京津冀地區(qū)大氣污染物來源及異地輸送路徑分析

藺旭東，孫 穎，張孟強(qiáng)，劉 佳，陳 偉

（1. 中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院，河北 秦皇島 066102；2. 秦皇島市環(huán)境保護(hù)局，河北 秦皇島 066000）

京津冀地區(qū)大氣污染物來源及異地輸送路徑分析

藺旭東1，孫 穎1，張孟強(qiáng)2，劉 佳1，陳 偉1

（1. 中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院，河北 秦皇島 066102；2. 秦皇島市環(huán)境保護(hù)局，河北 秦皇島 066000）

首先利用空氣質(zhì)量地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)京津冀地區(qū)主要城市的空氣質(zhì)量指數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行分析，推測(cè)出京津冀地區(qū)西南部北京、邯鄲、石家莊、邢臺(tái)、保定、衡水6城市間存在著較明顯的大氣污染物異地輸送。然后，利用全球資料同化系統(tǒng)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對(duì)北京的輸入性大氣污染物的來源及其輸入路徑進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，從而揭示出保定至衡水間的區(qū)域是北京輸入性大氣污染物的最主要來源地。京津冀地區(qū)其他城市輸入性大氣污染物的來源及其輸入路徑的分析，也可以參照對(duì)北京的分析過程同理進(jìn)行。

京津冀；大氣污染；氣流軌跡；異地輸送；聚類分析

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，京津冀地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題日益突出，頻繁發(fā)生的嚴(yán)重霧霾天氣過程，就是其典型表現(xiàn)。圖1顯示了中央氣象臺(tái)發(fā)布的2014年10月24日至25日、2014年11月 20日至21日以及2015年1月14日至15日三次全國(guó)霾區(qū)的預(yù)報(bào)。京津冀地區(qū)在這三次霧霾天氣過程中都是重災(zāi)區(qū)。

值得注意的是，每次霧霾都不是發(fā)生在京津冀地區(qū)的個(gè)別城市，而是覆蓋了北京、天津及河北南部的多個(gè)城市。在幾乎相同的大片區(qū)域頻繁地發(fā)生嚴(yán)重霧霾天氣過程，這就不僅與此區(qū)域內(nèi)相關(guān)城市的本地污染有關(guān)，還與區(qū)域內(nèi)大氣污染物的異地輸送密切相關(guān)。因此，對(duì)京津冀地區(qū)各城市輸入性大氣污染物的來源及其輸送路徑進(jìn)行分析，對(duì)于采取有效措施開展京津冀地區(qū)大氣污染的聯(lián)防聯(lián)控，改善京津冀地區(qū)的空氣質(zhì)量，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 全國(guó)霾區(qū)預(yù)報(bào)

本研究正是基于此目的，綜合運(yùn)用空氣質(zhì)量地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和全球資料同化系統(tǒng)（Global Data Assimilation System，簡(jiǎn)稱GDAS）數(shù)據(jù)[1]，對(duì)京津冀地區(qū)輸入性大氣污染物的主要來源及其輸送路徑進(jìn)行分析[2]，為京津冀地區(qū)大氣污染的聯(lián)防聯(lián)控提供準(zhǔn)確的輔助決策依據(jù)。

1 分析數(shù)據(jù)描述

2004年，蘇福慶等曾利用京津冀氣象站歷史資料及激光雷達(dá)資料研究了北京周邊城市污染物的跨省輸送[3-4]。隨著技術(shù)手段的進(jìn)步，本研究是在兩類數(shù)據(jù)，即空氣質(zhì)量地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和GDAS數(shù)據(jù)綜合運(yùn)用的基礎(chǔ)上展開的。

空氣質(zhì)量地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要來源于各地的空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index，簡(jiǎn)稱AQI指數(shù)）、PM2.5濃度、PM10濃度、二氧化硫濃度、二氧化氮濃度、一氧化碳濃度及臭氧濃度。本研究主要利用AQI指數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對(duì)于每個(gè)城市，監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以有多個(gè)。因此，將根據(jù)一個(gè)城市一天內(nèi)每小時(shí)各個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算其平均值，作為此城市當(dāng)天的AQI數(shù)據(jù)。

GDAS數(shù)據(jù)是由美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，簡(jiǎn)稱NCEP）發(fā)布的全球氣象數(shù)據(jù)。氣象要素包括風(fēng)、溫、濕、位勢(shì)高度以及地面降水等，水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向?yàn)?8層，從地面到10 hPa。每天在協(xié)調(diào)世界時(shí)（Universal Time Coordinated，簡(jiǎn)稱UTC）的0：00、6：00、12：00、18：00時(shí)執(zhí)行4次，按每月5個(gè)星期進(jìn)行保存。GDAS的數(shù)據(jù)后處理模塊會(huì)將全球1°×1°數(shù)據(jù)插值到正形投影的地圖上。

本研究基于2015年1月14日至15日京津冀地區(qū)發(fā)生的嚴(yán)重霧霾天氣過程前后的上述兩類相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 利用空氣質(zhì)量地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析AQI相關(guān)性

2015年1月14日至15日京津冀地區(qū)嚴(yán)重霧霾天氣過程前后共一個(gè)星期時(shí)間，即2015年1月11日至17日期間，霧霾所覆蓋區(qū)域的北京、天津、唐山、邯鄲、石家莊、邢臺(tái)、保定、滄州、衡水、廊坊10個(gè)城市的AQI指數(shù)如表1所示。

從表1中可以發(fā)現(xiàn)10個(gè)城市在空氣質(zhì)量變化中的一些規(guī)律：首先，各城市AQI指數(shù)在2015年1月11日至17日期間都發(fā)生了先升后降的過程，說明霧霾在10個(gè)城市都不同程度出現(xiàn)；其次，各城市的AQI指數(shù)呈現(xiàn)出一定差異性的變化，在15日達(dá)到明顯峰值的城市有6個(gè)，而滄州、天津和唐山、廊坊4個(gè)城市的AQI指數(shù)變化與其他6城市有明顯的不同。天津、滄州和廊坊的AQI指數(shù)變化趨勢(shì)相近，在14和15日都基本保持穩(wěn)定，呈現(xiàn)出與北京等6城市明顯不同的變化特征，而唐山的AQI指數(shù)變化呈現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的特征，只有它的AQI指數(shù)在14日達(dá)到一個(gè)明顯的峰值；第三，從AQI指數(shù)變化來看，天津、滄州的AQI水平要明顯低于其他城市。而唐山市除了14日出現(xiàn)明顯峰值之外，其他日期AQI水平也相對(duì)較低。廊坊的情況比較特殊，它的AQI指數(shù)變化趨勢(shì)雖然與滄州、天津相近，但其AQI的絕對(duì)數(shù)值又明顯高于滄州和天津，更接近于北京等6個(gè)城市的水平。

表1 京津冀地區(qū)10城市2015年1月11日至17日AQI指數(shù)

為了能更加客觀地展示上述10個(gè)城市AQI變化的相關(guān)性，對(duì)10城市2015年1月1日至31日共一個(gè)月的AQI指數(shù)數(shù)據(jù)，利用Ward算法[5]進(jìn)行了聚類分析運(yùn)算。結(jié)果顯示，10個(gè)城市可以被分為四類：

第一類：北京、邯鄲、石家莊、邢臺(tái)、保定、衡水；第二類：唐山；第三類：天津、滄州；第四類：廊坊。

這一聚類結(jié)果與上文中對(duì)表1的分析基本一致。進(jìn)一步觀察這10個(gè)城市所處的經(jīng)緯度，第一類城市大致位于京津冀地區(qū)的西南部，大氣污染狀況相對(duì)都比較嚴(yán)重，天津與滄州位于京津冀地區(qū)的東南部，大氣污染狀況相對(duì)比較輕微，廊坊則可以看作這兩個(gè)部分的分界點(diǎn)，大氣污染狀況處于中等程度。而唐山則位于相對(duì)獨(dú)立的京津冀地區(qū)的東部，大氣污染狀況起伏較大。

由此可以推測(cè)，在京津冀地區(qū)西南部各城市，除了工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣等造成的本地污染排放，還存在著大氣污染物的異地輸送，將其中一個(gè)城市及其周邊地區(qū)的大氣污染物源源不斷地輸送至其他城市，導(dǎo)致這些城市污染情況加劇，且具備較強(qiáng)的相關(guān)性。因此，分析京津冀地區(qū)大氣污染物的異地輸送路徑，對(duì)于各相關(guān)城市的大氣污染治理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究選取北京作為重點(diǎn)的研究對(duì)象。利用GDAS數(shù)據(jù)，對(duì)其輸入性大氣污染物的來源及其輸入路徑進(jìn)行全面的分析。而其他城市輸入性大氣污染物的來源及其輸入路徑的分析，也可以參照對(duì)北京的分析過程同理進(jìn)行。

3 利用GDAS數(shù)據(jù)分析氣流軌跡

利用NECP發(fā)布的GDAS數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出每個(gè)城市在2015年1月14日至15日嚴(yán)重霧霾天氣過程形成之前及形成過程中的72 h，即2015年1月12日0：00至2015年1月15日0：00間的前向或后向氣流軌跡。

利用HYSPLIT模式[6]，在每天的0：00、3：00、6：00、9：00、12：00、15：00、18：00、21：00點(diǎn)8個(gè)時(shí)刻，分別將一個(gè)城市作為氣流軌跡模擬的起點(diǎn)或終點(diǎn)，計(jì)算其2015年1月12日0：00至2015年1月15日0：00期間500 m高空的48 h前向或后向的氣流軌跡。每次模擬，都將得到24條前向或后向氣流軌跡。其中，前向氣流軌跡可以反映出一個(gè)城市向外輸送大氣污染物的方向，而后向氣流軌跡則可以反映一個(gè)城市輸入性大氣污染物的來源。

在計(jì)算出一個(gè)城市的前向或后向的24條氣流軌跡之后，仍然利用Ward算法，對(duì)這24條軌跡進(jìn)行聚類分析，得到各城市在2015年1月12日0：00至2015年1月15日0：00期間，前向或后向氣流軌跡的均值圖和分類圖。限于篇幅，本研究只給出在均值圖中軌跡占比最高的兩類軌跡的分類圖。

北京位于第一類城市的最北端，它的后向氣流軌跡均值圖和分類圖如圖2所示，其中，圖2（a）為均值圖，圖2（b）和圖2（c）為分類圖。

由圖3可知，北京氣流的外部輸入主要有兩個(gè)來源：（1）42%的氣流輸入來自115°～116°E，36°～39°N的區(qū)域，涵蓋了保定和衡水兩個(gè)第一類城市及其周邊。保定和衡水及其周邊的大氣污染物可以隨著這一氣流輸入北京。（2）25%的氣流輸入源自內(nèi)蒙古東部，經(jīng)遼寧、渤海、河北東南部進(jìn)入北京。由于這一氣流經(jīng)過了海洋地區(qū)，因此其攜帶入京的大氣污染物主要來自東經(jīng)116°～118°E，38°～40°N的區(qū)域，其中包括了第三類城市滄州及其周邊。

為了對(duì)北京主要的輸入性氣流來源進(jìn)行反向的驗(yàn)證，圖3、圖4、圖5分別給出了保定、衡水和滄州的前向氣流軌跡。從這三個(gè)城市的前向氣流軌跡之中，可以發(fā)現(xiàn)其與北京后向氣流軌跡的相關(guān)之處。保定、衡水分別有79%和54%的輸出氣流流向北京方向。而滄州市的輸出氣流共有67%流向其東北方向，主要影響天津，對(duì)北京的影響相對(duì)較輕。這就進(jìn)一步證明，保定、衡水及其周邊是北京重要的輸入性氣流來源地。同時(shí)，也驗(yàn)證了第3節(jié)中所提到的，即滄州與天津同屬第三類城市，與第一類城市間不存在明顯的AQI相關(guān)性。

圖2 北京后向氣流軌跡均值圖和分類圖

圖3 保定前向氣流軌跡均值圖和分類圖

圖5 滄州前向氣流軌跡均值圖和分類圖

繼續(xù)考察另外3個(gè)第一類城市石家莊、邢臺(tái)、邯鄲以及距離北京較近的廊坊、天津、唐山，看它們是否產(chǎn)生輸入北京的氣流軌跡。

從圖6～圖8可以看出，石家莊與邢臺(tái)的氣流主要向116°E以西的偏北方向輸出，邯鄲的主要輸出方向?yàn)楸镜剌斔停灿姓伎偭?9%的偏北方向的氣流輸送。和保定、衡水的氣流輸出路徑相比較，石家莊、邢臺(tái)、邯鄲的主要?dú)饬鬏敵雎窂矫黠@偏西，三市都只有少量氣流直接輸送到保定、北京一線，因此，可以被看作北京輸入性氣流的一個(gè)次要來源地。

從圖9～圖11可以看出，廊坊、天津、唐山及其周邊的氣流輸出主要是本地輸送和偏東方向，向北京輸出的氣流軌跡數(shù)量極其有限。

從上述對(duì)北京后向氣流軌跡及保定等9個(gè)城市前向氣流軌跡的分析可知，對(duì)于北京而言，保定至衡水間的區(qū)域是其輸入性氣流的最主要來源地。保定是一個(gè)以重工業(yè)為主的城市，主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)包括汽車、紡織、建材和食品等[7-8]；衡水是一個(gè)重化工城市，鋼鐵、化工在工業(yè)產(chǎn)值中占據(jù)較大比例。兩市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)決定了其二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物的排放量比較高，這是其本身以及氣流輸出路徑上的北京霧霾形成的重要原因之一。

圖6 石家莊前向氣流軌跡均值圖和分類圖

圖7 邢臺(tái)前向氣流軌跡均值圖和分類圖

圖8 邯鄲前向氣流軌跡均值圖和分類圖

圖9 廊坊前向氣流軌跡均值圖和分類圖

圖10 天津前向氣流軌跡均值圖和分類圖

圖11 唐山前向氣流軌跡均值圖和分類圖

石家莊、邢臺(tái)、邯鄲一線，可以看作北京輸入性氣流的一個(gè)次要來源地。三市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也都是以重工業(yè)為主，石家莊市的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)主要包括裝備制造業(yè)、紡織服裝業(yè)、鋼鐵工業(yè)、石化工業(yè)、建材工業(yè)；邢臺(tái)和邯鄲的工業(yè)產(chǎn)值中，鋼鐵和煤炭也占有很大比重。因此，三市也會(huì)給北京帶來一定的輸入性大氣污染物。而滄州周邊地區(qū)及山東北部地區(qū)也有少量氣流流向北京。由于滄州的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以石油化工為主，同時(shí)，冶金、機(jī)械制造、紡織服裝、食品加工等產(chǎn)業(yè)也具備一定規(guī)模，因此，滄州周邊對(duì)北京空氣質(zhì)量的影響也應(yīng)當(dāng)引起重視。

4 結(jié)論

本研究首先基于空氣質(zhì)量地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了京津冀地區(qū)10個(gè)城市的AQI相關(guān)性，并依據(jù)此相關(guān)性，將所有10個(gè)城市分成了四類。然后，進(jìn)一步利用GDAS數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究了北京與各類城市間的大氣污染物異地輸送路徑，確定了保定至衡水間的區(qū)域是北京輸入性大氣污染物的最主要來源地。依據(jù)與北京同樣的分析方法，可以對(duì)京津冀地區(qū)所有城市輸入性大氣污染物的來源及異地輸送路徑開展全面的分析研究，從而為京津冀地區(qū)大氣污染的聯(lián)防聯(lián)控提供準(zhǔn)確可靠的輔助決策依據(jù)。

本結(jié)論主要由2015年1月14日至15日期間發(fā)生的一次嚴(yán)重的霧霾天氣過程的相關(guān)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果得出。在今后的工作中，還將針對(duì)更多的霧霾天氣過程，利用本研究方法，進(jìn)行更加全面深入的分析實(shí)驗(yàn)，以期獲得更加準(zhǔn)確可靠的研究結(jié)論。

[1]NCEP.GDAS dataset[EB/OL].（2013-05-30）.http：//www.emc.ncep. noaa.gov/gmb/gdas/.

[2]王茜.利用軌跡模式研究上海大氣污染的輸送來源[J].環(huán)境科學(xué)研究，2013，26（4）：357-363.

[3]蘇福慶，高慶先，張志剛，等.北京邊界層外來污染物輸送通道[J].環(huán)境科學(xué)研究，2004，17（1）26-29.

[4]蘇福慶，任陣海，高慶先，等.北京及華北平原邊界層大氣中污染物的匯聚系統(tǒng)——邊界層輸送匯[J].環(huán)境科學(xué)研究，2004，17（1）：21-25，33.

[5]王斌會(huì).多元統(tǒng)計(jì)分析及R語(yǔ)言建模[M].廣州：暨南大學(xué)出版社，2010：131-150.

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[7]張明華，謝文勇，唐曉青，等.河北省大氣污染狀況分析及對(duì)策研究[J].中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，25（1）：47-50.

[8]黃艷會(huì).河北省地級(jí)市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與競(jìng)爭(zhēng)力比較研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2012.

（編輯：程 ?。?/p>

Analysis on The Source and Off-site Transportation Paths of Air Pollutants in Beijing-Tianjin-Hebei Region

Lin Xudong1,Sun Ying1,Zhang Mengqiang2,Liu Jia1,Chen Wei1
（1.Environmental Management College of China,Qinhuangdao Hebei 066102,China；2.Qinhuangdao Environmental Protection Bureau,Qinhuangdao Hebei 066000,China）

The correlation of air quality indexes of main cities in Beijing-Tianjin-Hebei region was analyzed according to the ground monitoring data of air quality,and the remarkable off-site transportation of air pollutants around Beijing,Handan,Shijiazhuang,Xingtai,Baoding and Hengshui were found.And then,the data of Global Data Assimilation System were applied to mainly research the imported sources and transportation paths of air pollutants of Beijing.The region around Baoding and Hengshui was considered as the main imported source of the off-site transportation of air pollutants of Beijing.The imported sources and transportation paths of air pollutants of other cities in Beijing-Tianjin-Hebei region can be analyzed referring to the research process of Beijing to provide accurate auxiliary decision-making basis for the joint prevention and control of the air pollution in the whole Beijing-Tianjin-Hebei region.

Beijing-Tianjin-Hebei，air pollution，airflow trajectory，off-site transportation，cluster analysis

X51

A

1008-813X（2015）06-0029-06

10.13358 /j.issn.1008-813x.2015.06.07

2015-09-22

河北省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目《大數(shù)據(jù)在京津冀生態(tài)環(huán)境改善協(xié)作中的輔助決策機(jī)制研究》（15450317D）；河北省社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目《大數(shù)據(jù)技術(shù)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用研究》（HB14LJ001）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金《基于空間網(wǎng)絡(luò)的“興趣集群”的最優(yōu)選擇查詢研究》（QN2015133）

藺旭東（1974-），男，河北秦皇島人，畢業(yè)于北京交通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，博士，副教授，主要從事環(huán)境信息化、數(shù)據(jù)集成與檢索方面的研究工作。