2013年冬季宝鸡重度雾霾污染分析

时间：2024-09-03

孟妙志，卢晔，王仲文，张向荣，韩洁，庞翻，朱筱娟

(1.宝鸡市气象局，陕西宝鸡 721006；2.宝鸡市环境监测中心站，陕西宝鸡 721006)

2013年冬季宝鸡重度雾霾污染分析

孟妙志1，卢晔1，王仲文1，张向荣1，韩洁1，庞翻1，朱筱娟2

(1.宝鸡市气象局，陕西宝鸡 721006；2.宝鸡市环境监测中心站，陕西宝鸡 721006)

利用气象观测资料和PM2.5质量浓度资料，统计分析宝鸡市2013年冬季重度雾霾污染日时空特征，探讨雾霾污染日各气象要素的特征。分析发现：①2013年12月—2014年2月宝鸡出现重度雾霾污染日28 d，为近5 a来最多。②重度雾霾污染天气过程多持续4～8 d；污染严重时次出现在19—24时，具有显著日变化。③宝鸡市东部污染重于西部，弱东风利于重度雾霾污染出现 (加剧)，转为西风时污染减弱。④重度雾霾污染天气的主要成因包括，有利的天气形势(地面关中处于高压底部或后部)维持，大气混合层高度低，相对湿度较大 (70%左右)，风速较小 (＜2 m/s)，连续无降水日长。⑤重度雾霾污染主要为本地污染物聚集所致。

重度雾霾污染；统计特征；气象成因；区域输送

空气污染与气象条件密切相关，当出现雾霾天气时，空气污染加重。2013年冬季宝鸡雾霾天气出现频繁，宝鸡市空气质量一度排在全国空气质量最差行列，因此有必要对2013年冬季宝鸡重度雾霾污染天气进行分析，为做好空气质量预报积累经验。

1 冬季雾霾污染特征

统计标准：某日宝鸡市地面观测资料中记录水平能见度＜5.0 km，同时宝鸡市环境监测站提供的当日空气质量数据中对应有4个时次(02、08、14、20时)连续出现PM2.5质量浓度＞150μg/m3(或PM2.5质量浓度≥250μg/m3)，记为一个重度雾霾污染 (或严重雾霾)日(HJ633—2012《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》，重度污染日为150μg/m3≤PM2.5质量浓度＜250μg/m3、严重污染日为PM2.5质量浓度≥250μg/m3)。

2013年12月—2014年2月宝鸡市出现28 d重度雾霾污染日(包含12 d严重雾霾污染日) (图1)，2013年12月8 d，2014年1月7 d，2月13 d。其中出现1 d的有5次重度雾霾污染过程，维持4 d、5 d、6 d的过程各1次，最长1次过程维持8 d，出现在2013年12月18—25日。1月主要为单日重度雾霾污染，PM2.5质量浓度主要在150～250μg/m3，只有31日最高为499μg/m3；12月、2月均为连续性重度雾霾污染过程，PM2.5质量浓度为250～492μg/m3，连续性雾霾污染重，危害更大，其中12月19日污染最严重，最低能见度仅为0.5 km，PM2.5质量浓度最高达492μg/m3，属于严重雾霾污染。宝鸡年均重度雾霾24 d、冬季平均18 d[1]，因此2013年重度雾霾较常年明显偏多。

图1 2013-12-2014-02宝鸡市重度雾霾日PM2.5质量浓度(μg/m3)及能见度(km)

分析宝鸡市7个环境监测点28 d重度雾霾污染日的PM2.5质量浓度演变 (图略)，各站点的波动趋势基本一致，PM2.5质量浓度在50～550μg/m3区间变化；陈仓区环保站PM2.5质量浓度最大，污染最严重，其他站依次为三陆医院、监测站、文理学院，三迪小学、技工学校，竹园沟。总体而言，宝鸡市PM2.5质量浓度的空间分布具有自西向东逐渐增大的特点。陈仓环保站靠近污染源 (化工厂)，三陆医院、监测站、文理学院在主城区，容易污染。

图2 2013-12-18-25日宝鸡市区(三陆医院)和陈仓区监测站逐时PM2.5质量浓度(μg/m3)

从2013年12月18—25日宝鸡市区(三陆医院)和陈仓区监测站PM2.5质量浓度逐时演变(图2)可以看出，宝鸡市区及陈仓区变化趋势完全一致，陈仓区污染重于宝鸡市区；PM2.5质量浓度峰值出现于每日20时前后。从17日17时开始PM2.5质量浓度陡增到200μg/m3以上，25日17时陡降至200μg/m3以下，18、19、21、22、23日20时PM2.5质量浓度锋值均大于500μg/m3，其中，21日19—20时、22日21—22时宝鸡空气质量居全国最差行列。

2 重度雾霾污染日气象因子分析

2.1 静稳天气形势有利于雾霾的形成与维持

分析典型重度雾霾日天气图可发现，高空500 h Pa大气环流稳定，中纬度40°N维持平直西风气流，无明显冷空气活动；中低空风速≤5 m/s；700 hPa偏南风、850 hPa偏东风在关中、陕南形成相对湿度≥60%的高湿区；关中大气层结稳定，且在700～850 h Pa具有下冷上暖的 “逆温层”，空气垂直运动受到限制；地面有冷空气从40°N附近蒙古国东移到华北，关中处于蒙古高压底部转华北高压后部的形势 (图略)。这种天气形势下，宝鸡地区云量较多、气温低、风力较小，在此静稳大气环境下[1]，空气中颗粒物难以进行垂直扩散，且水平扩散被阻滞在低空和近地面层，从而形成雾霾。

2.2 大气混合层高度低

大气混合层高度是反映污染物在铅直方向扩散的重要参数，与地面污染物扩散有明显关系，混合层高度越高，污染物在铅直方向的稀释范围越大，越有利于污染物的扩散。反之混合层高度越低，则污染物垂直扩散范围越小，污染物浓度越大，污染越严重。根据西安探空站 (关中唯一探空站，对关中有代表性)显示，2013年12月15日关中最大混合层高度为1 132 m，垂直扩散较高，16—25日最大混合层高度降至668 m以下，其中21、24日最低为300 m左右，26日混合层高度陡增700 m以上。对应17—25日宝鸡地区出现了重度到严重雾霾污染天气，PM2.5质量浓度达到150μg/m3以上，26日PM2.5质量浓度下降到100μg/m3以下。

2.3 湿度大有利于气溶胶吸湿增长

研究[4]表明，颗粒物的吸湿增长特性可影响在大气中的真实尺寸。宝鸡雾霾天气研究[1]指出，相对湿度与PM2.5质量浓度的相关系数达0.5。分析2013年重度雾霾日相对湿度和风速(图3)可见，1月宝鸡市区相对湿度为45%～75%，其日波动在30%左右，对应PM2.5质量浓度为150～250μg/m3；而12月及2月，宝鸡市区相对湿度为70%～90%，明显偏高，且湿度的日波动较小约为15%，对应PM2.5质量浓度≥250μg/m3，即相对湿度越大，易造成PM2.5质量浓度增大，加重污染。

图3 2013-12-2014-2重度雾霾日宝鸡市相对湿度(%)及风速(m/s)

2.4 风速小不利于污染物扩散

从图3可见，重度雾霾日宝鸡市日平均风速为0.5～2 m/s，地面逐时风速为0～3.3 m/s，日平均风速小且变化不大，大气中的污染物难以水平扩散稀释，造成污染物局地堆积，从而容易形成重度雾霾污染。

2.5 偏东风平流输送

统计显示宝鸡重度雾霾日的风向以东风和静风最多。市区东侧的陈仓区PM2.5质量浓度始终高于市区，且PM2.5质量浓度先于市区增加。逐时风分析显示，宝鸡持续偏东风时均对应PM2.5高质量浓度持续时段，且东风增大到2 m/s以上时，PM2.5质量浓度陡增。宝鸡西风转为东风时，PM2.5质量浓度增加明显，例如12月18日14时西风转为东风，东风维持到20日08时，对应PM2.5质量浓度陡增到300μg/m3以上并持续高值(图2)；20日14时—21日14时，宝鸡为西风，对应PM2.5质量浓度降至200μg/m3以下；21日14时西风转为东风并维持，对应PM2.5质量浓度陡增到400μg/m3以上并持续高值。偏东风平流输送致使污染物集聚，加剧了宝鸡雾霾污染，这与PM2.5自西向东逐渐增加的空间分布特点相一致。即弱东风有利于宝鸡重度雾霾污染出现。

2.6 连续无降水日数多

降水对清除大气中的污染物质起着重要的作用，郑庆锋等的研究指出[3]，重度雾霾日与降水日及降水量呈负相关。对于宝鸡雾霾天气研究[1]发现近30 a重度霾发生站次和平均最长连续无降水日具有正相关关系，相关系数高达0.94，连续15 d以上无降水，重度霾频次明显升高。2013年11月23日—2014年2月4日宝鸡市未出现有效降水，连续无降水使得空气中的各类污染物累积，在适宜的气象条件下形成重度雾霾天气，造成空气污染严重。首次重度雾霾污染出现于连续无降水23 d后的12月18日。

3 典型污染日分析

2013年12月19日和2014年1月31日为两个严重污染日，PM2.5质量浓度分别为492、499μg/m3。两次过程天气形势、风向风速差别不大，但两次过程雾霾发生机制有所不同。

19日有22个时次PM2.5质量浓度在400μg/ m3以上，对应相对湿度为75%～87%，其中，01—14时相对湿度持续在80%以上，为雾，15—24时相对湿度持续在73%～75%，为霾，能见度最低仅0.5 km，即19日先雾后霾引起空气严重污染。PM2.5质量浓度峰值达540μg/m3，出现在20时，之后缓慢下降。即雾霾交替出现污染将加重。

2014年1月30—31日为春节的除夕和初一，相对湿度为30%～70%，最低能见度为3 km，持续出现霾。30日白天PM2.5质量浓度约为150μg/m3，19时后陡增，22时出现第一个峰值400μg/m3，31日02时出现第二个峰值666μg/m3，10时出现本次过程的最高峰值840μg/m3，其后缓慢下降到319μg/m3后又上升。PM2.5质量浓度峰值的出现时段与燃放烟花密切相关。在稳定的气象条件下，燃放烟花可造成、加重霾污染。

4 与西安地区污染关系

宝鸡位于西安以西176 km，冬季盛行偏东风，西安是雾霾污染较为严重的城市，因此有必要分析两地是否有污染输送。重度霾污染主要发生在大气边界层中，一个区域对另一个区域发生影响，必然有一条污染物输送通道，为此利用宝鸡和西安地区空气质量指数、风向、风速等资料探讨宝鸡与西安地区空气污染是否相互影响。

4.1 空气质量指数(AQI)

对比重度雾霾污染过程中宝鸡和西安的空气质量指数(AQI)(图4)可以看出，两个地区的AQI指数变化趋势一致，同时上升或下降，相关系数达到0.80，宝鸡AQI指数时间上并未表现出明显的超前或延迟现象，宝鸡AQI指数有时小于西安，有时大于西安，这表明两地区域空气污染相互影响不明显。

图4 2013年冬季重度霾污染过程宝鸡和西安空气质量指数(AQI)对比

4.2 风速风向

对比宝鸡和西安的日平均风速 (图5a)。重度霾污染发生时，两地风速较小或静风(风速小于3.5 m/s，且以风速≤1 m/s为主)，极其不利于污染物水平扩散。12月18—25日严重污染过程，两地风速均在1 m/s以下，即风速3.6 km/h以下，宝鸡和西安相距176 km，污染物输送需要48 h。但图4显示两地空气质量指数并无这种规律，表明两地污染物输送不明显。从两地的风向对比 (图5b)来看，重度雾霾污染发生时，宝鸡主要为偏东风，西安以偏西风为主，偏西风或偏东风都有出现，宝鸡和西安没有形成明显的区域污染输送通道。

图5 2013年冬季重度雾霾污染过程宝鸡和西安风速(a)和风向(b)对比