对新冠疫情严控期间河北省空气质量的评估

周玉都，王 梦，郭立平，高庆先，李 娜

(1.河北省廊坊市气象局，河北 廊坊 065000； 2.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012)

引 言

近年来，随着京津冀及周边地区经济持续快速的发展，重污染天气也时常发生[1]。空气质量直接关系人类的健康，已成为全民关注的重点问题。而影响空气质量的因素较多，除了人为污染物的排放和区域传输外，还受天气形势的驱动，另外区域空气污染与天气过程密切相关[2～4]，污染源排放是大气污染的内因，气象条件则是外因[5]。因此，为了给调控措施提供较为科学的参考依据，国内很多学者已经针对空气质量和重污染天气做了大量的分析和研究，这既包括了污染事件的形成与消散过程，如采取增加常绿植物的覆盖度、规范工业排放标准、推广新能源汽车等手段，可以降低污染物的积聚速度和加快污染物的消散[6-7]；又包括空气质量变化与气象要素的关系，如武汉PM2.5浓度变化与降水量、风和气温的相关关系呈现出明显的季节性差异，而降水对贺州市空气质量的转好作用最明显，降水强度雨大，空气质量越好[8～12]；此外，还涵盖了污染物浓度的时空变化特征，比如汽车尾气是南充冬季大气污染物的主要来源，而泰州西部内陆方向和东南部近距离传输对首要污染物PM2.5和O3浓度的贡献更为明显[13-14]；又涵盖了春节期间烟花爆竹的集中燃放对空气质量的影响，比如烟花爆竹的禁燃使得东北和合肥地区的空气质量有明显的好转[15-16]。以上研究，是借助分析空气污染的变化规律和影响因子，建立、健全合理的调控措施，达到减排、降低污染的目的。

本文利用河北省142个国家站点逐日、逐时环境监测数据以及对应的气象观测资料分析2013～2020年2、3月份空气质量时空变化变化，从AQI指数、污染物浓度逐日和逐小时的时空变化等多个方面分析2020年(2、3月，新冠肺炎严控阶段，下同)停工停产以及人们生产、生活活动的减弱对河北省空气质量变化的影响，对比通过调控带来的空气质量的变化情况，以期找到两者对空气质量影响的相同和不同之处，为完善调控措施提供科学依据。

1 数据与方法

文中资料为河北省气象局信息共享平台2013～2020年2、3月全省142个行政区气象观测站点和环境监测站点空气污染物资料以及气温、风速、相对湿度等气象资料。该平台环保数据是河北省气象局与河北省环保厅的环境气象交换数据。采用对比分析法对污染物和气象数据进行时间对比分析，采用克里金空间格点插值方法对污染物浓度进行空间插值，对插值后的数据进行空间对比分析。

2 结果分析

2.1 空气质量和污染物浓度

新冠肺炎停工停产期间，河北省有8个地市日平均AQI值较2019年呈下降趋势(图1)，3个地市呈上升趋势，下降比例排名前三的分别是邢台、邯郸、衡水，下降比例分别是27.9%，26.4%、19.8%，另外，张家口AQI指数上升最为明显，达到13.9%，这是因为2020年河北北部张北高原 平均风速较历史同期有明显增加，浮沉和扬沙天气增多，造成AQI指数上升。空气质量方面(图2左)，2013～2020年空气质量为良的天数占比逐年上升迅速，并且在2015、2018年有明显上升拐点，2020年较2019年占比增加9.7%，而中度和重度污染天数占比2020年较2019年有明显的下降拐点，下降比例分别达到5.5%、3.5%，2020年空气质量转好较往年更为明显。从污染物日平均浓度变化来看(图2右)，除O3外，其他污染物浓度均呈下降趋势，其中PM10从2014年最高208μg/m3下降到2020年104μg/m3，并且2020年较2019年下降22μg/m3，降幅达到18.1%；另外，PM2.5从2014年最高149μg/m3下降到2020年63μg/m3，较2019年下降11μg/m3，降幅达到14.9%。停工停产使得污染物排放量的减少，对空气污染物浓度的下降和空气质量的改善有明显的积极作用。此外，O3在2018～2019年有急速增长现象，是因为O3的生成是靠光化学反应消耗NO2、NO、CO等气体，而2020年较2019年有小幅下降，是因为污染物排放的减少，造成光化学反应生成的O3浓度也随之下降，从而也印证了NO2、NO、CO等污染物排放量的明显减少。

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

图2 2013～2020年空气质量天数比例和污染物浓度Fig.2 Proportion of air quality days and pollutant concentrations during 2013～2020

进一步分析河北省主要城市污染物日平均浓度峰值和均值变化(表1)发现，省会石家庄PM2.5，2017年峰值达到442μg/m3，2020年降至209μg/m3，较2019年的246μg/m3下降37μg/m3，降幅达15%；同时PM10在2017年峰值为563μg/m3，到2020年降至156μg/m3，较2019年的390μg/m3下降134μg/m3，降幅高达34.4%，比2017～2019年期间的降幅30.7%高出近4个百分点。另外，邯郸、邢台、保定、沧州中南部，污染物日平均浓度峰值和均值都有不同程度的下降，而张家口、承德、秦皇岛北部PM10、NO2有小幅下降，PM2.5、SO2、CO均有不同程度的增幅，这一方面是因为河北北部污染物浓度基数低于中南部城市，新冠肺炎期间人类活动的减少，对北部地区空气质量影响程度弱于中南部；另一方面，2020年河北北部极端最低气温的平均值为-19.2℃，较历史同期偏低4.9℃，北部较低的温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浓度值Tab.1 Pollutant concentration values of major cities in Hebei Province

续表1

2.2 首要污染物

从表2得知，首要污染物是SO2的站次和占比从2014年的25站次、3.86%，降至2020年0站次、0.00%，首要污染物是NO2的站次和占比也有较为明显的下降；而O3、PM10、PM2.5从2019年占比2.65%、44.22%、51.88%到2020年上升至3.45%、40.75%、55.26%，这说明疫情停产对SO2、NO2的影响程度高于O3、PM10、PM2.5；而O3站次和的占比的升高是因为光化学反应消耗了NO2造成的，而SO2、NO2站次和占比的降低是和近年来日益严格的排放标准，以及今年大范围的停工停产有直接关系。

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 污染物浓度逐日变化

通过分析气象要素逐日变化发现，2018～2020年气象条件基本一致，可以在满足同等气象条件下，对比污染物的日平均浓度。分析石家庄和廊坊污染物日平均浓度和气象要素的日平均值(图3)，以及同等气象条件下2～3月污染物浓度的逐日变化和污染物日积聚、消散速度，进一步总结停工停产对河北空气质量的影响。结果表明， PM10、PM2.5、 CO日平均浓度相关性较好，积聚或消散的较为一致；NO2与CO日平均浓度则呈反相关变化；而SO2日平均浓度逐年下降最为明显，特别是新冠肺炎防控期间浓度一直维持在较低的水平。2020年大部分地市污染物的积聚速度(日平均浓度积聚速度，下同)和增长比例(日平均浓度增长比例，下同)呈明显下降趋势。如2018～2020年石家庄SO2积聚速度分别是42.0、20.0、15.0μg/(m3·d)，增长比例分别是2.47倍、1.67倍、1.5倍；廊坊SO2积聚速度分别是44.0、12.0、5.0μg/(m3·d)，增长比例分别是2.5倍、2.0倍、0.75倍；另外，廊坊CO积聚速度从2018年的1.0～2.9mg/(m3·d)下降到2020年的0.5～1.3mg/(m3·d)，增长比例从1.1～2.3倍降至0.8～1.5倍，NO2从2018年的23～47μg/(m3·d)下降到2020年的14～34mg/(m3·d)，增长比例从0.88～3.3倍降至0.5～1.6倍；此外，石家庄和廊坊O3、PM10、PM2.5积聚速度和增长比例均有不同程度的下降。污染物浓度的消散速度和下降比例变化不明显，NO2、O3在11个地市中有5个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个，说明大气污染物排放的减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还是受气象扩散条件的影响。

图3 2018～2020年污染物浓度和气象要素日变化趋势Fig.3 Daily change trend of pollutant concentration and meteorological elements during 2018～2020

2.4 空气质量和污染物浓度逐小时变化

通过分析2018～2020年污染物逐小时平均浓度发现，河北省污染物浓度具有明显的日变化特征(图4)。结果表明，2018～2020年污染物小时浓度日变化振幅随年份逐渐减小，并且2020年减小幅度较2019年更为明显。石家庄、廊坊PM2.5和PM10小时浓度日变化呈“单峰单谷”型，峰值时间均在01～03时，而谷值时间，石家庄从2018、2019年的16时提前到13时前后，廊坊则提前到15时，并且石家庄、廊坊PM2.5、PM10小时浓度08时前后降幅有明显的增加，这是因为随着地面温度上升，大气湍流活动加强，有利于空气污染物的扩散。

图4 2018～2020年污染物浓度小时变化趋势Fig.4 The hourly change trend of pollutant concentration during 2018～2020

由浓度值可知(图4)，石家庄PM2.5小时浓度峰值于2018、2019、2020年分别达到118.2μg/m3、102μg/m3、75.3μg/m3，谷值分别是85.6μg/m3、74.4μg/m3、51.2μg/m3，2019年峰值和谷值较上年降低16.2μg/m3、11.2μg/m3，2020年峰值和谷值降低26.7μg/m3、23.2μg/m3，而石家庄2019年PM10小时平均浓度峰值和谷值较上年降低8.6μg/m3、21.3μg/m3，2020年峰值和谷值降低57μg/m3、43.8μg/m3，由此可见，石家庄2020年PM2.5、PM10无论是峰值还是谷值较2019年下降更为明显；廊坊PM2.5小时浓度2019年峰值和谷值较上年分别升高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小时浓度峰值和谷值较上年降低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无论是峰值还是谷值较2019年下降也更为明显。对比石家庄和廊坊小时浓度值发现，2020年PM2.5、PM10小时浓度峰值和谷值石家庄比廊坊下降更为显著。

另外张家口2020年PM2.5日峰值和谷值较2019年均有小幅的上升，分别上升0.2μg/m3、1.2μg/m3，PM10日峰值和谷值分别下降5.5μg/m3、3.6μg/m3。因此，张家口2020年的下降幅度弱于廊坊，而石家庄、廊坊、张家口分别位于河北南部、中部和北部，2020年河北省PM2.5、PM10小时浓度峰值和谷值下降幅度从南向北逐渐降低，北部PM10小时浓度峰值和谷值甚至有小幅度上升。

NO2、CO、SO2小时浓度的日变化呈“双峰-双谷”型，17时前后从谷值开始大幅度增加，第二日01时前后达到第一个峰值，之后先小幅下降后上升，在08时前后达到第二个峰值，之后又大幅度下降，至16时前后达到谷值；对比结果显示，河北省从南向北NO2、CO、SO2小时浓度曲线夜间振幅有增加趋势，“双峰-双谷”型日变化愈加明显。而O3小时平均浓度日变化呈“一峰一谷”型，与其他污染物的日变化呈反相关，振幅随着年份有小幅下降。新冠肺炎期间大范围的停工停产使得污染物积聚速度下降，造成污染物小时浓度日变化峰值和谷值均有显著的降低，下降值从南向北呈递减趋势。

从2018～2020年重度污染和严重污染持续最长时间得知(图5)，石家庄2018、2019、2020年重度污染最长持续时间分别是41h、29h、18h，2020年降比达到了37.9%，高于2019年的29.3%；而严重污染最长持续时间分别是51h、20h、3h，2020年降比达到了85.0%，同样高于2019年的60.8%。2019年较2018年重度污染和严重污染持续时间，个别地市有所增加，如沧州、衡水重度污染持续时间增加明显，沧州、邯郸严重污染增加明显，但是，2020年较2019年重度污染和严重污染持续时间全省均呈下降趋势，并且降幅明显高于2019年。停工停产期间污染物排放的减少使得重度、严重污染最长持续时间明显变短。

图5 2018～2020年重度、严重污染最长持续时间Fig.5 The longest duration of Heavy and Serious pollution during 2018～2020

2.5 污染物浓度区域分布变化

与2018年相比，2019、2020年河北全省范围污染物浓度呈明显下降趋势。由图6可知，2018年河北中南部地区污染物浓度较大，污染程度重，西北部地区相对较轻，PM2.5浓度超过100μg/m3的区域主要集中在石家庄、邢台、邯郸附近的河北西南部及唐山附近的河北东北部地区，而SO2浓度超过40μg/m3的区域除了上述地区外还有保定西部山区，2018年污染区域广、污染程度重，并且SO2区域分布差异较PM2.5更为明显。2019年污染物浓度显著下降，PM2.5浓度只有石家庄个别站点超过100μg/m3，总体上河北中南部污染物浓度值较高；同样SO2浓度比2018年也有明显下降，只有西南部和东北部部分地区浓度大于20μg/m3。2020年污染物浓度大范围、大幅度减小，PM2.5浓度只有石家庄附近个别站点超过60μg/m3，并且高浓度值区面积明显缩小，以东南地区下降最为明显；SO2浓度大于20μg/m3的区域在南部、东北部面积缩小显著，但是在保定西部山区有明显的增加，是因为2、3月份河北多偏东风，受到太行山脉的阻挡易造成污染物的积聚。从气象条件来看，受到太行山和燕山山脉地形的影响，当华北地区盛行偏东风或偏南风时，受地形的阻挡，在河北西部、中部易形成污染物浓度大值区，造成重度污染，甚至严重污染天气。

图6 2018～2020年PM2.5、SO2浓度空间分布Fig.6 Spatial distribution of PM2.5 and SO2 concentrations during 2018～2020

3 结 论

3.1 2020年大范围、长时间停工停产对空气污染物浓度的下降和空气质量的改善有积极作用。2020年日平均AQI指数较2019年有大幅度的下降，空气质量为良的天数较2019年上升9.7%，中度和重度污染的天数分别下降5.5%、3.5%。

3.2 全省平均污染物浓度除O3外都有显著下降，中南部和东部地区降幅较为明显，北部下降幅度较小。

3.3 各首要污染物变化不同，其中NO2、SO2的站次和占比显著下降，O3、PM10、PM2.5占比均有不同程度的增加，减排对SO2、NO2的影响程度高于O3、PM10、PM2.5。

3.4 全省各污染物浓度具有明显的日变化特征，小时浓度日变化振幅随年份逐渐减小，减小值从南向北呈递减趋势。石家庄SO2日平均浓度增长比例从2018年的2.47倍下降至2020年1.5倍，全省范围污染物日平均浓度积聚速度和日增长比例均有不同程度的下降，而消散速度变化不明显；大气污染物排放减少在一定程度上加速NO2、O3的消散，但是污染物消散速度与气象扩散条件的影响密不可分。

3.5 目前的调控措施对空气质量有了明显的改善，对比新冠肺炎期间的“零排放”发现，调控措施的效果区域性差异较大，中南部和东部地区仍有较大的提升空间；另外，不同污染物的调控效果也有差异，应增加针对NO2、SO2的减排措施。研究结果为河北省重污染天气调控措施的完善提供了科学依据。