王愛琴 劉夢(mèng)杰 王俊超 袁蘇瑞

氣象因子對(duì)許昌市冬季典型重污染天氣的影響分析

王愛琴 劉夢(mèng)杰 王俊超 袁蘇瑞

（許昌市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河南 許昌 461000）

本文利用空氣質(zhì)量和氣象要素小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析2016年12月18日至21日發(fā)生的持續(xù)性PM2.5重污染過程前后空氣質(zhì)量和主要?dú)庀笠蜃拥淖兓卣鳎接憵庀笠蜃訉?duì)大氣環(huán)境的影響。研究結(jié)果表明：本次重污染過程是穩(wěn)定氣象條件下導(dǎo)致的局地污染積累；在污染積累階段，風(fēng)速明顯偏小，相對(duì)濕度逐漸增加；而在污染清除階段，氣象要素的變化則相反，風(fēng)速明顯增大，相對(duì)濕度顯著下降；風(fēng)速和相對(duì)濕度與PM2.5質(zhì)量濃度間均存在指數(shù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)平方R2分別為0.451 5、0.541 8，表明在大氣污染過程中氣象因子對(duì)大氣環(huán)境的影響十分明顯。

許昌市；重污染；氣象因子

近年來，我國(guó)京津冀及周邊地區(qū)大氣污染形勢(shì)嚴(yán)峻，尤其是秋冬季節(jié)，容易出現(xiàn)持續(xù)性、大范圍的重度霾天氣和重污染過程，對(duì)城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和人體健康等均會(huì)產(chǎn)生不良影響［1-2］。重污染的發(fā)生主要由污染源排放和氣象條件共同影響。在排放源沒有明顯改變的情況下，氣象條件對(duì)污染的發(fā)生、發(fā)展和消散起著決定性作用。通過分析氣象因子對(duì)許昌市大氣環(huán)境的影響，在重污染天氣來臨之前采取有效的應(yīng)急和污染控制措施，可以有效降低污染程度，減少對(duì)人體健康的影響。

本研究以2016年12月18日至21日許昌市一次重污染天氣為例，利用大氣環(huán)境和氣象要素小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析污染過程前后空氣質(zhì)量和氣象因子的變化特征，研究許昌市冬季典型大氣污染過程中氣象因子對(duì)大氣環(huán)境的影響。此次污染過程最高級(jí)別達(dá)到6級(jí)嚴(yán)重污染，以PM2.5為首要污染物，天氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)變具有代表性，是一次典型的大氣污染過程。

1 重污染過程中空氣質(zhì)量級(jí)別演變

2016年12月18日至21日，許昌市發(fā)生了一次嚴(yán)重污染過程，表1為重污染過程期間許昌市主要污染物的日平均濃度、空氣質(zhì)量指數(shù)及級(jí)別統(tǒng)計(jì)表。12月17日，許昌市AQI為142，空氣質(zhì)量級(jí)別為輕度污染。18日，污染水平大幅度升高，PM2.5日均質(zhì)量濃度從17日的108μg/m3上升至247μg/m3，污染級(jí)別從3級(jí)升為5級(jí)重度污染。19日，污染程度達(dá)到最高水平，PM2.5質(zhì)量濃度繼續(xù)上升，達(dá)到506μg/m3，為6級(jí)嚴(yán)重污染。20日，污染水平有所下降，但PM2.5的日均濃度仍高達(dá)454μg/m3。連續(xù)2天維持6級(jí)嚴(yán)重污染，說明此次污染過程很嚴(yán)重。21日，污染水平下降到5級(jí)重度污染。22日，受明顯冷空氣影響，污染擴(kuò)散條件明顯改善，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良，此次污染過程基本結(jié)束。

表1 重污染過程期間許昌市主要污染物濃度及空氣質(zhì)量級(jí)別統(tǒng)計(jì)表

重污染過程期間，PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO污染物IAQI變化趨勢(shì)基本一致，19日之前同步上升，并在19日達(dá)到最高污染水平，之后同步下降直至污染過程結(jié)束。19日，PM10、PM2.5日均質(zhì)量濃度分別高達(dá) 544μg/m3、506μg/m3，超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值2.63倍、5.75倍。在污染過程中，首要污染物均為PM2.5。此次重污染過程具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染級(jí)別高的特點(diǎn)，是一次非常罕見的重污染過程。

2 重污染過程及氣象條件影響分析

2.1 污染期間各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5小時(shí)濃度演變

圖1 12月17日至22日許昌市空氣質(zhì)量各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5小時(shí)濃度演變

圖2 12月17日至22日市區(qū)基本氣象要素小時(shí)演變

圖1 為12月17日至22日許昌市空氣質(zhì)量各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5小時(shí)濃度的變化情況。從圖1可以看出，許昌市三站點(diǎn)在18日至21日PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)一致。許昌市17日偏南風(fēng)2-3級(jí)，早晚濕度大，污染物開始積累。18日有中到重度霾，早晚濕度較大，有逆溫，下午由南部氣流轉(zhuǎn)為東部氣流，空氣濕度進(jìn)一步加大，18日中午PM2.5濃度顯著上升。19日受18日以來大霧、高濕、靜穩(wěn)和逆溫等不利氣象條件的影響，本地積累加上境外傳輸使許昌市出現(xiàn)了有史以來范圍最大、級(jí)別最高的嚴(yán)重至重度污染過程，19日22時(shí)全市PM2.5達(dá)到峰值，為646μg/m3。20日早上有霧，全天空氣濕度較高，并伴有小雨或零星小雨，擴(kuò)散條件較19日稍好，但空氣質(zhì)量仍為嚴(yán)重污染。21日偏北風(fēng)3-4級(jí)，污染形勢(shì)好轉(zhuǎn)。22日，西北風(fēng)4級(jí)左右，受高空強(qiáng)暖濕氣流和西北弱冷空氣南下共同影響，空氣質(zhì)量明顯改善，PM2.5日均質(zhì)量濃度下降至28μg/m3，此次污染過程結(jié)束。

2.2 污染期間氣象條件變化分析

利用自動(dòng)站氣象觀測(cè)資料對(duì)基本氣象要素進(jìn)行分析，此次污染過程18日至21日期間，平均地面氣溫為6.4℃、相對(duì)濕度為84.3%、地面氣壓為1 013.79hPa、地面風(fēng)速為0.5m/s，本次重污染過程具有濕度高、氣壓高、風(fēng)速弱的氣象特點(diǎn)。

相對(duì)濕度作為影響大氣污染物濃度的一個(gè)重要?dú)庀笠?，在濕度較大的環(huán)境中，大氣污染物特別是PM2.5的吸濕增長(zhǎng)速度較快，導(dǎo)致污染物濃度增加，加劇大氣污染程度。由圖2（a）可知，此次污染過程18日至21日期間，相對(duì)濕度處于一個(gè)較高水平，在19日21時(shí)至21日21時(shí)相對(duì)濕度達(dá)到最大，最高為95%，此時(shí)段PM2.5濃度也達(dá)到峰值，空氣污染最為嚴(yán)重。隨后，相對(duì)濕度開始下降，在22日15時(shí)下降到33%，PM2.5濃度同時(shí)快速下降，空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)，表明空氣濕度與污染的發(fā)生和轉(zhuǎn)變關(guān)系密切。在該污染過程中，氣溫日夜變化較為明顯，最高溫度10.7℃，最低氣溫為3.3℃。18日至21日，氣壓總體較高，基本處于均壓場(chǎng)，形成小風(fēng)靜穩(wěn)的天氣條件，導(dǎo)致本地污染排放快速積累。其中，風(fēng)速大小影響著污染物的水平擴(kuò)散傳輸，風(fēng)速越大，污染物擴(kuò)散速度越快。從圖2（b）風(fēng)速的小時(shí)變化圖中可以看出，在污染開始累積前，許昌市的小時(shí)平均風(fēng)速較大；在污染物濃度開始逐漸增加并達(dá)到峰值階段，風(fēng)速明顯減小并維持在0～0.5m/s；隨著22日1時(shí)風(fēng)速突然加大，污染物濃度也急劇下降至較低水平，污染快速擴(kuò)散，空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。

2.3 主要?dú)庀笠蜃优c污染物濃度相關(guān)性分析

圖3 許昌市風(fēng)速、相對(duì)濕度與PM2.5濃度相關(guān)性圖

通過上述分析可以看到，氣象因子對(duì)污染物濃度和空氣質(zhì)量的影響十分明顯。由于冬季大氣污染首要污染物主要為PM2.5，因此選取PM2.5質(zhì)量濃度與風(fēng)速、相對(duì)濕度，采用相關(guān)性分析方法研究本次污染過程前后氣象要素與大氣污染物濃度間的相關(guān)關(guān)系。從圖3可以看出，風(fēng)速和相對(duì)濕度與PM2.5濃度均呈現(xiàn)指數(shù)相關(guān)。R2分別為0.451 5、0.541 8。隨著風(fēng)速增大，PM2.5濃度快速下降，當(dāng)風(fēng)速超過2.5m/s時(shí)，濃度下降速度變緩。相對(duì)濕度與PM2.5濃度的相關(guān)關(guān)系更為明顯，隨著相對(duì)濕度增加，PM2.5濃度也逐漸升高，當(dāng)相對(duì)濕度大于60%時(shí)，PM2.5濃度快速上升。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

通過分析許昌市一次典型的重污染天氣過程前后空氣質(zhì)量與氣象因子變化，得到以下結(jié)論：

①此次許昌市重污染過程連續(xù)兩天為嚴(yán)重污染，并具有濕度高、均壓場(chǎng)、風(fēng)速弱的氣象特點(diǎn)。

②在污染積累階段，風(fēng)速明顯偏小，相對(duì)濕度逐漸增加；而在污染消除階段，風(fēng)速明顯偏大，相對(duì)濕度顯著下降。

③在污染源沒有顯著變化的條件下，氣象因素是影響污染的關(guān)鍵。風(fēng)速和相對(duì)濕度均與PM2.5質(zhì)量濃度呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系，R2分別為0.451 5、0.541 8。

3.2 建議

①應(yīng)充分重視長(zhǎng)時(shí)間重污染態(tài)勢(shì)，按照國(guó)家和省相關(guān)要求啟動(dòng)相應(yīng)級(jí)別的應(yīng)急預(yù)警，切實(shí)將應(yīng)急措施落實(shí)到位。

②建議許昌市在出現(xiàn)高濕靜穩(wěn)的不利氣象條件時(shí)，應(yīng)及時(shí)做好污染減排，加強(qiáng)企業(yè)揚(yáng)塵和建筑施工等面源污染減排，特別是城市車輛限行、區(qū)域涉氣企業(yè)錯(cuò)峰限產(chǎn)及停產(chǎn)措施到位，從控制污染物來源方面降低污染水平。

③污染過程期間，政府、媒體要做好公眾健康防護(hù)警示：兒童、老年人和患有心腦血管、呼吸系統(tǒng)等疾病的易感人群宜留在室內(nèi)，確需外出的，需要佩戴口罩；普通人群要減少戶外運(yùn)動(dòng)和室外作業(yè)時(shí)間，若不可避免，也應(yīng)采取相應(yīng)防護(hù)措施。

［1］謝元博，陳娟，李巍，等.霧霾重污染期間北京居民對(duì)高濃度PM2.5持續(xù)暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)及其損害價(jià)值評(píng)估［J］.環(huán)境科學(xué)，2014（1）：1-8.

［2］張南，熊黑鋼，葛秀秀，等.北京市冬季霧霾天人體呼吸高度PM2.5變化特征對(duì)氣象因素的響應(yīng)［J］.環(huán)境科學(xué)，2016（7）：2419-2427.

Analysis of the Influence of Meteorological Factors on Typical Heavy Pollution Weather in Xuchang in Winter

Wang Aiqin Liu Mengjie Wang Junchao Yuan Surui
（Environment Monitoring Center of Xuchang City，Xuchang Henan 461000）

This paper mainly used the multi-site hour observation data of air quality and meteorological factors,and analyzed the change characteristics of continuance heavy pollution process before and after air quality and meteorological factors of PM2.5 from December 18-21,2016,and discussed the influence of meteorological factors on the atmospheric environment.The result showed that the heavy pollution process is the accumulation of local pollution caused by stable meteorological conditions.In the pollution accumulation period,wind speed was lower obviously and the relative humidity increased gradually.While in the pollution cleanup period,changes of meteorological factors was on the contrary,wind speed increased significantly and relative humidity decreased evidently.

Xuchang city；heavy pollution；meteorological influence

X51

A

103-5168（2017）09-0155-03

2017-08-01

王愛琴（1965-），女，本科，高級(jí)工程師，研究方向：大氣、水質(zhì)、噪聲、環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)、管理及大氣污染防治。