氣象因子對許昌市冬季典型重污染天氣的影響分析

王愛琴 劉夢杰 王俊超 袁蘇瑞

氣象因子對許昌市冬季典型重污染天氣的影響分析

王愛琴 劉夢杰 王俊超 袁蘇瑞

（許昌市環(huán)境監(jiān)測中心，河南 許昌 461000）

本文利用空氣質(zhì)量和氣象要素小時觀測數(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)量和主要氣象因子的變化特征，探討氣象因子對大氣環(huán)境的影響。研究結(jié)果表明：本次重污染過程是穩(wěn)定氣象條件下導致的局地污染積累；在污染積累階段，風速明顯偏小，相對濕度逐漸增加；而在污染清除階段，氣象要素的變化則相反，風速明顯增大，相對濕度顯著下降；風速和相對濕度與PM2.5質(zhì)量濃度間均存在指數(shù)相關，相關系數(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，我國京津冀及周邊地區(qū)大氣污染形勢嚴峻，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，對城市的正常運轉(zhuǎn)和人體健康等均會產(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急和污染控制措施，可以有效降低污染程度，減少對人體健康的影響。

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)境和氣象要素小時觀測數(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大氣環(huán)境的影響。此次污染過程最高級別達到6級嚴重污染，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)量級別演變

2016年12月18日至21日，許昌市發(fā)生了一次嚴重污染過程，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)及級別統(tǒng)計表。12月17日，許昌市AQI為142，空氣質(zhì)量級別為輕度污染。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，污染級別從3級升為5級重度污染。19日，污染程度達到最高水平，PM2.5質(zhì)量濃度繼續(xù)上升，達到506μg/m3，為6級嚴重污染。20日，污染水平有所下降，但PM2.5的日均濃度仍高達454μg/m3。連續(xù)2天維持6級嚴重污染，說明此次污染過程很嚴重。21日，污染水平下降到5級重度污染。22日，受明顯冷空氣影響，污染擴散條件明顯改善，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)量級別統(tǒng)計表

重污染過程期間，PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO污染物IAQI變化趨勢基本一致，19日之前同步上升，并在19日達到最高污染水平，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 544μg/m3、506μg/m3，超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB3095-2012）二級標準限值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)時間長、污染級別高的特點，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)測站點PM2.5小時濃度演變

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

圖2 12月17日至22日市區(qū)基本氣象要素小時演變

圖1 為12月17日至22日許昌市空氣質(zhì)量各監(jiān)測站點PM2.5小時濃度的變化情況。從圖1可以看出，許昌市三站點在18日至21日PM2.5小時質(zhì)量濃度變化趨勢一致。許昌市17日偏南風2-3級，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、級別最高的嚴重至重度污染過程，19日22時全市PM2.5達到峰值，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，擴散條件較19日稍好，但空氣質(zhì)量仍為嚴重污染。21日偏北風3-4級，污染形勢好轉(zhuǎn)。22日，西北風4級左右，受高空強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

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

相對濕度作為影響大氣污染物濃度的一個重要氣象要素，在濕度較大的環(huán)境中，大氣污染物特別是PM2.5的吸濕增長速度較快，導致污染物濃度增加，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，相對濕度處于一個較高水平，在19日21時至21日21時相對濕度達到最大，最高為95%，此時段PM2.5濃度也達到峰值，空氣污染最為嚴重。隨后，相對濕度開始下降，在22日15時下降到33%，PM2.5濃度同時快速下降，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，形成小風靜穩(wěn)的天氣條件，導致本地污染排放快速積累。其中，風速大小影響著污染物的水平擴散傳輸，風速越大，污染物擴散速度越快。從圖2（b）風速的小時變化圖中可以看出，在污染開始累積前，許昌市的小時平均風速較大；在污染物濃度開始逐漸增加并達到峰值階段，風速明顯減小并維持在0～0.5m/s；隨著22日1時風速突然加大，污染物濃度也急劇下降至較低水平，污染快速擴散，空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。

2.3 主要氣象因子與污染物濃度相關性分析

圖3 許昌市風速、相對濕度與PM2.5濃度相關性圖

通過上述分析可以看到，氣象因子對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)量濃度與風速、相對濕度，采用相關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關系。從圖3可以看出，風速和相對濕度與PM2.5濃度均呈現(xiàn)指數(shù)相關。R2分別為0.451 5、0.541 8。隨著風速增大，PM2.5濃度快速下降，當風速超過2.5m/s時，濃度下降速度變緩。相對濕度與PM2.5濃度的相關關系更為明顯，隨著相對濕度增加，PM2.5濃度也逐漸升高，當相對濕度大于60%時，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)兩天為嚴重污染，并具有濕度高、均壓場、風速弱的氣象特點。

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

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鍵。風速和相對濕度均與PM2.5質(zhì)量濃度呈指數(shù)相關關系，R2分別為0.451 5、0.541 8。

3.2 建議

①應充分重視長時間重污染態(tài)勢，按照國家和省相關要求啟動相應級別的應急預警，切實將應急措施落實到位。

②建議許昌市在出現(xiàn)高濕靜穩(wěn)的不利氣象條件時，應及時做好污染減排，加強企業(yè)揚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動和室外作業(yè)時間，若不可避免，也應采取相應防護措施。

［1］謝元博，陳娟，李巍，等.霧霾重污染期間北京居民對高濃度PM2.5持續(xù)暴露的健康風險及其損害價值評估［J］.環(huán)境科學，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變化特征對氣象因素的響應［J］.環(huán)境科學，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，高級工程師，研究方向：大氣、水質(zhì)、噪聲、環(huán)境自動監(jiān)測、管理及大氣污染防治。