唐山市两次爆发性重污染天气过程对比分析

王秀玲，王 冠，张晓东，吴光辉，王海山

（1.唐山市气象局，河北唐山 063000；2.河北省气象与生态环境重点实验室，石家庄 050021；3.河北先河环保科技股份有限公司，石家庄 050035）

唐山位于河北省东部，华北平原的东北部，毗邻北京和天津，是河北省的中心城市，也是重工业城市，空气污染较重，且对北京的空气污染有一定的输送作用.大气污染主要由PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO形成.霾是指原因不明的大量烟、尘等微粒悬浮而形成的浑浊现象，霾的核心物质是空气中悬浮的灰尘颗粒，气象学上称为气溶胶颗粒.霾污染中细颗粒物浓度增长表现为两种主要形式，一种为“爆发增长的重污染”过程，表现为在短短数小时内颗粒物浓度从低值迅速增长到峰值；另一种为“持续累积的污染”过程，表现为颗粒物浓度稳步累积增长［1-2］.经统计，2015—2017年唐山市重污染天气大多数是“持续累积的污染”过程，而“爆发增长的重污染”过程较少.但“爆发增长的重污染”对污染物平均浓度及重污染天数的增加影响较大.不利的大气扩散气象条件是重污染天气发生的外因，污染物排放和输送是引起重污染天气发生的内因，污染源包括本地排放和外来输送［3-4］.针对重污染天气过程特征及形成机理的研究已经很多［5-7］.有研究表明，重污染天气发生的气象条件一般表现为天气形势稳定、地面气压场弱、静稳指数大、大气边界层高度低、近地层逆温、湿度高、风速小等特征［8-12］.本文对唐山市2016年2月7—8日（简称“20160207”过程）和2017年2月11—16日（简称“20170211”过程）两次重污染天气过程特征、成因及气象条件异同进行对比分析，以期为唐山天气污染预警和天气污染控制提供科学依据.

1 资料与方法

1.1 资料来源

本研究中的空气污染物PM2.5、PM10、CO小时浓度及空气质量指数（AQI）数据来自河北省环境气象业务平台（http：//10.48.36.29：8088/HJJC/ShiKuang_Hour.aspx）.气象要素小时数据来源于唐山市西外环观测站，包括温度、气压、相对湿度、风向、风速等.

爆发式增长是以PM2.5在5 h内升幅超过100 μg/m3作为依据，空气质量从优良水平快速跃升至重度及以上污染水平［2］.根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》［13］规定，空气质量分为6个等级，各等级AQI指标见表1.

表1 空气质量等级表Tab.1 Air quality grade table

1.2 方法

排放源影响分析采用污染物相对比值法.相对比值法是颗粒物来源研究中的一种常用方法，某污染物浓度相对于参考标准污染物浓度的比值稳定，意味着污染源变化不大，当比值发生明显变化时，就意味着污染源的构成发生了改变［14］.李令军等［15］的研究表明，鞭炮燃放对空气中的CO浓度影响较小，但可使ρ（PM2.5）明显升高.因此，可将CO作为参考标准污染物浓度，利用PM2.5/CO比值分析烟花爆竹燃放对PM2.5的贡献［14］.

后向轨迹利用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的HYSPLIT模式.HYSPLIT模式用于计算简单的气团轨迹以及复杂的传输、扩散、化学转换和沉积模拟的专业模型［16］.

2 结果与分析

2.1 两次重污染天气过程概况

“20160207”和“20170211”两次重污染天气过程都是在除夕夜（2016年2月7日傍晚和2017年2月11日傍晚）发生爆发性增长，空气质量在1 h内由良变成重度污染，ρ（PM2.5）1h增长分别为182 μg/m3和107 μg/m3.但是“20160207”过程维持时间较短（1 d），“20170211”过程维持较长（5 d），但两次污染过程的首要污染物均为PM2.5.在重污染期间，“20160207”过程的ρ（PM2.5）/ρ（PM10）为0.7～0.8，“20170211”过程的ρ（PM2.5）/ρ（PM10）为0.6～0.8；“20160207”过 程ρ（PM2.5）最 大 为532.7 μg/m3，“20170211”过 程ρ（PM2.5）最 大 为424.5 μg/m3；“20160207”过程ρ（PM2.5）平均为306 μg/m3，“20170211”过程为196 μg/m3.可见，“20160207”过程PM2.5的小时增长、最大质量浓度、平均质量浓度都高于“20170211”过程，但其维持时间较短.

2.2 两次空气重污染过程爆发性增长及维持原因对比

2.2.1 排放源影响对比分析

“20160207”过程在天气污染形成前，18时（北京时，以下均为北京时）ρ（PM2.5）/ρ（CO）比值为0.5；污染形成后，19时ρ（PM2.5）/ρ（CO）比值为1.8.“20170211”过程在空气污染形成前，18时ρ（PM2.5）/ρ（CO）比值为0.6；污染天气形成后，19时ρ（PM2.5）/ρ（CO）比值为1.0.根据王哲等［14］的研究，ρ（PM2.5）/ρ（CO）比值发生明显变化意味着污染源的构成发生了改变.从这两次污染天气形成的时间（均为中国传统节日除夕夜）看，说明烟花爆竹燃放对污染天气的爆发性增长影响较大.从污染天气发生前后ρ（PM2.5）/ρ（CO）比值变化来看，“20170211”过程较“20160207”过程小，说明烟花爆竹燃放影响小于“20160207”过程.因此“20160207”过程ρ（PM2.5）增长速度快、过程最大浓度高.

2.2.2 两次重污染天气过程与气象条件的相关性分析

从这两次重污染天气过程ρ（PM2.5）与小时气象因子相关系数（表2）可以看出，“20160207”过程与气象要素相关性不明显，除了与能见度的相关性通过了显著性检验，与其他要素相关性都没通过显著性检验.“20170211”过程与气象要素的相关性通过了0.01的显著性检验，可见“20160207”过程主要由高排放引起，“20170211”过程在高排放及不利气象条件的共同作用下产生.

表2 两次重污染天气过程中ρ（PM2.5）与小时气象因子间的相关系数Tab.2 Correlation coefficients between ρ（PM2.5）and hourly meteorological factors in two heavy pollution weather processes

2.2.3 两次重污染天气过程气象条件对比分析

1）“20160207”过程

形成阶段：2016年2月7日20时500 hPa为西北气流，850 hPa和925 hPa为暖脊，有弱暖平流，此种配置在晚上受辐射降温影响容易形成逆温，不利于污染物扩散［17］.地面图上，7日20时唐山处于干槽中，具有一定的辐合.从图1（a）可以看出，在垂直速度剖面上，7日19时唐山近地层以上整层大气为下沉运动，700 hPa以上下沉运动微弱，700 hPa以下略强，中心强度为15×10-2Pa/s，有利于地面污染物的堆积.风向、风速是影响唐山空气污染的主要因素，唐山站7日19时为西风，风速2.7 m/s，20时为西风，风速4.1 m/s，有利于污染物的水平扩散和稀释.由于高湿条件下颗粒物吸湿增长，同时相对湿度增大也会使得气溶胶的非均相反应增强，生成更多的气溶胶［18］.据统计，唐山98%的PM2.5重污染相对湿度都在50%以上［19］，7日19时、20时地面相对湿度为26%，不利于重污染天气形成.混合层高度直接关系到污染物扩散稀释的有效空气体积，高度越高，越有利于污染物的垂直扩散，降低污染物浓度［20-21］.7日20时唐山混合层高度为1943 m，有利于污染物的垂直扩散；静稳指数7.7，也不利于重污染天气形成.7日21—23时，地面偏西风较大，风速4 m/s左右，相对湿度30%左右，在有利气象条件的作用下，污染物快速下降.24时污染物浓度又开始增长，从图2（a）也可以看出，ρ（PM2.5）在7日20时和8日01时分别达到峰值，与除夕燃放爆竹时间比较对应.可见，此次重污染天气爆发主要由燃放爆竹引起.

维持阶段：从图1（a）可以看出，8日02时左右，800～300hPa附近大气上升运动增强，中心强度达-12×10-2Pa/s，下沉运动区下降到800 hPa附近，但是上升运动区高度较高，不能打破近地层静稳天气形势，而且此时地面静稳度增加，02时静稳指数为10.8.8日02—07时，地面平均风速1.6 m/s，平均相对湿度42%，平均静稳指数12.6，气象条件不利于污染物扩散.

2）“20170211”过程

形成阶段：2017年2月11日20时500、850、925 hPa天气形势与“20160207”过程相似.地面图上，唐山处于高压前部，气压场弱，地面风速较小，有利于污染物累积.由图1（b）可以看出，在唐山垂直速度剖面上，11日20时污染形成阶段，地面以上整层大气下沉运动微弱，处于静稳状态.混合层高度为692 m，静稳指数10.7，不利于污染物垂直扩散.地面为偏东南风，风速1.1 m/s，相对湿度57%，对重污染形成有利.可见，此次污染过程是在燃放爆竹及不利气象条件下产生.

维持阶段：图1（b）显示，2月11日22时—15日20时大气垂直速度时空剖面图上，800 hPa以下大气一直维持弱上升、下沉运动，期间13日白天和14日夜间800～300 hPa附近大气下沉运动增强，中心强度达33×10-2Pa/s和21×10-2Pa/s，但是并没有到达地面，反而对地面污染物有压缩作用，加重了污染.图2（b）显示，12日20时，600～300 hPa间大气下沉运动有所增强，中心强度为12×10-2Pa/s，对应ρ（PM2.5）达到第二个峰值，随后下沉运动区抬高，污染减弱.13日08时左右，800 hPa以上大气下沉运动增强，对近地层污染物起到压缩作用，13日11时ρ（PM2.5）达到第三个峰值.12—14日午后到傍晚近地层大气都存在微弱上升运动，可能由于午后太阳照射使地面升温、对流运动加强所致.由于这种对流运动比较弱，只能使污染程度减弱，并不能彻底清除.15日午后近地层大气虽然也有上升运动，但是由于地面唐山上游河北东南部西南风较大，对唐山污染物有一定的输送，污染程度没有减弱.11日22时—15日20时地面平均风速1.6 m/s，平均相对湿度70%，平均静稳指数12.9，不利于污染物扩散.

图2 唐山市两次重污染天气过程中ρ（PM2.5）的变化Fig.2 Changes of ρ（PM2.5）in two heavy pollution weather processes in Tangshan

2.3 两次重污染天气过程清除原因对比分析

“20160207”过程8日08时地面等压线变密，西北风加大，唐山站2 min平均风速达8.8 m/s，在西北风作用下，污染物很快被清除.图1（a）显示，垂直速度剖面图上，8日08时整层大气为下沉运动，强下沉运动到达地面，中心强度21×10-2Pa/s，高空清洁气团开始置换地面污染气团，打破静稳形势，静稳指数05时为14.4，08时下降到8.8，11时下降到3.7，污染进入消散阶段.地面08时由西南风转为西北风，风速逐渐增大，受上游污染气团输送的影响，10时ρ（PM2.5）短时达到高值，随后迅速下降，13时唐山空气中ρ（PM2.5）达到26.2 μg/m-3，污染清除.从图3（a）后向轨迹图上可见，10 m气团来自西北，为清洁气团，通过置换污染物浓度很快降低.

“20170211”过程16日08时850 hPa和925 hPa暖脊消失，地面上贝加尔湖附近高压东移南压，等压线密集，东北风加大，打破静稳形势.图1（b）显示，垂直速度剖面上，16日08时，950～250 hPa间大气上升运动加强，中心强度为-36×10-2Pa/s，垂直运动深厚.强大的抽吸作用打破静稳形势，静稳指数由05时的15.1下降到08时的11.2，11时静稳指数继续下降到3.6，空气垂直交换增强.地面08时东北风逐渐增大，污染气团逐渐被清洁气团取代.从图3（a）后向轨迹图上可以看出，10 m气团来自高空的清洁气团，不断置换近地层的污染气团，13时唐山ρ（PM2.5）为52.8 μg/m3，污染清除.

图3 唐山市两次重污染天气过程中不同高度气团后向轨迹Fig.3 Backward trajectories of air masses at different heights in two heavy pollution weather processes in Tangshan

3 结论

1）两次爆发性重污染天气过程都是在除夕高强度污染物排放下发生，首要污染物都为PM2.5.通过排放源对比分析，“20160207”过程较“20170211”过程排放强度大.ρ（PM2.5）增长快，最大浓度和平均浓度高.

2）形成阶段，500 hPa都为西北气流，850 hPa和925 hPa为暖脊，有弱暖平流.地面图上，“20160207”过程处于干槽中，“20170211”过程处于高压前部弱气压场中.垂直速度上，“20160207”过程整层大气为下沉运动，对低层大气有压缩作用；而“20170211”过程大气处于静稳状态.“20160207”过程地面风速大，空气湿度小，静稳指数小，混合层高度高，不利于污染天气形成，在高排放下形成重污染；“20170211”过程地面风速小，空气湿度大，混合层高度低，静稳指数大，在高排放及有利气象条件下形成重污染.

3）维持阶段，“20160207”过程8日02—07时地面平均风速1.6 m/s，平均相对湿度42%，平均静稳指数12.6，有利于污染天气维持.“20170211”过程11日22时—15日20时地面平均风速1.6 m/s，平均相对湿度70%，平均静稳指数12.9，利于重污染天气维持.垂直速度上，“20160207”过程大气上升运动在800～300 hPa之间，没有到达近地层，只能减轻污染，不能清除；“20170211”过程800 hPa以下大气维持弱上升下沉运动，两次较强的高空下沉运动没能到达地面，反而加重了地面污染.

4）从后向轨迹上看，两次重污染天气过程10 m高度气团都是由高空传输下来，“20160207”过程在强下沉运动作用下，高空清洁气团置换地面污染气团及在地面强西北风作用下污染被清除；“20170211”过程在强上升运动打破静稳天气形势及在地面强东北风作用下污染被清除.