天津市西南地區(qū)PM2.5污染及輸送特征研究

馮帥　李興陽　楊旭　溫永菁　王林

摘要：靜海區(qū)和西青區(qū)是天津西南界輸送影響的關(guān)鍵區(qū)域，此研究基于2019年-2022年的PM2.5觀測數(shù)據(jù)和中尺度在線大氣化學(xué)模式WRF/Chen的模擬數(shù)據(jù)，探討區(qū)域輸送對(duì)天津市西南地區(qū)PM2.5的影響。結(jié)果表明，在不同的時(shí)間尺度上，天津市西南地區(qū)的PM2.5污染都呈現(xiàn)冬季高、夏季低的規(guī)律，與天津市相比，天津市西南地區(qū)的PM2.5污染較重。風(fēng)速和風(fēng)向都是影響天津市西南地區(qū)PM2.5污染和重要因素。WRF/Chen的數(shù)值模擬結(jié)果表明，靜海的PM2.5的本地貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于西青，靜海和西青作為天津市的西南門戶，周邊區(qū)域的輸送是其PM2.5污染的重要來源，尤其是在秋末、冬季和主風(fēng)向上，周邊的廊坊、滄州、山東、北京和保定是靜海和西青地區(qū)PM2.5的關(guān)鍵源地。

關(guān)鍵詞：PM2.5；區(qū)域輸送；數(shù)值模擬；關(guān)鍵源地

中圖分類號(hào)：X513 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

PM2.5又稱細(xì)顆粒物，是環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5微米的顆粒物。PM2.5粒徑小、面積大、活性強(qiáng)、易附帶有毒、有害物質(zhì)，并且在大氣中的停留時(shí)間長、輸送距離遠(yuǎn)，是大氣污染物的重要類型，對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量都有重大影響。PM2.5的區(qū)域輸送是空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和大氣污染防治的重要因素。數(shù)值模擬是定量估算PM2.5區(qū)域輸送的重要手段，國外的CMAQ模型、WRF/Chem模型以及國內(nèi)開發(fā)的CUACE模型和NAQPMS模型都有廣泛應(yīng)用。天津市是京津冀地區(qū)的重要城市，也是中國空氣污染治理的重點(diǎn)區(qū)域。目前針對(duì)天津市PM2.5的研究已有不少報(bào)道，污染物的區(qū)域輸送也有研究。西南界輸送是天津秋冬季大氣污染的重要特征之一，靜海和西青是天津的西南門戶，與河北接壤，受西南界輸送影響明顯，也是天津地區(qū)西南界輸送影響研究的關(guān)鍵區(qū)域，但是針對(duì)天津市西南地區(qū)PM2.5輸送規(guī)律的研究還鮮有報(bào)道，文章基于2019年-2022年的PM2.5觀測數(shù)據(jù)，分析天津市西南地區(qū)（靜海區(qū)和西青區(qū)）的PM2.5，污染特征，并基于中尺度在線大氣化學(xué)模式WRF/Chen的模擬數(shù)據(jù)，探討區(qū)域輸送對(duì)天津市西南地區(qū)PM2.5的影響，為天津地區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、重污染天氣預(yù)警業(yè)務(wù)以及大氣污染區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域

天津市靜海區(qū)和西青區(qū)位于天津市西南部，海河流域下游，其西部和南部與河北省的廊坊市和滄州市接壤，東部和北部是天津市。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)

空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)來自天津環(huán)境監(jiān)測中心發(fā)布數(shù)據(jù)，包括天津市各站2019年-2021年逐時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度，按《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》中的方法計(jì)算PM2.5的日值，再計(jì)算月平均值和年平均值。

2.2 大氣化學(xué)模式輸出的PM2.5質(zhì)量濃度

天津西側(cè)邊界PM2.5質(zhì)量濃度輸送通量計(jì)算使用中尺度在線大氣化學(xué)模式WRF/Chen。此研究采用WRF/Chen3.5.1版本，模擬時(shí)間為2020年1月l口至2020年12月31日，模擬采用24h滾動(dòng)計(jì)算，每24h重新使用一次FNL氣象初始場，而污染初始場則為上一次的模擬值，積分時(shí)長90s。

研究模式的人為排放源清單使用清華大學(xué)ME-IC2016，分辨率0.25°×0.25°，化學(xué)過程采用MO-ZART-4，長波輻射方案和短波輻射方案均采用RRTMG，邊界層方案使用YSU方案，模式采用兩層嵌套，水平分辨率分別為27km和9km，水平網(wǎng)格91x91和109×109，中心經(jīng)緯度為38.6°N，116.2°E，垂直方向分為27層，氣象初始場和背景場均使用NECP的FNL全球1°×1°數(shù)據(jù)。開發(fā)過程中將一次源PM2.5標(biāo)記方法整合到模型中，以便在污染期間識(shí)別不同源區(qū)對(duì)模擬地區(qū)的主要PM2.5貢獻(xiàn)。標(biāo)記方法跟蹤并計(jì)算了較大模擬區(qū)域內(nèi)各標(biāo)記區(qū)PM2.5貢獻(xiàn)濃度，這種方法中的示蹤劑考慮了物理過程（例如平流堯垂直混合和對(duì)流）的影響，此研究中，模擬區(qū)域被分成20個(gè)源區(qū)域（包括天津、北京和河北地區(qū)11個(gè)城市），并且將每個(gè)源區(qū)域識(shí)別的主要PM2.5作為獨(dú)立變量進(jìn)行跟蹤。

3 結(jié)果與討論

3.1 天津西南地區(qū)PM2.5污染特征

如圖1所示2019年-2021年天津市和西南地區(qū)（靜海區(qū)和西青區(qū)）PM2.5日平均值的變化情況。從圖中可以看出，西南地區(qū)和天津市的PM2.5年內(nèi)日平均值變化都呈現(xiàn)“U”型，即夏季低，冬季高。從3年的平均值來看，西南地區(qū)的PM2.5污染要高于天津市。

從月平均值來看（如圖2所示），西南地區(qū)和天津市的PM2.5的月變化大體也呈現(xiàn)“U”型，最高值出現(xiàn)在1月，最低值出現(xiàn)在8月。整體來看PM2.5的月平均值呈現(xiàn)出夏季低、冬季高的特點(diǎn)。西南地區(qū)的PM2.5的月平均值整體高于天津市。從2019年一2021年的平均值來看（見圖2），天津市PM2.5的污染是2019年最高，西南地區(qū)是2020年最高。西南地區(qū)的PM2.5的年平均值普遍高于天津市。從整體來看，西南地區(qū)的污染要高于天津市，是天津市的空氣污染需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

3.2 天津西南部地區(qū)PM2.5擴(kuò)散和輸送規(guī)律

如圖3所示2019年-2021年靜海和西青的不同方向的地面風(fēng)速和風(fēng)向占比的分布情況，可以看出靜海和西青都是北風(fēng)風(fēng)速最大，靜海的西南風(fēng)速最小，西青的南風(fēng)風(fēng)速最小。從整體來看，靜海的地面風(fēng)速要小于西青的。從地面風(fēng)風(fēng)向的占比來看，靜海的東南風(fēng)占比明顯高于其他方向的風(fēng)，是靜海地區(qū)地面風(fēng)的主風(fēng)向，而西青的地面風(fēng)主風(fēng)向則是南風(fēng)和東南風(fēng)。

從靜海和西青的PM2.5在各個(gè)方位上的濃度平均值來看，靜海地區(qū)的PM2.5在西北方向上的濃度最大，西青地區(qū)的PM2.5在正北方向上的濃度最大。結(jié)合圖3可以看出，從方位的角度來講，風(fēng)向和風(fēng)速對(duì)PM2.5的影響是不一樣的，風(fēng)向?qū)M2.5有較明顯的影響，主風(fēng)向相對(duì)方向的PM2.5濃度要高于其他方向的，這體現(xiàn)了風(fēng)對(duì)PM2.5的輸送結(jié)果。

日尺度上的相關(guān)分析表明，靜海和西青的風(fēng)速與PM2.5濃度之間都是極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著風(fēng)速的增大，加快了PM2.5的擴(kuò)散，所以濃度下降。在月尺度上，靜海的風(fēng)速與PM2.5之間是顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但西青的風(fēng)速與PM2.5之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。

從以上的結(jié)果可以看出，風(fēng)是影響天津市PM2.5擴(kuò)散和傳輸?shù)闹匾蛩兀@與許多研究結(jié)果是一致的。

基于WRF/Chen模式計(jì)算2020年靜海和西青一次PM2.5來源百分比的分布情況來看，從天津各區(qū)的貢獻(xiàn)來看，本地是最大的貢獻(xiàn)者，但靜海本地的貢獻(xiàn)（22.00%）遠(yuǎn)高于西青的（13.13%），說明西青地區(qū)的PM2.5更多是區(qū)域輸送的結(jié)果。對(duì)于靜海來說，天津市其他區(qū)PM2.5貢獻(xiàn)都不大，最多的津南區(qū)僅有2.57%；但對(duì)于西青而言，靜海的貢獻(xiàn)僅低于西青自身的貢獻(xiàn)，達(dá)到了11.38%，從相對(duì)位置也可以看出，靜海在西青的西南方向，作為西南輸送的最近的源地，其對(duì)西青的PM2.5的貢獻(xiàn)較大。（見圖4）

從周邊地區(qū)的PM2.5貢獻(xiàn)來看，廊坊和滄州是靜海和西青PM2.5的最大輸入?yún)^(qū)域。廊坊和滄州毗鄰靜海和西青，且位于靜海和西青的東南、南和西南方，在主風(fēng)向的上風(fēng)向，因此PM2.5的輸入量占比最大。

從靜海和西青2020年各月的一次PM2.5來源的占比情況來看，靜海各月PM2.5的自身貢獻(xiàn)占比波動(dòng)較大，2月份最高可以達(dá)到31.39%，12月份最低僅為13.46%：天津其他區(qū)對(duì)靜海的PM2.5的貢獻(xiàn)比較小，平均貢獻(xiàn)為13.13%，10月份貢獻(xiàn)最小，僅為2.33%。除了5月到9月津南地區(qū)的PM2.5貢獻(xiàn)相對(duì)高一些以外，其余各區(qū)的貢獻(xiàn)值都很低。

周邊其他城市對(duì)靜海的PM2.5貢獻(xiàn)比較高，10月-12月都超過了70%，10月和l2月甚至接近80%，1月份也達(dá)到了65.11%，可以看出秋末和冬季是靜海地區(qū)PM2.5區(qū)域輸送的主要季節(jié)。在周邊城市中，廊坊、滄州、山東、北京和保定是靜海地區(qū)PM2.5輸送的重要源地，其中廊坊和滄州緊臨靜海，山東、北京和保定分別在靜海的東南、西北和西方，山東的貢獻(xiàn)主要在春夏季，是遠(yuǎn)距離傳輸，北京和保定的貢獻(xiàn)主要在冬季。從整體來看，PM2.5都是沿著東亞季風(fēng)的主風(fēng)向上進(jìn)行輸送，冬季風(fēng)的輸送要強(qiáng)于夏季風(fēng)，說明地面風(fēng)對(duì)靜海PM2.5的輸送有重要的作用。

西青各月PM2.5的自身貢獻(xiàn)占比相對(duì)較小，最高是19.78%，最低是9.32%，變化比較穩(wěn)定。天津市其他地區(qū)對(duì)西青的PM2.5的貢獻(xiàn)較高，平均達(dá)到了31.80%，5月份最高達(dá)到了44.26%，貢獻(xiàn)較高的時(shí)間主要集中在5-9月，即夏季及其前后。靜海區(qū)、津南區(qū)和東麗區(qū)在這一時(shí)間段內(nèi)對(duì)西青的一次PM2.5貢獻(xiàn)都比較高。

周邊其他城市對(duì)西青的PM2.5貢獻(xiàn)相比靜海而言比較低，12月份最高為74.46%，最低的5月份僅為38.70%。10月-1月是周邊城市對(duì)西青的PM2.5貢獻(xiàn)相對(duì)較高的時(shí)段，也集中在了秋末和冬季，與靜海的規(guī)律一致。在周邊城市中，廊坊、滄州、山東、北京和保定是西青地區(qū)PM2.5輸送的重要源地，其中廊坊和滄州距離西青較近，山東、北京和保定分別在西青的東南、西北和西方，山東的貢獻(xiàn)主要在春夏季，北京和保定的貢獻(xiàn)主要在冬季，以上規(guī)律和靜海是類似的。盡管西青與以上幾個(gè)PM2.5重要源區(qū)都有一定距離（只與廊坊有部分接壤），但是地面風(fēng)的輸送對(duì)西青PM2.5的貢獻(xiàn)仍然很明顯。（見表1及表2）

從以f上結(jié)果可以看出，風(fēng)是影響PM2.5的重要因素，風(fēng)在不同的季節(jié)對(duì)PM2.5的區(qū)域輸送都有重要影響。作為天津市的西南門戶，靜海區(qū)和西青區(qū)的PM2.5濃度受區(qū)域輸送的影響較大，尤其是在秋末、冬季和主風(fēng)向上，區(qū)域輸送甚至是遠(yuǎn)距離的區(qū)域輸送（山東）都會(huì)對(duì)靜海區(qū)和西青區(qū)的PM2.5濃度有較大的貢獻(xiàn)，因此天津市西南地區(qū)P2.5的污染治理，必須高度重視周邊區(qū)域以及主風(fēng)向上遠(yuǎn)距離區(qū)域輸送的影響。

4 結(jié)論

綜上，在日和月時(shí)間尺度上，天津市西南地區(qū)的PM2.5污染都呈現(xiàn)冬季高、夏季低的規(guī)律，與天津市相比，天津市西南地區(qū)的PM2.5污染較重，是天津市空氣污染需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。地面風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向都是影響天津市西南地區(qū)PM2.5污染和重要因素，在日時(shí)間尺度上，風(fēng)速和PM2.5濃度之間有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。WRF/Chen的數(shù)值模擬結(jié)果表明，靜海的PM2.5的本地貢獻(xiàn)和周邊外省市的貢獻(xiàn)都要高于西青，天津市其他地區(qū)對(duì)西青PM2.5的貢獻(xiàn)較大。靜海和西青作為天津市的西南門戶，周邊區(qū)域的輸送是PM2.5污染的重要來源，尤其是在秋末、冬季和主風(fēng)向上，周邊的廊坊、滄州、山東、北京和保定是靜海和西青地區(qū)PM2.5的關(guān)鍵源地。