石家莊市一次雨雪過程大氣污染特征分析

王 瑋,強 杰,王 爍，任振科

(石家莊市環境監測中心，河北石家莊 050022)

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石家莊市一次雨雪過程大氣污染特征分析

王 瑋,強 杰,王 爍，任振科

(石家莊市環境監測中心，河北石家莊 050022)

為了研究氣象條件與大氣污染之間的關系，結合氣象資料和環境監測數據分析了2015-11-21至2015-11-25石家莊市一次雨雪過程對各類污染源及污染物濃度的影響，并利用Pearson相關系數法分析不同污染物之間及污染物濃度與氣象要素之間的相關關系。結果表明:此次雨雪過程對面源影響最大，揚塵接近零排放;對移動源的影響主要表現為機動車早晚高峰時段及車輛怠速時間的延長；對工業點源影響較小。顆粒態污染物與SO2，NO2和O3(8 h)的濃度呈顯著正相關，說明污染物來源呈現一定的同源性。雨雪期間主要污染物濃度與溫度呈顯著相關性，風速的擴散和稀釋作用僅對PM2.5有較明顯的影響。

大氣污染防治工程；污染特征；雨雪天氣；氣象條件；石家莊市

近年來隨著城市工業化進程的加快以及社會經濟的飛速發展，城市大氣污染問題日益嚴重。大量研究表明，造成城市空氣污染的原因一方面在于大量污染物的排放，另一方面則與氣象條件密切相關[1]。曲曉黎等[2]研究發現石家莊市的空氣污染指數與降水量、露點溫度、能見度和氣溫呈負相關。孫峰等[3]、徐曼等[4]分別針對北京、石家莊出現的重污染過程，從氣象條件、天氣形勢和區域輸送等方面進行了污染原因分析。任毅斌等[5]、康蘇花等[6]分別對石家莊市采暖期及冬季環境空氣中的顆粒物進行了來源解析及組分特征分析。但目前中國對區域極端雨雪過程中污染物之間及污染物與氣象要素之間的影響關系等研究的相關文獻相對較少。

石家莊市人口過度密集，主城區面積狹小，一環以內面積為30.56 km2，人口密度為3.27萬人/ km2，二環至一環區域的人口密度也高達2萬人/ km2，是全國人口密度較大的省會城市之一。同時，石家莊市地處太行山東麓，地勢西高東低，落差幾百米，呈“避風港”式地形[7]，污染物不易擴散，是全國“焚風效應”較嚴重、“熱島效應”較明顯的城市之一。2015-11-21至2015-11-25，石家莊市出現了一次極端雨雪天氣過程，受雨雪過程對污染源及擴散條件的影響，期間石家莊市空氣質量達到二級。本文以此次雨雪天氣過程為研究對象，結合氣象圖分析雨雪過程中氣象因子的變化，探討雨雪過程對污染源的影響，分析石家莊市雨雪過程中污染物濃度的時間分布特征及污染物之間和污染物與氣象要素之間的相關性。

1 資料與方法

地面大氣污染物濃度的資料來源于2015-11-21至2015-11-25石家莊市建成區7個大氣國控監測點空氣質量自動監測站的實況資料。石家莊市環境保護部門在監測儀器的使用、維護和質量控制與質量保證等方面已積累了多年經驗，為保證實驗數據的準確性，在整個監測過程中嚴格按照《環境空氣質量監測技術規范》進行質量控制程序。本文中所使用的氣象資料包括石家莊市國家基本氣象站提供的氣象五參數數據、韓國氣象廳(KMA)提供的氣候預測資料。主要采用Pearson積差相關系數法研究污染物之間和污染物與氣象要素之間的相關性[8]。

2 結果分析

2.1 天氣過程分析

從圖1可以看出，從500 hPa的高度場分析，在貝加爾湖一帶有明顯的橫槽，槽后來自西西伯利亞的冷空氣堆積，在橫槽槽前的平直西風鋒區中不斷有小波動東移，橫槽前部為明顯的階梯槽的形勢且等高線明顯疏散。槽前的正渦度平流加大，負變高加大，與此同時相應的變高梯度加大，同時由于冷空氣不斷進入橫槽堆積，此橫槽的斜壓性也不斷加大，并向南加深并且逐漸轉豎(橫槽明顯發展)。同時由于500 hPa高度場多波動，南支和北支波動活躍，因此華北和南方的部分地區多降水。由于強冷空氣“紫杉”的分支部隊南下影響北方地區，從850 hPa高度場看，北方地區鋒區明顯，同時副熱帶高壓邊緣的南風輸送強，水氣不斷供應，從地面看，從西北地區東部到華北一帶有倒槽發展，因此華北地區有明顯的降水天氣，由于氣溫低，降水以雪的形式出現，以濕雪為主。

受南壓冷空氣影響，21日—22日有小雨或雨夾雪，偏北風1—2級，雨雪有利于污染物的稀釋擴散，空氣質量以良為主。23日—24日受較強冷空氣影響，雨雪天氣持續，局地大雪，有3級左右偏北風，氣溫明顯下降，空氣質量優良；25日—26日大氣環流調整，高空逐漸轉為受西北氣流控制，天氣多云轉晴，偏北風3級左右，持續的陰霧雨(雪)天氣結束；26日下午隨著冷空氣的東移南壓，石家莊市轉入高壓后部，氣壓場減弱，天氣形勢靜穩，風速基本在1 m/s以下，空氣處于停滯區，且濕度在80%左右，風速小、濕度大，污染物濃度高，出現持續重污染天氣，污染物濃度波動累積上升。

圖1 2015-11-21 12：00高層及近地面天氣形勢Fig.1 Surface and upper air synoptic situations at 12:00 AM on November 21, 2015

2.2 雨雪對污染源的影響

此次石家莊雨雪過程對面源、點源、移動源等污染源均有不同程度的影響(如表1所示)。首先，對于面源，由于此時已入冬，受降雪條件的影響，室外施工難以進行，且雪層覆蓋較厚，可認為24日市區建筑施工及路面的揚塵基本為零排放；其次，點源方面，由于工業源為固定靜態源，大雪天氣并未造成停水停電等對工業生產影響較大的事件，因此認為工業污染的日排放規律和排放量基本保持不變，但城中村取暖所需燃煤量應有所增加，故造成污染物的排放量有所增大；最后，移動源方面，考慮到受雨雪天氣影響造成路面濕滑，部分車主選擇主動放棄駕車或根據雨雪情況延遲出門時間，車流總量應有所下降，但車輛受此時路況的影響，怠速狀態時間會有所延長，導致污染物排放量的增加。考慮到正負效應會有一定疊加，因而判斷移動源總排放量變化相對較小，但早晚高峰時段會延長[9]。

表1 雨雪天氣對不同污染源的環境影響

2.3 大氣污染特征

2.3.1 雨雪過程前后污染物濃度變化

參照《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》[10]及《環境空氣質量評價技術規范(試行)》[11]評價雨雪過程前后AQI及各項污染物濃度的變化情況(見圖2)。從圖2可以看出，21日的降雨過程對各項污染物的清洗作用更加明顯，AQI及SO2，PM10和PM2.5的濃度下降幅度超過40%，但22日—25日除NO2與CO外，其余各項污染物均有不同程度的上升。考慮到21日主要為降雨，SO2，PM10和PM2.5濃度已相對較低，而22日—25日為固態冰晶形式的降雪，清洗系數比雨水稍弱[12]，因此可認為屬正常波動范圍。26日與25日相比，AQI和污染物濃度均有小幅提升，主要與雪后天氣系統較穩定，不利于污染物擴散清除，且社會生產活動逐步恢復有關。

圖2 2015-11-20至2015-11-26(雨雪過程期間)石家莊市大氣污染特征Fig.2 Characteristics of atmospheric pollutants during the period of rain and snow in Shijiazhuang City on November 20 to 26, 2015

2.3.2 污染物濃度日變化

2015-11-21至2015-11-25石家莊市各項污染物的濃度維持低位震蕩(見圖3)，O3(8 h)濃度變化較平緩，SO2濃度于14:00達到峰值，其余4項污染物的濃度基本呈現“M型”變化。但2015-11-25的 0:00～12:00，受持續的強降雪及大風影響，6項污染物濃度維持在較低水平，但隨著降雪強度逐步減弱，溫度有所抬升，社會生產活動重新活躍起來，大氣污染物的濃度逐步上升，污染物濃度日變化特征有明顯的改變(見圖4)。

圖4 2015-11-25 (雪停前)石家莊市各項污染物小時變化特征Fig.4 Hour variation characteristics of atmospheric pollutants before the snow stopped in Shijiazhuang City on November 20 to 25, 2015

對比圖3和圖4發現，SO2濃度均在14:00～15:00達到峰值，結合此時的大氣層結狀態，分析這主要是由于日出后隨著太陽輻射作用增強，溫度上升導致混合層高度抬升，電廠和工業等高架源排放的SO2隨混合層變化而引起的氣體上下傳輸所致[13]；隨著氣象條件逐步改善，16:00的SO2小時濃度有所下降，19:00～23:00的SO2濃度維持在較低水平；SO2濃度的“單峰型”日變化規律也說明了雨雪期間工業源污染物的排放量變化較小。NO2，CO，PM10，PM2.54項污染物在雨雪期間濃度較低，且幾乎同步于3:00前后達到一波“小高峰”，這主要是與施工車、渣土車、社會生產生活供應的運輸車等大型車輛受雨雪天氣影響相對較小，且多活動于夜間有關。大型機動車尾氣直接排放的一次粒子及經轉化生成的二次粒子造成了PM10和PM2.5幾乎同步達到“小高峰”。25日12:00后，降雪逐漸停止，社會生產活動逐步恢復，NO2，CO，PM10，PM2.54項污染物于17:00達到峰值，由于排除了工地揚塵污染，各項污染物濃度升高的原因應是：隨著降雪停止，社會活動時間提前，路況相對于雨雪期間較好，停駛車輛逐漸上路，造成道路晚高峰時段相對提前且較雨雪期間相對擁堵，機動車怠速時間延長造成尾氣氮氧化物和CO排放量開始增加。同時，氮氧化物和CO經二次轉化生成顆粒物，造成PM10和PM2.5濃度的增加。

2.4 污染物之間及其與氣象要素之間相關性分析

2.4.1 污染物之間相關性分析

大氣中存在多種復雜的化學反應，各種污染物并不是孤立存在的，氣態污染物與氣溶膠之間存在一定的轉化[14]。研究污染物之間的關聯性，不僅可以了解它們之間的相關關系，而且可為石家莊市制訂相關污染控制對策提供重要參考[15]。以2015-11-21至2015-11-25(雨雪期間)石家莊市區6項污染物小時濃度為研究對象，采用Pearson積差相關系數法對污染物之間相關性進行分析(見表2)。從表2可以看出，雨雪期間石家莊市區顆粒態污染物與SO2，NO2，O3(8 h)均通過了α=0.01的顯著性檢驗，呈顯著相關狀態，說明顆粒態污染物與氣態污染物具有一定的同源性。PM2.5，PM10與SO2的相關系數接近1，說明石家莊市的顆粒物污染主要來源于燃煤(燃煤電廠、集中供熱、居民散燒)。NO2與SO2，CO，O3(8 h)之間通過了α=0.01的顯著性檢驗，但NO2與CO之間相關系數明顯高于NO2與SO2之間的相關系數，這說明NO2的排放源主要是機動車尾氣，在雨雪天氣中機動車行駛緩慢而使怠速時間與行駛時間延長，加大了汽油不完全燃燒的幾率，致使NO2和CO排放量增加； 而工業排放對NO2濃度的影響相對較小。NO2與O3(8 h)呈負相關，這主要是由于當光化學反應需要的光照和溫度等條件不足時，O3氧化NO2生成NO與O2的反應占主導[9]。

表2 2015-11-21至2015-11-25(雨雪期間)石家莊市區主要污染物間的相關系數

注：**表示通過α=0.01顯著性檢驗。

2.4.2 污染物與氣象要素之間的相關性分析

以2015-11-21至2015-11-25(雨雪期間)石家莊市區6項污染物小時濃度為研究對象，采用Pearson積差相關系數法對污染物與氣象要素之間的相關性進行分析(見表3)。從表3可以看出：1)2015-11-21至2015-11-25(雨雪期間)石家莊市區各污染物的濃度均與溫度呈顯著相關，并均通過了α=0.01顯著性檢驗，PM10，PM2.5，SO2與溫度呈現負相關，而NO2，CO與溫度呈現正相關，說明隨著溫度逐步降低，工業供暖等生產活動逐步加強，而機動車出行相對減少；2)本次雨雪期間由于面源排放相對減少，點源排放基本保持不變，各項污染物的濃度相對較低，風速僅對PM2.5有較明顯的清除作用，呈現顯著負相關，并隨著風力加大，PM2.5的濃度降低；3)NO2，CO與相對濕度呈現顯著正相關，與水平氣壓呈現顯著負相關，而水平氣壓較高、相對濕度較低時段與降雪同期，移動源排放相對減少。

表3 2015-11-21至2015-11-25(雨雪期間)石家莊市區主要污染物濃度與氣象要素的相關系數

注：**表示通過α=0.01顯著性檢驗；*表示通過α=0.05顯著性檢驗。

3 結 語

1)2015-11-21至2015-11-25石家莊市的雨雪天氣對該市的社會生產活動有一定影響，各類型污染源的污染物排放也發生了一些變化。揚塵面源基本為零排放；工業點源所受影響相對較小，但由于雨雪而大幅降溫，造成城中村取暖燃煤量增加，使污染物排放量上升；機動車出行量相對減少，但路滑情況下車輛怠速行駛時間增長以及道路早晚高峰時段延長導致污染物的排放量增加，正負效應會有一定疊加。

2)在此次雨雪過程的影響下，石家莊市環境空氣質量得以改善，污染物濃度日變化規律發生改變。2015-11-21至2015-11-25石家莊市各項污染物的濃度維持低位震蕩，其中O3(8h)變化較平緩，SO2日變化呈“單峰型”，其余4項污染物基本呈現“M型”變化。2015-11-21空氣質量狀況為良，AQI和顆粒物濃度下降明顯；但22日—25日除NO2與CO外，其余各項污染物濃度均有不同程度升高。

3)此次石家莊雨雪過程中6項污染物之間及污染物與基本氣象要素之間的相關性較好。顆粒態污染物與SO2，NO2，O3(8h)濃度呈顯著正相關，說明污染物來源具有一定的同源性；PM2.5和PM10與SO2相關系數接近1，說明其主要來源于燃煤(燃煤電廠、集中供熱、居民散燒)；NO2與CO的相關系數高于NO2與SO2的相關系數，說明NO2的濃度主要受機動車尾氣排放影響，而工業排放對它的影響相對較小；主要污染物濃度與溫度呈顯著相關，說明隨著溫度的降低，工業供暖等生產活動會相應加強，而機動車出行會相對減少。此外，由于雨雪期間污染源排放相對減少，各項污染物濃度相對較低，風速僅對PM2.5有較明顯的清除作用。

[1] 張文靜,胡琳,吳素良,等. 降水對西安市大氣污染物質量濃度影響分析[J]. 陜西氣象，2013(1)：18-21.ZHANGWenjing,HULin,WUSuliang,etal.Precipitationofxi’anatmosphericpollutantsconcentrationimpactanalysis[J].JournalofShaanxiMeteorology, 2013(1):18-21.

[2] 曲曉黎,付桂琴,賈俊妹,等. 2005—2009年石家莊市空氣質量分布特征及其與氣象條件的關系[J].氣象與環境學報，2011，27(3)：29-32. QU Xiaoli, FU Guiqin, JIA Junmei, et al. Distribution characteristics of air quality and its relationship with meteorological factors from 2005 to 2009 in Shijiazhuang, Hebei Province[J]. Journal of Meteorology and Environment, 2011,27(3):29-32.

[3] 孫峰,張大偉,孫瑞雯,等. 北京地區冬季典型PM2.5重污染案例分析[J]. 中國環境監測,2014,30(6)：1-12. SUN Feng, ZHANG Dawei, SUN Ruiwen, et al. Typical heavy pollution episode analysis on PM2.5in winter of Beijing[J]. Environmental Monitoring in China, 2014,30(6):1-12.

[4] 徐曼,張璇,張曉彤.石家莊市冬季典型重污染過程分析[J].河北工業科技,2015,32(4):364-370. XU Man, ZHANG Xuan, ZHANG Xiaotong. Analysis of typical heavy pollution episode in winter in Shijiazhuang City[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2015,32(4):364-370.

[5] 任毅斌,康蘇花,楊麗杰,等.石家莊市采暖期環境空氣顆粒物來源解析[J].河北工業科技,2015,32(2):166-171. REN Yibin, KANG Suhua, YANG Lijie, et al. Source identification of ambient air particulate matter in Shijiazhuang City during heating period [J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2015,32(2):166-171.

[6] 康蘇花,馬玲,李海峰,等. 石家莊市冬季大氣顆粒物中元素組分的特征分析[J].河北工業科技,2015,32(2):172-176. KANG Suhua,MA Ling,LI Haifeng, et al. Feature analysis on elemental composition of atmospheric particulate matter in winter in Shijiazhuang City[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2015,32(2):172-176.

[7] 曹鵬,王路光,崔立昌,等. 河北省大氣污染狀況分析及防治對策探討[J]. 煤炭與化工,2014,37(8):144-152. CAO Peng, WANG Luguang, CUI Lichang, et al. Analysis of atmospheric pollution and countermeasures in Hebei Province[J]. Coal and Chemical Industry, 2014, 37(8):144-152.

[8] 宋廷山,吳風慶,尉雪波. 應用統計學——以Excel為分析工具[M].成都:西南財經大學出版社,2006:229-230．

[9] 謝放尖,李文青,盧寧川,等.南京一次暴雪過程大氣污染特征分析[J]. 氣象與環境學報,2015,31(2):9-14. XIE Fangjian, LI Wenqing, LU Ningchuan, et al. Characteristics of air pollution during a snowstorm process in Nanjing[J]. Journal of Meteorology and Environment, 2015, 31(2): 9-14.

[10]HJ 633—2012，環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)[S].

[11]HJ 663—2013，環境空氣質量評價技術規范(試行)[S].

[12]王艷秋,楊曉麗. 哈爾濱市降水形勢對大氣污染物濃度稀釋的影響[J]. 自然災害學報,2007,16(5):65-68. WANG Yanqiu, YANG Xiaoli. Influence of precipitation condition on dilution of atmospheric pollutant concentration in Harbin City[J]. Journal of Natural Disasters,2007,16(5):65-68.

[13]田偉,唐貴謙,王莉莉,等. 北京秋季一次典型大氣污染過程多站點分析[J]. 氣候與環境研究,2013,18 (5): 595-606. TIAN Wei, TANG Guiqian, WANG Lili, et al. Multi-site study of a typical autumn air pollution event in Beijing [J]. Climatic and Environmental Research, 2013,18(5):595-606.

[14]唐孝炎,張遠航,邵敏.大氣環境化學[M]. 北京：高等教育出版社,2006:3.

[15]王壽兵,汪遠安,馬小雪. 近十幾年上海空氣質量變化動態及主要污染指標間的相關性分析[J].復旦學報(自然科學版),2015,54(2):229-233. WANG Shoubing, WANG Yuanan, MA Xiaoxue. The changing trends of air quality in recent ten years and the correlations among the main pollution materials in Shanghai City[J]. Journal of Fudan University(Natural Science), 2015,54(2):229-233.

Characteristics analysis of the atmospheric pollution >after a sleet process in Shijiazhuang City

WANG Wei, QIANG Jie, WANG Shuo, REN Zhenke

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang, Hebei 050022, China)

In order to study the relationship between meteorological conditions and air pollution, the influence of a sleet process, which is from November 21, 2015 to November 25, 2015 in Shijiazhuang City, to the different atmospheric pollution sources and the concentration of atmospheric pollutants is analyzed by combining meteorological conditions and environmental monitoring data. The relationship between different pollutants and the relationship between the pollutant concentrations and meteorological elements are analyzed by using the Pearson correlation coefficient method. The results show that the effect of the sleet process on non-point sources is the greatest, and the dust emission is close to zero; the effect of the sleet process on mobile sources is mainly manifested in the extended morning and evening peak time and the motor vehicles' idle time; the sleet process has less influence on industrial point sources. There is significant positive correlation between the particle sized pollutants and the concentration of SO2, NO2and O3(8 h), which illustrates that the pollution sources have certain homology. There is significant correlation between the temperature and concentration of major pollutants during the sleet process, and the diffusion and dilution effect by wind speed is obvious just for PM2.5.

air pollution control engineering；pollution characteristics；sleet weather；meteorological condition；Shijiazhuang City

1008-1534(2016)04-0353-06

2016-03-30;

2016-04-12；責任編輯：王海云

河北省科技支撐計劃項目(16273714D)

王 瑋(1986-)，男，河北石家莊人，工程師，碩士，主要從事環境監測方面的研究。

E-mail:wayever@126.com

X51

A

10.7535/hbgykj.2016yx04017

王 瑋,強 杰,王 爍，等.石家莊市一次雨雪過程大氣污染特征分析[J].河北工業科技,2016,33(4):353-358. WANG Wei, QIANG Jie, WANG Shuo, et al.Characteristics analysis of the atmospheric pollution after a sleet process in Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(4):353-358.