秦皇島市冬季一次污染過程特征及氣象因素影響研究

靳甜甜 張晨宇 劉昊野 劉冰玉

（秦皇島市氣象局 河北秦皇島 066000）

0 引言

近年來，隨著經濟的發展和城市化進程的加快，京津冀地區污染問題日趨嚴重。國內外諸多學者已經開展了很多關于氣象條件對顆粒物污染影響的研究工作，研究表明：大氣污染排放和不利氣象條件是導致空氣污染的重要原因［1-2］。江琪等［3］通過分析北京市PM2.5濃度與氣象要素關系發現，PM2.5濃度與風速、混合層高度和降水呈負相關。呂夢瑤等［4］從大尺度環流形勢、大氣溫濕垂直結構、邊界層物理量等多方面氣象因素對京津冀兩次重污染過程的影響進行分析和討論。樊夢等［5］、張建忠等［6］等對京津冀地區的重污染天氣的污染氣象條件進行了分析和模擬，指出不利的氣象條件和地形是主要的影響因子。楊孝文等［7］、桂海林等［8］、汪靖 等［9］等指出北京 和天津地區 的重污染天氣均是由大氣靜穩、擴散條件差、地形特點和外來輸送產生的。秦皇島作為全國生態文明城市、綠色生態旅游城市，在減排防控的基礎上，2019 年秦皇島沿海地區PM2.5濃度不降反升，污染逐漸加重，因此對其原因需進一步分析研究。本文通過對2021 年2 月19 日至21 日秦皇島市冬季一次污染天氣過程的天氣形勢、氣象條件、輸送路徑、減排措施及管控效果進行分析，為秦皇島市大氣污染預報預警和減排防控提供技術參考。

1 資料與方法

1.1 資料介紹

本文主要利用2021 年2 月19 日至21 日秦皇島市環境監測站和氣象觀測站數據，5 個監測點分別為市監測站、文明里、北戴河環保分局、第一關和建設大廈，依次位于市區的東南、東南、西南、東北和西北位置，可以表征市區污染物濃度的變化情況。氣象數據包括平均溫度、最高氣溫、風向風速、相對濕度和靜穩指數。

1.2 靜穩指數

靜穩指數（SWI）綜合水平風速、氣溫、相對濕度等多項指標，可以綜合反映一個地區大氣擴散能力，定量反映大氣靜穩程度，表征大氣對污染物的傳輸擴散能力。指數越大，表明氣象條件越不利。根據秦皇島市具體情況構建本地靜穩指數，主要步驟如下：①篩選有關靜穩天氣形成的氣象要素，結合預報經驗最終選取近地面溫度、露點、相對濕度、風速風向、變溫、變壓、925 hPa 垂直速度、1 000 hPa～850 hPa 逆溫、海平面氣壓等氣象要素；②確定各氣象要素的閾值和分配權重，計算得到靜穩指數，為污染天氣過程預報預警和減排管控提供數據支撐。

2 結果與分析

2.1 空氣質量狀況

2 月19 日至21 日秦皇島市環境空氣質量監測數據整理見表1，秦皇島市2 月19 日至21 日各項污染物濃度變化時序見圖1。

表1 2021 年2 月19 日至21 日秦皇島市空氣質量概況

對比圖1 可見：PM2.5在21 日07 時開始連續16 個小時超過115 μg/m3，達到中度以上污染，并在21 日13 時開始連續8個小時超過150 μg/m3，達到重度污染，直到21 日23 時開始下降，造成21 日以PM2.5為首要污染物的中度污染過程。

圖1 2021 年2 月19 日至21 日秦皇島市6 項污染物變化時序

2.2 氣象條件分析

通過2 月20 日至21 日500 hPa 平均高度場（圖2）可以看出：亞洲中高緯為兩槽一脊型，全市500 hPa 高度上一直受暖脊控制，有利于污染物的生成和累積。

圖2 2021 年2 月20 日至21 日500 hPa 平均高度場和距平場

從2 月19 日至21 日秦皇島AQI 和氣象要素時序圖（圖3）可以看出：對應AQI 的峰值區，19 日至21 日總體溫度都比較高［圖3（a）、（b）］，19 日14 時氣溫達到15.2 ℃，20 日14 時氣溫達到10.5 ℃，隨后溫度下降。19 日至20 日溫度較高，為21 日的污染累積提供了有利條件；溫度較高且存在逆溫，垂直氣象擴散條件明顯不利，污染物被壓縮在近地層，導致污染程度加重。

從相對濕度方面來看［圖3（c）］，20 日早晨至21 日相對濕度一直維持在90%左右，為污染物提供了吸濕增長的有利條件，促進了PM2.5的爆發性增長和二次轉化。

從靜穩指數可以看出［圖3（d）］：從20 日開始靜穩指數開始增大，在20 日08 時，靜穩指數達到17.73，在21 日有小幅的下降，之后迅速回升，達到14.23，經過20 日的不利條件，不斷累積，致使21 日綜合氣象擴散條件最為不利。

圖3 秦皇島市2021 年2 月19 日至21 日AQI 和氣象要素時序

風向風速方面［圖3（e）］，19 日午后開始一直以西北風和西風為主，20 日上午和21 日上午存在明顯的輻合，且風力較小，以西風和西南風為主，將污染物輸送至秦皇島市上空，并且通過沉降聚集在近地層，致使污染加重。

2.3 NO2、SO2 和PM2.5 的相互關系

PM2.5二次轉化微觀機理十分復雜，硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽和二次有機物等組分快速生成，都會助推PM2.5爆發式增長。

高濕條件提升顆粒物中液態水含量，進而增加O3等氧化劑在顆粒物中的溶解量。大氣中SO2和NO2附著在顆粒物表面或內部，與氧化劑發生反應，向硫酸鹽和硝酸鹽轉化，并與大氣中的氨進一步反應，生成硫酸銨和硝酸銨，增加區域PM2.5濃度。

2021 年2 月19 日至21 日出現SO2和NO2濃度明顯積累過程（圖4），均在其濃度達到峰值之后的一段時間內，出現PM2.5濃度的升高。隨著污染過程的結束，SO2和NO2濃度隨之下降，可見污染期間SO2和NO2等氣態污染物發生了強烈的二次轉化，是不斷推高PM2.5濃度的重要原因。

圖4 2021 年2 月秦皇島市NO2、SO2 和PM2.5 日變化時序

3 結論

此次污染天氣過程500 hPa 形勢場為暖脊控制，有利于污染物的生成和累積；2 月19 日至20 日溫度較高且存在逆溫，致使21 日污染程度加重。相對濕度一直維持在90%左右，為污染物提供了吸濕增長的有利條件，促進了PM2.5的爆發性增長和二次轉化。靜穩指數20 日至21 日均大于14，綜合氣象擴散條件不利。污染期間SO2和NO2等氣態污染物發生了強烈的二次轉化，也是不斷推高PM2.5濃度的重要原因。