2014年8月河北省空氣質量與氣象條件分析

郭蕊等

摘要：利用空氣質量監測和氣象資料，分析得到2014年8月河北全省各市平均AQI（空氣質量指數）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

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

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現，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]。不穩定天氣則有利于大氣污染物的垂直擴散，而大氣層結穩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或熱帶低壓的北上，從而阻滯了華北地區天氣系統的南下東移有關[10]。蒲維維等人研究了北京地區夏末秋初氣象要素對PM2.5污染的影響，結果表明，城區站月平均PM2.5質量濃度明顯高于郊區站，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域特征的精細化研究仍較少。因此，本文針對河北地區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測資料來自河北省環境監測站，污染物數據為11個地市市區觀測站的平均值，內容包括污染物濃度、首要污染物、空氣質量指數和空氣質量級別等。氣象資料采用逐日自動站、常規氣象資料等。

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）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重度污染。全省重度污染共出現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。位于北部地區的張家口、唐山、秦皇島為本月平均空氣質量相對最好的區域，AQI指數在80以下，唐山、滄州兩個沿海地區稍差，AQI指數也在100以下，其余6地區的AQI指數則接近或超過100，但仍在130以下，為空氣質量相對較差區域。空氣質量分布特征為為山區和沿海地區最好，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，多數地區超過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、唐山地區以PM10為首要污染物的頻率明顯高于其它內陸地區，可能與沿海地區海鹽飛沫有關。承德、保定、廊坊地區首要污染物為O3的頻率較高，而張家口、秦皇島地區首要污染物為SO2、NO2的頻率也值得注意。此外，張家口出現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工業原因造成的空氣污染程度較輕，另一方面表征張家口地區大氣的光化學反應潛力巨大，出現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在24℃以上，長城以北大部分地區在24℃以下，但南北溫度差別不大，除北部壩上地區外大部分地區均在20℃以上。大部分地區最低氣溫（除張家口、承德地區外）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、唐山地區相對濕度高于其它地區，這兩個地區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偏高的現象，由此可知秦皇島、唐山地區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，小風平均出現日數6.1d。其中石家莊、邢臺、秦皇島、唐山地區風速小于1m/s的時間接近一半，石家莊、邢臺地區風速小于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降水量超過100mm。較強的降水過程主要發生在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定度密切相關。中性或不穩定時，由于動力或熱力湍流的作用，邊界層內上下層之間產生強烈的動量或熱量交換，通常把出現這一現象的層稱為混合層。混合層向上發展時，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間存在著相互聯系和反饋作用，因此可以用常規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為帕斯圭爾穩定度級別（大氣穩定度級別為A至F時，P值依次為1至6）。

根據以上方法，計算了2014年8月石家莊、張家口地區的逐日混合層高度（圖1），并與AQI值進行同期比對。發現張家口地區（月平均1415.3m）的混合層高度明顯高于石家莊地區（月平均1002.6m），而AQI值低于石家莊地區，說明張家口地區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，局地氣象條件不利于空氣污染物的擴散，容易發生污染物累積，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體現得更加明顯。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。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）平均出現日數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%。總的來說，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，而地面小風速區的出現則較易產生污染物的積累，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呈現不同特征。保定SO2、O3月均濃度同比上升超過40%，滄州地區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性增長的能力，目前污染物濃度降低的狀態還需要進一步鞏固。

6 結論

本文利用環境監測資料和氣象資料，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6d，北部地區空氣質量好于南部地區，首要污染物以顆粒物為主，不同地區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，當出現顯著降水時，會出現混合層高度和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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