張 良，王占山，朱桂艷，谷天宇，王旭光，崔繼憲

1.河北省環(huán)境應(yīng)急與重污染天氣預(yù)警中心，河北 石家莊 050037 2.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048 3.廊坊市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，河北 廊坊 065000 4.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，北京 100124

大氣污染會(huì)影響大氣能見(jiàn)度、公共安全、人體健康和全球氣候變化[1-2]。隨著中國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快和能源消耗量的不斷攀升，中國(guó)各地區(qū)空氣質(zhì)量出現(xiàn)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(yán)重。該區(qū)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?xiàng)l件不利于污染物擴(kuò)散；同時(shí)城市規(guī)模較大，人口密集，能源消耗量巨大，大氣污染物排放強(qiáng)度相對(duì)集中。因此一旦遇到持續(xù)性的不利氣象條件，該區(qū)域空氣質(zhì)量隨之變差，并可能出現(xiàn)大氣污染過(guò)程[4-5]。

近年來(lái)，在京津冀及周邊地區(qū)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作的推動(dòng)下，區(qū)域大氣污染物減排力度空前，空氣質(zhì)量出現(xiàn)比較明顯的改善。但由于污染物濃度起點(diǎn)較高，目前區(qū)域內(nèi)仍有多項(xiàng)污染物濃度超標(biāo)。對(duì)于北京市及周邊區(qū)域的空氣質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。WANG等[6]分析了2014年APEC會(huì)議前后北京市空氣質(zhì)量的變化，發(fā)現(xiàn)會(huì)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(qiáng)等[7]分析了2008年奧運(yùn)會(huì)期間北京市及周邊地區(qū)的空氣質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)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(qū)PM2.5濃度明顯高于北京市，在夏季的典型污染過(guò)程中，北京市污染物峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后于周邊城市2～14 h。鄭曉霞等[8]研究了京津冀地區(qū)大氣NO2污染特征，發(fā)現(xiàn)平原區(qū)存在兩大NO2高值區(qū)域，分別為北京市-天津市-唐山市區(qū)域和石家莊市-邢臺(tái)市-邯鄲市區(qū)域；近年來(lái)NO2高值范圍不斷擴(kuò)大，且呈現(xiàn)明顯的連片趨勢(shì)；NO2柱濃度有顯著的季節(jié)變化特征，總體表現(xiàn)為秋冬高、春夏低，但山區(qū)與平原區(qū)差異較大。

研究基于北京市及周邊廊坊市、保定市區(qū)縣級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析該區(qū)域氣象條件、污染物濃度水平、時(shí)空變化特征、PM2.5化學(xué)組分構(gòu)成和氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)軌跡等污染特征，以期為京津冀地區(qū)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

常規(guī)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來(lái)自于三地的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)布數(shù)據(jù)，點(diǎn)位數(shù)量分別為北京市35個(gè)，保定市29個(gè)和廊坊市12個(gè)；選擇北京市觀象臺(tái)、保定市氣象站和廊坊市氣象站的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行氣象條件分析；PM2.5化學(xué)組分監(jiān)測(cè)儀安裝在廊坊市環(huán)保局樓頂，使用美國(guó)Thermo Fisher CNSVC-TAS-WI-CMD111(1)-URG系列離子色譜在線分析儀和美國(guó)Sunset model14 有機(jī)碳/元素碳分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。各監(jiān)測(cè)儀器均采用校準(zhǔn)儀參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定期校準(zhǔn)，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

2 結(jié)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(fēng)頻率來(lái)看，2017年各地均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中北京市下降最為明顯，達(dá)到7.4%，平均變化率為-4.8%。從風(fēng)速來(lái)看，同樣呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，保定市下降最為明顯，達(dá)到8.4%，平均變化率為-6.8%。地面溫差呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，廊坊市上升最為明顯，達(dá)到8.2%，平均變化率為6.7%。濕度呈上升趨勢(shì)，北京市上升最為明顯，達(dá)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(lái)看，與2016年上半年相比，2017年三地的北風(fēng)頻率和風(fēng)速下降，溫度和濕度回升，大氣污染物擴(kuò)散條件明顯轉(zhuǎn)差。

2.2 污染物濃度水平和超標(biāo)特征

表2和圖1顯示了根據(jù)國(guó)控點(diǎn)位計(jì)算的三地6項(xiàng)污染物濃度水平、超標(biāo)率和各級(jí)別天數(shù)占比?？梢钥闯?，各項(xiàng)污染物濃度均呈現(xiàn)保定市最高、北京市最低的規(guī)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(biāo)率和重污染率最高，廊坊市和北京市的超標(biāo)率也接近50%。三地均為二級(jí)良的天數(shù)占比最高，保定市一級(jí)優(yōu)的天數(shù)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(jí)別天數(shù)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(shí)間變化特征

圖2顯示了三地國(guó)控點(diǎn)位6項(xiàng)污染物月平均濃度變化。

對(duì)SO2來(lái)說(shuō)，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(dá)到北京市的3.6、3.1倍，體現(xiàn)出保定市受到燃煤排放影響較大；從時(shí)間尺度來(lái)看，1—6月SO2濃度呈現(xiàn)逐月降低的趨勢(shì)。

對(duì)NO2來(lái)說(shuō)，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(shí)間尺度來(lái)看，同樣呈現(xiàn)逐月降低的月變化規(guī)律。

對(duì)CO來(lái)說(shuō)，北京市濃度水平略低，廊坊市和保定市較為接近；從時(shí)間尺度來(lái)看，冬季濃度水平高，3—6月濃度水平較為接近。

對(duì)O3來(lái)說(shuō)，雖然三地濃度絕對(duì)值差異不大，但6個(gè)月均呈現(xiàn)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(duì)PM10和PM2.5來(lái)說(shuō)，保定市濃度最高，北京市濃度最低；從時(shí)間尺度來(lái)看，冬季濃度較高，另外PM10的濃度在5月出現(xiàn)高值，跟5月受到幾次沙塵過(guò)程的影響有關(guān)。

圖3顯示了2017年上半年三地典型點(diǎn)位各污染物的日變化曲線。選擇的點(diǎn)位為位于市中心的受局地污染源排放影響較小的國(guó)控點(diǎn)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(jiàn)，SO2濃度呈現(xiàn)雙峰型分布，在上午出現(xiàn)第1個(gè)峰值，在夜間00:00左右出現(xiàn)第2個(gè)峰值，保定市濃度水平明顯偏高，且夜間濃度波動(dòng)較大，傍晚時(shí)段各點(diǎn)位濃度水平最低。NO2濃度呈雙峰型分布，在交通早高峰時(shí)段出現(xiàn)第1個(gè)峰值，在夜間出現(xiàn)第2個(gè)峰值；白天時(shí)段，三地NO2濃度水平較為接近，值得注意的是，夜間保定市監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位NO2濃度水平明顯高于北京市和廊坊市，體現(xiàn)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(shí)段和夜間各出現(xiàn)1個(gè)峰值。O3濃度呈單峰型曲線，雖然北京市國(guó)控點(diǎn)位O3平均濃度高于廊坊市和保定市，但官園點(diǎn)位O3濃度水平低于保定市監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位和廊坊市藥材公司點(diǎn)位，特別是峰值時(shí)段。PM10和PM2.5多呈現(xiàn)雙峰型分布，在交通早高峰和夜間出現(xiàn)2個(gè)峰值；保定市監(jiān)測(cè)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(shí)段未出現(xiàn)峰值，體現(xiàn)出保定市夜間排放量較大。污染物日變化特征的監(jiān)測(cè)結(jié)果與之前在北京市等地的觀測(cè)結(jié)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(duì)SO2來(lái)說(shuō)，區(qū)域整體呈現(xiàn)明顯的南高北低的分布特征，北京市北部山區(qū)濃度較低，各個(gè)季節(jié)均維持在10 μg/m3以下，保定市濃度最高，各個(gè)季節(jié)均有高值出現(xiàn)。從時(shí)間分布來(lái)看，1、2月濃度水平最高，區(qū)域高值區(qū)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(qū)域南部濃度水平較高。

對(duì)NO2來(lái)說(shuō)，上半年區(qū)域整體呈現(xiàn)中部高、周邊低的特征，高值區(qū)呈帶狀分布，由北京市的城區(qū)和南部沿西南方向延伸至保定市的中部。從時(shí)間分布來(lái)看，1、2月濃度水平最高，整個(gè)北京市的中南部和保定市、廊坊市均為高值區(qū)，3、4月高值區(qū)分布與上半年平均濃度分布較為類(lèi)似，北京市城區(qū)最高，5、6月整體濃度水平較低，未出現(xiàn)明顯的高值區(qū)。

對(duì)PM2.5來(lái)說(shuō)，上半年區(qū)域整體呈現(xiàn)南高北低的趨勢(shì)，同時(shí)區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)多個(gè)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(shí)間分布來(lái)看，同樣1、2月濃度高，幾乎整個(gè)北京市城區(qū)以南地區(qū)均為高值區(qū)，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(lái)看，PM2.5與其前體物(SO2和NO2)的空間分布規(guī)律雖然不完全一致，但都呈現(xiàn)出南高北低的分布規(guī)律。

2.5 PM2.5化學(xué)組分分析

圖4 2017年上半年P(guān)M2.5化學(xué)組分Fig.4 Concentrations of compositions of PM2.5during the first half of 2017

2.6 氣團(tuán)后向軌跡分析

使用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)開(kāi)發(fā)的后向軌跡模型HYSPLIT對(duì)北京市2017年上半年氣團(tuán)來(lái)源和軌跡變化進(jìn)行聚類(lèi)分析。

模型選取北京市中心(地理坐標(biāo)為40°N，160°E)為后向軌跡起始點(diǎn)，起始高度設(shè)為2 m(考慮到與地面氣象觀測(cè)站高度和空氣質(zhì)量觀測(cè)站高度一致)，模擬時(shí)間為2017年1月1日00:00—2017年6月30日23:00，推算時(shí)間為72 h，時(shí)間間隔為12 h。后向軌跡模式采用的氣象資料為美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的2017年1—6月全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)數(shù)據(jù)[12-13]。結(jié)果顯示，在2017年上半年到達(dá)北京市的氣流中有24%的氣團(tuán)來(lái)自于北京市南部，且這些氣團(tuán)多為低空傳輸，容易攜帶大氣污染物進(jìn)入北京市，表明區(qū)域傳輸對(duì)于北京市空氣質(zhì)量具有一定的影響。本地排放和區(qū)域傳輸是造成北京市空氣污染的兩大主要原因。

3 結(jié)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(kuò)散，具體表現(xiàn)在北風(fēng)頻率降低了4.8%，平均風(fēng)速降低了6.8%，地面溫度上升了6.7%，相對(duì)濕度上升了5.4%。

2)三地中北京市空氣質(zhì)量較好，保定市較差。保定市空氣質(zhì)量超標(biāo)率達(dá)到63.1%，北京市和廊坊市也接近50%。具體來(lái)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(xiàn)保定市最高，北京市最低的規(guī)律。

3)從污染物日變化來(lái)看，CO、SO2、NO2、PM10和PM2.5呈雙峰型分布，在上午和夜間各出現(xiàn)1個(gè)峰值；O3呈單峰型分布，在下午出現(xiàn)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(xiàn)出夜間排放高的特征，需加強(qiáng)管控。從區(qū)域空間分布規(guī)律來(lái)看，PM2.5和SO2呈現(xiàn)明顯的“南高北低”的特征，NO2的高值區(qū)則集中在區(qū)域的中部。

4)PM2.5化學(xué)組分分析結(jié)果表明，1—4月燃煤對(duì)廊坊地區(qū)空氣質(zhì)量的影響較大，5—6月機(jī)動(dòng)車(chē)排放的影響更為凸顯。

5)后向軌跡分析結(jié)果表明，在2017年上半年到達(dá)北京市的氣流中有24%的氣團(tuán)來(lái)自于北京市南部，且這些氣團(tuán)多為低空傳輸，容易攜帶大氣污染物進(jìn)入北京市，表明區(qū)域傳輸對(duì)于北京市空氣質(zhì)量具有一定的影響，區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控是今后京津冀地區(qū)大氣污染防治的主要方向。