京津冀區域大氣重污染過程特征初步分析

高愈霄，霍曉芹，閆 慧，李健軍，許 榮，朱莉莉，魯 寧，王 威

1.北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083 2.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

京津冀區域大氣重污染過程特征初步分析

高愈霄1,2，霍曉芹2，閆 慧2，李健軍2，許 榮2，朱莉莉2，魯 寧2，王 威2

1.北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083 2.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

基于為京津冀區域和城市環境空氣質量預報和空氣重污染預警業務提供必要基礎參考資料和區域重污染發生發展規律認識的需求，應用現有空氣監測網2013—2014年度京津冀區域13個城市空氣質量監測數據，分析了該區域2013—2014年空氣質量整體情況和污染過程的季節變化規律、污染范圍，統計了兩年間31次區域范圍大氣重污染過程，并根據污染過程的空氣質量變化特點和大氣環流形勢，著重對31次重污染過程中均壓場天氣型污染開展分析。結果表明，2013—2014年京津冀區域空氣污染形勢嚴峻，全年約有六成日數受顆粒物污染影響；京津冀區域空氣污染南北差異顯著，有自北向南逐步加重的特點，南部污染嚴重城市對區域污染貢獻巨大，石家莊、保定、邢臺、邯鄲4城市將PM10、PM2.5年均濃度分別拉升31、16 μg/m3；2013—2014年京津冀區域大范圍重污染過程集中發生在秋冬季，兩季的污染過程對區域兩年PM10、PM2.5平均濃度分別拉升27、21 μg/m3；京津冀區域均壓場天氣型污染可細分為臭氧型均壓場和顆粒物型均壓場。當秋冬季出現較小氣壓梯度、西南小風、逆溫層等均壓場天氣型時，容易造成區域顆粒物污染過程；而春末、夏季出現均壓場天氣型時，容易造成O3污染。

空氣質量；大氣重污染過程；污染特征；大氣環流；京津冀區域

近年來，中國中東部區域頻繁出現的大范圍、長時間大氣重污染過程嚴重影響了環境空氣質量和公眾健康，對社會生產和人民生活造成了重大影響[1-5]。由于京津冀區域在國家政治、經濟、文化中具有極其重要地位，頻發的重污染過程更是引起了社會各界的高度關注。為了有效控制京津冀區域空氣污染態勢，改善京津冀空氣質量，認識大氣污染規律和機理、對大氣污染過程特征進行分析研究顯得尤為重要。

針對京津冀區域大氣污染特征研究，前期很多專家學者利用部分資料做了諸多有益的工作。孫峰[6]通過對北京地區2013年1月10—14日重污染過程氣象條件、區域污染背景、PM2.5組分特征等方面的分析，表明此次過程是由穩定氣象條件導致局地污染物積累，再疊加華北區域性污染的影響共同造成。王自發等[7]和劉冰等[8]利用空氣質量數值預報模式分別模擬研究了2013年1月、2014年2月國內中東部持續強灰霾天氣，初步評估了灰霾天氣下大氣細顆粒物時空分布特征和傳輸規律。張人禾等[9]利用資料診斷，從大氣環流背景場、霧霾天氣演變過程兩方面分析了2013年1月中國東部持續性強霧霾產生的氣象條件。

以上研究對京津冀區域近期發生的污染過程有較為詳盡的分析和討論，但多側重單個城市、單次污染過程的案例分析，或基于舊空氣質量評價標準開展大氣環流形勢分型，或利用當時有限的顆粒物PM10等數據，而對空氣質量新標準下(尤其是細粒子PM2.5監測)的京津冀區域年際污染過程分析則相對較少。

本文應用環境保護部國家環境空氣質量監測網的新標準監測數據[10]，分析了2013—2014年京津冀區域13個主要城市的空氣質量變化特點，統計了兩年間區域范圍大氣重污染過程，并重點針對發生頻次最高的均壓場天氣型展開分析。

1 資料與方法

1.1 京津冀區域概況

京津冀區域位于113°27′E～119°50′E、36°05′N～42°40′N，包括北京市、天津市以及河北省的張家口、承德、秦皇島、唐山、廊坊、保定、石家莊、滄州、衡水、邢臺、邯鄲等13個地級以上城市，土地面積約21.6萬km2。

京津冀區域地處華北平原，北臨燕山、西鄰太行山，兼跨內蒙古高原，東臨渤海。屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，大部分區域四季分明[11]。

1.2 數據來源與方法

應用中國環境監測總站實時發布的國家環境空氣質量監測網監測數據，其中京津冀區域13城市監測網由80余個監測點位組成。大氣環流資料主要采用韓國氣象局公布的天氣實況分析圖，探空數據為美國懷俄明州立大學北京區域點位數據。

對環境空氣質量新標準實施以來，目前可供利用的2013—2014兩個完整年度的京津冀區域北京、天津、張家口、承德、秦皇島、唐山、廊坊、保定、石家莊、滄州、衡水、邢臺、邯鄲13個城市逐日污染數據進行統計分析。根據《京津冀及周邊地區重污染天氣監測預警實施細則》[12]，當區域出現3個及以上城市達到重度及以上污染等級，且污染時間持續3天及以上時，定義為一次區域重污染過程。分析所有區域重污染過程500、700、850 hPa地面氣壓場和探空數據等資料。

2 結果與討論

2.1 2013—2014年京津冀區域空氣污染整體情況

2013年共計365 d，剔除6日無效數據后，京津冀區域13個地級以上主要城市空氣質量超標日數全年累計2 958 d，平均超標日數占總有效日數的比例約為62%。其中，全部城市以O3-8 h、SO2、NO2、CO為首要污染物的超標日數累計分別為432、88、81、5 d，而以PM2.5、PM10等顆粒物為首要污染物的超標日數累計達到2 715 d，占總超標日數的92%。其中以PM2.5為首要污染物的超標日數累計1 962 d，占總超標日數的66%，比例居首，顯然細粒子是京津冀區域影響最關鍵、顯著的污染物。

與2013年相比，2014年全年超標日數有所降低，剔除13日無效數據后，超標日數累計2 684 d，占總有效日數比例約為57%。其中，以O3-8 h、SO2、NO2、CO為首要污染物的超標日數分別為690、69、147、0 d，以顆粒物為首要污染物的超標日數為2 331 d，其中以PM2.5為首要污染物的超標日數累計為1 895 d，占總超標日數的71%。2013—2014年，京津冀區域13個城市超標日數分布和6項污染物超標日數分布見圖1、圖2。

圖1 京津冀區域13城市2013—2014年超標日數

圖2 2013—2014年京津冀13城市6項污染物累計超標日數

由圖1、圖2可以看出，2014年絕大部分城市空氣超標日數較2013年有所下降，空氣污染程度略有緩解。除O3-8 h外，其他各項污染物超標日數均有所下降。

在2013—2014年度的超標日數中，空氣質量達到重度及以上日數累計分別為981、790 d，即該區域約有20%的日數受到更為惡劣的空氣污染影響。2013—2014年，重污染時段PM2.5、PM10平均濃度分別為241、368、225、327 μg/m3，在2013年污染最為嚴重時段的PM2.5濃度曾一度是標準限值的10倍多，達到796 μg/m3。

從各項污染物年平均濃度來看，京津冀區域2013年SO2、NO2、PM2.5、PM104項污染物年均濃度均超過環境空氣質量二級標準限值(圖3)。SO2、NO2的年均濃度值分別為69、51 μg/m3，分別是標準值的1.1倍、1.3倍，而PM2.5、PM10年均濃度分別達到106、180 μg/m3，平均超標1.8倍。

相比2013年，2014年多數污染物污染年均濃度有所降低，但NO2和顆粒物仍未達到二級標準。SO2、NO2、PM2.5、PM10年均濃度分別為52、49、93、158 μg/m3，除SO2濃度未超過標準限值外，NO2、PM2.5、PM10分別超標0.2、1.6、1.2倍。

圖3 京津冀區域13城市2013—2014年PM2.5、PM10、NO2、SO2污染物年均濃度

CO、O3年評價指標分別為24小時平均第95百分位數和最大8小時滑動平均值的第90百分位數。據此，2013—2014年CO的24小時平均第95百分位數分別為4.1、3.5 mg/m3，O3日最大8小時平均值第90百分位數濃度分別為155、162 μg/m3。兩年間，半數以上城市CO指標合格，而O3達標城市比例在2014年有所降低。

總體而言，2013—2014年京津冀區域空氣污染形勢嚴峻，全部地級以上城市中有半數以上長期處于污染狀態且以顆粒物污染最為嚴重。結合城市地理分布，京津冀區域空氣污染南北差異顯著，有自北向南逐步加重的特點。如2013年，河北省南部城市邢臺年均PM10、PM2.5濃度分別是北部城市張家口的3倍、4倍。此外，中南部污染最嚴重的幾個城市對區域污染貢獻巨大，保定、邢臺、邯鄲、石家莊4城市將京津冀區域PM10、PM2.5兩年平均濃度分別拉升31、16 μg/m3。

2.2 區域重污染過程統計

2013—2014年期間，京津冀區域發生長時間大范圍空氣污染過程累計31次，具體污染過程統計見表1、表2。

表1 2013年京津冀區域污染過程統計

表2 2014年京津冀區域污染過程統計

2.3 污染過程發生的時間特點

2.3.1 月際變化

統計結果顯示，京津冀區域重污染過程發生時間不同，月際差別顯著。2013—2014年間，污染過程主要集中發生在1—3月、10—12月期間(圖4)。其中，又以1、2、12月最為明顯，如兩年間1月，13城市污染過程影響時長累計達到341 d，占1月總日數的85%。

4—9月污染過程相對較少，兩年間13城市污染過程影響時長累計為53 d，4、7、8月無污染過程發生。

圖4 2013—2014年區域重污染過程影響日數月變化

2.3.2 季節變化

2013—2014年，京津冀區域PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3(日最大8 h滑動平均)6項污染物污染過程時段兩年平均濃度季節變化見圖5。

圖5 2013—2014年6項污染物濃度季節變化(CO濃度單位mg/m3，PM2.5、PM10、O3、SO2濃度單位μg/m3)

由圖5可知，PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO污染過程時段的污染水平冬季明顯高于其他季節，春秋季相近，夏季污染程度最低。O3相反，夏季最高，春秋季次之，冬季最低。

根據2013—2014年京津冀區域污染過程發生月際規律可知，重污染過程主要集中發生在秋冬季(9—2月)。兩年間，秋冬季區域重污染過程13城市影響日數分別為212、684 d，合計占總重污染過程日數的87%，污染過程影響日數季節分布見圖6。

圖6 2013—2014年區域重污染過程 影響日數季節分布

對秋冬季各項污染分析可知，除O3-8 h外，秋冬季頻發的重污染過程對其余各項污染物年均水平都有明顯拉升作用。其中，又以對顆粒物拉升最為明顯，兩季污染過程將2013—2014兩年PM10、PM2.5的平均濃度分別拉升27、21 μg/m3。污染過程年均拉升效果見圖7。

圖7 秋冬季污染過程對6項污染物年均拉升濃度(CO濃度單位mg/m3，SO2、NO2、PM10、PM2.5濃度單位μg/m3)

2.4 污染帶分布

在2013—2014年的31次污染過程中，京津冀區域13城市均受到不同程度影響(圖8)。

兩年間污染過程累計日數城市分布顯示 ，與京津冀區域空氣污染城市分布形勢整體一致，影響日數呈北少南多態勢。應用SPSS統計軟件對過程影響日數和城市作系統聚類分析結果顯示(圖9)，張家口、承德和秦皇島3城市污染過程日數最少，合計不到30 d，受污染過程影響最小，為第一類。北京、天津、唐山、滄州等中北部環渤海城市污染過程日數200余天，受污染程度稍高，劃分為第二類。石家莊、保定和邢臺受污染過程影響日數最多，累計470余天，為第三類。衡水、邯鄲、廊坊雖受影響日數相近，但區域特征不顯著。

圖8 31次重污染過程影響日數城市分布

圖9 城市過程影響日數系統聚類樹狀圖

結合聚類分析結果和地理分布特征，13城市可分為北部污染帶(張家口、承德、秦皇島)、中北部環渤海污染帶(北京、天津、唐山、滄州)、中南部污染帶(石家莊、保定、邢臺)。可以看到，北部污染帶受過程影響最小，而中南部污染帶受過程影響日數明顯，約占總過程的46%。

2.5 污染與氣象條件的分析

京津冀區域空氣污染過程與大氣環流形勢變化緊密相關，相關研究[13-14]根據污染與天氣條件特點，歸納劃分了京津冀區域不同污染條件下的大氣環流形勢，一定程度分析了區域污染形成原因。據此，結合不同大氣環流影響條件變化，2013—2014京津冀區域31次重污染過程也可劃分為高壓型、低壓型、均壓場型等污染過程。

2013—2014年污染過程天氣分型分析結果顯示，雖然出現均壓場型天氣型時絕大多數會伴隨污染過程，但首要污染物不盡相同，往往會出現以顆粒物或臭氧為首要污染物的多種情況。因此，根據2013—2014年出現的同為均壓場天氣型但首要污染物不同的特點，可將均壓場天氣型進一步分為顆粒物均壓場型和臭氧均壓場型。

2.5.1 顆粒物均壓場型

在2013—2014年的31次污染過程中，均壓場型污染出現頻次最高。該類污染過程發生時，京津冀區域處于弱氣壓場中，污染區域有間隔很小的等值線或無等值線通過，氣壓梯度極小，呈靜穩型天氣系統。

以2014年10月7—11日污染過程為例，此次污染過程影響范圍大，除張家口、秦皇島、滄州空氣質量略好外，京津冀其余城市均出現以PM2.5為首要污染物的重度至嚴重污染 。10月6日，京津冀大部分區域空氣質量為良至輕度污染。7日，污染形勢逐步惡化，唐山、邢臺、保定重度污染，石家莊嚴重污染，顆粒物濃度嚴重超標。圖10展示了該次過程北京官園、天津監測中心、石家莊人民會堂3個較有城市代表性點位的PM2.5濃度演變趨勢。結果顯示，10月6日晚18∶00北京及周邊不同城市PM2.5的濃度均較低，之后PM2.5濃度開始累積，至7日下午15∶00，3個監測點位PM2.5濃度均超過150 μg/m3，達到重度污染。至11日夜間，北部冷空氣南下，京津冀區域污染過程自北向南消散。

圖10 北京官園、天津監測中心、石家莊人民會堂PM2.5小時濃度變化

天氣系統顯示，污染發生期間，京津冀區域高空500 hPa等高線極其稀疏(圖11a)，風速極弱。850 hPa和地面氣壓場都受到東部高壓影響，等高線稀疏，有微弱南向靜小風(圖11b、c)，且探空資料表明，9日早間地面至約300 m高度和晚間地面至約200 m高度都有較明顯的逆溫，溫度露點差小，濕度大(圖12a、b)，更不利于PM2.5的擴散，因此爆發了大范圍顆粒物污染。

此次顆粒物污染過程由均壓場型污染天氣導致，當氣壓梯度小造成的低風速，以及通常伴隨發生的暖平流造成近地面逆溫出現時，顆粒物擴散條件不利，濃度積累加劇。此外，受秋冬季節供暖顆粒物排放增大影響，一旦遇到均壓場型天氣，就會導致空氣質量的急劇惡化，PM10、PM2.5濃度明顯升高而爆發大規模的顆粒物污染。

2.5.2 臭氧均壓場型

統計結果表明，京津冀區域在春末、夏季出現的均壓場靜穩型天氣類型，往往會造成大范圍的臭氧污染。以2014年5月30日的臭氧污染為例，此次污染雖未形成嚴重污染過程，但污染形勢依舊嚴峻。

5月30日，唐山、承德、滄州、衡水4城市因O3-8 h超標，空氣質量達到重度污染等級。當日天氣系統顯示，京津冀區域500 hPa高空等高線稀疏(圖13a)，呈均壓場靜穩狀態，850 hPa受脊區控制(圖13b)，地面位于高壓邊緣(圖13c)，有微弱靜小風，擴散條件不利。

但是，與顆粒物均壓場型污染不同，30日均壓場天氣型并未造成大規模顆粒物污染過程，而是引起了臭氧區域污染。當日京津冀區域城市PM2.5和O3-8 h空氣質量分指數顯示(圖14)，對于受污染城市(IAQI>100)，除邢臺PM2.5IAQI稍高于O3-8 h外，京津冀區域其他城市臭氧空氣質量分指數均高于PM2.5分指數，PM2.5分指數整體位于輕至中度污染區間，而O3-8 h分指數普遍較高，處于中至重度污染區間水平。此外，PM10、PM2.5污染水平相當，為輕至中度污染，SO2、NO2、CO均處于優良水平。

相關研究表明[15-18]，由于臭氧是二次污染物，它的形成是局地光化學過程和區域輸送共同作用的結果，高濃度臭氧一般都出現在氣象狀況相對停滯，并伴隨高溫、強太陽輻射、低風和充足的一次污染物的條件下。30日，京津冀區域靜穩氣象條件，以及上述4城市白天較高的溫度，形成了臭氧生成的有利條件，導致臭氧污染的爆發。但當日氣象條件并不具備顆粒物污染發生所需的高濕度、強逆溫等條件，加之夏季較高的氣溫會提升大氣邊界層高度，相對擴大低層空氣活動空間，增加顆粒物容納量，顆粒物污染相對不易發生。因此，當春末、夏季出現該類均壓場靜穩型天氣時，易發生以臭氧為首要污染物的區域污染。

圖11 2014年10月9日20∶00 500、850 hPa和地面氣壓場天氣圖

圖12 2014年10月9日08∶00、20∶00北京探空數據

圖13 2014年5月30日08∶00 500、850 hPa和地面氣壓場天氣圖

圖14 2014年5月30日京津冀區域城市PM2.5、O3-8 h空氣質量分指數

3 結論

1)2013—2014年，京津冀區域空氣污染形勢不容樂觀，全年平均約有六成的日數處于污染狀態，其中以PM2.5為關鍵和顯著的主要污染物，顆粒物污染形勢嚴峻。

2)京津冀區域空氣污染南北差異顯著，有自北向南逐步加重的特點，南部污染嚴重城市對區域污染貢獻巨大，將PM10、PM2.5兩年平均濃度分別拉升了31、16 μg/m3。

3)京津冀區域大范圍重污染過程主要集中發生在秋冬季，2013—2014年，秋冬季污染過程對年PM10、PM2.5的平均濃度分別拉升27、21 μg/m3。

4)將京津冀區域均壓場天氣型污染細分為臭氧均壓場型和顆粒物均壓場型，當秋冬季出現較小氣壓梯度、西南小風、逆溫層等均壓場天氣型時，易造成區域顆粒物污染過程；而春末、夏季出現均壓場天氣型時，容易造成O3污染。

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Preliminary Analysis on the Characteristics of Heavy Air Pollution Events in Beijing-Tianjin-Hebei Region

GAO Yuxiao1,2，HUO Xiaoqin2，YAN Hui2，Li Jianjun2，XU Rong2，ZHU Lili2，LU Ning2，WANG Wei2

1.Civil and Environmental Engineering Institute, University of Science and Technology, Beijing 100083, China 2.China National Environmental Monitoring Centre, State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, Beijing 100012, China

In order to provide necessary foundation resources for urban air quality forecast and heavy air pollution early warning in Beijing-Tianjin-Hebei region, and recognize the developing rule of regional heavy pollution events, air quality characteristics were analyzed in this article, by using the air monitoring data of local 13 cities in 2013—2014, especially the data about 31 heavy pollution events during these period. The results showed that: the regional air pollution had increased to an alarming level and about sixty percent of days were affected by particle pollution in 2013—2014; the regional pollution exhibited distinct spatial distribution, which were getting worse from the North to the South. The total annual average concentration of PM2.5and PM10were increased 31 and 16 μg/m3respectively, contributed by southern cities such as Shijiazhuang, Baoding, Xingtai and Handan; the heavy air pollution events mainly occurred in autumn and winter, which raised the annual average concentration of PM2.5and PM10by 27 and 21 μg/m3; the uniform pressure field of synoptic weather pattern in 2013—2014 were divided into two types: particle uniform pressure field and O3uniform pressure field. Particle uniform pressure field happened under the conditions of lower pressure gradient, light southwest breeze and inversion layer in autumn and winter, while O3uniform pressure field occurred in the uniform pressure field in late spring and summer.

air quality; air pollution events; pollution characteristics; atmospheric circulation; Beijing-Tianjin-Hebei Region

2016-01-05;

2016-02-07

環保公益性行業專項“京津冀區域大氣重污染過程應急方案研究”(201309071)；“京津冀城市大氣邊界層過程對重污染形成的影響研究”(201409001-03)；科技部科技支撐計劃環境領域項目“大氣復合污染區域聯合預測預報關鍵技術研究”(2014BAC22B04)；“京津冀空氣監測預報及防控技術研究與示范”(2014BAC06B04)；中科院先導項目“大氣灰霾追因與控制專項數值模式與協同控制方案課題”(XDB05030200)

高愈霄(1986-)，男，北京人，在職研究生，工程師。

魯 寧

X823

A

1002-6002(2016)06- 0026- 10

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.05