邯郸市冬季一次沙尘、霾和雾接连出现的过程中污染特征解析*

吴春苗 胡偲豪 高娜娜 张崇崇 樊景森 牛红亚

(河北工程大学地球科学与工程学院，河北 邯郸 056038)

近年来，国家虽加大了污染治理力度，但我国北方地区冬春季的雾、霾和沙尘混合污染天气过程仍时有发生，并且呈现区域扩散迁移、持续时间长和影响因素复杂的特征[1],[2]88。雾、霾和尘天气出现时，常伴随着颗粒物浓度超标，可能对能见度和人体健康带来影响[3]43。

以往的研究大都只是单独针对雾、霾或者沙尘污染的[4-6]，然而随着雾、霾和沙尘混合污染的频繁出现，混合污染过程也开始受到研究者们的关注。熊亚军等[7]和王耀庭等[8]分析了北京市春季两次霾和沙尘混合污染过程不同阶段的气象形成因素。王小兰等[3]50对太原市冬季一次霾和沙尘混合污染过程的天气成因进行了分析。刘超等[2]94基于后向轨迹对北京市春季一次霾和沙尘的混合污染过程进行了来源解析。

邯郸市是河北省南部的一个典型的工业城市，属于京津冀大气污染传输通道的“2+26”城市之一，位于华北平原腹地，多盆地和山地，不利于空气流通扩散，大气污染物容易积累，时常有雾、霾和沙尘天气出现[9]。2021年1月，邯郸市更是发生了一次沙尘、霾和雾连续出现的混合污染过程，本研究拟对这次污染过程的气象条件、大气污染物的输送扩散特征及来源进行分析，为混合污染过程研究积累数据，为京津冀地区大气污染联防联控提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

大气污染物(包括SO2、NO2、CO、O3、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5))数据来源于真气网(https://www.zq12369.com/)。气象数据(包括能见度、相对湿度、温度、风向和风速)来源于慧聚大气网(https://airwise.zc12369.com/)，而后向轨迹分析运用的气象数据来自于美国国家环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合发布的全球资料同化系统(GDAS)。

1.2 污染过程划分

通常情况下，PM10的质量浓度超过《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级标准(150 μg/m3)，且能见度低于10.0 km，为沙尘污染[10]；PM2.5质量浓度超过GB 3095—2012二级标准(75 μg/m3)，且能见度低于1.0 km、相对湿度大于90%，为雾污染；PM2.5质量浓度超过GB 3095—2012二级标准(75 μg/m3)，且能见度低于10.0 km、相对湿度低于90%，为霾污染[11-12]。据此，邯郸市2021年1月11—17日为沙尘污染天、1月18—19日为清洁天、1月20—24日为霾污染天、1月25—28日为雾污染天。

1.3 研究方法

1.3.1 混合拉格朗日综合轨迹(HYSPLIT)模型

HYSPLIT模型是由美国国家海洋及大气管理局研发的一种用于模拟分析气流传输、沉降的后向轨迹模型。本研究选取大气监测国控点邯郸市河北工程大学老校区(36.62°N，114.49°E)为轨迹的起始点，模拟轨迹时长为24 h，每1 h模拟一次，模拟高度为500 m[13-14]。

1.3.2 潜在源贡献因子(PSCF)分析

PSCF分析是基于HYSPLIT模型的一种用来计算和确认污染物潜在源的分析方法[15-16]。PSCF的计算公式如下：

(1)

式中：Pij为网格(i，j)的PSCF；mij为网格(i，j)内的污染轨迹节点数；nij为网格(i，j)内的所有轨迹节点数。

由于PSCF是一个概率，具有不确定性，因此再乘以相应网格(i，j)内的权重函数(Wij)对PSCF进行加权修正后得到加权PSCF(WPSCF)，权重函数设置见式(2)。

(2)

1.3.3 浓度权重轨迹(CWT)分析

PSCF是一种条件概率，只能反映某网格的污染程度，而CWT分析可以研究污染轨迹对目标网格的贡献程度[17]，通过式(3)计算平均权重质量浓度(WCWT)。

(3)

式中：Cij为网格(i，j)内的平均WCWT，μg/m3；Ck为轨迹k经过网格(i，j)时的质量浓度，μg/m3；τijk为轨迹k在网格(i，j)内停留的时间，h。

2 污染特征分析

2.1 污染过程概况

2021年1月11—28日，邯郸市经历了一次沙尘、霾和雾接连出现的混合污染过程，图1是该次污染过程中颗粒物浓度和气象要素的逐时变化特征。

沙尘污染天：首要污染物为PM10，PM2.5/PM10平均只有0.31。1月11日，天气状况良好，多西北风，1 d后较强西北气流携带高浓度沙尘经过邯郸市导致1月12日空气质量骤然转差，PM10浓度暴增，从10：00开始出现沙尘污染，PM10的质量浓度达到了207 μg/m3，能见度为9.5 km，PM2.5的质量浓度为38 μg/m3，相对湿度为22%。受沙尘污染滞留及传输的影响，1月13日18：00 PM10达到最大值(454 μg/m3)，此时能见度只有6.0 km，此后PM10浓度逐渐降低。但在1月15日受风速降低的影响，大气扩散条件转差，6：00起PM10浓度又开始上升，一直持续到1月16日凌晨，PM2.5/PM10下降。到了1月17日，温度升高，风速增大，污染物加速扩散，大气能见度显著提高。

清洁天：平均风速为1.65 m/s，PM2.5与PM10的平均质量浓度分别为51.21、108.38 μg/m3，PM2.5/PM10平均为0.47，主导风向为偏南风，能见度平均为12.6 km。

霾污染天：首要污染物为PM2.5，能见度大幅下降，平均只有4.7 km。1月20日下午由于风速较小开始发生霾污染，PM2.5浓度不断升高，PM2.5/PM10也呈增长趋势。1月22日8：00，PM2.5质量浓度达到峰值(204 μg/m3)，能见度降到了2.2 km，此后颗粒物浓度波动下降。1月23日21：00后，颗粒物浓度开始再次增加，同时相对湿度也升高，霾污染向雾污染转变。邯郸市的这次霾污染过程PM2.5/PM10平均为0.71，大于0.6，属于重污染天气，很可能是人为污染产生的PM2.5导致的[18]，所以邯郸市应加大对人为污染源的控制。

雾污染天：首要污染物为PM2.5，PM2.5/PM10平均为0.56。1月25日凌晨至1月26日中午为大雾天气，PM2.5质量浓度超过150 μg/m3，相对湿度一直维持在较高水平，多超过90%，利于颗粒物的吸湿增长，吸湿后的颗粒物对太阳光的散射能力增强[19-20]，使得能见度下降到1.0 km以下。1月26日下午，风速增大，温度升高，PM2.5浓度波动下降，直至污染过程结束。

2.2 典型污染天大气污染物浓度对比

为了更有效分析沙尘、霾、雾污染天的日变化特征，分别选取1月13、19、22、25日作为典型沙尘污染天、清洁天、霾污染天和雾污染天，进行大气污染物浓度比较。此次污染过程颗粒物是首要污染物，PM10大量增加，霾污染天和雾污染天的PM2.5远远高于清洁天和沙尘污染天。由图2可见，沙尘污染天、霾污染天和雾污染天的SO2和CO浓度变化与清洁天相比，差异较大，尤其是霾污染天。在霾污染天，SO2、CO与PM2.5变化趋势相似，都是单峰型，基本上都在8：00左右浓度达到最高，这是因为霾污染天SO2、CO和PM2.5的浓度受地面风速和风向的影响较大[3]50。沙尘污染天、霾污染天和雾污染天的NO2与O3度变化与清洁天相比，趋势比较相似，表明NO2和O3与这次污染的关系不大。

注：PM2.5/PM10为质量浓度之比。图1 颗粒物浓度和气象要素的逐时变化特征Fig.1 Hourly variation of particulate matter concentrations and meteorological elements

3 来源解析

3.1 后向轨迹聚类分析

为了分析4类不同污染过程下污染物的来源差异，利用TrajStat软件对沙尘污染天、清洁天、霾污染天和雾污染天进行后向轨迹聚类分析。沙尘污染天的气流以西北方向输入为主，轨迹多且长，占总轨迹的67.26%。蒙古、中国内蒙古自治区等西北沙源地降雪稀少，无积雪覆盖，地表裸露，冷空气来袭诱发沙尘天气；加上大风传输作用下，沙尘随引导气流东移南下，邯郸市受到影响。随着来自西北沙源地的风力减弱，沙尘污染逐渐得到缓解，来自西北方向的气流轨迹减少到14.59%，沙尘污染过程趋于结束。然而邯郸市在两天的优良天后，相对湿度增大，风速降低，接连发生了霾污染和雾污染。霾污染天的轨迹主要是来自邯郸市周边的短气流轨迹，来自邢台市方向的气流轨迹占了总轨迹的31.67%。雾污染天以来自山西省南部方向的气流轨迹占多数，占到总轨迹的31.25%。

图2 大气污染物小时质量浓度变化特征

3.2 潜在污染源分析

气团后向轨迹聚类分析虽然能够较为清晰地说明沙尘污染天、霾污染天和雾污染天的气团来源方向，但是不能够更加精准地说明潜在污染源的分布，故利用PSCF和CWT的计算来揭示不同污染过程下各大气污染物的传输扩散分布。结果发现，不同污染过程的污染物源解析结果差别很大。沙尘污染天的WPSCF高值分布范围较广，霾污染天的WPSCF高值多沿山西省中部和河北省中南部呈直线分布，而雾污染天的各大气污染物WPSCF分布差别不大。沙尘污染天的WCWT高值沿蒙古南部、中国内蒙古自治区中西部、陕西省北部、山西省中南部、河北省南部和东部等地呈西北—东南向狭长分布，霾污染天和雾污染天的WCWT高值呈“勺状”分布，主要集中在邯郸市周边，特别是PM2.5的高值区范围最大，反映出在霾污染天和雾污染天主要是PM2.5的污染。

4 结 论

2021年1月11—28日，邯郸市经历了一次沙尘、霾和雾接连出现的混合污染过程，其中1月11—17日为沙尘污染天，首要污染物为PM10；1月18—19日为清洁天；1月20—24、25—28日分别为霾污染天和雾污染天，首要污染物均为PM2.5。此次污染过程颗粒物是首要污染物，与NO2和O3关系不大。沙尘污染天的气流以西北方向输入为主，污染范围较广，受来自蒙古、中国内蒙古自治区等西北地区的冷空气影响尤为明显。霾污染天的气流主要是来自邯郸市周边的短气流，主要沿山西省中部和河北省中南部呈直线分布。雾污染天的气流也主要来自邯郸市周边，以山西省南部为主。