周玉都，王 夢，郭立平，高慶先，李 娜

(1.河北省廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000； 2.中國環(huán)境科學研究院，環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012)

引 言

近年來，隨著京津冀及周邊地區(qū)經(jīng)濟持續(xù)快速的發(fā)展，重污染天氣也時常發(fā)生[1]。空氣質(zhì)量直接關系人類的健康，已成為全民關注的重點問題。而影響空氣質(zhì)量的因素較多，除了人為污染物的排放和區(qū)域傳輸外，還受天氣形勢的驅動，另外區(qū)域空氣污染與天氣過程密切相關[2～4]，污染源排放是大氣污染的內(nèi)因，氣象條件則是外因[5]。因此，為了給調(diào)控措施提供較為科學的參考依據(jù)，國內(nèi)很多學者已經(jīng)針對空氣質(zhì)量和重污染天氣做了大量的分析和研究，這既包括了污染事件的形成與消散過程，如采取增加常綠植物的覆蓋度、規(guī)范工業(yè)排放標準、推廣新能源汽車等手段，可以降低污染物的積聚速度和加快污染物的消散[6-7]；又包括空氣質(zhì)量變化與氣象要素的關系，如武漢PM2.5濃度變化與降水量、風和氣溫的相關關系呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異，而降水對賀州市空氣質(zhì)量的轉好作用最明顯，降水強度雨大，空氣質(zhì)量越好[8～12]；此外，還涵蓋了污染物濃度的時空變化特征，比如汽車尾氣是南充冬季大氣污染物的主要來源，而泰州西部內(nèi)陸方向和東南部近距離傳輸對首要污染物PM2.5和O3濃度的貢獻更為明顯[13-14]；又涵蓋了春節(jié)期間煙花爆竹的集中燃放對空氣質(zhì)量的影響，比如煙花爆竹的禁燃使得東北和合肥地區(qū)的空氣質(zhì)量有明顯的好轉[15-16]。以上研究，是借助分析空氣污染的變化規(guī)律和影響因子，建立、健全合理的調(diào)控措施，達到減排、降低污染的目的。

本文利用河北省142個國家站點逐日、逐時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及對應的氣象觀測資料分析2013～2020年2、3月份空氣質(zhì)量時空變化變化，從AQI指數(shù)、污染物濃度逐日和逐小時的時空變化等多個方面分析2020年(2、3月，新冠肺炎嚴控階段，下同)停工停產(chǎn)以及人們生產(chǎn)、生活活動的減弱對河北省空氣質(zhì)量變化的影響，對比通過調(diào)控帶來的空氣質(zhì)量的變化情況，以期找到兩者對空氣質(zhì)量影響的相同和不同之處，為完善調(diào)控措施提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

文中資料為河北省氣象局信息共享平臺2013～2020年2、3月全省142個行政區(qū)氣象觀測站點和環(huán)境監(jiān)測站點空氣污染物資料以及氣溫、風速、相對濕度等氣象資料。該平臺環(huán)保數(shù)據(jù)是河北省氣象局與河北省環(huán)保廳的環(huán)境氣象交換數(shù)據(jù)。采用對比分析法對污染物和氣象數(shù)據(jù)進行時間對比分析，采用克里金空間格點插值方法對污染物濃度進行空間插值，對插值后的數(shù)據(jù)進行空間對比分析。

2 結果分析

2.1 空氣質(zhì)量和污染物濃度

新冠肺炎停工停產(chǎn)期間，河北省有8個地市日平均AQI值較2019年呈下降趨勢(圖1)，3個地市呈上升趨勢，下降比例排名前三的分別是邢臺、邯鄲、衡水，下降比例分別是27.9%，26.4%、19.8%，另外，張家口AQI指數(shù)上升最為明顯，達到13.9%，這是因為2020年河北北部張北高原 平均風速較歷史同期有明顯增加，浮沉和揚沙天氣增多，造成AQI指數(shù)上升?？諝赓|(zhì)量方面(圖2左)，2013～2020年空氣質(zhì)量為良的天數(shù)占比逐年上升迅速，并且在2015、2018年有明顯上升拐點，2020年較2019年占比增加9.7%，而中度和重度污染天數(shù)占比2020年較2019年有明顯的下降拐點，下降比例分別達到5.5%、3.5%，2020年空氣質(zhì)量轉好較往年更為明顯。從污染物日平均濃度變化來看(圖2右)，除O3外，其他污染物濃度均呈下降趨勢，其中PM10從2014年最高208μg/m3下降到2020年104μg/m3，并且2020年較2019年下降22μg/m3，降幅達到18.1%；另外，PM2.5從2014年最高149μg/m3下降到2020年63μg/m3，較2019年下降11μg/m3，降幅達到14.9%。停工停產(chǎn)使得污染物排放量的減少，對空氣污染物濃度的下降和空氣質(zhì)量的改善有明顯的積極作用。此外，O3在2018～2019年有急速增長現(xiàn)象，是因為O3的生成是靠光化學反應消耗NO2、NO、CO等氣體，而2020年較2019年有小幅下降，是因為污染物排放的減少，造成光化學反應生成的O3濃度也隨之下降，從而也印證了NO2、NO、CO等污染物排放量的明顯減少。

圖1 2013～2020年2～3月河北AQI對比Fig.1 Comparison of Hebei AQI from February to March during 2013～2020

圖2 2013～2020年空氣質(zhì)量天數(shù)比例和污染物濃度Fig.2 Proportion of air quality days and pollutant concentrations during 2013～2020

進一步分析河北省主要城市污染物日平均濃度峰值和均值變化(表1)發(fā)現(xiàn)，省會石家莊PM2.5，2017年峰值達到442μg/m3，2020年降至209μg/m3，較2019年的246μg/m3下降37μg/m3，降幅達15%；同時PM10在2017年峰值為563μg/m3，到2020年降至156μg/m3，較2019年的390μg/m3下降134μg/m3，降幅高達34.4%，比2017～2019年期間的降幅30.7%高出近4個百分點。另外，邯鄲、邢臺、保定、滄州中南部，污染物日平均濃度峰值和均值都有不同程度的下降，而張家口、承德、秦皇島北部PM10、NO2有小幅下降，PM2.5、SO2、CO均有不同程度的增幅，這一方面是因為河北北部污染物濃度基數(shù)低于中南部城市，新冠肺炎期間人類活動的減少，對北部地區(qū)空氣質(zhì)量影響程度弱于中南部；另一方面，2020年河北北部極端最低氣溫的平均值為-19.2℃，較歷史同期偏低4.9℃，北部較低的溫度使得采暖季燃煤排放污染物增多。

表1 河北省主要城市污染物濃度值Tab.1 Pollutant concentration values of major cities in Hebei Province

續(xù)表1

2.2 首要污染物

從表2得知，首要污染物是SO2的站次和占比從2014年的25站次、3.86%，降至2020年0站次、0.00%，首要污染物是NO2的站次和占比也有較為明顯的下降；而O3、PM10、PM2.5從2019年占比2.65%、44.22%、51.88%到2020年上升至3.45%、40.75%、55.26%，這說明疫情停產(chǎn)對SO2、NO2的影響程度高于O3、PM10、PM2.5；而O3站次和的占比的升高是因為光化學反應消耗了NO2造成的，而SO2、NO2站次和占比的降低是和近年來日益嚴格的排放標準，以及今年大范圍的停工停產(chǎn)有直接關系。

表2 2013～2020年河北省首要污染物站次和占比Tab.2 Stations and proportion of major pollutants in Hebei Province during 2013～2020

2.3 污染物濃度逐日變化

通過分析氣象要素逐日變化發(fā)現(xiàn)，2018～2020年氣象條件基本一致，可以在滿足同等氣象條件下，對比污染物的日平均濃度。分析石家莊和廊坊污染物日平均濃度和氣象要素的日平均值(圖3)，以及同等氣象條件下2～3月污染物濃度的逐日變化和污染物日積聚、消散速度，進一步總結停工停產(chǎn)對河北空氣質(zhì)量的影響。結果表明， PM10、PM2.5、 CO日平均濃度相關性較好，積聚或消散的較為一致；NO2與CO日平均濃度則呈反相關變化；而SO2日平均濃度逐年下降最為明顯，特別是新冠肺炎防控期間濃度一直維持在較低的水平。2020年大部分地市污染物的積聚速度(日平均濃度積聚速度，下同)和增長比例(日平均濃度增長比例，下同)呈明顯下降趨勢。如2018～2020年石家莊SO2積聚速度分別是42.0、20.0、15.0μg/(m3·d)，增長比例分別是2.47倍、1.67倍、1.5倍；廊坊SO2積聚速度分別是44.0、12.0、5.0μg/(m3·d)，增長比例分別是2.5倍、2.0倍、0.75倍；另外，廊坊CO積聚速度從2018年的1.0～2.9mg/(m3·d)下降到2020年的0.5～1.3mg/(m3·d)，增長比例從1.1～2.3倍降至0.8～1.5倍，NO2從2018年的23～47μg/(m3·d)下降到2020年的14～34mg/(m3·d)，增長比例從0.88～3.3倍降至0.5～1.6倍；此外，石家莊和廊坊O3、PM10、PM2.5積聚速度和增長比例均有不同程度的下降。污染物濃度的消散速度和下降比例變化不明顯，NO2、O3在11個地市中有5個地市日消散速度加快，其他污染物日消散速度加快的地市均不多于2個，說明大氣污染物排放的減少在一定程度上加速NO2、O3的消散，但是污染物的消散速度主要還是受氣象擴散條件的影響。

圖3 2018～2020年污染物濃度和氣象要素日變化趨勢Fig.3 Daily change trend of pollutant concentration and meteorological elements during 2018～2020

2.4 空氣質(zhì)量和污染物濃度逐小時變化

通過分析2018～2020年污染物逐小時平均濃度發(fā)現(xiàn)，河北省污染物濃度具有明顯的日變化特征(圖4)。結果表明，2018～2020年污染物小時濃度日變化振幅隨年份逐漸減小，并且2020年減小幅度較2019年更為明顯。石家莊、廊坊PM2.5和PM10小時濃度日變化呈“單峰單谷”型，峰值時間均在01～03時，而谷值時間，石家莊從2018、2019年的16時提前到13時前后，廊坊則提前到15時，并且石家莊、廊坊PM2.5、PM10小時濃度08時前后降幅有明顯的增加，這是因為隨著地面溫度上升，大氣湍流活動加強，有利于空氣污染物的擴散。

圖4 2018～2020年污染物濃度小時變化趨勢Fig.4 The hourly change trend of pollutant concentration during 2018～2020

由濃度值可知(圖4)，石家莊PM2.5小時濃度峰值于2018、2019、2020年分別達到118.2μg/m3、102μg/m3、75.3μg/m3，谷值分別是85.6μg/m3、74.4μg/m3、51.2μg/m3，2019年峰值和谷值較上年降低16.2μg/m3、11.2μg/m3，2020年峰值和谷值降低26.7μg/m3、23.2μg/m3，而石家莊2019年PM10小時平均濃度峰值和谷值較上年降低8.6μg/m3、21.3μg/m3，2020年峰值和谷值降低57μg/m3、43.8μg/m3，由此可見，石家莊2020年PM2.5、PM10無論是峰值還是谷值較2019年下降更為明顯；廊坊PM2.5小時濃度2019年峰值和谷值較上年分別升高0.9μg/m3和降低9.3μg/m3，2020年峰值和谷值降低26.5μg/m3、5.2μg/m3，而2019年PM10小時濃度峰值和谷值較上年降低18.0μg/m3、20.4μg/m3，2020年峰值和谷值降低42.4μg/m3、21.6μg/m3，所以廊坊2020年PM2.5、PM10無論是峰值還是谷值較2019年下降也更為明顯。對比石家莊和廊坊小時濃度值發(fā)現(xiàn)，2020年PM2.5、PM10小時濃度峰值和谷值石家莊比廊坊下降更為顯著。

另外張家口2020年PM2.5日峰值和谷值較2019年均有小幅的上升，分別上升0.2μg/m3、1.2μg/m3，PM10日峰值和谷值分別下降5.5μg/m3、3.6μg/m3。因此，張家口2020年的下降幅度弱于廊坊，而石家莊、廊坊、張家口分別位于河北南部、中部和北部，2020年河北省PM2.5、PM10小時濃度峰值和谷值下降幅度從南向北逐漸降低，北部PM10小時濃度峰值和谷值甚至有小幅度上升。

NO2、CO、SO2小時濃度的日變化呈“雙峰-雙谷”型，17時前后從谷值開始大幅度增加，第二日01時前后達到第一個峰值，之后先小幅下降后上升，在08時前后達到第二個峰值，之后又大幅度下降，至16時前后達到谷值；對比結果顯示，河北省從南向北NO2、CO、SO2小時濃度曲線夜間振幅有增加趨勢，“雙峰-雙谷”型日變化愈加明顯。而O3小時平均濃度日變化呈“一峰一谷”型，與其他污染物的日變化呈反相關，振幅隨著年份有小幅下降。新冠肺炎期間大范圍的停工停產(chǎn)使得污染物積聚速度下降，造成污染物小時濃度日變化峰值和谷值均有顯著的降低，下降值從南向北呈遞減趨勢。

從2018～2020年重度污染和嚴重污染持續(xù)最長時間得知(圖5)，石家莊2018、2019、2020年重度污染最長持續(xù)時間分別是41h、29h、18h，2020年降比達到了37.9%，高于2019年的29.3%；而嚴重污染最長持續(xù)時間分別是51h、20h、3h，2020年降比達到了85.0%，同樣高于2019年的60.8%。2019年較2018年重度污染和嚴重污染持續(xù)時間，個別地市有所增加，如滄州、衡水重度污染持續(xù)時間增加明顯，滄州、邯鄲嚴重污染增加明顯，但是，2020年較2019年重度污染和嚴重污染持續(xù)時間全省均呈下降趨勢，并且降幅明顯高于2019年。停工停產(chǎn)期間污染物排放的減少使得重度、嚴重污染最長持續(xù)時間明顯變短。

圖5 2018～2020年重度、嚴重污染最長持續(xù)時間Fig.5 The longest duration of Heavy and Serious pollution during 2018～2020

2.5 污染物濃度區(qū)域分布變化

與2018年相比，2019、2020年河北全省范圍污染物濃度呈明顯下降趨勢。由圖6可知，2018年河北中南部地區(qū)污染物濃度較大，污染程度重，西北部地區(qū)相對較輕，PM2.5濃度超過100μg/m3的區(qū)域主要集中在石家莊、邢臺、邯鄲附近的河北西南部及唐山附近的河北東北部地區(qū)，而SO2濃度超過40μg/m3的區(qū)域除了上述地區(qū)外還有保定西部山區(qū)，2018年污染區(qū)域廣、污染程度重，并且SO2區(qū)域分布差異較PM2.5更為明顯。2019年污染物濃度顯著下降，PM2.5濃度只有石家莊個別站點超過100μg/m3，總體上河北中南部污染物濃度值較高；同樣SO2濃度比2018年也有明顯下降，只有西南部和東北部部分地區(qū)濃度大于20μg/m3。2020年污染物濃度大范圍、大幅度減小，PM2.5濃度只有石家莊附近個別站點超過60μg/m3，并且高濃度值區(qū)面積明顯縮小，以東南地區(qū)下降最為明顯；SO2濃度大于20μg/m3的區(qū)域在南部、東北部面積縮小顯著，但是在保定西部山區(qū)有明顯的增加，是因為2、3月份河北多偏東風，受到太行山脈的阻擋易造成污染物的積聚。從氣象條件來看，受到太行山和燕山山脈地形的影響，當華北地區(qū)盛行偏東風或偏南風時，受地形的阻擋，在河北西部、中部易形成污染物濃度大值區(qū)，造成重度污染，甚至嚴重污染天氣。

圖6 2018～2020年PM2.5、SO2濃度空間分布Fig.6 Spatial distribution of PM2.5 and SO2 concentrations during 2018～2020

3 結 論

3.1 2020年大范圍、長時間停工停產(chǎn)對空氣污染物濃度的下降和空氣質(zhì)量的改善有積極作用。2020年日平均AQI指數(shù)較2019年有大幅度的下降，空氣質(zhì)量為良的天數(shù)較2019年上升9.7%，中度和重度污染的天數(shù)分別下降5.5%、3.5%。

3.2 全省平均污染物濃度除O3外都有顯著下降，中南部和東部地區(qū)降幅較為明顯，北部下降幅度較小。

3.3 各首要污染物變化不同，其中NO2、SO2的站次和占比顯著下降，O3、PM10、PM2.5占比均有不同程度的增加，減排對SO2、NO2的影響程度高于O3、PM10、PM2.5。

3.4 全省各污染物濃度具有明顯的日變化特征，小時濃度日變化振幅隨年份逐漸減小，減小值從南向北呈遞減趨勢。石家莊SO2日平均濃度增長比例從2018年的2.47倍下降至2020年1.5倍，全省范圍污染物日平均濃度積聚速度和日增長比例均有不同程度的下降，而消散速度變化不明顯；大氣污染物排放減少在一定程度上加速NO2、O3的消散，但是污染物消散速度與氣象擴散條件的影響密不可分。

3.5 目前的調(diào)控措施對空氣質(zhì)量有了明顯的改善，對比新冠肺炎期間的“零排放”發(fā)現(xiàn)，調(diào)控措施的效果區(qū)域性差異較大，中南部和東部地區(qū)仍有較大的提升空間；另外，不同污染物的調(diào)控效果也有差異，應增加針對NO2、SO2的減排措施。研究結果為河北省重污染天氣調(diào)控措施的完善提供了科學依據(jù)。