石家莊市春季典型霾和沙塵混合污染天氣過(guò)程特征分析

徐曼　程麗萍　王瑋

摘 要：為研究春季典型的混合污染天氣過(guò)程的發(fā)生機(jī)理和發(fā)展變化規(guī)律，利用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀對(duì)大氣細(xì)顆粒物進(jìn)行了成分分析及來(lái)源解析，并綜合利用地面空氣污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)、常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)等，分析了2018年石家莊市春季典型霾加沙塵過(guò)境的混合污染天氣過(guò)程的發(fā)生成因。結(jié)果表明，這次污染過(guò)程中機(jī)動(dòng)車直接排放的細(xì)粒子是PM2.5的重要來(lái)源，最高達(dá)到35.5%，同時(shí)機(jī)動(dòng)車尾氣源數(shù)濃度的增加隨PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度的增加最為明顯。北方三、四月份是沙塵多發(fā)期，應(yīng)提前預(yù)估沙塵污染的影響，并做好本地防御;應(yīng)在繼續(xù)鞏固保持秋冬季霧霾防治措施的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)做好預(yù)測(cè)工作;提前對(duì)機(jī)動(dòng)車排污、工業(yè)排污以及無(wú)機(jī)源和燃煤等污染源進(jìn)行管控，強(qiáng)化對(duì)春季霾和沙塵混合污染的預(yù)防。

關(guān)鍵詞：大氣污染防治工程;石家莊市; 春季;混合污染;SPAMS

中圖分類號(hào)：X610

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：In order to study the mechanism and development of the typical mixed pollution weather process in spring， the causes of the mixed pollution weather process

were analyzed by single particle Aerosol Mass spectrometer（SPAMS） in the spring of 2018 in Shijiazhuang City， where typical haze and sanddust pass through，using the composition and source analysis of fine particles in the atmosphere，combined with the ground air pollution monitoring data， radar data， and conventional meteorological observation data. The results show that fine particles directly discharged by vehicles are an important source of PM2.5， the maximum is 35.5%， and the increase of the concentration of motor vehicle exhaust gas is the most obvious with the increase of PM2.5 mass concentration. In northern China， March and April are the seasons of dust， so the impact of dust pollution should be estimated in advance， and local defense should be done. On the basis of smog prevention measures in autumn and winter， forecasting work will be valued，and pollution sources such as motor vehicle sewage， industrial sewage， inorganic sources and coal burning need to be controlled in advance to strengthen prevention of mixed pollution of spring haze and sand dust.

Keywords：air pollution prevention and control project; Shijiazhuang City; spring; mixed pollution; SPAMS

3月份是中國(guó)華北地區(qū)大氣環(huán)流形勢(shì)較為活躍的時(shí)期，冷暖空氣勢(shì)力相當(dāng)，隨著副熱帶高壓的北抬，系統(tǒng)性東南暖濕氣流將大量的水汽輸送至華北地區(qū)，易出現(xiàn)靜穩(wěn)、高濕的不利氣象條件，但由于春季氣溫的回升，地面干燥，在中國(guó)北方地區(qū)的三、四月份還是沙塵天氣的多發(fā)期。目前，學(xué)者們對(duì)華北地區(qū)的氣候特征及其與沙塵天氣關(guān)系方面的研究較多。王金艷等[1]、楊續(xù)超等[2]、閻訪等[3]從華北地區(qū)春季沙塵暴與氣候因子的關(guān)系、對(duì)流層各層風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系、春季大風(fēng)變化特征等角度進(jìn)行了深入分析，探究了污染的形成和發(fā)展機(jī)理，取得了針對(duì)性較強(qiáng)的研究結(jié)果。

石家莊市作為全國(guó)空氣嚴(yán)重污染的城市之一，雖然秋冬季節(jié)是空氣重污染過(guò)程的高發(fā)季節(jié)，占全年重污染天氣的90%左右，但春季的污染特征也比較典型。石家莊市位于河北省中南部，北緯37°27′～38°45′，東經(jīng)113°30′～115°29′，西鄰太行山，市域地勢(shì)西高東低，地貌復(fù)雜多樣[35]。3月中旬前后隨著供暖期的結(jié)束，污染源會(huì)發(fā)生明顯的變化，污染過(guò)程復(fù)雜多變，尤其2018年3月9日—3月15日發(fā)生了非常典型的持續(xù)重度霾加沙塵過(guò)境的混合污染過(guò)程。本文通過(guò)分析這次典型污染過(guò)程的氣象條件、顆粒物組分變化特征、各污染物之間的相互關(guān)系以及管控措施，探討類似春季典型的混合污染天氣過(guò)程發(fā)生的機(jī)理和發(fā)展變化規(guī)律，以期做到過(guò)程前精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，過(guò)程中更好管控，為環(huán)境管理部門科學(xué)有效地治理石家莊市大氣污染提供重要依據(jù)[67]。

1 材料與方法

1.1 樣品點(diǎn)位

本文所采用的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均來(lái)自石家莊市國(guó)控、省控、市控監(jiān)測(cè)點(diǎn)位實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);組分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用設(shè)置在石家莊市電視塔上的大氣梯度監(jiān)測(cè)站20 m層級(jí)處東經(jīng)114°31′49″，北緯38°01′11″的SPAMS在線監(jiān)測(cè)設(shè)備和微脈沖激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)設(shè)備;天氣圖和遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于中央氣象臺(tái)和遙感所，采集時(shí)間段為2018年3月9日—3月15日[811]。

1.2 研究方法

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ 633—2012）中規(guī)定的重污染天氣定義，判定重污染過(guò)程的開始和結(jié)束時(shí)間段。綜合天氣形勢(shì)以及重污染過(guò)程中氣象要素、地面污染物濃度變化分析此過(guò)程特征條件及演變規(guī)律。利用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀（SPAMS）分析此次霾和沙塵重污染過(guò)程中細(xì)顆粒物的化學(xué)組成及來(lái)源分析[1214]。

2 結(jié)果與討論

2.1 重污染過(guò)程簡(jiǎn)述及階段劃分

采樣期間2018年3月9日—3月15日，整個(gè)京津冀及周邊地區(qū)經(jīng)歷了一次較大面積的重污染過(guò)程，石家莊市是本次污染過(guò)程影響最大的城市，期間共出現(xiàn)了95 h的重度以上污染，其中嚴(yán)重污染52 h。3月14日凌晨1：00時(shí)PM2.5出現(xiàn)本輪污染過(guò)程的峰值質(zhì)量濃度406 μg/m3，點(diǎn)位PM10峰值出現(xiàn)在3月15日早晨7：00，市區(qū)西北部西北水源監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，小時(shí)質(zhì)量濃度達(dá)到745 μg/m3，如圖1所示。

本次污染過(guò)程劃分成2個(gè)不同階段：9日—14日為高濕靜穩(wěn)的霾天氣過(guò)程，15日凌晨開始有明顯的沙塵輸送過(guò)程。3月9日上午空氣質(zhì)量逐步開始轉(zhuǎn)差，為中度污染水平，并出現(xiàn)4 h的重度污染。10日，擴(kuò)散條件持續(xù)轉(zhuǎn)差，空氣質(zhì)量為重度污染水平，出現(xiàn)21 h的重度污染，11日，石家莊市的擴(kuò)散條件略好轉(zhuǎn)，污染形勢(shì)被打斷，空氣質(zhì)量為輕度污染。12日開始，空氣質(zhì)量重新惡化，污染程度加重，并持續(xù)重度污染，直到14日PM2.5濃度達(dá)到了本輪污染過(guò)程的峰值。15日凌晨受冷高壓影響，污染水平略有回落，7：00—9：00受內(nèi)蒙古中部部分地區(qū)的沙塵輸送影響，PM10濃度飆升，達(dá)到小時(shí)峰值，其后受冷空氣影響，各項(xiàng)污染物濃度回落，實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量于13：00降為良，污染過(guò)程結(jié)束。

本次污染過(guò)程石家莊市污染綜合指數(shù)與PM2.5濃度均在“2+26”城市中排倒數(shù)第一，大氣污染物的平均質(zhì)量濃度分別為PM2.5：274 μg/m3，PM10：380 μg/m3，SO2：31 μg/m3，CO（95%）：3.5 μg/m3，其中PM2.5和PM10分別超過(guò)國(guó)家日均二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)3.65倍和2.53倍，SO2和CO濃度達(dá)標(biāo)。

2.2 天氣形勢(shì)分析[ST][1518]

進(jìn)入3月，西南暖低壓活動(dòng)加強(qiáng)，熱力場(chǎng)向春季轉(zhuǎn)變，京津冀中南部高空環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定，近地面濕度大且出現(xiàn)區(qū)域性逆溫，邊界層高度顯著降低，大氣環(huán)境容量大幅下降。在西南暖低壓和東北氣旋共同作用下，中國(guó)中東部形成了一條強(qiáng)勁的南風(fēng)通道，暖濕氣流大舉北上，受系統(tǒng)性南風(fēng)影響，污染物被推送至太行山以東和燕山以南地區(qū)，保定、石家莊等沿山城市出現(xiàn)污染輻合，大氣污染物快速累積并發(fā)生二次轉(zhuǎn)化，推高PM2.5污染。9日，石家莊市處高空暖脊，地面處低壓底部，受低空持續(xù)的西南氣流影響，考慮地面相對(duì)濕度開始上升，白天至夜間近地面逆溫層明顯，擴(kuò)散條件開始轉(zhuǎn)差。10日，高空槽后轉(zhuǎn)暖脊，地面受東北高壓影響，地面逐漸轉(zhuǎn)東北風(fēng)，但是考慮近地面相對(duì)濕度較大，擴(kuò)散條件持續(xù)不利。11 日，高空環(huán)流形勢(shì)趨于穩(wěn)定，中層開始緩慢升溫，但由于地面受持續(xù)東北弱冷高壓影響，本地污染形勢(shì)緩解。12 日開始，高空弱西北氣流，環(huán)流形勢(shì)進(jìn)一步穩(wěn)定，中層升溫明顯，近地面濕度較大并出現(xiàn)區(qū)域性逆溫，在系統(tǒng)性南風(fēng)的持續(xù)影響下，污染物被推送至太行山以東和燕山以南地區(qū)，石家莊市形成污染物只進(jìn)不出、反復(fù)疊加的典型風(fēng)場(chǎng)輻合作用，且隨著靜穩(wěn)大氣結(jié)構(gòu)的形成，大氣邊界層高度持續(xù)下降，污染物持續(xù)在本地累積，不易擴(kuò)散，重污染過(guò)程持續(xù)，如圖2所示。

2.3 氣溶膠光學(xué)特征分析

通過(guò)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析（見(jiàn)圖3），污染成因主要以本地輻合及外來(lái)污染傳輸為主。9日—11日早晨，城市近地面雷達(dá)退偏比在0.13左右，說(shuō)明城市近地面污染輻合明顯，通過(guò)雷達(dá)消光系數(shù)時(shí)空?qǐng)D可看到9日早晨及10日下午城市上空有氣溶膠團(tuán)過(guò)境，加劇了近地面污染積累。11日夜間開始，城市上空過(guò)境的氣溶膠團(tuán)開始發(fā)生下沉，同時(shí)城市PBL層開始逐漸降低，近地面污染逐漸積累加重。15日，7：00至9：00沙塵沉降最為明顯，隨著上午城市風(fēng)力增強(qiáng)PBL層逐漸升高至1 000 m以上，污染擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，污染物得到擴(kuò)散，雷達(dá)消光系數(shù)明顯減小，污染減輕，重污染過(guò)程結(jié)束。

2.4 PM2.5成分特征分析

通過(guò)SPAMS的數(shù)據(jù)分析，石家莊市細(xì)顆粒物污染來(lái)源歸結(jié)為7大類，分別為揚(yáng)塵、生物質(zhì)燃燒、機(jī)動(dòng)車尾氣、燃煤源、工業(yè)工藝源、二次無(wú)機(jī)源和其他。PM2.5污染來(lái)源解析結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出3月9日—15日細(xì)顆粒物首要污染來(lái)源為機(jī)動(dòng)車尾氣，貢獻(xiàn)率為28.3%;第二大污染源為工業(yè)工藝源，貢獻(xiàn)率為21.6%;第三大污染源為二次無(wú)機(jī)源和燃煤源，貢獻(xiàn)率分別為20.1%和19.4%。

2.5 PM2.5來(lái)源分析

從細(xì)顆粒物的污染來(lái)源數(shù)濃度和貢獻(xiàn)率隨PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度變化來(lái)看（見(jiàn)圖5），在11日—14日的整個(gè)重污染過(guò)程中，機(jī)動(dòng)車尾氣源對(duì)于細(xì)顆粒物的貢獻(xiàn)均為最高，保持在25%以上的水平，最高達(dá)到35.5%。同時(shí)機(jī)動(dòng)車尾氣源數(shù)濃度的增加隨PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度的增加最為明顯?？梢?jiàn)，在靜穩(wěn)天氣下不利于污染物的擴(kuò)散，其中機(jī)動(dòng)車尾氣源排放的污染物發(fā)生了更快的累積，導(dǎo)致污染的持續(xù)加重。15日污染結(jié)束后，機(jī)動(dòng)車尾氣源的貢獻(xiàn)率降至15%左右。

在12日—14日污染快速攀升的過(guò)程中，二次無(wú)機(jī)源的貢獻(xiàn)率增加最為明顯，由11日13：00的19.1%上升至12日22：00的25.1%，14日0：00—22：00的污染高峰時(shí)段二次無(wú)機(jī)源的貢獻(xiàn)率為25.5%，成為細(xì)顆粒物的第二大污染源。15日受沙塵過(guò)境沉降的影響，PM2.5濃度大幅降低，二次無(wú)機(jī)源的貢獻(xiàn)率降至12.9%（15日20：00）。由此可見(jiàn)此次重污染期間伴隨著較為強(qiáng)烈的二次轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

整個(gè)污染過(guò)程中，燃煤源和工業(yè)工藝源的貢獻(xiàn)率一直保持在20%左右的水平，14日污染高峰時(shí)段，兩類源的貢獻(xiàn)率分別僅為16.8%和18.3%，由此可見(jiàn)本輪重污染過(guò)程石家莊市對(duì)于企業(yè)的管控取得了較為明顯的效果。

2.6 區(qū)域性污染分析

石家莊市這次重污染過(guò)程是區(qū)域性污染背景下形成的，過(guò)程期間，北京、保定、邢臺(tái)、邯鄲等城市都出現(xiàn)了重度污染的狀況。然而，春季溫度升高，中東部形成了一條強(qiáng)勁的南風(fēng)通道，暖濕氣流大舉北上，受系統(tǒng)性南風(fēng)影響，污染物被推送至太行山以東和燕山以南地區(qū)，午后盛行南風(fēng)，河北南部城市邯鄲、邢臺(tái)較石家莊市風(fēng)速大，導(dǎo)致南部城市污染物向石家莊市傳輸并沉降，加重了石家莊市污染物的累積，后期受沙塵過(guò)境影響，加劇了污染程度。如圖6所示。13日—14日重污染過(guò)程中，邯鄲市和邢臺(tái)市均凌晨至上午的污染較重，然而午后受南風(fēng)影響，污染物被推送至太行山一帶，受風(fēng)場(chǎng)輻合影響，污染物在石家莊市沉降、累積，太行山沿線的保定市和北京市同樣受此影響。受前期輸送、累積及本地排放的影響，14日石家莊市PM2.5濃度最高，污染最重。15日凌晨受冷空氣前鋒影響，污染程度自北向南有所緩解，其后沙塵被后續(xù)冷空氣推進(jìn)，進(jìn)一步抬升東移南下，河北省內(nèi)自北向南出現(xiàn)沙塵天氣，冷鋒移動(dòng)迅速，沙塵迅速過(guò)境，后續(xù)未出現(xiàn)浮塵影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

3月份是中國(guó)華北地區(qū)大氣環(huán)流形勢(shì)較為活躍的時(shí)期，也是沙塵天氣的多發(fā)期，本文針對(duì)2018年石家莊市春季出現(xiàn)的非常典型的持續(xù)重度霾加沙塵過(guò)境的混合污染過(guò)程，利用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀對(duì)大氣細(xì)顆粒物進(jìn)行了成分分析及來(lái)源解析，并綜合利用地面空氣污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)、常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)等，分析了污染發(fā)生成因。

1）通過(guò)污染源譜庫(kù)的對(duì)比分析石家莊市春季典型的靜穩(wěn)加沙塵混合污染過(guò)程，機(jī)動(dòng)車直接排放的細(xì)粒子是PM2.5的重要來(lái)源，建議重污染期間提前啟動(dòng)機(jī)動(dòng)車單雙號(hào)減排措施，擴(kuò)大大型、重型車輛的限行范圍，建議使用清潔能源車。

2）本次典型污染過(guò)程中，石家莊市高空環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定，地面處于低壓前側(cè)，弱氣壓場(chǎng)控制，風(fēng)力較小，近地面濕度較大且存在區(qū)域性強(qiáng)逆溫，垂直和水平擴(kuò)散條件均不利，逆溫現(xiàn)象嚴(yán)重，易造成污染物累積的氣象條件;受系統(tǒng)性南風(fēng)影響，污染氣團(tuán)北移，也易于造成南部區(qū)域污染物向石家莊市的傳輸;加上環(huán)境容量本身就小于周邊城市，因此在重污染天氣條件下，更增大了本地區(qū)的污染值，從而比周邊城市更容易發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)性的重污染過(guò)程。

3）在中國(guó)北方地區(qū)的三、四月份是沙塵天氣的多發(fā)期，靜穩(wěn)天氣過(guò)后的冷空氣容易攜帶沙源地大量沙塵，應(yīng)提前預(yù)估沙塵污染的影響，并做好本地防御。

4）研究了霾沙混合污染對(duì)石家莊市空氣質(zhì)量的影響，可以為今后的大氣污染防治提供參考。但由于沒(méi)有霾沙傳輸通道城市過(guò)程中的源解析數(shù)據(jù)，僅對(duì)石家莊市的成分進(jìn)行了來(lái)源解析，不能發(fā)現(xiàn)和研判主要成分在傳輸過(guò)程中的變化，今后需在這方面加強(qiáng)研究。未來(lái)希望與其他省市聯(lián)合，深挖數(shù)據(jù)潛力，聯(lián)防聯(lián)控，使大氣污染防治工作更加系統(tǒng)化、科學(xué)化。

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