京津冀地区本地源污染贡献分型研究

刘 丹，花家嘉，杨雨灵，王驷鹞

（1.唐山市丰南区气象局，河北 唐山 063300；2.雄安新区气象局，河北 雄安新区 071700； 3.河北省环境气象中心，石家庄 050011；4.唐山市气象局，河北 唐山 063000）

随着社会经济的持续快速发展，我国大气污染治理取得显著成效，但形势依然严峻，大气污染较严重的京津冀地区尤为受到关注。各类大气污染源在不同高度、不同地理位置相互叠加和传输，因此，各地空气质量既受本地源排放影响，又受到远距离传输和区域传输的共同影响。京津冀地区受其独特的地形和大陆东岸中纬度气候及天气型的影响，形成了明显的综合性、区域性的大气污染形势，深入研究颗粒物等污染物的来源和贡献尤为重要。大气污染物的扩散和传输与气象条件存在密不可分的联系，从气象角度对污染源的贡献进行分型可以很好地评估空气质量与气象条件的关系，为空气质量预报提供支持。在空气质量模式中叠加气象要素能有效评估大气污染物来源，其中，WRF-CAMx 模型就是一种有效的气象-空气质量模式，很多学者采用天气研究和预报模型（WRF）、扩展综合空气质量模型（CAMx）相结合的方式进行大气污染传输研究，并获得较好的模拟效果。ZHANG 等采用WRF-CAMx 模型模拟了北京与周边城市的细颗粒物（PM）传输通量特征，得出北京的流入和流出通量城市。姚森等应用WRFCAMx 模型，分析了京津冀城市的大气污染特征，得出北京和石家庄接受外来输入的影响要高于向外传输的影响。另外，分析本地源污染贡献的分布情况及其与气象条件的关系对京津冀地区空气质量预报和空气污染防范具有指导意义。

近年来，很多学者对大气污染的来源及其与气象条件的关系进行了研究。孟丽红等结合WRF-Chem模型模拟了天津市秋冬季污染物来源及其天气形势；周阳等应用MM5/CMAQ 模型分析了天津市各区县的PM污染相互传输贡献及其与气象条件的关系；何林宴等利用合成分析方法对贵港市在不同季节出现不同级别空气污染的天气形势变化进行了分析；张建忠等分析了京津冀地区重度污染过程中气象要素特征和海平面气压高低压区的配置对污染程度的影响；杨云芸等对长株潭（长沙-株洲-湘潭）地区污染日进行了天气学分型；余钟奇等探讨了上海形成臭氧浓度变化趋势的主要气象原因；李霞等分析了不同地理位置、不同复杂地形城市多尺度气流相互或交替作用的特点及其对污染传输扩散的影响。

从以往的研究来看，目前从气象角度对京津冀地区本地源污染贡献进行分型的研究较少，而对本地源污染贡献进行分型，可以为空气质量预报提供参考。因此，本文选用WRF-CAMx 模型模拟分析2017年京津冀地区本地源污染贡献情况，对本地源污染贡献进行分型，并分析其天气形势，探讨大气污染防治策略。从以往的研究来看，目前从气象角度对京津冀地区本地源污染贡献进行分型的研究较少，而对本地源污染贡献进行分型，可以为空气质量预报提供参考。因此，本文选用WRF-CAMx 模型模拟分析2017年京津冀地区本地源污染贡献情况，对本地源污染贡献进行分型，并分析其天气形势，探讨大气污染防治策略。

1 数据与方法

污染源排放模拟选用WRF-CAMx 模型，利用颗粒物源示踪技术，结合气象要素，对京津冀地区的污染源排放进行模拟，该模型已在河北省环境气象中心业务应用。选用2017年（359 d 的有效数据）的模拟结果，模拟区域覆盖整个华北地区，重点关注区域为京津冀地区，包括北京市、天津市和河北省11 个设区市。模型气象场由WRF 给出，空气质量模式采用CAMx，WRF 采用三层嵌套网格，CAMx 采用单层网格，CAMx 网格水平分辨率为3 km，网格数为258 188，垂直层次为14 层，气相化学机制参数采用CB05 方案，气溶胶化学机制参数采用CF 方案，干沉降参数化方案采用ZHANG03，水平平流方案采用项目组合管理（PPM）。

污染源排放模拟采用本地化后的WU 等研究的高空间分辨率的网格化大气污染源排放清单，该清单由SMOKE 模型处理得到，考虑了面源、点源和移动源的影响，整合了TRACE-P（太平洋上空的输送和化学演化）东亚区域排放清单、INTEX-B（洲际化学传输实验阶段B）东亚区域火电厂排放清单和京津冀地区的大气污染排放数据。

本地源污染贡献聚类分型采用Ward 聚类法，即最小离差平方和系统聚类法。首先使个样本各自成为一类，然后计算样本之间的离差平方和，将离差平方和最小的两个样本合并为一类，此时总的类数减少至-1 类，再合并其中的两类，使得类内离差平方和增量最小，如此类推，直至将所有的样本聚成一类。Ward 聚类法总是使聚类导致的类内离差平方和增量最小。在聚类分析之前，先对WRFCAMx 模型的模拟结果（本地源污染贡献百分比）与本地全年平均状态进行对比，采用-score 标准化方法进行标准化处理，原始数据标准化后的系数由该原始数据减去所有原始数据的均值，然后除以所有原始数据的标准差得到，经标准化后，在均值之上的数据会得到一个正的标准化系数，反之会得到一个负的标准化系数。标准化处理可以消除地区间权重差异大所造成的影响。

2 结果与讨论

2.1 本地源污染贡献聚类分型

京津冀地区各市平均本地源污染贡献所占百分比的分布如图1 所示。在这种平均状态下，张家口、唐山本地源污染贡献较大，分别为87%和85%；天津、保定和石家庄本地源污染贡献介于70%～80%；承德、邢台和邯郸本地源污染贡献介于60%～70%；北京、廊坊和秦皇岛本地源污染贡献介于50%～60%；沧州、衡水本地源污染贡献较小，分别为49%和48%。张家口和唐山本地源污染贡献大的原因与城市特点有关：张家口处于坝上高原地区，受地形影响，外地污染物输入相对困难；唐山以重工业为主，本地污染源种类繁多、获得容易，一旦达到重污染天气条件，污染物会很快聚集且不易扩散。沧州等地靠近渤海，污染物扩散条件优于内陆，本地源污染贡献较低。

图1 本地源污染贡献百分比平均值

单从本地源污染贡献的平均状态（简称平均状态）来看，对于本地源污染贡献突出的城市，如张家口、唐山、天津、保定和石家庄等，可考虑将大气污染防治重点放在本地减排等本地源污染控制上；对于本地源污染贡献小的城市，如沧州、衡水等，可考虑将大气污染防治重点放在区域联防上；对于本地源贡献大于外地输入但不够突出的城市，可考虑本地源污染控制和区域联防相结合的方式。

为进一步明确京津冀地区本地源污染贡献情况，本研究对2017年京津冀地区本地源污染贡献进行标准化聚类分析。京津冀地区本地源污染贡献分为4 种类型，如图2所示。

图2 本地源污染贡献聚类分型结果的空间分布

其中，正值表示本地源污染贡献的大小，负值表示外来源污染贡献的大小。平均型中，各目标城市的本地源污染贡献标准化系数介于-0.3 ～0.3，表明各市本地源污染贡献接近本地平均状态；东北多型中，各目标城市标准化后本地源污染贡献空间分布呈现出秦皇岛、唐山、承德等东北部地区贡献高于本地平均状态，以本地源污染为主，由东北向西南本地源污染贡献逐渐减小至低于本地平均状态的形势，其他地区污染物的外地输入有所增加；中西多型中，各目标城市标准化后本地源污染贡献空间分布呈现出全区域贡献高于本地平均状态，承德、北京、保定、石家庄、邢台一线中西部贡献明显高于平均状态，而东部沿海高于平均状态的程度相对较小的形势；西北少型中，各目标城市标准化后本地源污染贡献空间分布呈现出承德、张家口、北京等西北部贡献明显低于本地平均状态，而东南部接近或高于平均状态的形势，西北部地区污染物外地输入有所增加。

2.2 本地源污染贡献聚类分型的出现频次分析

对2017年京津冀地区本地源污染贡献的4 种类型在四季中出现的日数分布情况进行统计（剔除无数据时段），如表1 所示。平均型出现148 d，占全年总日数的41%，且秋季多、夏季少；东北多型出现55 d，占全年总日数的15%，且夏季多、秋季少；中西多型出现91 d，占全年总日数的25%，且春秋冬季多、夏季少；西北少型出现65 d，占全年总日数的18%，且春夏季多、秋冬季少。从全年来看，平均型出现日数最多，其次为中西多型，西北少型和东北多型最少。从季节来看，春季多为平均型和中西多型；夏季多为西北少型，其次是平均型和东北多型；秋季多为平均型，其次是中西多型；冬季多为平均型和中西多型。

表1 2017年4 种类型所占日数的季节分布

2.3 本地源污染贡献分型的天气形势分析

大气污染来源情况与气象条件具有一定的关联性。采用美国国家环境预报中心（NCEP）的海平面气压场再分析资料，按照4 种聚类分型进行统计，进一步探讨京津冀地区本地源污染贡献分型的天气形势。

2.3.1 平均型

对于平均型，上游高压位于贝加尔湖以西地区，京津冀地区主要受鞍形场、均压场、高压前部弱气压场等弱的地面气压场控制。其中，春季，京津冀地区主要位于鞍形场中，气压梯度小，风力小，以弱的偏西风为主；夏季，京津冀地区主要位于均压场中，气压梯度小，以弱的偏北风为主；秋季，整个大陆被高压控制，京津冀地区主要位于东部高压的内部均压场中，气压梯度很小，下沉气流弱；冬季，高压主体位于贝加尔湖以西地区和蒙古国，京津冀地区主要位于高压前部伸向我国东部沿海的弱气压梯度区，以弱的东北风为主。在这种弱的气压场形势下，地面风力小而乱，常常出现地面辐合，导致污染物堆积，污染物的传播和扩散条件均较差，京津冀地区各市本地源污染和外地输入条件没有大的变化，接近本地平均状态。综上可知，出现平均型时，各市大气污染防治策略与平均状态时相同，按本地源污染贡献的大小来确定防治策略。

2.3.2 东北多型

对于东北多型，京津冀地区主要位于倒槽顶部、高压底部。其中，春夏季，京津冀地区主要位于高压底部、倒槽顶部，气压梯度较大，以东北风为主；秋冬季，北部主要为巴尔喀什湖至我国东北地区的高压带，京津冀地区主要位于高压底部，气压梯度较大，冷空气东移时受山脉阻挡，然后转向到达京津冀地区，以偏东风为主。在这种天气形势下，秦皇岛、唐山、承德等东北部城市本地源污染贡献超过本地平均状态，以本地源污染为主，同时，高压底部的东北风和偏东风将东北部城市的污染物向其以南以西地区输送，使得西南部城市的污染物外地输入明显增加，超过本地源的污染贡献，低于本地平均状态。综上可知，出现东北多型时，东北部城市应在大气污染防治策略上着重考虑本地源污染控制，而南部城市应更多地考虑与东北部城市的区域联防，防止东北部城市的污染物输入。

2.3.3 中西多型

对于中西多型，我国西北部地区被高压控制，京津冀地区在春、夏、秋、冬四季均主要位于高压前部、低压后部，且气压梯度大，以偏北风为主。在冷空气影响前，冷锋前部往往产生地面辐合，污染物堆积，不易扩散，同时在中西部承德、北京、保定、石家庄、邢台一带，受地形影响，其在山前形成辐合带，也造成污染物堆积，本地源污染贡献有所加大。通常，高压前部冷空气强、风速大，下沉气流较强，空气污染较轻，因此在冷空气影响后，污染物扩散条件转好，各地污染均有所减轻，但在高压前部偏北气流影响下，中西部城市的污染物易向周边城市和下游城市输送。综上可知，出现中西多型时，中西部城市应以本地源污染控制为主，其他城市应重点关注与中西部城市和周边城市的区域联防。

2.3.4 西北少型

对于西北少型，地面高压位于我国东部、东北部及东部沿海和海面区域，河套地区以西被低压控制，京津冀地区主要位于高压后部。春季、夏季和秋季气压梯度较小，冬季气压梯度较大，以高压后部偏南风为主。在这种天气形势下，污染物主要从京津冀南部向北部地区输送，承德、张家口、北京等西北部城市本地源污染贡献明显减小，外地输入明显增加。东南部城市位置偏向高压内部，风力较高压后部边缘有所缓和，本地源污染贡献接近或高于平均状态。综上可知，出现西北少型时，承德、张家口、北京等西北部城市应主要考虑与其以南地区的区域联防，其他城市仍以本地源污染控制为主。

2.4 北京市大气污染来源的贡献影响分析

中部代表城市北京位于太行山和燕山的交界地带，主要受偏东和偏南气流的影响。图3 给出了不同本地源污染贡献类型下各地对北京市的污染贡献比例。

图3 北京市污染来源贡献比例

当本地源污染贡献为平均型时，气压场较弱，风力小且较乱，污染物容易堆积，多为近距离传播。北京本地源污染贡献占51.9%，略低于其平均状态，即以本地源污染贡献为主，外地输入有所增加。在外地输入中，北京周边城市保定、廊坊、唐山、天津等的污染物输送多于其他远距离城市。因此，平均型下，北京大气污染防治可以考虑以本地源污染控制为主，确需联防时，考虑与其邻近城市保定和廊坊开展区域联防，防治要求等级提高时，增加唐山和天津开展区域联防。

当本地源污染贡献为东北多型时，北京本地源污染贡献占56.5%，接近其平均状态，仍以本地源污染贡献为主。高压底部的东北风和偏东风将其东部和东北部城市唐山、廊坊和天津积聚的污染物向北京输送，由于北京位于太行山以东和燕山以南的交界地带，东部输送过来的污染物受山脉阻挡，易在北京堆积，增加了北京外地污染输入。因此，东北多型下，北京大气污染防治可以考虑以本地源污染控制为主，确需联防时，考虑与其东边邻近城市唐山、廊坊和天津开展区域联防。

当本地源污染贡献为中西多型时，北京本地源污染贡献占79.4%，明显高于其平均状态，本地源污染贡献远大于外地输入。在外地源污染贡献中，高压前部偏北风将北京西北方向上游城市张家口等堆积的污染物输送过来，同时，其邻近的保定在这种类型下本地污染明显，污染物聚集并向北京等周边城市扩散。因此，中西多型下，北京大气污染防治可以考虑重点做好本地源污染控制，确需联防时，仅需考虑与其西北上游城市张家口和邻近城市保定开展区域联防。

当本地源污染贡献为西北少型时，北京本地源污染贡献占36.9%，明显低于其平均状态，外地输入为主要污染来源。在外地源污染贡献中，受高压后部偏南气流影响，保定的污染物随着偏南风向北京输送，同时，由于北京多位于高压后部偏向高压中心一侧，除冬季外（冬季西北少型很少出现），气压梯度小，周边城市唐山、廊坊、天津等也可将污染物输送到北京，增加北京的外地污染输入。因此，西北少型下，北京可以将大气污染防治重点放在与唐山、廊坊、天津和保定的区域联防上。

3 结论

本文选用WRF-CAMx 模型模拟分析2017年京津冀地区本地源污染贡献情况，对本地源污染贡献进行分型，并分析其天气形势，探讨对应的大气污染防治策略。从本地源污染贡献的平均状态来看，张家口、唐山本地源污染贡献最大，其次为天津、保定和石家庄，沧州、衡水本地源污染贡献最小，其他城市本地源污染贡献介于50%～80%。张家口、唐山本地源污染贡献大的原因与自身城市特点有关，沧州本地源污染贡献较小，这与沿海地区污染物扩散条件优于内陆有关。经标准化聚类分析，京津冀地区本地源污染贡献分为4 种类型，即平均型、东北多型、中西多型和西北少型。

平均型主要受鞍形场、均压场、高压前部弱气压场等弱的地面气压场控制，各地本地源污染和外地输入条件没有大的变化，接近本地平均状态，可按本地源污染贡献的大小来确定大气污染防治策略；东北多型主要位于倒槽顶部、高压底部，秦皇岛、唐山、承德等东北部城市本地源污染贡献超过本地平均状态，以本地源污染为主，在大气污染防治策略上着重考虑本地源污染控制，而西南部城市的污染物外地输入明显增加，超过本地源的污染贡献，低于本地平均状态，应更多地考虑与其东北部城市的区域联防；中西多型主要位于高压前部、低压后部，在冷空气影响前，中西部城市出现污染物堆积，本地污染源贡献有所加大，高于平均状态，冷空气影响后，污染物易向周边城市和下游城市输送，中西部城市应以本地源污染控制为主，其他城市应重点关注与中西部城市和周边城市的区域联防；西北少型主要位于高压后部，承德、张家口、北京等西北部城市本地源污染贡献明显减小，外地输入明显增加，低于其平均状态，应主要考虑与其以南地区的区域联防，东南部城市本地源污染贡献接近或高于平均状态，仍以本地源污染控制为主。