長治市重污染天氣特征分析

楊棟（山西省長治市環(huán)境監(jiān)測站山西長治046000）

長治市重污染天氣特征分析

楊棟
（山西省長治市環(huán)境監(jiān)測站山西長治046000）

基于2016年1月至2017年2月的長治市空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)及氣象資料，本文對長治市重污染日逐月分布及其對應的天氣類型和氣象要素特征進行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明:該期間長治市共發(fā)生33d重污染天氣，12月和1月PM2.5濃度最高；區(qū)域穩(wěn)定的氣象條件是形成重污染的主要原因，地面氣象要素主要表現(xiàn)為小風(1.23m/s)，濕度較大(52.8%)的特點；高壓類、低壓類和均壓類三種地面天氣形勢所占污染天數(shù)的比例分別為78.8%、9.1%和12.1%，其中500hPa高度場為偏西氣流，同時地面處于高壓后部，是導致長治市發(fā)生重污染天氣過程的重要原因之一。

重污染；PM2.5；氣象條件

引言

近年來，京津冀地區(qū)空氣重污染現(xiàn)象頻發(fā)，并呈現(xiàn)復合性、區(qū)域性、周期性特征，引起了政府和公眾的廣泛關(guān)注[1]。研究表明，PM2.5是造成空氣重污染的罪魁禍首，以PM2.5為主導因素的灰霾現(xiàn)象日趨嚴重，對公眾健康和能見度構(gòu)成巨大威脅[2]。2016年12月-2017年1月我國中東部、西南10省區(qū)市出現(xiàn)了持續(xù)的嚴重霧霾天氣，在此期間長治市的PM2.5日均濃度最高達到了236μg/m3，是污染最為嚴重的城市之一。2017年初，長治市被納入京津冀“2+26”大氣污染傳輸通道城市，空氣質(zhì)量改善的壓力巨大。

1 資料與方法

2016年1月至2017年2月全市5個空氣質(zhì)量監(jiān)測點位逐日、逐時濃度資料及氣象五參數(shù)數(shù)據(jù)來源于長治市環(huán)境監(jiān)測站；氣象資料為中國氣象局發(fā)布的天氣實況資料和數(shù)值預報產(chǎn)品。本研究結(jié)合2016年1月至2017年2月長治市重污染日AQI變化情況、天氣圖和氣象要素變化情況對重污染日對應的天氣類型及氣象條件進行詳細分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長治市PM2.5污染現(xiàn)狀

經(jīng)統(tǒng)計，2016年1月至2017年2月PM2.5均值為73 μg/m3，超標1.09倍，重污染日累積有33天且PM2.5均值為196 μg/m3。時間分布上，PM2.5濃度最高出現(xiàn)在12月和1月，PM2.5濃度冬季（12月、1月、2月）明顯高于其他季節(jié)，夏秋兩季（6-10月）PM2.5濃度較低，夏季影響長治的主要天氣系統(tǒng)為副熱帶高壓，地面氣壓場以弱高壓為主，降水量較大，氣象條件利于污染物的擴散和稀釋，秋季是天氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的季節(jié)，伴隨著不穩(wěn)定天氣系統(tǒng)變化，中高層北風頻率較高，擴散條件較好[3-4]。冬季采暖期間煤炭等燃料消耗大，污染物排放水平高，加之大氣垂直擴散條件較差，環(huán)境容量小，污染物不易擴散而累積，因此PM2.5濃度偏高，重污染頻發(fā)[5]。

2.2 重污染氣象條件分析

污染物排放水平和氣象擴散條件是影響城市大氣環(huán)境質(zhì)量的兩個主要因子。在污染物排放水平一定的情況下，空氣污染與氣象條件有著非常緊密的關(guān)系[6-7]。

2.2.1 高空、地面環(huán)流形勢

本研究基于重污染的天氣形勢進行分類研究。通過分析重污染日的地面和高空天氣形勢，發(fā)現(xiàn)地面氣壓場和500hPa形勢場與污染日有著固定的配置。長治市重污染日高空以平直西風、偏南、偏西氣流為主，中低空風場以東南風為主，地面日均相對濕度較大，平均風速持續(xù)較小，地面多處于弱氣壓梯度場。根據(jù)地面氣壓場形勢、500hPa形勢場，將重污染天氣的天氣類型分為3類：高壓類(高壓后部、高壓底部、弱高壓)；低壓類(低壓底部、倒槽)；均壓類。這3類天氣污染形勢較為穩(wěn)定，并且具有連續(xù)性，氣象擴散條件差，污染物不易擴散和稀釋。表1統(tǒng)計了2016年1月至2017年2月長治市重污染日地面天氣類型出現(xiàn)的次數(shù)，可以看出33天的重污染日中，地面氣壓形勢場高壓類、低壓類、均壓類3種類型各占78.8%、9.1%、12.1%。

表1 長治市重污染天氣類型統(tǒng)計

結(jié)合高空形勢場，500hPa高度場偏西氣流，同時地面處于高壓后部是長治市發(fā)生重污染天氣過程中主要的高低空配置類型，占比48.5%。這種高低空天氣形勢的配置導致區(qū)域性連續(xù)靜穩(wěn)天氣出現(xiàn)，期間少云無降水，為重污染天氣的形成及維持提供了穩(wěn)定的大氣環(huán)境背景，非常不利于污染物的擴散和稀釋，從而加劇空氣質(zhì)量惡化。

2.2.2 地面風向風速

2016年1月至2017年2月，長治市重污染日地面風速表現(xiàn)為小風或靜風，平均為1.23 m/s，小于全年平均風速2.3m/s；統(tǒng)計33天的重污染天氣過程的平均風速，重污染天氣出現(xiàn)時平均風力均在3級之內(nèi)，并以2級風力以下為主，占84.8%，風力≤2級是連續(xù)重污染天氣產(chǎn)生的重要氣象條件之一。

除地面風力之外，地面風向?qū)ξ廴疚锏木奂蛿U散也有一定的影響。重污染日風向均為東南風向，說明當長治市地面風向為東南風時發(fā)生重污染的概率較高。

2.2.3 地面相對濕度條件

圖1 2016年12月份PM2.5日均濃度與日均相對濕度之間的關(guān)系

圖1 統(tǒng)計了2016年12月份PM2.5日均濃度與日均相對濕度之間的關(guān)系，兩者之間呈基本一致的對應關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.757，呈中度正相關(guān)。這表明，在重污染期間，地面相對濕度的增加也會導致空氣質(zhì)量的進一步惡化。

圖2 2016年1月至2017年2月長治市重污染日濕度分布

圖2 分析了33天重污染天氣過程中的相對濕度條件發(fā)現(xiàn)，相對濕度平均為52.8%，主要介于33%～72%之間，在40%～70%之間重污染天數(shù)最多，比例高達81.8%，并以50%～60%之間的比例為最高，占30.3%。而相對濕度＜40%的時段比例只有9%，主要出現(xiàn)在重污染天氣過程的結(jié)束日。

可見，若空氣日均相對濕度達到50%以上，則產(chǎn)生空氣重污染的概率將明顯增大。

2.3 SO2濃度變化對PM2.5的影響分析

SO2濃度主要反映了燃煤的污染情況，以2016年12月30日-2017年1月5日重污染過程為例，過程期間長治市主城區(qū)SO2小時濃度與PM2.5小時濃度相關(guān)系數(shù)為0.675（如圖3），且SO2的峰值濃度總是伴隨著PM2.5的峰值濃度出現(xiàn)（如圖4），這說明燃煤燃燒造成的大量SO2排放也是導致長治市主城區(qū)有嚴重灰霾天氣的重要因素之一。

圖3 PM2.5濃度與SO2濃度的關(guān)系

圖4PM2.5濃度和SO2濃度變化

圖5 顯示了當過程期間當濕度高于60%時，SO2濃度與相對濕度呈中度負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.762。說明在高濕度條件下，相對濕度升高，SO2向硫酸鹽轉(zhuǎn)化的速率增加，硫酸鹽等二次粒子的形成導致SO2自身的濃度降低。

圖5 SO2濃度與相對濕度之間的關(guān)系

結(jié)論

（1）數(shù)據(jù)顯示，PM2.5最高出現(xiàn)在12月和1月，2016年1月至2017年2月長治市重度污染日累計有33 d，占比7.8%。

（2）通過對2016年1月-2017年2月長治市重污染日發(fā)生的天氣背景和氣象要素分析，可將長治市重污染日的地面天氣形勢可分為三種類型，分別為高壓類、低壓類和均壓類，各占78.8%、9.1%、12.1%。其中500hPa高度場為偏西氣流，同時地面處于高壓后部，是長治市發(fā)生重污染天氣過程的主要高低空配置。

（3）重污染日地面氣象要素主要表現(xiàn)為小風(1.23m/ s)，濕度較大(52.8%)的特點。PM2.5濃度變化與相對濕度呈中度正相關(guān)，濕度越高越利于PM2.5增長。

（4）SO2濃度主要反映了燃煤的污染情況，SO2小時濃度與PM2.5小時濃度表現(xiàn)為正相關(guān)性，且SO2的峰值濃度總是伴隨著PM2.5的峰值濃度出現(xiàn)。較高濕度條件下（相對濕度60%以上），氣態(tài)SO2易轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，越利于PM2.5濃度的升高，SO2濃度與相對濕度表現(xiàn)為負相關(guān)性。

（5）33d重污染日風向均為東南風向，東南方向的污染物輸送作用可能是造成長治市重污染的重要原因之一。

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