2018年冬季河北省氣象條件變化對PM2.5影響研究

焦亞音，楊雨靈，馬志淳

(河北省環境氣象中心，河北 石家莊 050021)

1 引言

京津冀城市群霧霾天氣頻發，是我國大氣環境污染的重災區[1]。PM2.5、PM10等顆粒物是京津冀地區秋冬季的首要污染物[2]。大氣污染排放和不利氣象條件是導致大氣污染的重要原因[3]。氣象條件對空氣污染作用的問題至今一直備受關注，國內外諸多研究采用多種分析方法對空氣污染氣象條件進行討論：直接采用污染物濃度與地面氣象要素進行統計分析，研究二者之間的相關關系[4]；高空形勢環流也是影響空氣污染的氣象因素，部分學者通過分析空氣污染過程對應的天氣形勢，歸納總結出容易導致空氣污染的局部天氣類型[5]；其次，基于表達空氣污染氣象條件的量化指數，評估污染氣象條件的變化特征和對污染趨勢進行預測等。例如：廖碧婷等[6]基于天氣預報中的K指數、沙氏指數和抬升指數得出垂直交換系數，應用于對污染物垂直擴散能力的評估。朱蓉等[7]定義大氣自凈能力指數，用于描述大氣通風擴散和降水對污染物的清除能力。相對于以上氣象條件指數，PM2.5氣象條件評估指數(EMI)物理意義更加明確，包含大氣對污染物的稀釋擴散、輸送、沉降等物理過程，可定量診斷與預測污染期間氣象條件的變化，深入理解和掌握PM2.5濃度物理成因。本文在此基礎之上利用2017～2018年河北省地面環境監測站PM2.5顆粒物觀測數據和CUACE空氣質量模式輸出的EMI資料，定量分離出河北省氣象條件變化和排放變化率變化情況，分析某時段內PM2.5濃度變化的主要驅動因素，通過計算PM2.5濃度變化率和氣象條件變化率，定量診斷氣象條件對PM2.5濃度的影響。

2 資料與方法

本文利用中國氣象局霧-霾數值預報CUACE模式氣溶膠示蹤模塊輸出的EMI指數來研究河北省氣象條件的定量變化。劉洪利等[8]給出了EMI的定義和計算方法，即EMI為氣象條件變化所導致的PM2.5濃度變化的綜合指數。EMI指數包括了大氣對污染物的稀釋擴散、輸送、沉降等物理過程。

不同年份之間同期時間段相互比較時，EMI變化量是在排放不變條件下氣象條件導致的PM2.5濃度變化率。假定氣象條件和人為排放對PM2.5濃度的貢獻都是線性的，氣象條件和人為排放是變量可分離的。PM2.5濃度分別為A1、A2，人為排放為B1、B2，氣象條件為EMI1、EMI2。

(1)

(2)

氣象條件變化率為：

(3)

本文以2017年的EMI指數為基準，通過比較2017～2018年同期變化，進行分月份的氣象條件變化評估，評價氣象條件對大氣污染的作用。本文重點分析2018年冬季(11月、12月)河北省氣象條件變化率以及2018全年石家莊市的氣象條件和PM2.5濃度的具體變化率。

3 結果與分析

3.1 PM2.5濃度和EMI指數的變化趨勢分析

圖1給出了河北2013～2018年逐月PM2.5濃度和EMI指數的長期變化(2013年9～11月為缺測)，可以看出，河北PM2.5濃度和EMI指數變化趨勢較一致，且季節變化明顯，均表現為春夏季低、秋冬季高，春季和夏季的氣象條件較好，夏季的EMI指數與PM2.5濃度均保持在全年較低的水平，夏季EMI指數基本在3以下，PM2.5濃度不超過100。并且EMI指數的月際變化均有峰谷高低起伏的變化特征，相比而言，PM2.5濃度月際變化幅度較緩慢。通過計算，得到PM2.5濃度和EMI指數二者的相關性為0.77，相關性較好。可見，EMI指數能夠較好地體現氣象條件在大氣污染過程中的作用。

圖1 PM2.5和EMI的變化趨勢對比及相關性

3.2 冬季氣象條件對河北省空氣質量改善的貢獻評估

根據EMI指數計算了河北省2018年冬季(11～12月份)相比2017年氣象條件對PM2.5濃度的變化率，代表氣象條件對PM2.5濃度變化的定量變化。根據氣象條件的差異，可將河北省分為3個區域：張家口、承德、保定、廊坊、石家莊北部氣象條件極為不利，氣象條件使PM2.5濃度同比上升28%～45%；邢臺西部和邯鄲氣象條件非常不利，使PM2.5濃度同比上升16%～28%；唐山、秦皇島、滄州、衡水、石家莊南部、邢臺東部等地氣象條件影響最小，PM2.5濃度下降8%～16%。總的來說，與2017年同期相比，全省氣象條件不利于PM2.5濃度下降，氣象條件的變化率存在顯著的區域差異。

3.3 石家莊氣象條件貢獻和減排措施效果分析

表1為2018年石家莊的氣象條件同期變化率和PM2.5觀測濃度同期變化率。由表1可見，2018年石家莊PM2.5年均濃度同比下降12.7%，其中氣象條件使PM2.5濃度下降3.1%，表明人為減排對大氣污染防治貢獻顯著。分析2018年石家莊各月氣象條件變化，其中，3～5月、11～12月氣象條件十分不利于PM2.5濃度下降，氣象條件最不利的4月和11月使PM2.5濃度增加20%以上；1月和7～10月氣象條件同比較為有利，最有利的1月和9月使PM2.5濃度下降17%以上。

表1 2018年石家莊氣象條件相比(2017年)對PM2.5濃度變化分析 單位(%)

對相近氣象條件下不同季節PM2.5濃度下降幅度差異化分析，對比3月和12月、1月和7月兩組數據結果，3月、12月氣象條件均為有利于污染物增加約11%左右，但在大氣污染綜合治理措施并舉的情況下，12月份 PM2.5濃度同比下降1.7%，而3月份 PM2.5濃度同比上升34.4%；1月、7月氣象條件均為有利于污染物減少15%左右，但1月PM2.5濃度同比下降39.5%，7月僅下降12.8%。1月和12月石家莊多次啟動重污染應急響應，尤其是12月9～23日采取了Ⅰ級紅色應急響應措施，評估結果表明：重污染應急響應對大氣污染綜合防治貢獻顯著。

4 結論與討論

本文應用線性計算和相關分析開展了對2013～2018年河北省EMI指數的長期變化趨勢分析以及定量評估2018年冬季河北省氣象條件對PM2.5濃度的影響。得到以下初步結論：

(1)環境氣象評估指數EMI包含大氣對污染物的稀釋擴散、輸送、沉降等物理過程，通過計算得到2013～2018年河北的EMI指數和PM2.5濃度的相關系數為0.77，EMI指數能夠較好地定量表達PM2.5濃度變化中氣象條件貢獻。

(2)分析河北省冬季氣象條件對PM2.5濃度的變化率，與2017年相比，2018年冬季河北省氣象條件不利于PM2.5濃度下降，其中，北部、西北部地區氣象條件極為不利，使PM2.5濃度同比上升28%～45%，不同城市的氣象條件變化存在顯著差別。

(3)氣象條件和人為排放是造成大氣污染的重要原因。通過計算石家莊2018年氣象條件變化率，結合PM2.5觀測濃度的變化，可在一定程度上評估減排措施的效果，研究表明石家莊大氣污染防治和重污染應急響應對PM2.5濃度下降貢獻顯著。