北京市8月典型顆粒物污染過程的氣象分析

廖晶晶，崔修來，孫 瑤

（1.葫蘆島市氣象局，遼寧葫蘆島 125000；2.營口市氣象局，遼寧營口 115000）

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北京市8月典型顆粒物污染過程的氣象分析

廖晶晶1，崔修來2，孫 瑤2

（1.葫蘆島市氣象局，遼寧葫蘆島 125000；2.營口市氣象局，遼寧營口 115000）

摘 要：以高分辨率的北京市2011—2014年8月顆粒物質(zhì)量濃度為基礎，耦合氣象數(shù)據(jù)和氣團質(zhì)點后向軌跡，探討顆粒物重污染過程的污染特征。結(jié)果顯示，南向的軌跡極易造成北京市顆粒物的積累，形成很高的濃度值。污染過程中PM2.5/PM10的值和相關系數(shù)逐漸增加，且顆粒物質(zhì)量濃度與平均風速、能見度成反比，與相對濕度成正比。

關鍵詞：顆粒物；后向軌跡；氣象條件

文獻著錄格式:廖晶晶，崔修來，孫瑤.北京市8月典型顆粒物污染過程的氣象分析［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學，2016，57（6）: 930-939.

大氣污染一直是世人關注的環(huán)境問題。伴隨著城市化、工業(yè)化的發(fā)展，以大中城市、城市群和城市帶為主的區(qū)域環(huán)境污染明顯加?。?］。郝吉明等［2］將大氣污染物按其存在的狀態(tài)概括為2大類:氣體狀態(tài)污染物和氣溶膠狀態(tài)污染物。前者主要包括含硫氧化物（如SO2）、含氮氧化物（如NO2）、含碳氧化物（如CO）、有機化合物（如VOC）以及鹵素化合物（如HF）；后者主要是指顆粒物。按照顆粒物空氣動力學當量直徑（用da表示）大小，將其分為總懸浮顆粒物（TSP）和可吸入顆粒物（用PM10表示）。TSP是指da≤100 μm的顆粒物，PM10是指da≤10 μm的顆粒物。近些年，人們又開始關注PM2.5，即da≤2.5 μm的顆粒物，將其稱為細顆粒物，將da在2.5～10 μm的粒子稱為粗顆粒物。

賈英韜［3］研究發(fā)現(xiàn)，PM10和PM2.5小時質(zhì)量濃

1 材料與方法

1.1 顆粒物采樣

2011—2014年PM2.5和PM10監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于在線（30 min）質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果（TEOM 1405顆粒物監(jiān)測儀，ThermoElectron）。采樣點位于北京市（39°23′—41°05′N，115°25′—117°30′E）北四環(huán)以外的清華大學原環(huán)境科學與工程系樓頂，距地面高度約5 m，距離天安門廣場約12 km，周圍主要是居住區(qū)，食堂和餐廳較多。顆粒物質(zhì)量濃度和高分辨率的人為源顆粒物排放清單均來自清華大學環(huán)境科學與工程系。

1.2 氣象數(shù)據(jù)

高分辨率的氣象數(shù)據(jù)（包括平均溫度、降水量、平均風速、相對濕度、能見度）來源于中國氣象局氣象信息中心，采用2012—2014年8月北京市南郊觀象臺（站號為54511）的氣象數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

利用美國NOAA的HYSPLIT 4.1（hybrid single-particleLagrangian integrated trajectory）模式計算得到氣團質(zhì)點后向軌跡，其傳輸、擴散模式是一種歐拉和拉格朗日型混合的計算模式，平流和擴散的處理采用拉格朗日方法，而濃度計算則采用歐拉方法。模式采用地形σ坐標，σ=1-z/Ztop，z為距離地面高度，Ztop為模式頂高。水平網(wǎng)格與輸入的氣象場相同，垂直向分為28層，氣象要素場線性內(nèi)插到各σ層上［5］。

本文利用HYSPLIT 4.1在線（http://www.arl.noaa.gov/ready/hysplit4.html）計算。軌跡計算采用2種處理:處理1，軌跡間間隔時間為24 h，起始高度為500 m，每天從18: 00（UTC）后推48 h；處理2，軌跡間間隔時間為6 h，從當日18: 00，12: 00，6: 00，0: 00，以及次日的18: 00均后推48 h，起始高度為500 m，每天5條，其中0，6，12，18，24分別表示軌跡的先后順序，經(jīng)換算成北京時間后，0的起始時間為當日2: 00點，6的起始時間為8: 00，12的起始時間為14: 00，18的起始時間為20: 00，24的起始時間為第2日的2: 00。

為了簡便直觀，簡單地按來源方向進行聚類。按照日常生活中經(jīng)常提到的8個方向來分類，即東（E）、東南（SE）、南（S）、西南（SW）、西（W）、西北（NW）、北（N）、東北（NE）。由于軌跡變化多樣，故聚類的主要原則是方便統(tǒng)計，具體的細則如下:有一個拐點時，分成兩段計算；有2個拐點時分成2個方向；有2個以上拐點，不太好聚類時，以靠近北京的那段軌跡的方向為準。在做后向軌跡時，其經(jīng)緯度分別是116.23°E和39.94°N。

本文主要采用統(tǒng)計方法，將顆粒物質(zhì)量濃度和氣象因子結(jié)合起來，以定性描述北京市8月份顆粒物質(zhì)量濃度與氣象因子間的關系。

2 結(jié)果與分析

2.1 北京市8月PM10和PM2.5日變化

將2011—2014年8月期間測量的PM10和PM2.5半小時平均質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換成日平均值，PM10共106個樣本，PM2.5共101個樣本，2014年8月份逐日PM10和PM2.5質(zhì)量濃度見圖1。從整體上看，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的日變化幅度都很大，且變化趨勢表現(xiàn)出明顯的一致性?，F(xiàn)將2011—2014年北京市PM10和PM2.5的一些統(tǒng)計指標列于表1。

圖1　2014年8月PM10和PM2.5逐日質(zhì)量濃度分布

表1　北京市2011—2014年8月PM10和PM2.5統(tǒng)計指標

由表1可見，2011—2014年間PM10和PM2.5的最大日均濃度分別是其日均濃度平均值的2.81倍和2.78倍。參照國家Ⅱ級標準（PM10日均質(zhì)量濃度不超過150 μg·m-3），北京市8月PM10日平均質(zhì)量濃度符合標準，雖然其超標比例明顯低于于建華等［4］1—4月的研究結(jié)果，但仍達到34%。參照美國國家環(huán)境保護局（EPA）標準（PM2.5日平均質(zhì)量濃度不大于65 μg·m-3），北京市8月PM2.5日均質(zhì)量濃度超過標準，且超標比例為45%。PM10超標日平均質(zhì)量濃度是標準值的1.32倍，PM2.5超標日平均質(zhì)量濃度是標準值的1.46倍?？傮w來看，2014年8月北京市某幾天的PM10質(zhì)量濃度超出國家Ⅱ級標準比較多，如果能把這些超高值抹去或者控制住，北京市8月份的空氣質(zhì)量就不成問題。所以，要實現(xiàn)空氣質(zhì)量達標，有必要深入分析這些遠高于國家標準的天數(shù)或者小時數(shù)。

2.2 顆粒物鋸齒型污染過程分析

賈英韜［3］將鋸齒型污染過程（sawtooth-shaped cycles）定義為顆粒物質(zhì)量濃度逐漸升高，之后迅速下降的非對稱變化特征，每個周期可分為3個階段，即低濃度期Ⅰ、準線性增長期Ⅱ和波動期Ⅲ。以此為基礎，分析北京市8月顆粒物污染過程及形成這種過程的一些外來源。圖2是北京市2014年8月PM10和PM2.5半小時質(zhì)量濃度變化。不難發(fā)現(xiàn)，北京市8月大氣顆粒物也有符合鋸齒型污染規(guī)律的過程。

圖2　2014年8月北京市PM10和PM2.5質(zhì)量濃度變化

2.2.1 案例1

2014年8月1日至9日的PM10質(zhì)量濃度變化及同時期降水量見圖3。利用HYSPLIT4.1模型模擬相應時間段的后向軌跡，共模擬10 d，采用1.3節(jié)處理一所述方法繪制后向軌跡，結(jié)果見圖4。

由圖4可見，7月31日、8月1日、8月2日氣團均來自西北或北，同時段的PM10質(zhì)量濃度變化起伏不大。8月3日氣團偏東南，8月4日氣團東向，從圖3可以發(fā)現(xiàn)，8月3日末4日初的時候PM10質(zhì)量濃度有一個突降，8月4日氣團轉(zhuǎn)為東向，PM10質(zhì)量濃度較低。8月5日氣團為偏南，PM10質(zhì)量濃度緩慢增長，但較4日PM10質(zhì)量濃度要大。8月6日氣團開始為偏南，在6日2: 00開始轉(zhuǎn)為正南和西南向，同時段的PM10質(zhì)量濃度快速積累，達到最高值之后，迅速下降（圖3）。8 月7—9日，氣團都是東南和正南交替，同時段不易于顆粒物質(zhì)量濃度的積累。

圖3　2014年8月前9 d PM10和降水量變化

圖4　2014年7月31日至8月9日后向軌跡

同樣地，圖4的氣團質(zhì)點后向軌跡也適用于解釋同時期PM2.5的變化（圖5）。因為PM2.5和PM10的變化很相似，現(xiàn)將此次污染過程按3個階段統(tǒng)計（表2）。

階段劃分的3個起始點分別是2014年8月4 日0: 30、2014年8月4日13: 30、2014年8月5 日18: 00，終止時間為2014年8月6日11: 00（此時出現(xiàn)峰值），PM10和PM2.5的峰值分別是381.5和182.5 μg·m-3。從表2可以看出，此次PM10質(zhì)量濃度每天都有一個慢積累和快突降的趨勢存在，但都遠沒有8月6日PM10質(zhì)量濃度高，這可能是因為8月6日之前來自南向的氣團質(zhì)點積累時間較長所致。

經(jīng)過上面分析，可初步斷定只要空氣氣團來源于東南、西南和南向就極易造成北京市空氣中顆粒物的鋸齒形污染過程，使PM10質(zhì)量濃度積累達到一段時間內(nèi)的濃度峰值。從圖4還可以看出，來自西北、東北和東向的氣團擾動空間尺度較西南、東南和南向為大，說明氣團質(zhì)點擾動的空間尺度大，污染過程持續(xù)68 h，但是據(jù)實測資料顯示，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度分別在1.5和1 h降到了5.5和12 μg·m-3。細顆粒物（PM2.5）在顆粒物中的比例逐漸增加，且PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的相關系數(shù)逐漸增加，可見顆粒物在積累的過程中粗細顆粒物變化漸趨一致。

進一步分析圖3和圖5，將后向軌跡細化，采用1.3節(jié)處理二所述方法進行計算，2014年8月1—8日共作40條軌跡線，如圖6—7。按前面所述原則共分類為66條，各日方向數(shù)目見圖8。其中，西南、東南、南向共占到了43條，特別是8月5日開始持續(xù)有正南向的氣團到達北京，導致8月6日顆粒物濃度達到峰值，峰值過后8月6日氣團以東南向為主；8月7日又有正南向的氣團，在中午時分又出現(xiàn)一個峰值；同理，8月8日又不斷有正南向的氣團，導致當日在短時間內(nèi)出現(xiàn)3個峰值，且都是緩積累快突降形式。

從圖8可以更清晰地發(fā)現(xiàn)，8月3—5日東南和正南向的積累導致PM10和PM2.5在8月6日11: 00出現(xiàn)381.5和182.5 μg·m-3的高值。8月6—8日空氣氣團主要來源于正南、東南和西南，若誠如前面初步判定的結(jié)論，南向的氣團容易慢慢積累顆粒物，從而導致PM10和PM2.5出現(xiàn)峰值，則可據(jù)此預測，在8月8日以后的幾天內(nèi)PM10和PM2.5將會再現(xiàn)峰值。實際測量資料顯示，在8月12日11: 00 PM10就出現(xiàn)了一個比6日還高的質(zhì)量濃度，為413.8 μg·m-3，PM2.5在同日12: 00出現(xiàn)峰值195.5 μg·m-3，之后2 h PM10就降到288.8 μg· m-3，PM2.5在3.5 h后降到99 μg·m-3，盡管這2個值還是很高，但相對前面出現(xiàn)的峰值來說，已經(jīng)降低很多。

圖5　2014年8月前9天PM2.5變化

表2　2014年8月4—6日鋸齒型污染過程的指標

綜上，利用后向軌跡可以分析顆粒物質(zhì)量濃度變化的外來源位置，并以此為基礎，綜合治理區(qū)域污染，合理規(guī)劃城市和農(nóng)村建設。另外，還可以繼續(xù)探討這樣的分析是否可以作為對未來空氣質(zhì)量預報的一種有效手段。

圖6　2014年8月1—6日后向軌跡

氣象條件也是影響顆粒物質(zhì)量濃度的重要因素。圖9是定時風速和溫度在2014年8月1—9日間的變化情況。在此期間，溫度變化呈規(guī)律的單峰單谷型，與圖3和圖5相比沒有明顯的相關性。但是，風速卻表現(xiàn)出與PM10和PM2.5相似的鋸齒變化過程。圖10是PM10和風速以及相對濕度的變化圖。可以看出，風速和PM10質(zhì)量濃度呈明顯的負相關，但這并不是完全絕對的。氣象學上講，一般暖與濕空氣團相伴，干與冷空氣團相伴，圖10顯示出，濕度峰值幾乎對應著PM10質(zhì)量濃度的峰值，且PM10峰值稍滯后于濕度峰值，說明空氣中的水汽明顯影響著顆粒物的質(zhì)量濃度。在夏季，北京盛行東南風，容易從南方和緊緊相鄰的太平洋帶來暖濕的空氣，在某些天氣條件下除成云致雨外，也同時使得顆粒物質(zhì)量濃度得到明顯的積累，并且達到較高的峰值。PM10和PM2.5在8月6日11: 00出現(xiàn)381.5和182.5 μg·m-3的高值，當日8時能見度只有3 km；至當日13時，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度分別已經(jīng)降到62.2和12 μg·m-3，14時能見度達到15 km，且在8月5日之前能見度一直都保持在10 km以上，自5號開始能見度有所下降，但不穩(wěn)定，顯然，能見度受到顆粒物質(zhì)量濃度的影響。

圖7　2014年8月7—8日后向軌跡

圖8　2014年8月1—8日后向軌跡聚類分析

圖9　2014年8月前9日溫度和風速變化

綜上，北京市8月份顆粒物質(zhì)量濃度與風速和能見度呈負相關，與濕度呈正相關；從氣團質(zhì)點后向軌跡來看，若氣團質(zhì)點來源于北京市南部，就會造成顆粒物質(zhì)量濃度積累，并且達到一個濃度峰值，之后迅速降低，且這樣的降低并不都是因為降雨所造成。

圖10 2014年8月前9日PM10、風速和相對濕度變化

圖11 2013年8月8—14日PM10、能見度、相對濕度、降水量及風速變化

2.2.2 案例2

圖11是2013年8月8—14日PM10質(zhì)量濃度及部分氣象條件的變化情況。可以看出，PM10質(zhì)量濃度同樣與風速、能見度呈負相關，但與濕度、降水量似乎沒有直接關系。在這7 d里，濕度都保持在一個較高的水平，降水量也相對比較多。PM10質(zhì)量濃度在8月13日15: 00出現(xiàn)了803.0 μg·m-3的高值，盡管在8月13—14日均有降水，但8月14日12: 30 PM10質(zhì)量濃度仍高達799.9 μg·m-3。

圖12 2013年8月8—13日后向軌跡

采用1.3節(jié)處理二所述方法計算此段時間后向軌跡（圖12—13），可以看出，從8月9日8: 00開始質(zhì)點軌跡就轉(zhuǎn)為南向，之后直到8月14日8: 00轉(zhuǎn)為西北向。在此南向過程中，8月11日主要來源是西南向，并于當日出現(xiàn)了一個PM10質(zhì)量濃度峰值（432.5 μg·m-3）；8月12日和13日主要來源是南向，12日出現(xiàn)了一個比11日更高的峰值（533.2 μg·m-3），13日更是出現(xiàn)了此次污染過程的最高值（803.0 μg·m-3），1.5 h后就降到408.9 μg·m-3；8月14日主要來向是東南向，當日也出現(xiàn)了一個峰值（799.9 μg·m-3），但低于8 月13日峰值。這再次說明，氣團質(zhì)點軌跡來源于南向再加上不利的氣象條件極易造成北京市8月份顆粒物質(zhì)量濃度高值，803.0 μg·m-3的高值已經(jīng)遠遠高出前面分析的任何一個峰值。

由于儀器測量等問題，本研究并未獲得同時段的PM2.5實測數(shù)據(jù)，3階段起始時間分別為8月8 日0: 00、8月10日9: 00、8月13日0: 00，終止時間為8月13日15: 00（表3），持續(xù)時間135.5 h，階段Ⅱ持續(xù)時間較階段Ⅰ和階段Ⅲ都長。在整個持續(xù)期間，PM10質(zhì)量濃度的平均值和最高值都在上升。

圖13 2013年8月14—15日后向軌跡

表3　2013年8月8—13日鋸齒型污染過程

從上面的分析可以看出，南向的氣團質(zhì)點很容易引發(fā)北京市顆粒物污染峰值。

3 小結(jié)

本文參考賈英韜［3］分析命名的顆粒物鋸齒型污染過程，選用北京市8月空氣質(zhì)量與部分氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合后向軌跡進行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn):北京市8月空氣中顆粒物質(zhì)量濃度與風速和能見度呈反相關，與濕度表現(xiàn)出一定的正相關關系；來源于南向的氣團軌跡極易致使北京市8月空氣中顆粒物累積，從而表現(xiàn)出較高的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度。南向的氣團空間尺度擾動很小，一般均在500 m以下，而北向的氣團空間尺度擾動很大，有的超過2 500 m，由此可見，氣團空間尺度擾動大小會影響顆粒物的質(zhì)量濃度。鋸齒型污染過程可分為3個階段，其中，第Ⅱ階段持續(xù)時間最長，是一個積累的過程，階段Ⅰ和階段Ⅲ持續(xù)時間較短。隨著階段的進行，PM2.5在顆粒物中的比例越來越大，即細顆粒物越來越多。

參考文獻:

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（責任編輯：高 峻）

中圖分類號：S161

文獻標志碼：A

文章編號：0528-9017（2016）06-0930-10

DOI：10.16178/j.issn.0528-9017.20160643

收稿日期:2016-02-26

作者簡介:廖晶晶（1986—），女，遼寧葫蘆島人，工程師，本科，從事氣象服務與應用氣象研究工作，E-mail: liaojingjing860303 @163.com。度呈周期性變化，并按照其變化規(guī)律將其命名為鋸齒形污染過程?？諝鈿鈭F軌跡可用于描述空氣質(zhì)點運動的來源和去向，可用來輔助分析空氣中氣溶膠的輸送路徑、來源及去向等［4］。同時，顆粒物的擴散和傳輸又受氣象條件影響。本研究擬利用后向軌跡分析北京市8月份典型鋸齒型過程污染的變化規(guī)律，并結(jié)合氣象條件定性分析氣象因子與空氣中可吸入顆粒物質(zhì)量濃度間的關系。