河北省2013年1月與2014年1月大氣污染對比分析

趙 娜，劉曉慧，郭 蕊，郭衛紅，李二杰，李 洋

(1. 河北省環境氣象中心，河北 石家莊 050021; 2. 河北省氣象服務中心，河北 石家莊 050021)

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河北省2013年1月與2014年1月大氣污染對比分析

趙 娜1，劉曉慧1，郭 蕊2，郭衛紅1，李二杰1，李 洋1

(1. 河北省環境氣象中心，河北 石家莊 050021; 2. 河北省氣象服務中心，河北 石家莊 050021)

摘要：應用河北省環保局環境監測站提供的2014年1月和2013年1月逐小時及逐日平均AQI值、首要污染物、加密自動站及常規氣象資料，并結合NCEP/NCAR再分析資料，對2014年1月、2013年1月的大氣環流背景、AQI、污染濃度、氣象要素進行了對比分析。結果表明：2013年1月與2014年1月的大氣環流存在明顯的差異，這是造成2014年1月全省空氣質量明顯優于2013年同期的主要原因。2014年1月逆溫厚度和逆溫差值明顯低于2013年1月，逆溫差值和逆溫厚度越大，大氣層結越穩定，穩定的大氣層結為維持重污染天氣提供了有利條件，2014年石家莊日均混合高度明顯高于2013年。同時2014年政府加強了排放源的防控和降污治理，有效降低了大氣污染物排放，使得2014年1月大氣污染物成分較2013年1月少了O3和NO22項污染物；2014年嚴重污染日數和重污染范圍較2013年同期明顯減少。

關鍵詞：大氣污染；AQI值；氣象條件；逆溫；對比分析

1引言

2013年1月華北平原嚴重污染日久久揮之不去，長達29 d(2013年1月4日～2月1日)的重度污染(AQI值≥200)天氣使得PM2.5數值突破警戒線，受影響最嚴重的京津冀地區，霧霾籠罩，大氣污染嚴重[1]。這次污染影響范圍之廣、持續時間之長、濃度水平之高史上罕見。在2013年環境保護部公布的多份“十大污染城市”的月度榜單中，河北唐山、邯鄲、石家莊、邢臺、保定5個城市始終榜上有名，石家莊因大氣污染問題幾度“名揚全國”。針對持續重度污染天氣的頻發，將2014年1月和2013年1月兩個月的大氣環流背景、AQI值、污染濃度、氣象要素進行綜合對比分析，試圖找出連續性重度污染天氣的原因及變化規律，為這類污染天氣預報提供一些參考依據。

隨著經濟發展和城市化進程加速，河北地區大氣環境污染越來越嚴重，大氣氣溶膠粒子大量增加，空氣污染不斷加重，PM2.5嚴重超標。大氣環境污染，尤其是城市霾天氣日益增多，已成為群眾反響強烈的突出環境問題。對于這一問題諸多研究給出了污染物的時空分布特征，理化特性及其與地面氣象要素的相關關系[2-9]。另外在大氣穩定度和降水方面的研究表明[10-13]，大氣穩定度和逆溫天氣是影響空氣污染氣象因素之一，不穩定天氣則有利于大氣污染物垂直擴散，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得更差。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[14,15]，在污染源一定的條件下，穩定的大氣層結和區域內特殊地形的影響也是導致區域污染形成的重要原因[16,17]。因此，科學準確、定量地描述城市大氣環境質量情況, 進而為實施有效科學的城市環境管理以及城市未來發展規劃提供正確的科學依據, 成為當前大氣環境質量評價與相關研究的關鍵問題[18]。

2資料來源

資料利用河北省環保局環境監測站提供的2014年1月和2013年1月逐小時AQI、逐日平均AQI、PM10與PM2.5濃度及首要污染物資料。其中2014年1月資料缺4日、5日、13日、21日、27日、31日，有效日25 d。相應日期的加密自動站和常規氣象資料、并結合NCEP/NCAR分析資料，從天氣背景及氣象條件和空氣質量對比分析2014年1月和2013年1月兩個月的異同。研究通過對形勢場和氣象要素及空氣質量各種資料的綜合應用分析，總結一些容易忽視的特征，加強對此類重污染天氣的認識，旨在提高此類災害性天氣的預報水平。

3環境空氣質量對比分析

3.1空氣質量對比分析

1月，正值華北平原的冬季，由于特殊氣象條件及大量采暖需求，使得該季節是全年大氣質量最差的季節。環境空氣質量主要由空氣污染物的濃度進行表征，目前，我國主要通過SO2、PM2.5和PM10的質量濃度來衡量城市環境空氣質量。根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ663-2012)[19]，對2014年1月和2013年1月河北省11地市空氣質量實況監測數據進行了對比(表1)。

調查中以每天AQI小時值達到500，即作為一個爆表日，以AQI日均值>200作為重污染指標統計從中可看到：2014年1月全省空氣質量明顯優于2013年同期。張家口、承德、秦皇島重度污染日數較2013年1月減少1～4 d，其他地市重度污染日數較2013年1月減少7～12 d，廊坊、唐山、滄州、張家口達標日數提高了4～6 d，其他地市提高不明顯。2014年1月河北省爆表日數超過10 d的只有邢臺和石家莊兩個地市，而2013年1月爆表日數超過10 d為石家莊、邢臺、保定、衡水、邯鄲5個地區。且2014年1月爆表頻率和持續重污染范圍明顯減小，石家莊爆表日減少最多為11 d，嚴重污染日數和范圍較上年同期明顯減少。2013年1月為全年出現重度污染最多的月份，除張家口、承德、秦皇島外，其他地市重度污染日數均在20 d以上，其中石家莊、邢臺、邯鄲最多為28 d(不含2月1日)，首要污染物為PM2.5或PM10；2014年1月除張家口、承德、秦皇島外，其他地市重度污染日數較上年同期減少10 d以上，但達標日數沒有明顯改觀。

表1　2013年1月與2014年1月空氣質量對比

根據河北省重污染應急預案分區標準(全省分區為：一區：保定、衡水、石家莊、邢臺、邯鄲；二區：唐山、廊坊、滄州；三區：張家口、承德、秦皇島)，當有3個地市連續3日出現AQI日均值大于200，則與河北省環境保護廳共同發布大氣污染預警信號。由于河北平原重度污染與太行山、燕山地形密切相關，太行山東麓容易形成氣流停滯區。因氣流下沉增溫，容易在近地層形成逆溫，使山前平原地區空氣流動性差，污染物和水汽容易聚集而導致相對濕度增加，氣溶膠快速吸濕增長，導致霧霾發生，造成能見度下降。特殊的氣象地域特征是導致河北中南部地區(一區)大氣環境污染的重要原因之一。因此，研究中AQI值分析主要以一區為主。圖1給出了一區2014年1月與2013年1月AQI日均分布圖，圖中紅色點線為AQI日均值200，為重度污染。從圖中可以得到，2014年1月(圖1a)共出現3次連續3 d以上AQI日均值大于200的過程：6～12日，14～19日，21～26日，共19 d，持續日期最長達7d；出現嚴重污染日期為：7日，10～11日，14～19日，22～23日，共出現11 d，持續嚴重污染最長達6 d。2013年1月(圖1b)共出現1次連續3 d以上AQI日均值大于200的過程：4～31日，持續日期長達28 d(不包含2月1日)；出現嚴重污染日期為：5～19日，22～24日，27～31日共出現22 d，持續嚴重污染最長達15 d。

以上統計得到：2013年1月比2014年1月嚴重污染日多達1倍，重度污染天氣也明顯多于2014年1月，持續嚴重污染日也遠超2014年1月。

圖1　河北省一區2014年1月(a)、2013年1月(b)AQI時間序列

3.2首要污染物對比分析

從圖2中2014年1月保定、邯鄲、衡水、廊坊、滄州、唐山、秦皇島大部地區首要污染物以PM2.5為主，石家莊、邢臺、張家口、承德地區首要污染物則以PM10為主。特別值得注意的是張家口首要污染物SO2出現的次數遠大于PM2.5。從全區首要污染物(圖2c)分析可得到，PM2.5全區占比達60 %，PM10為36 %，SO2為4 %。而一區PM2.5占比高達68 %，PM10為23 %，SO2為9 %。總體而言，污染物主要以PM2.5和PM10為主，大氣中的SO2污染也不容忽視。

2013年1月大氣污染物較2014年1月復雜得多(圖2b)，除PM2.5和PM10、SO2外，還出現了NO2和O3兩個污染物。首要污染物除石家莊PM10多于PM2.5，張家口SO2多于PM2.5和PM10外，全區首要污染物均為PM2.5多于PM10，占比分別為66 %和23 %(圖2d)，SO2占8 %，NO2占2 %、O3占1 %。一區PM2.5占比58 %，PM10占40 %，SO2占1 %，NO2占1 %。

分析得到:2013年1月由于受工業排放和大氣環流的共同作用，多個地區不但出現SO2，而且還出現了O3和NO2。2014年SO2污染物主要集中分布在三區和二區的張家口、唐山兩個地區，這可能與本區的產業結構有關(張家口冬季以燃煤排放煙塵為主，唐山以重工業污染為主)，2014年，由于河北省委、省政府作出著力改善“兩個環境”的重大戰略決策，明確了“生產轉型、天藍水凈、地綠山青”的總目標，對主要排放源的防控和降污加強了治理，有效降低了大氣污染物排放。

圖2　河北省2014年1月(a)、2013年1月(b)首要污染物分布及一區、全區各污染物的占比分布(c為2014年；d為2013年)

4氣象條件對比分析

4.12014年1月和2013年1月環流場的對比分析

大氣環流背景直接影響到大尺度的流場和氣壓場，進而對污染物的堆積、擴散產生重要的影響[20]。2014年1月(圖3a)500 hPa高度北半球極渦呈偶極型[21]，歐亞大陸極渦較為偏南偏強，且分別有兩個明顯大槽，大槽分別位于亞洲東岸(東亞大槽)和歐洲東部，其中歐洲東部大槽軸向為ENE-WSW向，有利冷空氣不斷南下影響中國，因此2014年1月大氣環流形勢為多槽脊交替型，冷空氣活動較為頻繁，但冷空氣勢力較弱，且冷空氣移動速度快而偏北，而導致槽前西南暖濕氣流偏弱，造成1月降水量異常偏少，地面濕度條件較差，不利于大霧天氣的出現，有利于間斷性霾天氣形成，因而持續較長時間重度污染天氣共出現3次。2013年1月(圖3b)500 hPa高度北半球極渦呈偶極型[22]，歐亞大陸極渦中心為兩個，分別位于80°E和160°E附近，且極渦較2014年1月的極渦偏西偏北。另外，位于80°E附近的槽線與2014年1月明顯不同，槽線呈南北向，且槽區不深，中國大陸為一平直的寬槽區控制，形勢較為穩定，冷空氣多以小槽或弱槽形勢影響華北而導致大霧和霾天氣的持續發展和形成，致使重污染天氣維持長達29 d(其中包含2月1日)，統計得到2013年1月霧的高發區位于平原東部，邯鄲東部的邱縣霧日數達19 d。

2014年1月500 hPa高度距平圖上，西西伯利亞、中西伯利亞以及遠東地區為明顯的負距平[21]，負距平中心呈NE-SW向，中心位于貝加爾湖北部，中心強度達-10 dagpm，負高度距平正好與地面冷高壓相對應，說明蒙古高壓強度大。而在2013年1月500 hPa高度距平圖上，與平均高度場低槽相對應的500 hPa距平圖上是中心數值為-5 dagpm的負距平，表明低渦及槽頻繁在西西伯利亞活動，歐亞地區環流經向度不大。由于來自西西伯利亞的冷空氣路徑偏北，冷空氣頻繁影響華北地區，遠比2014年1月明顯偏弱，且位置偏西。同樣在地面平均氣壓場上(圖4b)，高壓中心強度雖然與2014年1月(圖4a)一致，但其中心位置比2014年略為偏東一些，2014年1月高壓軸向呈東西走向，而2013年高壓軸向則為東北-西南走向，特別是氣壓距平值存在很大的差異：①2014年1月氣壓負距平呈南北走向的塊狀分布，這種形勢有利于冷空氣一次次向南爆發，不利于霧、霾和長時間持續的重污染天氣發生。2013年1月氣壓負距平則呈東西走向的帶狀分布，這種形勢不利于冷空氣的爆發，有利于中國國土靜穩天氣的形成，在這種穩定的天氣形勢下，空氣中的污染物在水平和垂直方向上都不容易向外擴散，使得污染物在大氣的淺層積聚，從而導致污染的狀況越來越嚴重。這也是導致華北平原出現大范圍、長時間維持重污染天氣的重要原因。②2014年1月氣壓負距平中心強度達-30 hPa，說明地面高壓的異常強盛，中心位于貝加爾湖到蒙古國東部，而2013年1月氣壓負距平中心強度為-20 hPa，且中心位置位于西亞，從地面氣壓負距平強度中心比較，2014年1月遠比2013年1月強得多。

大氣環流形勢分析表明：兩年1月的大氣環流存在明顯的不同，2014年1月大氣環流形勢為多槽脊交替型，不利超長時間重污染天氣的形成。2013年1月中國大陸為一平直的寬槽區控制，大氣環流穩定，而導致重污染天氣維持，有利超長時間重污染天氣的形成。另外，2014年1月華北地面氣壓負距平的異常強盛，與2013年1月華北地面氣壓負距平的偏弱形成一鮮明對比。

圖3　2014年1月(a)、2013年1月(b)500hPa平均高度與距平

注：彩色陰影區為距平場，等值線為氣壓場

4.2地面氣象條件對比分析

在不同氣象條件下, 同一污染源排放所造成的地面污染物濃度可相差幾十倍乃至幾百倍，這是由于大氣對污染物的稀釋擴散能力隨著氣象條件的不同而發生巨大變化[23]。很顯然，污染源相對穩定的條件下，氣象條件決定了空氣質量的好壞。表2給出了2014年1月、2013年1月各地市氣象要素統計，從中得到2013年1月比2014年1月不但累計降水量大，而且降水日數也偏多，同時平均氣溫較歷史平均偏低，相對濕度明顯偏大，平均風速偏小。異常的氣象條件導致2013年1月重污染范圍和天數明顯增加。

2014年1月降水日數少，除張家口、承德、唐山、秦皇島出現了一次小面積的降雪天氣外，中南部地區基本沒有出現降水；全省平均降水量0.1 mm，平均降水量近90 %的縣(市)偏少9成以上，屬異常偏少。2013年1月降水量則明顯多于2014年1月(圖5)。全省平均降水量偏多近7成，中南部大部地區、張家口西南部、承德東南部偏多5成，張家口、承德、石家莊局部地區降水量較常年偏多近2倍以上。從降雪日數分析，2013年1月中南部地區降雪日數偏多，邢臺市出現微量以上降雪日數多達9 d，除1次達到中雪以上，其它每次降水量均較小。較強降水有利于污染物濃度降低，而弱降水不足以凈化空氣，反而增加了地面濕度，不利于污染物擴散。

2014年1月全省平均氣溫-1.8 ℃，比常年偏高2.8 ℃，是1951年以來同期第2個高溫年份。全省各地市平均氣溫偏高3.0 ℃以上的站點主要分布在張家口大部、承德東南部、邯鄲、石家莊、邢臺西部地區，其中，張家口的北部和西南部7個站偏高4 ℃以上，石家莊偏高達4.7 ℃。溫度上升導致相對濕度變小，湍流加強，降低了大霧發生幾率，有效抑制氣態污染物光化反應，降低2次氣溶膠污染物的貢獻，重污染天數明顯減少。2013年全省平均氣溫較常年偏低1.5 ℃。最低為保定，偏低3.3 ℃。與2014相比較發現(圖6)，除邯鄲和邢臺、衡水2地區的南部地區與2014年平均氣溫持平外，其它各地市平均氣溫均偏低2.8～4.7 ℃，石家莊平均氣溫較2014年偏低達4.7 ℃。降溫可促使地面水汽凝結導致能見度急劇下降，有利于污染增強。

2014年1月與2013年1月地面月平均風速比較(表2)，風速變化不明顯，除張家口月平均風速大于2 m/s外，其它地區月平均風速均在2 m/s以下。較小的

風速不利于水汽和污染物的擴散，而使污染物在原地聚積，形成近地面重污染。這也是2013年1月份持續霧、霾天氣多發主要原因。

較高的相對濕度，偏低的氣溫，較小的風速為嚴重污染事件提供了有利的氣象條件，同時污染物又為霧霾天氣的形成提供了水汽凝結核，減少了太陽輻射，從而導致地面氣溫降低，加重了霧霾天氣[24]。

表2　2013年1月、2014年1月各地市氣象要素統計

4.3穩定條件的對比分析

研究表明，混合層高度可表征污染物在垂直方向被熱力對流與動力湍流輸送所能達到的高度，是影響污染物擴散的重要參數。在污染物排放量不變的條件下，混合層高度越低，大氣擴散能力越差，越有利于污染物的積累，促進霧和灰霾的形成和發展[25]。

為了解混合層高度對空氣污染的影響，根據氣象觀測數據適用情況選取了國標法，分別計算了2014年1月和2013年1月全省各地市混合層高度，考慮到河北污染最重地區是石家莊，因此以石家莊為例，分析了石家莊日均混合高度層與日均AQI值，并進行了2014年1月和2013年1月比較。結果表明，日均混合層高度與AQI之間有反相關關系(圖7)，AQI值越大，混合高度層就越低，當混合層高度維持在200～300 m高度時，常常導致AQI值出現爆表和持續的重污染天氣。從圖8中也可清晰地看到，2014年石家莊日均混合高度明顯高于2013年，因而2014年1月石家莊重的污染比去年同期好得多。

圖5　2014年1月(a)和2013年1月(b)累計降水量分布(單位：mm)

圖6　2014年1月(a)和2013年1月(b)平均溫度分布(單位：℃)

注：圖中細實線為月平均值

注：圖中細實線為月平均值

混合層高度越低，越容易造成污染物在近地面層積聚，同時也不利于污染物的擴散，而導致空氣質量變差，形成嚴重污染天氣。

5小結

通過2014年1月和2013年1月的大氣污染對比分析，得到以下結果。

(1)2014年1月大氣環流形勢為多槽脊交替型，不利超長時間重污染天氣的形成。2013年1月中國大陸為平直的寬槽區控制，大氣環流穩定，而導致重污染天氣持續，有利超長時間重污染天氣的形成。

(2)2014年1月華北地面氣壓負距平的異常強盛，與2013年1月華北地面氣壓負距平的偏弱形成鮮明對比。

(3)2013年1月比2014年1月嚴重污染日多達1倍，重度污染天氣也明顯多于2014年1月，持續嚴重污染日也遠超于2014年1月。且2013年1月大氣污染物成分較2014年1月復雜得多。

(4)穩定度計算表明：2014年1月逆溫厚度和逆溫差值均明顯低于2013年1月。日均混合層高度與AQI之間有反相關關系，AQI值越大，混合高度層就越低，2014年石家莊日均混合高度明顯高于2013年。

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Comparative Analysis of Air Pollution Between January in 2013 and 2014 of Hebei Province

Zhao Na1, Liu Xiaohui1,Guo Rui2, Guo Weihong1,Li Erjie1,Li Yang1

(1.HebeiProvincialEnvironmentalMeteorologicalCenter,Shijiazhuang050021,China;2.HebeiProvincialMeteorologicalServiceCenter,Shijiazhuang050021，China)

Abstract:Based on the hourly AQI, primary pollutants, conventional meteorological data and NCEP/NCARreanalysis data,the air circulation background,AQI,pollution concentration and meteorological factors in January of 2013 and 2014 were compared.The results show that therewas obvious differenceinatmospheric circulation between January in 2013 and 2014,which wasthe reasonwhythe airquality of whole provinceinJanuary in 2014was higher than thatofthe same time in 2013.The thickness and difference of thetemperature inversion in 2014 were lower than thosein 2013.The higher thickness and differencewas,the more stable atmosphericwas.The beneficial condition causing the event were the strong stability of atmospheric stratification.The average daily mixing height in 2014 was higher than 2013.The emission source wascontrolled by government in 2014, NO2 and O3 were less than 2013,serious pollution in 2014 was less than the same period in 2013.

Key words:air pollution; AQI; meteorological condition; temperatureinversion; comparison

收稿日期：2016-02-29

基金項目:國家自然科學基金項目(編號：41075004)；河北省科技廳項目(編號：12277114D)

作者簡介：趙娜(1983—) ,女，工程師，主要從事氣象環境研究工作。

中圖分類號：X511

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)10-0001-07