天氣類型對天津大氣PM10污染的影響分析

張曉勇，張裕芬*，馮銀廠，韓素芹，2，韓 博，李 蕾，徐 虹

1.南開大學環境科學與工程學院，天津 300071

2.天津市氣象科學研究所，天津 300074

天氣類型對天津大氣PM10污染的影響分析

張曉勇1，張裕芬1*，馮銀廠1，韓素芹1，2，韓 博1，李 蕾1，徐 虹1

1.南開大學環境科學與工程學院，天津 300071

2.天津市氣象科學研究所，天津 300074

對天津地區出現的天氣系統進行分類，利用后向軌跡模型對到達天津地區的氣團軌跡進行模擬，并按照不同天氣類型進行聚類，分析不同天氣類型下到達天津地區的氣團傳輸路徑.結果表明，到達天津地區的氣團主要來自西北和東南方向.對采暖期和非采暖期不同天氣類型的出現頻率及其對大氣中ρ(PM10)的影響進行了研究.結果表明，天氣類型是影響天津地區ρ(PM10)變化的重要因素.2008年采暖期的有利天氣類型出現頻率為84.2%，比非采暖期(66.9%)多17.3%;同期不利天氣類型出現頻率為15.8%，比非采暖期(32.2%)低16.4%.雖然采暖期顆粒物排放源強有所增加，但是有利天氣類型出現頻率明顯高于非采暖期，而不利天氣類型出現頻率較低，這是2008年采暖期ρ(PM10)比非采暖期略低的重要原因.

天津;PM10;天氣類型;后向軌跡

顆粒物是影響我國城市環境空氣質量的重要污染物.研究［1-9］表明，ρ(PM10)主要取決于污染源的排放和氣象因素.大氣中PM10的來源比較復雜［10］，氣象因素不僅影響PM10的稀釋擴散，而且與開放源強變化［11］及周邊地區 PM10的中遠距離輸送有密切關系.

在試鋪碾壓過程中，主要采用以下兩種施工工藝：其一，采用和普通瀝青混合料完全相同的碾壓施工工藝；其二，采用膠輪壓路機進行2遍初壓，采用振動壓路機先進行1遍微振壓，再進行1～2遍強振壓，最后進行1遍微振壓；采用鋼輪壓路機進行1～2遍靜壓，到消除所有輪跡為止。經試鋪后，決定采用第二種施工工藝。

近年來，天津市致力于大氣顆粒物污染的控制，并取得了一定效果.2001—2008年采暖期、非采暖期及全年ρ(PM10)的變化如圖1所示，數據來源于設在天津市環境監測中心的空氣質量自動監測站.由圖1可知，2001—2004年ρ(PM10)下降明顯，特別是加強對燃煤源顆粒物排放控制后，采暖期ρ(PM10)顯著降低.而2004—2008年，盡管對顆粒物污染源的防治仍不斷加強，但ρ(PM10)降低并不顯著，2006年ρ(PM10)比2005年略有增加，2008年采暖期ρ(PM10)略低于非采暖期.這既與“十一五”期間天津市經濟發展速度快，能源消費增加有關，也與氣象因素的影響密切相關.筆者重點討論氣象因素對 ρ(PM10)的影響.

圖1 2001—2008年天津市 ρ(PM10)Fig.1 PM10 mass concentrations in Tianjin City in 2001-2008

為了研究氣象因素對天津地區大氣環境中ρ(PM10)的影響，根據地面氣壓場對控制天津地區的天氣形勢進行分類，利用后向軌跡模型模擬不同天氣類型下周邊地區PM10中遠距離輸送的路徑，分別研究采暖期和非采暖期天氣類型出現頻率及其對ρ(PM10)的影響.

1 研究方法與資料來源

研究［1，12-16］表明，對天氣形勢分類是一種有效的研究氣象因素對大氣污染物濃度影響的統計方法.按照08：00地面氣壓場圖將天氣形勢分類，分別研究2002─2004年和2008年2個時段的采暖期(11月15日─翌年3月15日)和非采暖期不同天氣類型出現的頻率及其對 ρ(PM10)的影響.上述2個時段的ρ(PM10)日均值數據來源于天津市環境監測中心的空氣質量自動監測站，該監測站是國控環境空氣質量監測點位，采用TEOM微量震蕩天平對ρ(PM10)進行連續自動監測.不考慮沙塵暴等極端天氣對ρ(PM10)的影響，ρ(PM10)日均值實際有效樣本共1 375個(采暖期457個，非采暖期918個).

2008年各天氣類型下到達天津地區垂直方向500 m高度的氣團后向軌跡模擬結果如圖3所示.統計以天津市為坐標中心，氣團后向軌跡在第1，2，3，4象限的頻率(見表2).對各種天氣類型下的軌跡進行聚類分析(見圖4).

2 結果與討論

在2002—2004年及2008年2個時段，不同天氣類型在采暖期和非采暖期的出現頻率(見圖5)及相應的ρ(PM10)分布如表3，4所示.

將影響天津地區的天氣類型分為低壓型、低壓前部型、高壓型、高壓底部型、高壓前部型、均壓場型和弱低壓型等，不屬于上述天氣類型的為非典型.2002—2004年主要天氣類型下08：00 10 m高度平均風速與08：00的平均混合層高度如表1所示.低壓型及均壓場型的平均風速相對較小，弱低壓型及均壓場型的平均混合層高度相對較低.各天氣類型的平均地面氣壓場概念圖如圖2所示.

表1 主要天氣類型條件下08：00的平均風速和平均混合層高度Table 1 The mean of wind speed and boundary layer height by different weather types at 08：00 AM

天氣類型是影響大氣污染物中遠距離輸送的重要因素.利用后向軌跡模型模擬周邊地區氣團中遠距離輸送路徑，并對天氣類型進行聚類分析，分析不同天氣類型下的中遠距離輸送路徑對天津市PM10污染的影響.采用美國國家海洋和大氣局(NOAA)與澳大利亞國家氣象局聯合開發的Hysplit 4.9［14，17-20］對每天 00：00(UTC) 到 達天津地區垂直方向500 m高度的氣團進行24 h后向軌跡模擬.氣象數據采用美國國家環境預報中心(NCEP)和國家大氣中心(NCAR)的全球再分析數據(NCEP/NCAR Reanalysis Data)，水平分辨率為 2.5°×2.5°，垂直方向共分 18 層，分別為：地面，1 000，925，850，700，600，500，400，300，250，200，150，100，70，50，30，20和10 hPa.地面要素場包括地面氣壓，溫度，10 m高度處的經向風速及緯向風速和6 h降水量等變量.高空要素場包括位勢高度、溫度、緯向風速、經向風速、垂直風速和相對濕度等.

圖2 7種天氣類型的平均地面氣壓場概念圖Fig.2 The average ground pressure field of the 7 weather situation types

低壓型天氣常伴有較強的上升運動，有利于地面污染物的垂直擴散.低壓前部型天氣主要出現在非采暖期，溫暖的偏南風使地面增溫很快，近地面的逆溫層迅速消失，大氣處在不穩定狀態下，有利于污染物的垂直和水平擴散，該天氣類型下氣團主要自東南和西南方向進入天津地區;在高壓型和高壓前部型天氣，氣團主要由西北方向輸入，偏北風風速較大，利于污染物的平流擴散;均壓場天氣類型型下地面氣壓場較弱，地面和低空的風速較小，甚至出現靜風，不利于污染物的水平輸送，本地源產生的污染物可能在局地累積，形成重污染天氣;高壓底部型天氣類型下，高壓中心位于蒙古東部，天津地區處在高壓底部的鋒區中，地面有弱的冷平流，使近地面層溫度下降較快，而在低空冷空氣路徑偏北，京津地區還處在暖氣團的控制下，在這種形勢下，當冷空氣主力移到東北地區后，底層的冷空氣又回流南下，在上層大氣已經轉為暖平流時，地面還有冷空氣活動，使低空形成上冷下暖的逆溫層結，阻礙大氣污染物的垂直擴散;弱低壓型天氣類型下天津地區處在低壓環流中，低空往往有暖平流活動，在夜間地面有效輻射較大時，會產生較強的逆溫層，阻礙大氣污染物的垂直擴散，此外，地面的低壓環流中常存在弱的水平輻合場，不利于城區大氣污染物向外輸送.

2.2 不同天氣類型出現頻率及其對 ρ(PM10)的影響

黨的十九大作出了“中國特色社會主義進入新時代”的重大判斷。在這樣一個充滿生機與活力的新時代，成人與繼續教育必將大有作為。這就需要成人與繼續教育研究的主力軍，不忘初心，牢記使命，在新時代征程上有新擔當和突破。為了探討新時代我國成人與繼續教育研究發展趨勢，11月10日，由中國成人教育協會成人高等教育理論研究會和江西科技師范大學聯合主辦，江西科技師范大學繼續教育學院承辦的“第一屆全國成人教育博士論壇”在南昌召開，來自全國各地50多家研究單位的120余位代表參加了會議，共同研討成人教育研究新趨向。通過梳理會議代表的學術觀點，可以管窺新時期成人與繼續研究的部分發展取向。

圖3 7種天氣類型條件下的氣團后向軌跡模擬結果Fig.3 The trajectories of 7 different synoptic patterns

表2 主要天氣類型條件下氣團軌跡在4個象限出現的頻率Table 2 The frequency of trajectories in 4 quadrants with different synoptic patterns %

移動機械手由受非完整約束的移動平臺和固接在其上的機械臂構成。理論上它擁有無限大的操作空間，冗余度高[1]，同時兼具工業機械臂的靈活性和移動機器人的快速到達特性[2]。但是從運動學的角度看，平臺受到的非完整約束為整個系統引入了冗余的自由度。系統的控制輸入增多，動力學耦合復雜[3]。基于運動學模型設計的控制器在高速的場景下無法滿足使用者的需求。因此，對它的動力學分析尤為重要。本文使用牛頓-歐拉方法計算了在末端執行器軌跡已知的情況下機械手的逆動力學模型，并使用ADAMS對樣機的三維模型進行了仿真，分析結果為樣機的結構優化和動態控制器的設計提供了技術依據。

綜上，說明了PM10中遠距離輸送路徑的存在，到達天津的氣團主要來自于西北和東南方向.有利于污染物擴散的天氣類型為低壓型、低壓前部型、高壓型和高壓前部型，不利于污染物擴散的天氣類型為高壓底部型、均壓場型和弱低壓型.

2002—2004年非采暖期的有利天氣類型出現頻率大于 72%，高壓型對應的 ρ(PM10)最小，為0.106 mg/m3，出現頻率約為22%;不利天氣類型的出現頻率約為14%，其中弱低壓型對應的ρ(PM10)最大，為0.179 mg/m3，但出現頻率較低，為1.9%.2002—2004年采暖期的有利天氣類型出現頻率超過66%，高壓前部型對應的ρ(PM10)最小，為0.103 mg/m3，略低于非采暖期該天氣類型對應的ρ(PM10)，但其余有利天氣類型對應的ρ(PM10)均高于非采暖期.不利天氣類型出現頻率約為20%，明顯高于非采暖期不利天氣類型出現的頻率.其中，高壓底部型、均壓場型和弱低壓型的污染較重，對應的 ρ(PM10)分別為0.173，0.181和0.220 mg/m3.

2.1 天氣類型分型及其擴散條件分析

圖4 不同天氣類型條件下氣團軌跡的聚類模型計算結果Fig.4 Cluster of trajectories with different synoptic patterns

圖5 2002—2004和2008年天津天氣類型出現頻率Fig.5 The occurrence frequency of different synoptic pattern in Tianjin on 2002-2004 and 2008

在大型工程項目的土石方量測量過程中，以GPS-RTK 形式來確定三維的坐標，對兩期的測量信息相疊加，算出大型工程項目區域的土石方開挖量是一種可行性較強、精確性較好的方法。方格網法計算主要和方格邊長相關，掌握較為合適的邊長能夠確保計算的精確性。斷面法一般適合地形較狹長的場地，計算的精度取決于生成橫斷面的信息完整性。實際上，邊界不太規則的大型工程項目，其橫斷面的基礎數據一般不夠完整，難免存在較大的計算偏差，因此，此時采用方格網法進行土石方工程量的計算比較精準。

2008年非采暖期的有利天氣類型出現頻率超過66%，不利天氣類型的出現頻率不足33%，其中均壓場型是主要的不利天氣類型(出現頻率超過25%)，弱低壓型對應的 ρ(PM10)最大，為 0.113 mg/m3，出現頻率超過6%.采暖期的有利天氣類型出現頻率超過84%，明顯多于非采暖期，其中高壓型和高壓前部型是最主要的有利天氣類型，出現頻率約58%.采暖期不利天氣類型出現頻率不到16%，明顯低于非采暖期不利天氣類型的出現頻率.雖然采暖期顆粒物排放源強有所增加，但2008年采暖期有利天氣類型出現頻率明顯高于非采暖期，而不利天氣類型出現頻率較低，是采暖期ρ(PM10)比非采暖期略低的主要原因.由此可見，氣象因素對ρ(PM10)有重要影響.

高校輔導員要完成學校各職能部門布置的工作任務，因此要熟悉應用各種辦公軟件。隨著新媒體的興起，要意識到應隨時關注網絡新技術，關注學生的興趣點，否則會跟不上大學生交流的發展。新形勢下，輔導員要定期進行專題報告、集中學習、案例分析等活動，分享自己的工作經驗和學習感悟，這有助于輔導員利用網絡新媒體加強大學生思想政治教育和日常管理。

表3 2002—2004年天津市采暖期和非采暖期不同天氣類型出現頻率及相應的ρ(PM10)Table 3 Descriptive statistics for PM10 mass concentrations with different synoptic patterns in Tianjin in 2002-2004

表4 2008年天津市不同天氣類型出現頻率及相應的ρ(PM10)Table 4 PM10 mass concentrations with different synoptic patterns in Tianjin，2008

3 結論

a.低壓型、低壓前部型、高壓型和高壓前部型均為有利于天津地區PM10擴散的天氣類型;而高壓底部型、均壓場型和弱低壓型不利于PM10的垂直擴散和水平輸送，易造成局地累積.

b.到達天津的氣團來向主要是自西北和東南方向入境.低壓型、高壓型和高壓前部型的氣團主要來自西北方向，低壓前部型的氣團主要來自東南方向.

c.天氣類型是影響采暖期和非采暖期ρ(PM10)變化的重要原因之一.2008年采暖期的有利天氣類型出現頻率為84.2%，比非采暖期(66.9%)多17.3%;不利天氣類型出現頻率為15.8%，比非采暖期(32.2%)低16.4%.有利天氣類型出現頻率明顯高于非采暖期，而不利天氣類型出現頻率較低是2008年采暖期 ρ(PM10)比非采暖期還略低的重要原因.

［1］ 劉彩霞，邊瑋.天津市空氣質量與氣象因子相關分析［J］.中國環境監測，2007，3(5)：63-67.

［2］ 張志剛，高慶先，韓學琴，等.中國華北區域城市間污染物輸送研究［J］.環境科學研究，2004，17(1)：14-20.

［3］ 陳朝暉，程水源，蘇福慶，等.華北區域大氣污染過程中天氣型和輸送路徑分析［J］.環境科學研究，2008，21(1)：17-21.

［4］ 孟偉，高慶先，張志剛，等.北京及周邊地區大氣污染數值模擬研究［J］.環境科學研究，2006，19(5)：11-18.

［5］ 王淑蘭，張遠航，鐘流舉，等.珠江三角洲城市間空氣污染的相互影響［J］.中國環境科學，2005，25(2)：133-137.

［6 ］ STREETS D G，FU J S，JANG C J，et al.Air quality during the 2008 Beijing Olympic Summer Games［J］.Atmos Environ，2007，41：480-492.

［7］ CHEN D S，CHENG S Y，LIU L，et al.An integrated MM5-CMAQ modeling approach for assessing trans-boundary PM10contribution to the host city of 2008 Olympic Summer Games-Beijing，China［J］.Atmos Environ，2007，41：1237-1250.

［8］ WANG L T，HAO JM，HE K B，et al.A modeling study of coarse particulate matter pollution in Beijing： regional source contributions and control implications for the 2008 Summer Olympics［J］.Air Waste Manage Assoc，2008，58：1057-1069.

［9］ 張裕芬，朱坦，馮銀廠，等.大氣污染控制有效性的評估模型及應用［J］.中國環境科學，2009，29(3)：225-230.

［10］ BI X H，FENG Y C，ZHU T，et al.Source apportionment of PM10in six cities of northern China［J］.Atmos Environ，2007，41：903-912.

［11］ 孫玫玲，韓素芹.天津市城區靜風與污染物濃度變化規律的分析［J］.氣象與環境學報，2007，23(2)：21-24.

［12］ LAMB H H.British Isles weather types and a register of the daily sequence of circulation patterns 1861-1971［J］.Geophysical Memoirs，1972，16：1-85.

［13］ DORLING SR，DAVIEST D.Extending cluster-analysis-synoptic meteorology links to characterize chemical climates at 6 northwest European monitoring stations［J］.Atmos Environ，1995，29：145-167.

［14］ BUCHANAN C M，BEVERLAND I J，HEAL MR，et al.The influence of weather-type and long-range transport on airborne particle concentrations in Edinburgh，UK［J］.Atmos Environ，2002，36：5343-5354.

［15］ 王宏，林長城，隋平，等.福州天氣形勢分型與大氣污染物相關分析［J］.氣象與環境學報，2008，24(6)：7-11.

［16］ 韓素芹，邊海等，解以揚，等.2000─2004年天津市大氣污染特征分析［J］.氣象科技，2007，35(6)：787-791.

［17］ 王艷，柴發合，王永紅，等.長江三角洲地區大氣污染物水平輸送場特征分析［J］.環境科學研究，2008，21(1)：22-29.

［18］ HE Z，KIMY J，OGUNJOBI K O，et al.Characteristics of PM2.5species and long-range transport of air masses at Taean background station，South Korea［J］.Atmos Environ，2003，37：219-230.

［19］ 趙恒，王體健，江飛，等.利用后向軌跡模式研究 TRACE－P期間香港大氣污染物的來源［J］.熱帶氣象學報，2009，25(2)：181-186.

［20］ 王芳，陳東升，程水源，等.基于氣流軌跡聚類的大氣污染輸送影響［J］.環境科學研究，2009，22(6)：637-642.

Influence of Synoptic Patterns on the Concentrations of PM10in Tianjin

ZHANG Xiao-yong1，ZHANG Yu-fen1，FENG Yin-chang1，HAN Su-qin1，2，HAN Bo1，LI Lei1，XU Hong1
1.College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin 300071，China
2.Tianjin Institute of Meteorological Sciences，Tianjin 300074，China

In this study，the weather system in Tianjin area was classified，and the air mass tracks arriving at Tianjin were simulated using backward trajectory models and clustered according to different synoptic patterns.The long-distance transport paths of air masses arriving at Tianjin with different synoptic patterns were analyzed.It was found that the air masses arriving at Tianjin were mainly from the northwest and southeast.The occurrence frequency of different synoptic patterns and its impact on the concentration of PM10during heating season and non-heating season were studied respectively.It was found that the synoptic patterns were likely to be the significant factor influencing the ambient concentrations of PM10in Tianjin.Occurrence frequency of synoptic patterns advantageous to atmospheric diffusion in the heating season was 84.2%，17.3%more than that in the non-heating season(66.9%).Occurrence frequency of synoptic patterns disadvantageous to atmospheric diffusion in the heating season was 15.8%，16.4%less than that in the non-heating season(32.2%).Occurrence frequency of synoptic patterns advantageous to atmospheric diffusion in the heating season was more than that in the non-heating season，while the frequency of synoptic patterns disadvantageous to atmospheric diffusion was less than that in the non-heating season.This is an important reason that PM10concentrations in the heating season of 2008 were slightly lower than those in the non-heating season，although particulate matter source emissions increased in the heating season.

Tianjin;PM10;synoptic patterns;back-trajectory

X513

A

1001－6929(2010)09－1115－07

2010－01－15

2010－04－07

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2007BAC16B01);天津市科技發展計劃項目(09ZCGYSF02400);河北省氣象局科技項目(08KY03)

張 曉 勇 (1985 － )， 男， 山 西 臨 汾 人，zhangxiaoyong@mail.nankai.edu.cn

*責任作者，張裕芬(1973－)，女，山西忻州人，副教授，博士，碩導，

主要從事大氣污染防治及環境評價研究，zhafox@126.com

(責任編輯：孫彩萍)