【专家解读】鹤壁市1月13-17日污染过程解读

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导   读

2018年1月12日起，受系统性偏南风和不利气象条件影响，京津冀及周边地区出现一次大气重污染过程，多城市出现中-重度污染。针对鹤壁市的污染过程，国家大气污染防治攻关联合中心邀请鹤壁市跟踪研究工作组负责人、中国环境科学研究院张新民研究员对此次污染过程进行分析解读。

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整体情况

鹤壁市2018年1月13日-17日出现入冬以来持续时间较长、污染程度较重的重污染天气过程，其中1月14日20时-17日23时，基本维持重度及以上污染，持续时间长达75个小时，目前污染过程仍未结束。本次污染过程内因是机动车和燃煤等本地污染排放；外因是受长时间静稳天气影响，由细粒子累积所致。鹤壁市重污染应急措施有效缓解了大气污染程度，1月12日-17日橙色预警应急措施平均可使PM2.5降低21μg/m3，污染物平均减排比例为15.4%。通过分析，建议下一步加强本地机动车源的管控。

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过程分析

（图1  重污染过程污染物浓度变化和AQI区域分布）

2018年1月13日至17日，鹤壁市出现入冬以来持续时间较长、污染程度较重的重污染天气过程。13日7时达到重度污染，小时AQI最高值407出现在15日4时。15日13时至16日1时空气质量出现短时改善，降至中度污染以下水平。此后空气质量继续恶化，重污染持续，但污染程度轻于第一次累积过程。其中1月14日20时-17日23时，空气质量基本为重度及以上污染，持续时间长达75个小时，且出现20小时的严重污染时段，目前污染过程仍未结束。本次重污染过程可大致分为三个阶段，第一阶段（13日0时-14日16时），受不利气象条件影响，污染物浓度缓慢提升，至14日11时，AQI指数为214，达到重度污染，此后受弱冷空气影响缓慢下降，第一阶段主要以轻度污染为主，重度污染维持2小时。第二阶段（14日17时-16日17时），受系统性偏南风影响沿太行山脉污染物传输，污染物迅速累积达到重度污染，持续44小时，其中严重污染时段11小时。第三阶段（16日18时-17日23时），持续受静稳天气和区域污染物传输影响，空气质量再次下降，且以重度污染为主，持续时间29小时，严重污染时段9小时。具体空气质量变化情况见图1。

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成因分析

（图2   鹤壁市1月13-17日污染时段天气形势分析）

（一）天气形势和气象要素分析

自13日起，华北地区500hPa主要受纬向西风平直气流影响，偶尔有极弱浅槽东移，导致华北地区出现多股弱冷空气影响。地面交替出现均压场及偏南气流、弱高压的控制。13日至17日，受长时间静稳天气影响，边界层高度持续较低，污染物沿太行山脉堆积，扩散条件极为不利，导致鹤壁市长时段处于重度污染。其中14日下午和16日中午经历了弱冷空气过境，冷锋前部强逆温使得污染物浓度出现峰值，扩散条件极为不利；系统性偏南暖湿气流及均压场同样是本次污染物浓度居高不降的主要原因；17日上午，受暖锋过境影响，鹤壁市出现大雾天气，PM2.5浓度再度升高。

（图3  重污染过程激光雷达扫描结果）

（二）激光雷达垂直观测

12-18日鹤壁市大气运动平缓，城市内部气流相对平稳，边界层高度维持500米以下，污染物垂直扩散能力较差，且城市上空空气相对湿度较大，加剧了气溶胶颗粒的吸湿增长和气态污染物的二次转化；高空存在污染物迁移过程中部分沉降，导致近地面污染物浓度持续较好，时段内扩散条件极为不利，详见图3。1月15日外来污染物迁移时，城市上空800米气流方向为偏西北风，以下降气流为主。推测高空污染物来自西北方向（见图4）。

（图4   2018年1月15日后向轨迹分析）

（图5  气溶胶光学厚度和Angstrom指数随时间的变化图）

（三）气溶胶粒子光学特性分析

图5为太阳光度计反演的气溶胶光学厚度和Angstrom系数随时间的变化情况。从图中可以看出：1月12日-14日昼间AOD（500nm）呈缓慢增长变化，对应近地污染物的缓慢累积阶段，期间气溶胶Angstrom波长指数在13日出现一次明显降低，由12日下午最高1.39降至0.59，表征气溶胶粒径不断增长，应与13日相对湿度明显增大，细颗粒物不断吸湿增长有关，到14日则重新升至1.4左右的高值，说明气溶胶粒径逐渐减小，大气中的颗粒物转为小粒子为主。

从15日开始到16日早间，AOD呈现迅猛增长，最高达2.93，与地面观测的PM2.5及近地污染分布变化一致，到16日午后，AOD快速降至1.17，近地污染不断缓解。期间Angstrom波长指数在AOD的增长阶段呈现下降趋势，表明16日早间颗粒物粒径明显增大，应与该时段相对湿度增大有关，而到午后的污染物浓度下降阶段，Angstrom波长指数却出现快速增长，则说明此时污染物的降低主要为大颗粒物的减少所致，细粒子浓度依旧较高，由此也预示了17日近地PM2.5浓度的第二次迅速增长。17日AOD出现反弹增长，平均达2.07，对应Angstrom波长指数与16日污染降低时段变化不大，说明该阶段的污染增长均由细粒子累积所致。

（图6  1月13-17日鹤壁市重污染过程区域来源解析）

（四）区域来源

基于CAMx模型结果，2018年1月13-17日鹤壁市重污染过程期间，鹤壁市本地源占比为10.2%-55.8%，平均占比仅为25.5%。主要受石家庄-邢台-邯郸-安阳-新乡等沿太行山脉城市传输影响，贡献占比合计超过40%。重污染过程第一阶段（13日0时-14日16时），主要为鹤壁市本地源贡献，本地源占比45.5%；第二阶段（14日17时-16日17时），第二阶段近地面受弱冷空气和系统性偏南风对峙影响受北部城市污染传输影响较大，本地源占比降为22%，邢台-邯郸-安阳一线城市污染贡献占比超过48%；第三阶段（16日18时-17日23时），受弱冷空气南下影响，主要受北部邯郸-安阳一线城市沿太行山脉缓慢传输影响作用，合计占比29.2%。

（图7  各源类颗粒物占比及PM2.5质量浓度时间序列）

（五）PM2.5在线源解析

鹤壁市单颗粒在线源解析结果显示，本次污染时段内主要污染贡献源为燃煤源、机动车源和二次无机源，分别占比34.7%、26.5%，15.1%。机动车和燃煤颗粒的交替累积造成的，其中第一次污染以燃煤为主，第二次污染则主要受机动车尾气到的影响，详见图7。图8为污染过程中3个重点时段的污染源比例分布图。从中可见：从时段1（11日13时-15时）到时段2（14日13时-15时），PM2.5质量浓度平均值由19μg/m3升高到128μg/m3，空气质量由优转为中度污染。污染增长前期尾气是主要污染源，占比达到43.6，14日14时后燃煤源占比快速增长，到时段3（16日6时-8时）污染水平达到严重污染，贡献率最大的污染源是燃煤，贡献比例为59.7%，和时段2相比，增长最明显的是燃煤源，比时段2上升了46.5个百分点。从时段3至时段4（17日14时-16时），PM2.5质量浓度平均值上升了10μg/m3，空气质量继续维持在严重污染水平。在此过程中二次无机源的比例明显增加，从6.2%上升了14.3个百分点达到了20.5%，机动车尾气源占比上升8.6%。综上，本次污染在形成时很可能是不利的扩散条件下的，燃煤排放颗粒和机动车尾气的交替累积导致的，此外后期二次无机反应增强，也是造成污染反弹一个因素。

（图8  污染过程中重点时段各污染源贡献率对比）

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应急措施

根据跟踪研究专家组和重污染天气应急指挥部研判结果，鹤壁市自2018年1月12日0时启动重污染天气Ⅱ级（橙色）预警应急响应。具体措施如下：

• 全市60家错峰生产企业停产；

• 水泥粉磨站，混凝土搅拌站，水泥制品和混凝土制品企业，沥青制品企业，化肥生产企业，涂料生产企业，石料开采企业，金属制造企业，家具、设备制造等涉挥发性有机化合物排放工序全部停产；

• 化工企业、橡胶制品业和塑料制品业涉气工序或设备部分限产；

• 全市89家企业实行大宗物料错峰运输；

• 对裸露场地增加洒水降尘频次，对城区主次干道、重要国道省道市道县道增加吸尘、清扫、洒水、喷雾等防治扬尘作业。

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效果分析

（图9  鹤壁市实施橙色预警期间PM2.5浓度数值模拟结果）

本次重污染天气橙色预警的发布，共计管控工业企业473家。经测算，上述减排措施实施后，可降低SO2、NOx、PM2.5、VOCs排放量分别为22.41%、27.36%，39.38%和21.08%。根据模型模拟结果，1月12日-17日橙色预警应急措施实施期间，鹤壁市PM2.5浓度值平均可降低21μg/m3，减排比例为8.1%-27.8%，平均减排比例为15.4%；其中，15日18时、17日15时本次污染最为严重时段，PM2.5浓度值瞬时改善值分别达到62和51μg/m3，瞬时改善比例为27.8%和24.7%，重污染应急措施有效缓解了鹤壁市大气污染程度。

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污染小结

1、从外因上看，受长时间静稳天气影响，边界层高度持续低于500米，污染物沿太行山脉堆积，扩散条件极为不利，导致鹤壁市长时段处于重度污染。

2、从内因上看，本次污染过程中以燃煤和机动车尾气的本地排放为主，建议下一步加强本地机动车源的管控。

3、从太阳光度计反演的气溶胶光学厚度和Angstrom系数随时间的变化情况看，本次污染增长均由细粒子累积所致。

4、从模拟结果看，鹤壁市重污染应急措施有效缓解了鹤壁市大气污染程度。1月12日-17日橙色预警应急措施实施期间，鹤壁市PM2.5浓度值平均可降低21μg/m3，减排比例为8.1%-27.8%，平均减排比例为15.4%。

5、从区域贡献看，本地源贡献占比在10.2%-55.8%之间，平均占比仅为25.5%。主要受石家庄-邢台-邯郸-安阳-新乡等沿太行山脉城市区域传输影响较大，平均占比超过40%。

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