北京市8月典型颗粒物污染过程的气象分析

廖晶晶，崔修来，孙 瑶

（1.葫芦岛市气象局，辽宁葫芦岛 125000；2.营口市气象局，辽宁营口 115000）



北京市8月典型颗粒物污染过程的气象分析

廖晶晶1，崔修来2，孙 瑶2

（1.葫芦岛市气象局，辽宁葫芦岛 125000；2.营口市气象局，辽宁营口 115000）

摘 要：以高分辨率的北京市2011—2014年8月颗粒物质量浓度为基础，耦合气象数据和气团质点后向轨迹，探讨颗粒物重污染过程的污染特征。结果显示，南向的轨迹极易造成北京市颗粒物的积累，形成很高的浓度值。污染过程中PM2.5/PM10的值和相关系数逐渐增加，且颗粒物质量浓度与平均风速、能见度成反比，与相对湿度成正比。

关键词：颗粒物；后向轨迹；气象条件

文献著录格式:廖晶晶，崔修来，孙瑶.北京市8月典型颗粒物污染过程的气象分析［J］.浙江农业科学，2016，57（6）: 930-939.

大气污染一直是世人关注的环境问题。伴随着城市化、工业化的发展，以大中城市、城市群和城市带为主的区域环境污染明显加剧［1］。郝吉明等［2］将大气污染物按其存在的状态概括为2大类:气体状态污染物和气溶胶状态污染物。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）、有机化合物（如VOC）以及卤素化合物（如HF）；后者主要是指颗粒物。按照颗粒物空气动力学当量直径（用da表示）大小，将其分为总悬浮颗粒物（TSP）和可吸入颗粒物（用PM10表示）。TSP是指da≤100 μm的颗粒物，PM10是指da≤10 μm的颗粒物。近些年，人们又开始关注PM2.5，即da≤2.5 μm的颗粒物，将其称为细颗粒物，将da在2.5～10 μm的粒子称为粗颗粒物。

贾英韬［3］研究发现，PM10和PM2.5小时质量浓

1 材料与方法

1.1 颗粒物采样

2011—2014年PM2.5和PM10监测数据来源于在线（30 min）质量浓度监测结果（TEOM 1405颗粒物监测仪，ThermoElectron）。采样点位于北京市（39°23′—41°05′N，115°25′—117°30′E）北四环以外的清华大学原环境科学与工程系楼顶，距地面高度约5 m，距离天安门广场约12 km，周围主要是居住区，食堂和餐厅较多。颗粒物质量浓度和高分辨率的人为源颗粒物排放清单均来自清华大学环境科学与工程系。

1.2 气象数据

高分辨率的气象数据（包括平均温度、降水量、平均风速、相对湿度、能见度）来源于中国气象局气象信息中心，采用2012—2014年8月北京市南郊观象台（站号为54511）的气象数据。

1.3 研究方法

利用美国NOAA的HYSPLIT 4.1（hybrid single-particleLagrangian integrated trajectory）模式计算得到气团质点后向轨迹，其传输、扩散模式是一种欧拉和拉格朗日型混合的计算模式，平流和扩散的处理采用拉格朗日方法，而浓度计算则采用欧拉方法。模式采用地形σ坐标，σ=1-z/Ztop，z为距离地面高度，Ztop为模式顶高。水平网格与输入的气象场相同，垂直向分为28层，气象要素场线性内插到各σ层上［5］。

本文利用HYSPLIT 4.1在线（http://www.arl.noaa.gov/ready/hysplit4.html）计算。轨迹计算采用2种处理:处理1，轨迹间间隔时间为24 h，起始高度为500 m，每天从18: 00（UTC）后推48 h；处理2，轨迹间间隔时间为6 h，从当日18: 00，12: 00，6: 00，0: 00，以及次日的18: 00均后推48 h，起始高度为500 m，每天5条，其中0，6，12，18，24分别表示轨迹的先后顺序，经换算成北京时间后，0的起始时间为当日2: 00点，6的起始时间为8: 00，12的起始时间为14: 00，18的起始时间为20: 00，24的起始时间为第2日的2: 00。

为了简便直观，简单地按来源方向进行聚类。按照日常生活中经常提到的8个方向来分类，即东（E）、东南（SE）、南（S）、西南（SW）、西（W）、西北（NW）、北（N）、东北（NE）。由于轨迹变化多样，故聚类的主要原则是方便统计，具体的细则如下:有一个拐点时，分成两段计算；有2个拐点时分成2个方向；有2个以上拐点，不太好聚类时，以靠近北京的那段轨迹的方向为准。在做后向轨迹时，其经纬度分别是116.23°E和39.94°N。

本文主要采用统计方法，将颗粒物质量浓度和气象因子结合起来，以定性描述北京市8月份颗粒物质量浓度与气象因子间的关系。

2 结果与分析

2.1 北京市8月PM10和PM2.5日变化

将2011—2014年8月期间测量的PM10和PM2.5半小时平均质量浓度转换成日平均值，PM10共106个样本，PM2.5共101个样本，2014年8月份逐日PM10和PM2.5质量浓度见图1。从整体上看，PM10和PM2.5质量浓度的日变化幅度都很大，且变化趋势表现出明显的一致性。现将2011—2014年北京市PM10和PM2.5的一些统计指标列于表1。

图1　2014年8月PM10和PM2.5逐日质量浓度分布

表1　北京市2011—2014年8月PM10和PM2.5统计指标

由表1可见，2011—2014年间PM10和PM2.5的最大日均浓度分别是其日均浓度平均值的2.81倍和2.78倍。参照国家Ⅱ级标准（PM10日均质量浓度不超过150 μg·m-3），北京市8月PM10日平均质量浓度符合标准，虽然其超标比例明显低于于建华等［4］1—4月的研究结果，但仍达到34%。参照美国国家环境保护局（EPA）标准（PM2.5日平均质量浓度不大于65 μg·m-3），北京市8月PM2.5日均质量浓度超过标准，且超标比例为45%。PM10超标日平均质量浓度是标准值的1.32倍，PM2.5超标日平均质量浓度是标准值的1.46倍。总体来看，2014年8月北京市某几天的PM10质量浓度超出国家Ⅱ级标准比较多，如果能把这些超高值抹去或者控制住，北京市8月份的空气质量就不成问题。所以，要实现空气质量达标，有必要深入分析这些远高于国家标准的天数或者小时数。

2.2 颗粒物锯齿型污染过程分析

贾英韬［3］将锯齿型污染过程（sawtooth-shaped cycles）定义为颗粒物质量浓度逐渐升高，之后迅速下降的非对称变化特征，每个周期可分为3个阶段，即低浓度期Ⅰ、准线性增长期Ⅱ和波动期Ⅲ。以此为基础，分析北京市8月颗粒物污染过程及形成这种过程的一些外来源。图2是北京市2014年8月PM10和PM2.5半小时质量浓度变化。不难发现，北京市8月大气颗粒物也有符合锯齿型污染规律的过程。

图2　2014年8月北京市PM10和PM2.5质量浓度变化

2.2.1 案例1

2014年8月1日至9日的PM10质量浓度变化及同时期降水量见图3。利用HYSPLIT4.1模型模拟相应时间段的后向轨迹，共模拟10 d，采用1.3节处理一所述方法绘制后向轨迹，结果见图4。

由图4可见，7月31日、8月1日、8月2日气团均来自西北或北，同时段的PM10质量浓度变化起伏不大。8月3日气团偏东南，8月4日气团东向，从图3可以发现，8月3日末4日初的时候PM10质量浓度有一个突降，8月4日气团转为东向，PM10质量浓度较低。8月5日气团为偏南，PM10质量浓度缓慢增长，但较4日PM10质量浓度要大。8月6日气团开始为偏南，在6日2: 00开始转为正南和西南向，同时段的PM10质量浓度快速积累，达到最高值之后，迅速下降（图3）。8 月7—9日，气团都是东南和正南交替，同时段不易于颗粒物质量浓度的积累。

图3　2014年8月前9 d PM10和降水量变化

图4　2014年7月31日至8月9日后向轨迹

同样地，图4的气团质点后向轨迹也适用于解释同时期PM2.5的变化（图5）。因为PM2.5和PM10的变化很相似，现将此次污染过程按3个阶段统计（表2）。

阶段划分的3个起始点分别是2014年8月4 日0: 30、2014年8月4日13: 30、2014年8月5 日18: 00，终止时间为2014年8月6日11: 00（此时出现峰值），PM10和PM2.5的峰值分别是381.5和182.5 μg·m-3。从表2可以看出，此次PM10质量浓度每天都有一个慢积累和快突降的趋势存在，但都远没有8月6日PM10质量浓度高，这可能是因为8月6日之前来自南向的气团质点积累时间较长所致。

经过上面分析，可初步断定只要空气气团来源于东南、西南和南向就极易造成北京市空气中颗粒物的锯齿形污染过程，使PM10质量浓度积累达到一段时间内的浓度峰值。从图4还可以看出，来自西北、东北和东向的气团扰动空间尺度较西南、东南和南向为大，说明气团质点扰动的空间尺度大，污染过程持续68 h，但是据实测资料显示，PM10和PM2.5质量浓度分别在1.5和1 h降到了5.5和12 μg·m-3。细颗粒物（PM2.5）在颗粒物中的比例逐渐增加，且PM2.5和PM10质量浓度的相关系数逐渐增加，可见颗粒物在积累的过程中粗细颗粒物变化渐趋一致。

进一步分析图3和图5，将后向轨迹细化，采用1.3节处理二所述方法进行计算，2014年8月1—8日共作40条轨迹线，如图6—7。按前面所述原则共分类为66条，各日方向数目见图8。其中，西南、东南、南向共占到了43条，特别是8月5日开始持续有正南向的气团到达北京，导致8月6日颗粒物浓度达到峰值，峰值过后8月6日气团以东南向为主；8月7日又有正南向的气团，在中午时分又出现一个峰值；同理，8月8日又不断有正南向的气团，导致当日在短时间内出现3个峰值，且都是缓积累快突降形式。

从图8可以更清晰地发现，8月3—5日东南和正南向的积累导致PM10和PM2.5在8月6日11: 00出现381.5和182.5 μg·m-3的高值。8月6—8日空气气团主要来源于正南、东南和西南，若诚如前面初步判定的结论，南向的气团容易慢慢积累颗粒物，从而导致PM10和PM2.5出现峰值，则可据此预测，在8月8日以后的几天内PM10和PM2.5将会再现峰值。实际测量资料显示，在8月12日11: 00 PM10就出现了一个比6日还高的质量浓度，为413.8 μg·m-3，PM2.5在同日12: 00出现峰值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，尽管这2个值还是很高，但相对前面出现的峰值来说，已经降低很多。

图5　2014年8月前9天PM2.5变化

表2　2014年8月4—6日锯齿型污染过程的指标

综上，利用后向轨迹可以分析颗粒物质量浓度变化的外来源位置，并以此为基础，综合治理区域污染，合理规划城市和农村建设。另外，还可以继续探讨这样的分析是否可以作为对未来空气质量预报的一种有效手段。

图6　2014年8月1—6日后向轨迹

气象条件也是影响颗粒物质量浓度的重要因素。图9是定时风速和温度在2014年8月1—9日间的变化情况。在此期间，温度变化呈规律的单峰单谷型，与图3和图5相比没有明显的相关性。但是，风速却表现出与PM10和PM2.5相似的锯齿变化过程。图10是PM10和风速以及相对湿度的变化图。可以看出，风速和PM10质量浓度呈明显的负相关，但这并不是完全绝对的。气象学上讲，一般暖与湿空气团相伴，干与冷空气团相伴，图10显示出，湿度峰值几乎对应着PM10质量浓度的峰值，且PM10峰值稍滞后于湿度峰值，说明空气中的水汽明显影响着颗粒物的质量浓度。在夏季，北京盛行东南风，容易从南方和紧紧相邻的太平洋带来暖湿的空气，在某些天气条件下除成云致雨外，也同时使得颗粒物质量浓度得到明显的积累，并且达到较高的峰值。PM10和PM2.5在8月6日11: 00出现381.5和182.5 μg·m-3的高值，当日8时能见度只有3 km；至当日13时，PM10和PM2.5质量浓度分别已经降到62.2和12 μg·m-3，14时能见度达到15 km，且在8月5日之前能见度一直都保持在10 km以上，自5号开始能见度有所下降，但不稳定，显然，能见度受到颗粒物质量浓度的影响。

图7　2014年8月7—8日后向轨迹

图8　2014年8月1—8日后向轨迹聚类分析

图9　2014年8月前9日温度和风速变化

综上，北京市8月份颗粒物质量浓度与风速和能见度呈负相关，与湿度呈正相关；从气团质点后向轨迹来看，若气团质点来源于北京市南部，就会造成颗粒物质量浓度积累，并且达到一个浓度峰值，之后迅速降低，且这样的降低并不都是因为降雨所造成。

图10 2014年8月前9日PM10、风速和相对湿度变化

图11 2013年8月8—14日PM10、能见度、相对湿度、降水量及风速变化

2.2.2 案例2

图11是2013年8月8—14日PM10质量浓度及部分气象条件的变化情况。可以看出，PM10质量浓度同样与风速、能见度呈负相关，但与湿度、降水量似乎没有直接关系。在这7 d里，湿度都保持在一个较高的水平，降水量也相对比较多。PM10质量浓度在8月13日15: 00出现了803.0 μg·m-3的高值，尽管在8月13—14日均有降水，但8月14日12: 30 PM10质量浓度仍高达799.9 μg·m-3。

图12 2013年8月8—13日后向轨迹

采用1.3节处理二所述方法计算此段时间后向轨迹（图12—13），可以看出，从8月9日8: 00开始质点轨迹就转为南向，之后直到8月14日8: 00转为西北向。在此南向过程中，8月11日主要来源是西南向，并于当日出现了一个PM10质量浓度峰值（432.5 μg·m-3）；8月12日和13日主要来源是南向，12日出现了一个比11日更高的峰值（533.2 μg·m-3），13日更是出现了此次污染过程的最高值（803.0 μg·m-3），1.5 h后就降到408.9 μg·m-3；8月14日主要来向是东南向，当日也出现了一个峰值（799.9 μg·m-3），但低于8 月13日峰值。这再次说明，气团质点轨迹来源于南向再加上不利的气象条件极易造成北京市8月份颗粒物质量浓度高值，803.0 μg·m-3的高值已经远远高出前面分析的任何一个峰值。

由于仪器测量等问题，本研究并未获得同时段的PM2.5实测数据，3阶段起始时间分别为8月8 日0: 00、8月10日9: 00、8月13日0: 00，终止时间为8月13日15: 00（表3），持续时间135.5 h，阶段Ⅱ持续时间较阶段Ⅰ和阶段Ⅲ都长。在整个持续期间，PM10质量浓度的平均值和最高值都在上升。

图13 2013年8月14—15日后向轨迹

表3　2013年8月8—13日锯齿型污染过程

从上面的分析可以看出，南向的气团质点很容易引发北京市颗粒物污染峰值。

3 小结

本文参考贾英韬［3］分析命名的颗粒物锯齿型污染过程，选用北京市8月空气质量与部分气象数据，结合后向轨迹进行分析。结果发现:北京市8月空气中颗粒物质量浓度与风速和能见度呈反相关，与湿度表现出一定的正相关关系；来源于南向的气团轨迹极易致使北京市8月空气中颗粒物累积，从而表现出较高的PM10和PM2.5质量浓度。南向的气团空间尺度扰动很小，一般均在500 m以下，而北向的气团空间尺度扰动很大，有的超过2 500 m，由此可见，气团空间尺度扰动大小会影响颗粒物的质量浓度。锯齿型污染过程可分为3个阶段，其中，第Ⅱ阶段持续时间最长，是一个积累的过程，阶段Ⅰ和阶段Ⅲ持续时间较短。随着阶段的进行，PM2.5在颗粒物中的比例越来越大，即细颗粒物越来越多。

参考文献:

［1］ 黄鹄，缪磊磊.区域污染防治的新思路:清洁生产［J］.生态经济，2003（10）: 27-29.

［2］ 郝吉明，马广大，王书肖.大气污染控制工程［M］.2版.北京:高等教育出版社，2002.

［3］ 贾英韬.北京大气颗粒物区域性污染形成机制研究［D］.北京:清华大学，2008.

［4］ 于建华，虞统，魏强，等.北京地区PM10和PM2.5质量浓度的变化特征［J］.环境科学研究，2004，17（1）: 45-47.

［5］ 颜鹏，房秀梅，李兴生，等.临安地区地面SO2变化规律及其源地分析［J］.应用气象学报，1999，10（3）: 267-275.

（责任编辑：高 峻）

中图分类号：S161

文献标志码：A

文章编号：0528-9017（2016）06-0930-10

DOI：10.16178/j.issn.0528-9017.20160643

收稿日期:2016-02-26

作者简介:廖晶晶（1986—），女，辽宁葫芦岛人，工程师，本科，从事气象服务与应用气象研究工作，E-mail: liaojingjing860303 @163.com。度呈周期性变化，并按照其变化规律将其命名为锯齿形污染过程。空气气团轨迹可用于描述空气质点运动的来源和去向，可用来辅助分析空气中气溶胶的输送路径、来源及去向等［4］。同时，颗粒物的扩散和传输又受气象条件影响。本研究拟利用后向轨迹分析北京市8月份典型锯齿型过程污染的变化规律，并结合气象条件定性分析气象因子与空气中可吸入颗粒物质量浓度间的关系。