中國中東部一次大范圍重污染過程特征分析

丁俊男，趙熠琳，李健軍

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

改革開放以來，經過20年的高速發展，中國經濟社會建設取得了舉世矚目的成就，同時也付出了巨大的資源環境代價，各類污染問題有所體現。尤其是空氣污染形勢日益嚴重，且呈現出明顯的結構型、壓縮型、復合型特點，重污染天氣過程出現范圍增大，出現頻次增多，空氣質量問題造成的損失也越來越大，不僅嚴重危害環境空氣質量和公眾健康，還對生產生活造成重大影響，引起全社會的極大關注[1-2]。

人類生產活動，包括交通運輸、工業生產、生物質燃燒等產生的一次顆粒物，各類氣態污染物經過光化學反應生成的二次顆粒物，在一定溫度、濕度條件下形成氣溶膠體系。大氣氣溶膠在對流層大氣穩定度高的情況下可長期存在并積累，最終形成污染[3-4]。關注重污染形成原因，要從污染物特征及大氣擴散條件等多方面進行綜合分析，尤其對于大范圍污染過程，了解其形成機理及傳輸特征，對于開展空氣質量預報及有針對性地應對污染過程具有重要的指導意義。本研究以2016年12月發生的大范圍污染過程為例，對污染形成原因、變化趨勢及分布規律等進行初步分析。

1 資料來源與分析方法

1.1 資料來源

污染物數據來源于中國環境監測總站全國城市空氣質量實時發布平臺。氣象數據來源于中國中央氣象臺地面1 h風場資料、韓國氣象廳700 hPa天氣形勢場資料、歐洲中心500 hPa天氣形勢場資料。

1.2 分析方法

嵌套網格空氣質量預報模式(NAQPMS)是中國科學院大氣物理研究所研制，中國環境監測總站進行業務應用的多物種、多尺度的嵌套網格空氣質量預報模式系統。

2 污染特征分析

2016年12月16—21日，以京津冀及周邊區域為起始，中國中東部地區包括華北、東北、華中、華東等地區的部分省/自治區/直轄市，發生了長時間、大范圍、影響程度嚴重的一次污染過程。根據中國環境監測總站全國城市空氣質量實施監測網的監測結果統計，此次污染過程最大影響范圍覆蓋了東北(黑龍江、吉林、遼寧)、華北(北京、天津、河北、山西、內蒙古)、華中(河南、湖北)、華東(山東、江蘇、安徽)、西北(陜西)地區共14個省/自治區/直轄市，超過80個城市出現重度及以上污染，最大影響面積超過100萬km2。京津冀及周邊區域共29個城市出現小時AQI達500的情況，其中石家莊、邯鄲、安陽、衡水、焦作、漯河、鄭州、唐山、濟南、洛陽、許昌、臨汾12個城市小時AQI達500的時間超過10 h。

2.1 空間變化特征模擬

根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》(HJ 613—2012)，城市及點位空氣質量狀況以AQI為衡量基準，當AQI大于200時，空氣質量達到重度污染;當AQI大于300時，空氣質量達到嚴重污染。通過對全國空氣質量實時監測網發布的12月16—21日國內地級以上城市的AQI日報結果進行統計并進行同化模擬，分析此次污染過程的影響程度和空間分布。

此次污染過程始于12月16日，重污染首先在京津冀及周邊區域中南部開始發生并積累，當日空氣質量達到重度污染的城市數量為22個；17日，污染范圍擴大至整個京津冀及周邊區域，污染程度加重，共21個城市出現重度及以上污染，其中石家莊、保定、廊坊、邢臺、邯鄲、臨汾7個城市為嚴重污染；18日，污染范圍進一步擴大，污染程度持續加重，京津冀及周邊區域共43個城市出現重度及以上污染，其中嚴重污染城市有19個，污染區域由華北向北擴大至東北部分地區，遼寧省錦州、葫蘆島市出現嚴重污染；19—20日，污染達到最嚴重水平，其間空氣質量達到重度污染的城市數量最多為88個，達到嚴重污染的城市數量最多為46個，同時污染帶向南蔓延，江蘇和湖北北部部分城市出現重度污染；21日起，污染形勢逐步緩解；22日，污染過程結束。

分析污染期間PM2.5日均濃度的空間分布可知，較高濃度(PM2.5>150 μg/m3)區域主要分布在太行山前的華北平原區，特別是保定、石家莊、邢臺一線，隨后范圍擴大到整個京津冀區域，污染最嚴重的20日擴大至中東部大部分地區，說明此次污染是一次典型的區域性過程，其發生發展的過程說明不利天氣形勢下的污染區域傳輸對PM2.5濃度空間分布有重要貢獻。

2.2 污染時間變化特征

此次污染過程的首要污染物主要為PM2.5，16—21日期間，京津冀及周邊區域城市PM2.5日均濃度平均值達到200 μg/m3，約為2015年同期的1.2倍(2015年12月京津冀及周邊城市PM2.5月均濃度為165 μg/m3)，其中京津冀中南部地區受此次大范圍污染過程影響明顯，顆粒物濃度顯著升高。PM2.5濃度峰值主要出現在19日，PM2.5日均濃度平均值為274 μg/m3，最高日均濃度達到703 μg/m3。京津冀及周邊區域各城市PM2.5日均濃度見表1。各城市濃度日變化趨勢較一致。

表1 京津冀及周邊區域部分城市12月16—21日PM2.5日均濃度Table 1 The concentrations of PM2.5 in Beijing, Tianjin, Hebei and surrounding areas on 16th-21st, December μg/m3

以此次污染過程中受影響區域內的直轄市和省會城市(北京、天津、石家莊、濟南)，以及受影響程度嚴重的典型城市(保定、邯鄲、徐州)為例，分析PM2.5濃度逐時變化特征見圖1。由圖1可知，16—21日，上述城市按照PM2.5濃度積累特征大致可以分為2類。第Ⅰ型：太行山東部及周邊地區，包括北京、天津、石家莊、保定等，PM2.5濃度呈臺階式逐步上升態勢，其間出現多個濃度峰值，4個城市濃度變化趨勢基本一致；第Ⅱ型：河北、山東南部、江蘇北部平原地區，包括邯鄲、濟南、徐州等，PM2.5濃度呈短時間大幅升高態勢，濃度峰值持續一段時間后迅速降低。上述結果表明，污染呈現一定程度的區域性特點，不同地理位置條件下，污染物濃度的累積和傳輸方式表現出不同的特征，了解這些特征對空氣質量預報及區域污染防控具有重要意義。

圖1 12月16—21日部分城市PM2.5濃度逐時變化曲線Fig.1 The hourly concentrations of PM2.5 in some cities on 16th-21st, December, 2016

16—21日期間，京津冀及周邊區域共29個城市出現過小時AQI達500的情況，累計時間達483 h，如圖2所示。其中，石家莊、邯鄲、安陽、衡水、焦作、漯河、鄭州、唐山、濟南、洛陽、許昌、臨汾12個城市小時AQI達500的時間超過10 h。

圖2 京津冀及周邊地區小時AQI達500城市及小時數統計Fig.2 The Statistics of cities of hourly AQI up to 500 in Beijing, Tianjin, Hebei and surrounding areas

圖3 重污染期間北京市粒子消光系數激光雷達圖Fig.3 The particle exaction coefficient in Beijing during the heavy pollution

2.3 污染期間氣象特征

分析此次重污染過程，中東部地面和中高空天氣形勢場發現，高空(500 hPa)形勢為脊區，中空處于均壓場，天氣持續靜穩，其間少云無明顯降水。地面風場開始以較弱的偏西南風為主，污染物持續由南向北傳輸，在太行山東側及燕山南側堆積，后期風速微弱，水平擴散條件極為不利，污染物在靜風條件下進一步累積和生成。這種不利于污染物擴散的高低空天氣形勢的配合抑制了污染物的快速消散，為大氣污染的形成及維持提供了穩定的大氣環境背景，形成了此次污染過程污染濃度高、影響范圍大的態勢。

由圖3可見，根據中國環境監測總站激光雷達監測顯示，12月17—20日期間，伴隨顆粒物污染邊界層的降低，高空顆粒物氣團逐漸下沉至0.9 km內，近地面顆粒物與高空顆粒物氣團混合，濃度逐漸升高。19日夜間至20日凌晨，大氣邊界層厚度從0.9 km逐漸降低至0.5 km以下，整個區域大氣邊界層高度低、持續時間長，污染物被壓縮在近地面層，不易擴散，污染團在區域內持續積累并緩慢移動，形成污染物大范圍的區域積累和輸送。22日凌晨，污染消散。

如圖4所示，在垂直方向上，重污染過程中北京、石家莊等地在0～3 000 m左右的中低空存在不同程度的逆溫。研究表明，逆溫引起的上暖下冷的溫度層結不利于污染物的垂直擴散，從而使水汽和污染物堆積，導致重污染的持續[5-6]。

圖4 北京和石家莊19、20日08:00溫度廓線Fig.4 The temperature profile in Beijing and Shijiazhuang on 19th and 20th, December, 2016, 00 UTC

2.4 來源分析

研究表明，細粒子PM2.5主要為二次生成，PM2.5～10主要為一次生成，兩者之間的比例能在一定程度上反映顆粒物的主要來源及污染成因。此次污染過程中，北京市PM2.5與PM10的小時濃度比值變化范圍為80.7%～97.8%，石家莊市PM2.5

與PM10的小時濃度比值變化范圍為70.8%～76.5%，PM2.5占PM10比例極高，詳見表2。細顆粒物快速二次生成及不利擴散條件下的持續積累可能是此次污染過程的主要原因。其他研究也表明，城市所排放的VOC、NOx，工業排放的SO2所致的二次生成是我國城市PM2.5的主要來源[7-9]。

表2 京津冀及周邊區域部分城市16—21日PM2.5與PM10日均濃度比Table 2 The concentrations ratio of PM2.5 and PM10 in Beijing, Tianjin, Hebei and surrounding areas on 16th-21st, December, 2016 %

采用NAQPMS源示蹤技術分析此次重污染過程中北京、天津、石家莊PM2.5不同行業來源貢獻率，見圖5。貢獻率隨著污染程度的不同有著明顯的時間變化；重污染開始的16日，二次生成所占比例均在40%以下，隨著污染過程的持續，二次生成所占比例整體呈上升趨勢，經計算重污染過程中17—21日，北京、天津、石家莊PM2.5二次生成來源貢獻率分別為47.6%～55.3%、44.1%～53.9%、48.9%～58.93%，可見，重污染過程中二次生成對于PM2.5濃度起著十分重要的作用。此外，居民源也是PM2.5重要來源之一，貢獻率約為30%。

圖5 北京、天津、石家莊PM2.5不同行業來源貢獻率Fig.5 The percent contribution of PM2.5 from various sources in Beijing, Tianjin, Shijiazhuang

3 結果與討論

此次重污染過程中PM2.5具有較為明顯的時空變化規律，濃度較高區域主要分布在太行山前的華北平原，特別是保定、石家莊、邢臺一線，是一次典型的區域性污染過程，發生發展過程說明不利天氣形勢下污染區域傳輸對PM2.5濃度空間分布有重要貢獻。按照PM2.5濃度逐小時變化特征受影響城市大致可以分為2類，污染呈現一定程度的區域性特點，不同的地理位置，污染物濃度的累積和傳輸方式表現出不同的特征，了解這些特征對空氣質量預報及區域污染防控具有重要意義。

京津冀區域穩定的氣象條件是形成此次重污染的重要原因，重污染過程中氣象條件均不利于污染物的擴散，污染物持續由南向北傳輸，在太行山東側及燕山南側堆積，后期風速微弱，水平擴散條件極為不利，污染物在靜風條件下進一步累積和生成。這種不利于污染物擴散的高低空天氣形勢的配合抑制了污染物的快速消散，為大氣污染的形成及維持提供了穩定的大氣環境背景，形成了本次污染過程污染濃度高、影響范圍大的態勢。

污染期間，PM2.5占PM10比例極高，細顆粒物快速二次生成及不利擴散條件下的持續積累可能是此次污染過程的主要原因。

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