2017年上半年北京市及周邊地區空氣質量特征分析

張 良，王占山，朱桂艷，谷天宇，王旭光，崔繼憲

1.河北省環境應急與重污染天氣預警中心，河北 石家莊 050037 2.北京市環境保護監測中心，北京 100048 3.廊坊市環境監測站，河北 廊坊 065000 4.北京工業大學環境與能源學院，北京 100124

大氣污染會影響大氣能見度、公共安全、人體健康和全球氣候變化[1-2]。隨著中國社會和經濟的快速發展、城市化進程的加快和能源消耗量的不斷攀升，中國各地區空氣質量出現一定程度的惡化[3]，特別是位于京津冀中部的北京市及周邊的廊坊市和保定市等，大氣污染嚴重。該區域西靠太行山，北依燕山，山脊連成平均海拔為1 000 m左右的弧形屏障，地形呈簸箕狀，地理條件不利于污染物擴散；同時城市規模較大，人口密集，能源消耗量巨大，大氣污染物排放強度相對集中。因此一旦遇到持續性的不利氣象條件，該區域空氣質量隨之變差，并可能出現大氣污染過程[4-5]。

近年來，在京津冀及周邊地區大氣污染聯防聯控工作的推動下，區域大氣污染物減排力度空前，空氣質量出現比較明顯的改善。但由于污染物濃度起點較高，目前區域內仍有多項污染物濃度超標。對于北京市及周邊區域的空氣質量，國內外學者開展了相關研究。WANG等[6]分析了2014年APEC會議前后北京市空氣質量的變化，發現會議期間SO2、NO2、PM10和PM2.5濃度與前5年相比分別下降了62%、41%、36%和47%，而O3濃度上升了102%。孫志強等[7]分析了2008年奧運會期間北京市及周邊地區的空氣質量，發現北京市的NOx濃度高于周邊的涿州市和廊坊市等地，而周邊地區PM2.5濃度明顯高于北京市，在夏季的典型污染過程中，北京市污染物峰值出現時間滯后于周邊城市2～14 h。鄭曉霞等[8]研究了京津冀地區大氣NO2污染特征，發現平原區存在兩大NO2高值區域，分別為北京市-天津市-唐山市區域和石家莊市-邢臺市-邯鄲市區域；近年來NO2高值范圍不斷擴大，且呈現明顯的連片趨勢；NO2柱濃度有顯著的季節變化特征，總體表現為秋冬高、春夏低，但山區與平原區差異較大。

研究基于北京市及周邊廊坊市、保定市區縣級監測點位的空氣質量監測數據，分析該區域氣象條件、污染物濃度水平、時空變化特征、PM2.5化學組分構成和氣團運動軌跡等污染特征，以期為京津冀地區大氣污染聯防聯控提供科學依據。

1 實驗部分

常規空氣質量數據來自于三地的空氣質量監測網絡實時發布數據，點位數量分別為北京市35個，保定市29個和廊坊市12個；選擇北京市觀象臺、保定市氣象站和廊坊市氣象站的氣象數據進行氣象條件分析；PM2.5化學組分監測儀安裝在廊坊市環保局樓頂，使用美國Thermo Fisher CNSVC-TAS-WI-CMD111(1)-URG系列離子色譜在線分析儀和美國Sunset model14 有機碳/元素碳分析儀進行監測。各監測儀器均采用校準儀參照國家標準定期校準，保證監測數據的準確性和有效性。

2 結果與討論

2.1 氣象條件分析

表1顯示了2016年上半年和2017年上半年三地的氣象條件水平。

表1 2016、2017年上半年三地氣象條件Table 1 Meteorological condition in Baoding,Langfang and Beijing during the first half of 2016 and 2017

從北風頻率來看，2017年各地均呈現下降趨勢，其中北京市下降最為明顯，達到7.4%，平均變化率為-4.8%。從風速來看，同樣呈現下降的趨勢，保定市下降最為明顯，達到8.4%，平均變化率為-6.8%。地面溫差呈現出明顯的上升趨勢，廊坊市上升最為明顯，達到8.2%，平均變化率為6.7%。濕度呈上升趨勢，北京市上升最為明顯，達到7.6%，平均變化率為5.4%。地面氣壓的變化不太明顯，基本持平。整體來看，與2016年上半年相比，2017年三地的北風頻率和風速下降，溫度和濕度回升，大氣污染物擴散條件明顯轉差。

2.2 污染物濃度水平和超標特征

表2和圖1顯示了根據國控點位計算的三地6項污染物濃度水平、超標率和各級別天數占比。可以看出，各項污染物濃度均呈現保定市最高、北京市最低的規律，特別是SO2和顆粒物的濃度，保定市顯著高于北京市。保定市的超標率和重污染率最高，廊坊市和北京市的超標率也接近50%。三地均為二級良的天數占比最高，保定市一級優的天數占比僅為1.1%，是三地中空氣污染最重的城市。

表2 2017年上半年三地各污染物平均濃度Table 2 Average concentration of air pollutant in Baoding,Langfang and Beijing during the first half of 2017

圖1 2017年上半年三地各級別天數占比Fig.1 Ratios of days in every level of air quality in Baoding, Langfang and Beijing during the first half of 2017

2.3 污染物時間變化特征

圖2顯示了三地國控點位6項污染物月平均濃度變化。

對SO2來說，北京市濃度水平最低，廊坊市次之，保定市濃度水平明顯高于北京市和廊坊市，特別是冬季的1、2月，保定市SO2月均濃度分別達到北京市的3.6、3.1倍，體現出保定市受到燃煤排放影響較大；從時間尺度來看，1—6月SO2濃度呈現逐月降低的趨勢。

對NO2來說，三地濃度水平較為接近，在4、6月，保定市NO2濃度水平低于北京市和廊坊市；從時間尺度來看，同樣呈現逐月降低的月變化規律。

對CO來說，北京市濃度水平略低，廊坊市和保定市較為接近；從時間尺度來看，冬季濃度水平高，3—6月濃度水平較為接近。

對O3來說，雖然三地濃度絕對值差異不大，但6個月均呈現出北京市濃度最高的特征，且隨著溫度的上升，O3濃度水平也逐月上升。

對PM10和PM2.5來說，保定市濃度最高，北京市濃度最低；從時間尺度來看，冬季濃度較高，另外PM10的濃度在5月出現高值，跟5月受到幾次沙塵過程的影響有關。

圖3顯示了2017年上半年三地典型點位各污染物的日變化曲線。選擇的點位為位于市中心的受局地污染源排放影響較小的國控點位。

圖3 2017年上半年三地各污染物日變化Fig.3 Diurnal variation of air pollutants in Baoding,Langfang and Beijing during the first half of 2017

從圖3可見，SO2濃度呈現雙峰型分布，在上午出現第1個峰值，在夜間00:00左右出現第2個峰值，保定市濃度水平明顯偏高，且夜間濃度波動較大，傍晚時段各點位濃度水平最低。NO2濃度呈雙峰型分布，在交通早高峰時段出現第1個峰值，在夜間出現第2個峰值；白天時段，三地NO2濃度水平較為接近，值得注意的是，夜間保定市監測站點位NO2濃度水平明顯高于北京市和廊坊市，體現了夜間的高排放特征。CO濃度同樣呈雙峰型變化，在交通早高峰時段和夜間各出現1個峰值。O3濃度呈單峰型曲線，雖然北京市國控點位O3平均濃度高于廊坊市和保定市，但官園點位O3濃度水平低于保定市監測站點位和廊坊市藥材公司點位，特別是峰值時段。PM10和PM2.5多呈現雙峰型分布，在交通早高峰和夜間出現2個峰值；保定市監測站PM2.5濃度基本呈單峰型分布，夜間峰值濃度較高，在上午時段未出現峰值，體現出保定市夜間排放量較大。污染物日變化特征的監測結果與之前在北京市等地的觀測結果較為一致[6，9]。

2.4 PM2.5及其前體物空間分布特征

分析PM2.5及其前體物(SO2和NO2)的空間分布特征，對SO2來說，區域整體呈現明顯的南高北低的分布特征，北京市北部山區濃度較低，各個季節均維持在10 μg/m3以下，保定市濃度最高，各個季節均有高值出現。從時間分布來看，1、2月濃度水平最高，區域高值區主要集中在保定市的西南部，3月以后濃度水平明顯降低，區域南部濃度水平較高。

對NO2來說，上半年區域整體呈現中部高、周邊低的特征，高值區呈帶狀分布，由北京市的城區和南部沿西南方向延伸至保定市的中部。從時間分布來看，1、2月濃度水平最高，整個北京市的中南部和保定市、廊坊市均為高值區，3、4月高值區分布與上半年平均濃度分布較為類似，北京市城區最高，5、6月整體濃度水平較低，未出現明顯的高值區。

對PM2.5來說，上半年區域整體呈現南高北低的趨勢，同時區域內呈現多個小高值中心，分布在北京市的南部、東南部和保定市的東南部。從時間分布來看，同樣1、2月濃度高，幾乎整個北京市城區以南地區均為高值區，3—6月濃度水平明顯降低，保定市中部和北京市南部濃度略高。整體來看，PM2.5與其前體物(SO2和NO2)的空間分布規律雖然不完全一致，但都呈現出南高北低的分布規律。

2.5 PM2.5化學組分分析

圖4 2017年上半年PM2.5化學組分Fig.4 Concentrations of compositions of PM2.5during the first half of 2017

2.6 氣團后向軌跡分析

使用美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)開發的后向軌跡模型HYSPLIT對北京市2017年上半年氣團來源和軌跡變化進行聚類分析。

模型選取北京市中心(地理坐標為40°N，160°E)為后向軌跡起始點，起始高度設為2 m(考慮到與地面氣象觀測站高度和空氣質量觀測站高度一致)，模擬時間為2017年1月1日00:00—2017年6月30日23:00，推算時間為72 h，時間間隔為12 h。后向軌跡模式采用的氣象資料為美國國家環境預報中心(NCEP)提供的2017年1—6月全球資料同化系統(GDAS)數據[12-13]。結果顯示，在2017年上半年到達北京市的氣流中有24%的氣團來自于北京市南部，且這些氣團多為低空傳輸，容易攜帶大氣污染物進入北京市，表明區域傳輸對于北京市空氣質量具有一定的影響。本地排放和區域傳輸是造成北京市空氣污染的兩大主要原因。

3 結論

1)與2016年上半年相比，2017年上半年氣象條件明顯不利于污染物擴散，具體表現在北風頻率降低了4.8%，平均風速降低了6.8%，地面溫度上升了6.7%，相對濕度上升了5.4%。

2)三地中北京市空氣質量較好，保定市較差。保定市空氣質量超標率達到63.1%，北京市和廊坊市也接近50%。具體來看，保定市SO2濃度水平明顯高于廊坊市和北京市，1、2月的月均濃度分別是北京市的3.6、3.1倍。三地NO2濃度較為接近。PM10和PM2.5濃度也呈現保定市最高，北京市最低的規律。

3)從污染物日變化來看，CO、SO2、NO2、PM10和PM2.5呈雙峰型分布，在上午和夜間各出現1個峰值；O3呈單峰型分布，在下午出現峰值。值得注意的是，夜間保定市各污染物濃度明顯偏高，體現出夜間排放高的特征，需加強管控。從區域空間分布規律來看，PM2.5和SO2呈現明顯的“南高北低”的特征，NO2的高值區則集中在區域的中部。

4)PM2.5化學組分分析結果表明，1—4月燃煤對廊坊地區空氣質量的影響較大，5—6月機動車排放的影響更為凸顯。

5)后向軌跡分析結果表明，在2017年上半年到達北京市的氣流中有24%的氣團來自于北京市南部，且這些氣團多為低空傳輸，容易攜帶大氣污染物進入北京市，表明區域傳輸對于北京市空氣質量具有一定的影響，區域聯防聯控是今后京津冀地區大氣污染防治的主要方向。