石家莊市春季典型霾和沙塵混合污染天氣過程特征分析

徐曼　程麗萍　王瑋

摘 要：為研究春季典型的混合污染天氣過程的發生機理和發展變化規律，利用單顆粒氣溶膠質譜儀對大氣細顆粒物進行了成分分析及來源解析，并綜合利用地面空氣污染監測數據、雷達數據、常規氣象觀測數據等，分析了2018年石家莊市春季典型霾加沙塵過境的混合污染天氣過程的發生成因。結果表明，這次污染過程中機動車直接排放的細粒子是PM2.5的重要來源，最高達到35.5%，同時機動車尾氣源數濃度的增加隨PM2.5小時質量濃度的增加最為明顯。北方三、四月份是沙塵多發期，應提前預估沙塵污染的影響，并做好本地防御;應在繼續鞏固保持秋冬季霧霾防治措施的基礎上，重點做好預測工作;提前對機動車排污、工業排污以及無機源和燃煤等污染源進行管控，強化對春季霾和沙塵混合污染的預防。

關鍵詞：大氣污染防治工程;石家莊市; 春季;混合污染;SPAMS

中圖分類號：X610

文獻標識碼：A

Abstract：In order to study the mechanism and development of the typical mixed pollution weather process in spring， the causes of the mixed pollution weather process

were analyzed by single particle Aerosol Mass spectrometer（SPAMS） in the spring of 2018 in Shijiazhuang City， where typical haze and sanddust pass through，using the composition and source analysis of fine particles in the atmosphere，combined with the ground air pollution monitoring data， radar data， and conventional meteorological observation data. The results show that fine particles directly discharged by vehicles are an important source of PM2.5， the maximum is 35.5%， and the increase of the concentration of motor vehicle exhaust gas is the most obvious with the increase of PM2.5 mass concentration. In northern China， March and April are the seasons of dust， so the impact of dust pollution should be estimated in advance， and local defense should be done. On the basis of smog prevention measures in autumn and winter， forecasting work will be valued，and pollution sources such as motor vehicle sewage， industrial sewage， inorganic sources and coal burning need to be controlled in advance to strengthen prevention of mixed pollution of spring haze and sand dust.

Keywords：air pollution prevention and control project; Shijiazhuang City; spring; mixed pollution; SPAMS

3月份是中國華北地區大氣環流形勢較為活躍的時期，冷暖空氣勢力相當，隨著副熱帶高壓的北抬，系統性東南暖濕氣流將大量的水汽輸送至華北地區，易出現靜穩、高濕的不利氣象條件，但由于春季氣溫的回升，地面干燥，在中國北方地區的三、四月份還是沙塵天氣的多發期。目前，學者們對華北地區的氣候特征及其與沙塵天氣關系方面的研究較多。王金艷等[1]、楊續超等[2]、閻訪等[3]從華北地區春季沙塵暴與氣候因子的關系、對流層各層風場的關系、春季大風變化特征等角度進行了深入分析，探究了污染的形成和發展機理，取得了針對性較強的研究結果。

石家莊市作為全國空氣嚴重污染的城市之一，雖然秋冬季節是空氣重污染過程的高發季節，占全年重污染天氣的90%左右，但春季的污染特征也比較典型。石家莊市位于河北省中南部，北緯37°27′～38°45′，東經113°30′～115°29′，西鄰太行山，市域地勢西高東低，地貌復雜多樣[35]。3月中旬前后隨著供暖期的結束，污染源會發生明顯的變化，污染過程復雜多變，尤其2018年3月9日—3月15日發生了非常典型的持續重度霾加沙塵過境的混合污染過程。本文通過分析這次典型污染過程的氣象條件、顆粒物組分變化特征、各污染物之間的相互關系以及管控措施，探討類似春季典型的混合污染天氣過程發生的機理和發展變化規律，以期做到過程前精準預報，過程中更好管控，為環境管理部門科學有效地治理石家莊市大氣污染提供重要依據[67]。

1 材料與方法

1.1 樣品點位

本文所采用的環境空氣質量監測數據均來自石家莊市國控、省控、市控監測點位實時在線監測數據;組分監測數據和雷達監測數據利用設置在石家莊市電視塔上的大氣梯度監測站20 m層級處東經114°31′49″，北緯38°01′11″的SPAMS在線監測設備和微脈沖激光雷達監測設備;天氣圖和遙感數據來源于中央氣象臺和遙感所，采集時間段為2018年3月9日—3月15日[811]。

1.2 研究方法

根據國家標準《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》（HJ 633—2012）中規定的重污染天氣定義，判定重污染過程的開始和結束時間段。綜合天氣形勢以及重污染過程中氣象要素、地面污染物濃度變化分析此過程特征條件及演變規律。利用單顆粒氣溶膠質譜儀（SPAMS）分析此次霾和沙塵重污染過程中細顆粒物的化學組成及來源分析[1214]。

2 結果與討論

2.1 重污染過程簡述及階段劃分

采樣期間2018年3月9日—3月15日，整個京津冀及周邊地區經歷了一次較大面積的重污染過程，石家莊市是本次污染過程影響最大的城市，期間共出現了95 h的重度以上污染，其中嚴重污染52 h。3月14日凌晨1：00時PM2.5出現本輪污染過程的峰值質量濃度406 μg/m3，點位PM10峰值出現在3月15日早晨7：00，市區西北部西北水源監測點位，小時質量濃度達到745 μg/m3，如圖1所示。

本次污染過程劃分成2個不同階段：9日—14日為高濕靜穩的霾天氣過程，15日凌晨開始有明顯的沙塵輸送過程。3月9日上午空氣質量逐步開始轉差，為中度污染水平，并出現4 h的重度污染。10日，擴散條件持續轉差，空氣質量為重度污染水平，出現21 h的重度污染，11日，石家莊市的擴散條件略好轉，污染形勢被打斷，空氣質量為輕度污染。12日開始，空氣質量重新惡化，污染程度加重，并持續重度污染，直到14日PM2.5濃度達到了本輪污染過程的峰值。15日凌晨受冷高壓影響，污染水平略有回落，7：00—9：00受內蒙古中部部分地區的沙塵輸送影響，PM10濃度飆升，達到小時峰值，其后受冷空氣影響，各項污染物濃度回落，實時空氣質量于13：00降為良，污染過程結束。

本次污染過程石家莊市污染綜合指數與PM2.5濃度均在“2+26”城市中排倒數第一，大氣污染物的平均質量濃度分別為PM2.5：274 μg/m3，PM10：380 μg/m3，SO2：31 μg/m3，CO（95%）：3.5 μg/m3，其中PM2.5和PM10分別超過國家日均二級標準3.65倍和2.53倍，SO2和CO濃度達標。

2.2 天氣形勢分析[ST][1518]

進入3月，西南暖低壓活動加強，熱力場向春季轉變，京津冀中南部高空環流形勢穩定，近地面濕度大且出現區域性逆溫，邊界層高度顯著降低，大氣環境容量大幅下降。在西南暖低壓和東北氣旋共同作用下，中國中東部形成了一條強勁的南風通道，暖濕氣流大舉北上，受系統性南風影響，污染物被推送至太行山以東和燕山以南地區，保定、石家莊等沿山城市出現污染輻合，大氣污染物快速累積并發生二次轉化，推高PM2.5污染。9日，石家莊市處高空暖脊，地面處低壓底部，受低空持續的西南氣流影響，考慮地面相對濕度開始上升，白天至夜間近地面逆溫層明顯，擴散條件開始轉差。10日，高空槽后轉暖脊，地面受東北高壓影響，地面逐漸轉東北風，但是考慮近地面相對濕度較大，擴散條件持續不利。11 日，高空環流形勢趨于穩定，中層開始緩慢升溫，但由于地面受持續東北弱冷高壓影響，本地污染形勢緩解。12 日開始，高空弱西北氣流，環流形勢進一步穩定，中層升溫明顯，近地面濕度較大并出現區域性逆溫，在系統性南風的持續影響下，污染物被推送至太行山以東和燕山以南地區，石家莊市形成污染物只進不出、反復疊加的典型風場輻合作用，且隨著靜穩大氣結構的形成，大氣邊界層高度持續下降，污染物持續在本地累積，不易擴散，重污染過程持續，如圖2所示。

2.3 氣溶膠光學特征分析

通過雷達數據分析（見圖3），污染成因主要以本地輻合及外來污染傳輸為主。9日—11日早晨，城市近地面雷達退偏比在0.13左右，說明城市近地面污染輻合明顯，通過雷達消光系數時空圖可看到9日早晨及10日下午城市上空有氣溶膠團過境，加劇了近地面污染積累。11日夜間開始，城市上空過境的氣溶膠團開始發生下沉，同時城市PBL層開始逐漸降低，近地面污染逐漸積累加重。15日，7：00至9：00沙塵沉降最為明顯，隨著上午城市風力增強PBL層逐漸升高至1 000 m以上，污染擴散條件轉好，污染物得到擴散，雷達消光系數明顯減小，污染減輕，重污染過程結束。

2.4 PM2.5成分特征分析

通過SPAMS的數據分析，石家莊市細顆粒物污染來源歸結為7大類，分別為揚塵、生物質燃燒、機動車尾氣、燃煤源、工業工藝源、二次無機源和其他。PM2.5污染來源解析結果如圖4所示。從圖中可以看出3月9日—15日細顆粒物首要污染來源為機動車尾氣，貢獻率為28.3%;第二大污染源為工業工藝源，貢獻率為21.6%;第三大污染源為二次無機源和燃煤源，貢獻率分別為20.1%和19.4%。

2.5 PM2.5來源分析

從細顆粒物的污染來源數濃度和貢獻率隨PM2.5小時質量濃度變化來看（見圖5），在11日—14日的整個重污染過程中，機動車尾氣源對于細顆粒物的貢獻均為最高，保持在25%以上的水平，最高達到35.5%。同時機動車尾氣源數濃度的增加隨PM2.5小時質量濃度的增加最為明顯。可見，在靜穩天氣下不利于污染物的擴散，其中機動車尾氣源排放的污染物發生了更快的累積，導致污染的持續加重。15日污染結束后，機動車尾氣源的貢獻率降至15%左右。

在12日—14日污染快速攀升的過程中，二次無機源的貢獻率增加最為明顯，由11日13：00的19.1%上升至12日22：00的25.1%，14日0：00—22：00的污染高峰時段二次無機源的貢獻率為25.5%，成為細顆粒物的第二大污染源。15日受沙塵過境沉降的影響，PM2.5濃度大幅降低，二次無機源的貢獻率降至12.9%（15日20：00）。由此可見此次重污染期間伴隨著較為強烈的二次轉化反應。

整個污染過程中，燃煤源和工業工藝源的貢獻率一直保持在20%左右的水平，14日污染高峰時段，兩類源的貢獻率分別僅為16.8%和18.3%，由此可見本輪重污染過程石家莊市對于企業的管控取得了較為明顯的效果。

2.6 區域性污染分析

石家莊市這次重污染過程是區域性污染背景下形成的，過程期間，北京、保定、邢臺、邯鄲等城市都出現了重度污染的狀況。然而，春季溫度升高，中東部形成了一條強勁的南風通道，暖濕氣流大舉北上，受系統性南風影響，污染物被推送至太行山以東和燕山以南地區，午后盛行南風，河北南部城市邯鄲、邢臺較石家莊市風速大，導致南部城市污染物向石家莊市傳輸并沉降，加重了石家莊市污染物的累積，后期受沙塵過境影響，加劇了污染程度。如圖6所示。13日—14日重污染過程中，邯鄲市和邢臺市均凌晨至上午的污染較重，然而午后受南風影響，污染物被推送至太行山一帶，受風場輻合影響，污染物在石家莊市沉降、累積，太行山沿線的保定市和北京市同樣受此影響。受前期輸送、累積及本地排放的影響，14日石家莊市PM2.5濃度最高，污染最重。15日凌晨受冷空氣前鋒影響，污染程度自北向南有所緩解，其后沙塵被后續冷空氣推進，進一步抬升東移南下，河北省內自北向南出現沙塵天氣，冷鋒移動迅速，沙塵迅速過境，后續未出現浮塵影響。

3 結 語

3月份是中國華北地區大氣環流形勢較為活躍的時期，也是沙塵天氣的多發期，本文針對2018年石家莊市春季出現的非常典型的持續重度霾加沙塵過境的混合污染過程，利用單顆粒氣溶膠質譜儀對大氣細顆粒物進行了成分分析及來源解析，并綜合利用地面空氣污染監測數據、雷達數據、常規氣象觀測數據等，分析了污染發生成因。

1）通過污染源譜庫的對比分析石家莊市春季典型的靜穩加沙塵混合污染過程，機動車直接排放的細粒子是PM2.5的重要來源，建議重污染期間提前啟動機動車單雙號減排措施，擴大大型、重型車輛的限行范圍，建議使用清潔能源車。

2）本次典型污染過程中，石家莊市高空環流形勢穩定，地面處于低壓前側，弱氣壓場控制，風力較小，近地面濕度較大且存在區域性強逆溫，垂直和水平擴散條件均不利，逆溫現象嚴重，易造成污染物累積的氣象條件;受系統性南風影響，污染氣團北移，也易于造成南部區域污染物向石家莊市的傳輸;加上環境容量本身就小于周邊城市，因此在重污染天氣條件下，更增大了本地區的污染值，從而比周邊城市更容易發生長時間、連續性的重污染過程。

3）在中國北方地區的三、四月份是沙塵天氣的多發期，靜穩天氣過后的冷空氣容易攜帶沙源地大量沙塵，應提前預估沙塵污染的影響，并做好本地防御。

4）研究了霾沙混合污染對石家莊市空氣質量的影響，可以為今后的大氣污染防治提供參考。但由于沒有霾沙傳輸通道城市過程中的源解析數據，僅對石家莊市的成分進行了來源解析，不能發現和研判主要成分在傳輸過程中的變化，今后需在這方面加強研究。未來希望與其他省市聯合，深挖數據潛力，聯防聯控，使大氣污染防治工作更加系統化、科學化。

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