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月顆粒物質量濃度為基礎，耦合氣象數據和氣團質點后向軌跡，探討顆粒物重污染過程的污染特征。結果顯示，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的值和相關系數逐漸增加，且顆粒物質量濃度與平均風速、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］.浙江農業科學，2016，57（6）: 930-939.

大氣污染一直是世人關注的環境問題。伴隨著城市化、工業化的發展，以大中城市、城市群和城市帶為主的區域環境污染明顯加?。?］。郝吉明等［2］將大氣污染物按其存在的狀態概括為2大類:氣體狀態污染物和氣溶膠狀態污染物。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］研究發現，PM10和PM2.5小時質量濃

1 材料與方法

1.1 顆粒物采樣

2011—2014年PM2.5和PM10監測數據來源于在線（30 min）質量濃度監測結果（TEOM 1405顆粒物監測儀，ThermoElectron）。采樣點位于北京市（39°23′—41°05′N，115°25′—117°30′E）北四環以外的清華大學原環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，食堂和餐廳較多。顆粒物質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境科學與工程系。

1.2 氣象數據

高分辨率的氣象數據（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）的氣象數據。

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，其經緯度分別是116.23°E和39.94°N。

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

2 結果與分析

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

圖1　2014年8月PM10和PM2.5逐日質量濃度分布

表1　北京市2011—2014年8月PM10和PM2.5統計指標

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日均質量濃度不超過150 μg·m-3），北京市8月PM10日平均質量濃度符合標準，雖然其超標比例明顯低于于建華等［4］1—4月的研究結果，但仍達到34%。參照美國國家環境保護局（EPA）標準（PM2.5日平均質量濃度不大于65 μg·m-3），北京市8月PM2.5日均質量濃度超過標準，且超標比例為45%。PM10超標日平均質量濃度是標準值的1.32倍，PM2.5超標日平均質量濃度是標準值的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月份的空氣質量就不成問題。所以，要實現空氣質量達標，有必要深入分析這些遠高于國家標準的天數或者小時數。

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半小時質量濃度變化。不難發現，北京市8月大氣顆粒物也有符合鋸齒型污染規律的過程。

圖2　2014年8月北京市PM10和PM2.5質量濃度變化

2.2.1 案例1

2014年8月1日至9日的PM10質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節處理一所述方法繪制后向軌跡，結果見圖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可以發現，8月3日末4日初的時候PM10質量濃度有一個突降，8月4日氣團轉為東向，PM10質量濃度較低。8月5日氣團為偏南，PM10質量濃度緩慢增長，但較4日PM10質量濃度要大。8月6日氣團開始為偏南，在6日2: 00開始轉為正南和西南向，同時段的PM10質量濃度快速積累，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，現將此次污染過程按3個階段統計（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質量濃度高，這可能是因為8月6日之前來自南向的氣團質點積累時間較長所致。

經過上面分析，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質量濃度積累達到一段時間內的濃度峰值。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，說明氣團質點擾動的空間尺度大，污染過程持續68 h，但是據實測資料顯示，PM10和PM2.5質量濃度分別在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質量濃度的相關系數逐漸增加，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出現3個峰值，且都是緩積累快突降形式。

從圖8可以更清晰地發現，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出現峰值，則可據此預測，在8月8日以后的幾天內PM10和PM2.5將會再現峰值。實際測量資料顯示，在8月12日11: 00 PM10就出現了一個比6日還高的質量濃度，為413.8 μg·m-3，PM2.5在同日12: 00出現峰值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，但相對前面出現的峰值來說，已經降低很多。

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量濃度變化的外來源位置，并以此為基礎，綜合治理區域污染，合理規劃城市和農村建設。另外，還可以繼續探討這樣的分析是否可以作為對未來空氣質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質量濃度分別已經降到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，但不穩定，顯然，能見度受到顆粒物質量濃度的影響。

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；從氣團質點后向軌跡來看，若氣團質點來源于北京市南部，就會造成顆粒物質量濃度積累，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質量濃度及部分氣象條件的變化情況?？梢钥闯?，PM10質量濃度同樣與風速、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質量濃度在8月13日15: 00出現了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開始質點軌跡就轉為南向，之后直到8月14日8: 00轉為西北向。在此南向過程中，8月11日主要來源是西南向，并于當日出現了一個PM10質量濃度峰值（432.5 μg·m-3）；8月12日和13日主要來源是南向，12日出現了一個比11日更高的峰值（533.2 μg·m-3），13日更是出現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月份顆粒物質量濃度高值，803.0 μg·m-3的高值已經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實測數據，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），持續時間135.5 h，階段Ⅱ持續時間較階段Ⅰ和階段Ⅲ都長。在整個持續期間，PM10質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，南向的氣團質點很容易引發北京市顆粒物污染峰值。

3 小結

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月空氣質量與部分氣象數據，結合后向軌跡進行分析。結果發現:北京市8月空氣中顆粒物質量濃度與風速和能見度呈反相關，與濕度表現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，從而表現出較高的PM10和PM2.5質量濃度。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階段持續時間最長，是一個積累的過程，階段Ⅰ和階段Ⅲ持續時間較短。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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［3］ 賈英韜.北京大氣顆粒物區域性污染形成機制研究［D］.北京:清華大學，2008.

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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律，并結合氣象條件定性分析氣象因子與空氣中可吸入顆粒物質量濃度間的關系。