唐山市 O₃ 和 PM_2.5 復合污染特征及潛在源區研究

文章編號：1674-6139（2025）06-0049-06

中圖分類號：X16文獻標志碼：B

Characteristics and Potential Source Areas of O₃ and PM_2.5 Combined Pollution in Tangshan City

WangDan1，2，3，Wang Xiuling1，2，3，WangGuan1，2，3，Chen Zhen12，3 （1.KeyLaboratoryof Meteorologyand Ecological Environmentof HebeiProvince，Shijiazhuang O5o021，China 2.Tangshan KeyLaboratoryof Meteorological Disaster Preventionand Early Warning，Tangshan O630o，China; 3.TangshanMeteorological Bureau，Tangshan O63OOO，China）

Abstract：Based on the O₃ and PM_2.5 data of Tangshan environmental monitoring stationand the meteorological data of the national basic meteorological station，the characteristics and potential source areas of the combined pollution of 0₃ and PM_2.5 in Tangshan City from2018to2O21wereanalyzed.Theresultsshowedthatthecombinedpolutionmainlydistributedfrom MarchtoSeptember，andthe numberofcombindpoltiondaysretelargestinArilandeptember.Duringtheombinedplltionperiod，teaveragecoctra tion of O₃-8 h was slightly higher than that of single O₃ pollution day，and the average concentration of PM_2.5 was slightly lower than that of single PM_2，5 pollution day.The maximum concentrations of O₃-8h and PM_2，5 were lower than the corresponding independent pollution days.The average temperature ranges from 16.7‰ to 19.8^qC ，the average relative humidity ranges from 37% to 45% from November to 19，the sunshine hours range from 9.2 to 10.8h ，and the average daily wind speed ranges from2.4 to 3.5m/s .The potential source areasare mainlylocatedatthe junctionof Handan，Xingtai，Hengshui and Shandong，as wellas in northern Henan.

Keywords： 0₃ ： PM_2.5 ；composite pollution characteristics；backward trajectory；potential source analysis

前言

近年來 O₃ 和 PM_2.5 復合污染問題日益顯現， 0₃ 和 PM_2.5 具有共同的前體物，但二者又會相互影響[1]。花叢等[2]發現中國中東部地區復合污染過程表現出離散型、間歇性特征。姚萃[3]發現在上海市虹口區首要污染物為臭氧時， PM_2.5 和 0₃ 之間顯著正相關；而在細顆粒物作為首要污染物時期內，二者之間顯著負相關。肖致美等[4]得到天津市 PM_2.5 和 O₃ 復合污染的主要來源為機動車排放源和石化工業源等。毛卓成等[5]發現地面存在輻合時，利于O₃ 和 PM_2.5 復合污染發生。劉淼晗等[發現氣溫、相對濕度、風速和風向對 O₃ 和 PM_2，5 復合污染影響顯著。李紹榮[研究得到京津冀地區 PM_2.5 和 0₃ 污染的潛在源區域相似。

文章詳細分析唐山市 0₃ 和 PM_2.5 復合污染時間分布特征、氣象條件特征和潛在源區，為開展 PM_2.5 和 0₃ 協同控制提供參考。

材料與方法

1. 1 數據來源

環境空氣質量數據來源于唐山市環境預報與評估業務平臺，污染數據為11個國家監測站點（正泰大街熱力、豐潤區政府、路南電大、金山小學、冀東油田職工醫院、政務服務中心、消防缸窯路中隊、小山、物資局、十二中、雷達站）的監測數據。氣象資料來源地面觀測站，主要包括氣溫、相對濕度、日照時數、風速等。

用于后向軌跡聚類、潛在源解析（PSCF：Poten-tialSourceContributionFunction）、濃度權重軌跡分析（CWT：Concentration-Weighted Trajectory）的資料為美國國家環境預報中心（NCEP）提供的空間分辨率為 1.0^°×1.0^° 的全球資料同化系統數據（GDAS）。

1.2 研究方法

1.2.1 污染評價標準

O₃ 和 PM_2.5 復合污染日是指在同一天同時出現 0₃ 和 PM_2.5 超標的日，按照環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行），如果某日 O₃-8h 濃度大于 160μg?m^-3 ，同時 PM_2.5 的 24h 平均濃度大于75μg?m^-3 ，則該日為 0₃ 和 PM_2.5 復合污染日。

1.2.2 Pearson相關系數

為確定臭氧濃度與相關氣象要素之間的關系，文章采用Pearson相關分析。計算公式為式（1）：

式（1）中， n 為樣本容量； x_i 為變量 x 的第 i 個值； y_i 為變量 y 的第 χ_i 個值； 為變量 x 的樣本均值; 為變量 y 的樣本均值。

1.2.3后向軌跡聚類

采用混合單粒子拉格朗日綜合軌跡模型（HYS-PLIT），以唐山市中心 （118.18^°E，39.63^°N） 為受體點，追溯 500m 高度每天24次（逐小時） 24h 的后向軌跡，再聚類分析；將氣流軌跡所覆蓋的區域網格化，閥值取1小時濃度的平均值，計算WPSCF和WCWT，二者高值相重合的區域即為受體點的潛在污染源區[8]

2唐山市 0₃ 和 PM_2.5 復合污染特征

2.1 復合污染時間分布特征

2018年-2021年復合污染主要出現在3-9月，共29天，4月最多，為12天；其次是9月和5月，分別為6天和5天。復合污染日數逐年下降，2019年下降明顯，隨后下降速率趨于平緩。從3-9月單獨污染日數來看，2018年－2021年 PM_2.5 單獨污染日數逐年下降，在2019年下降明顯，2021年下降至最少； 0₃ 單獨污染日數先升后降，最大值出現在2019年為73天，最小值出現在2021年為30天。

2.2復合污染濃度特征

復合污染日 O₃-8h 平均濃度為 200μg?m^-3 單獨臭氧污染日 O₃-8h 平均濃度為 196μg?m^-3 ，復合污染日 δ_03-8h 平均濃度略高于單獨臭氧污染日濃度。從極值來看，復合污染日 0₃-8h 最大值為 284μg?m^-3 ，單獨臭氧污染日 0₃-8h 最大值為298μg?m^-3 ，復合污染日 O₃-8h 最大值略低于單獨臭氧污染日濃度。

復合污染日 PM_2.5 平均濃度為 96μg?m^-3 ，單獨 PM_2.5 污染日 PM_2.5 平均濃度為 113μg?m^-3 ，復合污染日 PM_2.5 平均濃度略低于單獨 PM_2.5 污染日濃度。從極值來看，復合污染日 PM_2.5 最大濃度為170μg?m^-3 ，單獨 PM_2.5 污染日 PM_2.5 最大濃度為345μg?m^-3 ，復合污染日 PM_2.5 最大濃度略低于單獨 PM_2.5 污染日最大濃度。

2.3首要污染物特征

復合污染日首要污染物以 0₃ 最多，為17天，其次是 PM_2.5 ，為8天， PM₁₀ 為2天。以 0₃ 為首要污染物的 0₃-8h 平均濃度為 216μg?m^-3 ，以 PM₁₀ 為首要污染物的 O₃-8h 平均濃度為 181μg?m^-3 ，以 PM_2.5 為首要污染物的 O₃-8h 平均濃度為175μg?m^-3 。可見，顆粒物對臭氧濃度的升高有一定的抑制作用，但是抑制作用是有限的。

2.4 PM_2.5 和 0₃ 相關性分析

由于 PM_2.5 和 0₃ 之間有密切的濃度關系[9，將2018年-2021年唐山市出現復合污染的3-9月每日 PM_2.5 和 O₃-8h 的濃度進行Pearson相關系數求取。分析發現，3-9月兩者均在0.01級別上呈現出顯著正相關，其中在4月和9月正相關性最大，相關系數分別為 0.592^**、0.675^** 。臭氧濃度的增加，表明大氣氧化能力增強，有利于二次無機氣溶膠和二次有機氣溶膠的生成，從而引起 PM_2.5 污染[9]PM_2.5 和 0₃ 相關性最大的4月和9月，同時也是復合污染最多的月份，即大氣氧化能力的增強有助于復合污染的生成，這與2015年－2021年廣州市PM_2.5 和 0₃ 復合污染“雙高”日主要集中在春、秋兩季的結論相一致[10]

3唐山市 0₃ 和 PM_2.5 復合污染日氣象條件特征

為研究氣象因子對復合污染、單純臭氧污染、單獨 PM_2.5 污染的影響，選取2018年－2021年4月（復合污染日數占比最大的月份）的復合污染過程、單獨臭氧污染過程和單獨 PM_2.5 污染過程進行分析。

3.1 氣溫

氣溫是影響臭氧形成的重要因素，如圖1所示，復合污染、單獨 0₃ 污染、單獨 PM_2.5 污染最高氣溫的主要區間分別集中在 24.9%～27.7%.22.4%～ 27.5°C、19.5°C～22.2C 之間，單獨 PM_2.5 污染的最高氣溫整體低于單獨 O₃ 污染的最高氣溫，復合污染的最高氣溫范圍最窄，且大部分包含在單獨 0₃ 污染最高氣溫范圍內。復合污染、單獨 0₃ 污染、單獨PM_2.5 污染平均氣溫主要區間分別集中在 16.79C ＼～19.8%17.3%～20.2%11.9%～16.2% 之間，單獨 PM_2.5 污染的平均氣溫整體低于單獨 O₃ 污染的平均氣溫，單獨 O₃ 污染的平均氣溫范圍最窄，且大部分包含在復合污染平均氣溫范圍內。綜合而言，臭氧和 PM_2.5 復合污染出現時，最高氣溫主要集中在24.9^°C～27.7^°C 之間，平均氣溫主要集中在 16.79C ～19.8% 之間，單獨 0₃ 污染比單獨 PM_2.5 污染要求的溫度條件更高，日間較高的氣溫有利于光化學反應，形成臭氧。

3.2 相對濕度

如圖2所示，復合污染、單獨 O₃ 污染、單獨PM_2.5 污染日平均相對濕度的主要區間分別集中在54%～61%.43%～53%.52%～62% 之間，11-19時平均相對濕度的主要區間分別集中在 37% ＼～45%，31%～38%，39%～61% 之間，單獨 0₃ 污染的日平均相對濕度和11－19時平均相對濕度最低，復合污染介于單獨 0₃ 污染和單獨 PM_2.5 之間，單獨PM_2.5 污染最高，由于相對高的相對濕度更有利于PM_2.5 污染的形成。

3.3 日照時數

復合污染、單獨 0₃ 污染、單獨 PM_2.5 污染出現時，日照時數的主要區間分別集中在 9.2～10.8h 、8.6～11.4h.4.6～10.2h 之間，復合污染日照時數包含在單獨 0₃ 污染范圍內，位于中上部。從4月日照時數的平均值來看，單獨 0₃ 污染 gt; 復合污染 gt; 單獨 PM_2.5 污染，即單獨 0₃ 污染需要更好的日照條件，太陽輻射強，有利于生成臭氧的光化學反應的發生。

3.4 平均風速

復合污染、單獨 0₃ 污染、單獨 PM_2.5 污染日平均風速的主要區間分別集中在 2.4～3.5m/s.3.4～ ，單獨 PM_2.5 污染的日平均風速最小，復合污染介于單獨 0₃ 污染和單獨 PM_2.5 之間，單獨 0₃ 污染最大。

4唐山市 0₃ 和 PM_2.5 復合污染潛在源區分析

4.1 后向軌跡聚類分析

2018年-2021年 0₃ 和 PM_2.5 復合污染時流至唐山的所有氣流軌跡聚為6類（如表1所示），示意圖如圖3所示（圖3（a）-圖3（d）軌跡相同）：軌跡1為來自邯鄲與山東交界、邢臺與山東交界、衡水東部、滄州中部、天津一帶的氣流，占比 41.64% ，是 500m 高度上最主要的路徑;軌跡2為來自渤海一帶的氣流，占比 16.28% ；軌跡3為來自蒙古中部、內蒙古中部、承德一帶的氣流，占比 3.17% ；軌跡4為來自河南、山東與河北交界、滄州中部、天津一帶的氣流，占比 15.99% ;軌跡5為來自山東、渤海一帶的氣流，占比 9.80% ;軌跡6為來自內蒙古東部、遼寧、秦皇島一帶的氣流，占比 13.11% 。對 PM_2.5 污染貢獻最大的是軌跡1，1小時 PM_2.5 濃度的平均值為 101μg?m^-3 ，最大值為 218μg?m^-3 ;軌跡1的1小時 PM_2.5 濃度的最大值略低于軌跡2的最大值，但平均值大于軌跡2。對 0₃ 污染貢獻最大的也是軌跡 1，0₃-1h 濃度的平均值為 139μg?m^-3 ，最大值為 337μg?m^-3 ，雖然軌跡1的 濃度平均值小于軌跡6，但軌跡1的O₃-1h 濃度最大值高于軌跡6。綜上所述，來自邯鄲與山東交界、邢臺與山東交界、衡水東部、滄州中部、天津一帶的氣流，是造成 0₃ 和 PM_2.5 復合污染輸送的主要來源。

4.2潛在源貢獻因子和濃度權重軌跡分析

0₃ 的主要潛在源區（如圖3（a）所示）分布在山西東部、河南北部、河北中南部、北京東南部、天津、渤海、山東西北部等地，WPSCF值大于0.5；對比圖3（b），WCWT超過 100μg?m^-3 的區域與圖3（a）中的主要潛在源區一致，也與除軌跡3以外的其他軌跡相一致。 PM_2.5 的主要潛在源區（如圖3（c）所示）分布在河南北部、邯鄲與山東交界、邢臺與山東交界、衡水與山東交界等地，WPSCF值大于0.5;WCWT超過 的區域（如圖3（d）所示）與上述區域重合。綜合來看，唐山市出現 0₃ 和 PM_2.5 復合污染的潛在源區主要位于邯鄲、邢臺、衡水三地與山東交界處及河南北部等地，與氣流軌跡1和4相一致。

5 結束語

唐山市 O₃ 和 PM_2.5 復合污染日主要分布在3-9月；復合污染日 O₃-8h 平均濃度略高于單獨 0₃ 污染日、 PM_2.5 平均濃度略低于單獨 PM_2.5 污染日， 0₃ -8h 和 PM_2.5 濃度最大值均低于相應的單獨污染日；4月和9月 PM_2.5 和 0₃ 相關性最大、復合污染日最多；污染期間，最高氣溫 24.9%～27.7% 、平均氣溫 16.7^qC～19.8^qC 、日平均相對濕度 54%～61% 、11-19時平均相對濕度 37%～45% 、日照時數9.2～10.8h 、日平均風速 2.4～3.5m/s ；單獨 0₃ 污染比單獨 PM_2.5 污染需要相對高的溫度條件、相對低的相對濕度條件、相對高的日照條件、相對大的日平均風速;來自邯鄲與山東交界、邢臺與山東交界、衡水東部、滄州中部、天津一帶的氣流，是 0₃ 和 PM_2.5 復合污染輸送的主要源；潛在源區主要位于邯鄲、邢臺、衡水與山東交界處及河南北部等地。

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