到最高值，弱冷空氣過境后PM2.5濃度迅速下降；東部城市衡水與石家莊類似，PM2.5濃度在9日上午及10日上午達(dá)到最高值；南部城市邢臺(tái)受偏南風(fēng)影響，過程期間PM2.5濃度較高，但與石家莊市PM2.5小時(shí)濃度變化趨勢略有差異。01-07—01-10河北地區(qū)進(jìn)入靜穩(wěn)態(tài)天氣，各城市PM2.5濃度普遍偏高，無法有效的擴(kuò)散和清除，體現(xiàn)了PM2.5區(qū)域性傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。

4 結(jié) 論

1）此次石家莊市重污染過程具有低氣壓、低風(fēng)速、濕度相對較高的特點(diǎn)，PM2.5濃度與氣壓和風(fēng)速負(fù)相關(guān)，與濕度正相關(guān)。提示石家莊市出現(xiàn)低壓高濕的氣象條件時(shí)，應(yīng)及時(shí)抑塵、控車、減排措施，從控制污染物來源方面降低污染水平。

圖9 2015-01-06至2015-01-11石家莊市周邊城市PM2.5小時(shí)濃度變化Fig.9 Hourly variation of PM2.5in Shijiazhuang and surrounding cities during 6th JAN and 11th JAN

2）此次石家莊市重污染過程是在區(qū)域性污染背景下形成的，7日下午石家莊市進(jìn)入靜穩(wěn)態(tài)天氣，地面轉(zhuǎn)為低壓輻合區(qū)，8日下午PM2.5濃度的迅速增長反映了在靜穩(wěn)態(tài)天氣條件下污染物累積增長及偏南風(fēng)帶來的區(qū)域性污染傳輸。10日午后強(qiáng)冷空氣入境，污染物才得以擴(kuò)散，體現(xiàn)了地面氣壓場及風(fēng)場對PM2.5濃度的重大影響。過程期間河北地區(qū)整體處于閉合低壓系統(tǒng)控制，南部城市區(qū)間呈現(xiàn)區(qū)域性傳輸，提示區(qū)域大氣污染防治協(xié)調(diào)的重要性。海拔800m的封龍山監(jiān)測站PM2.5濃度變化說明，冷高壓同時(shí)造成污染物在垂直方向擴(kuò)散，對中高層大氣造成的影響。

3）過程期間氣態(tài)污染物NO2，SO2與PM2.5相關(guān)性對比分析可知，石家莊市NO2濃度與PM2.5濃度相關(guān)性高于SO2與PM2.5相關(guān)性，體現(xiàn)了石家莊市處在由煤煙型污染向復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變的階段。PM2.5的峰值濃度滯后于NO2，反映了機(jī)動(dòng)車尾氣二次轉(zhuǎn)化對PM2.5污染的影響。燃煤除造成PM2.5污染外，其排放的SO2在較高濕度條件下可轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，加劇PM2.5的污染水平，提示城市燃煤脫硫的重要性。

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