孟麗紅，郝天依，李培彥，吳彬貴，王雪蓮

1.天津市氣象科學(xué)研究所 2.天津市環(huán)境氣象中心

近年來，我國華北地區(qū)重污染天氣現(xiàn)象頻發(fā)，呈現(xiàn)從以往單一煤煙型污染向復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變，局地性向區(qū)域性拓展的態(tài)勢[1]，而以PM2.5為首要污染物的重污染天氣發(fā)生頻率呈上升趨勢[2]。PM2.5對人體健康和大氣環(huán)境的危害突出[3- 4]，其已成為重點(diǎn)關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞PM2.5污染機(jī)理、來源解析、形成過程、影響因素等方面開展了較多的研究工作：Grazia等[5- 8]研究發(fā)現(xiàn)，靜穩(wěn)天氣形勢、本地污染源強(qiáng)度、特殊地形條件以及外來污染物的輸送都是造成區(qū)域大氣污染的重要原因；廖曉農(nóng)等[9- 11]發(fā)現(xiàn)，高濃度的大氣顆粒物和特殊的氣象條件共同作用易形成霾，相對濕度和PM2.5濃度是決定能見度大小的關(guān)鍵因子。隨著研究的深入，國內(nèi)外學(xué)者研究了大氣邊界層、海陸風(fēng)等對大氣環(huán)境質(zhì)量的影響[12- 18]，初步揭示了重污染天氣過程所具有的邊界層結(jié)構(gòu)特征，海陸風(fēng)對沿海城市PM2.5的擴(kuò)散作用。天津市秋冬季節(jié)多次發(fā)生以PM2.5為首要污染物的重污染事件，但夏季較少發(fā)生，筆者以2018年8月1—2日的一次重污染天氣過程為例，對該過程中PM2.5濃度、天氣形勢、相對濕度、氣壓、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速以及大氣混合層高度等進(jìn)行分析，并利用HYSPLIT(hybrid single- particle lagrangian integrated trajectory model)模型進(jìn)行后向軌跡追蹤氣團(tuán)來向，以期為沿海城市夏季環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報提供系統(tǒng)化思路。

1 資料來源

環(huán)境數(shù)據(jù)選取天津市環(huán)境監(jiān)測中心實(shí)時發(fā)布的濱海新區(qū)站(代表沿海)、津南區(qū)站(代表郊區(qū))、河西區(qū)站(代表市區(qū))3個站點(diǎn)的PM2.5小時濃度，這3個站點(diǎn)與海岸線的距離分別為0.1、24.3和45.3 km，在東南風(fēng)傳輸過程中具有代表性(天津市地處渤海西岸)，周邊城市中選取滄州市和唐山市環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)的PM2.5小時濃度。天津市及周邊環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 天津市及周邊環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of environmental monitoring sites in Tianjin and surrounding areas

氣象數(shù)據(jù)來源于天津市自動氣象觀測站，包括逐小時的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、相對濕度、氣壓等。梯度氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局天津大氣邊界層觀測站氣象鐵塔梯度氣象觀測系統(tǒng)，氣象臺站編號為54517，該站點(diǎn)位于天津市區(qū)南部，其北距快速路約100 m，東臨友誼路，西面和南面主要為住宅區(qū)，該站點(diǎn)已開展逾30 年的梯度氣象觀測，在距地面5、10、20、30、40、60、80、100、120、140、160、180、200、220和250 m觀測平臺上開展風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對濕度等的觀測。氣溶膠激光雷達(dá)(北京怡孚和融科技有限公司)2臺，分別置于濱海新區(qū)站(沿海)和中國氣象局天津大氣邊界層觀測站(市區(qū))。

2 結(jié)果與討論

2.1 天氣過程

2018年8月1日白天濕度較高，受局地對流影響，天津市部分地區(qū)出現(xiàn)了分散性降水，降水分布見圖2。

從圖2可以看出，該日降水量不大，大部分地區(qū)為0.1～10.0 mm。最高氣溫達(dá)36.5 ℃，地面風(fēng)向由西南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，并且風(fēng)速逐漸增大，16:00濱海新區(qū)站達(dá)到最大風(fēng)速，為5.4 m/s，對應(yīng)地面PM2.5濃度緩慢增長，23:00達(dá)到最大值，為147 μg/m3(圖3)。隨著東南風(fēng)的推進(jìn)，郊區(qū)2日02:00 PM2.5濃度達(dá)到最大值，為170 μg/m3，市區(qū)2日04:00達(dá)到最大值，為204 μg/m3，對應(yīng)AQI分別為211和254，均屬于嚴(yán)重污染，隨后PM2.5濃度緩慢下降。2日，天津市高空仍處于副高壓控制下，最高氣溫超過37 ℃，有利于臭氧生成，從而轉(zhuǎn)為以臭氧為首要污染物的重污染天氣。此次PM2.5污染過程出現(xiàn)在夏季，持續(xù)時間較短，隨著站點(diǎn)與沿海距離的遞增，PM2.5最大濃度也逐漸遞增，存在明顯的輸送特征。

圖3 天津市夏季重污染天氣過程3個站點(diǎn)的PM2.5濃度變化Fig.3 Variation of PM2.5 concentrations in three sites during this heavy pollution in Tianjin City insummer

滄州市東臨渤海，北與天津市接壤，距天津市120 km；唐山市南臨渤海，北依燕山，西與天津市接壤，距天津市130 km。唐山市和滄州市在1日均為高溫晴天。1日和2日唐山市PM2.5日均濃度分別為54和35μg/m3；滄州市分別為60和49 μg/m3。該重污染天氣過程中，滄州市站和唐山市站PM2.5濃度變化如圖4所示。

圖4 天津市區(qū)及周邊滄州市和唐山市的PM2.5濃度變化Fig.4 Variation of PM2.5 in Tianjin and its surrounding Cangzhou and Tangshan during this process

從圖4可以看出，1日00:00—14:00唐山市站PM2.5濃度多高于天津市區(qū)，12:00達(dá)到天津市區(qū)的2倍，為99 μg/m3，AQI為130，屬于輕度污染；1日14:00開始下降至低于50 μg/m3，遠(yuǎn)低于天津市區(qū)。1日00:00—07:00滄州市站PM2.5濃度略高于天津市區(qū)，08:00—19:00基本維持在優(yōu)良水平；1日20:00—2日07:00持續(xù)走高，維持在76～90 μg/m3，但大幅低于天津市區(qū)。天津市PM2.5濃度總體上比周邊2個沿海城市高的原因與PM2.5局地傳輸、相對濕度的增加和夜間逆溫層有很大關(guān)系。

2.2 大氣環(huán)流背景

天津市1日08：00地面形勢場為低壓前部，以西南風(fēng)為主，擴(kuò)散條件不利，PM2.5濃度開始積累上升；2日08:00地面形勢場轉(zhuǎn)為小高壓，受偏東風(fēng)影響，有利于PM2.5擴(kuò)散。1—2日500 hPa高空形勢場均為高壓脊，850 hPa高空以偏東氣流為主，整個污染過程由于持續(xù)時間較短，高空形勢場變化不大。重污染天氣的形成與天氣形勢有著密切的聯(lián)系[19]，天津市此次重污染天氣過程的大氣環(huán)流背景主要與地面形勢場有關(guān)。

2.3 氣象因素

圖5給出了濱海新區(qū)站此次重污染天氣過程主要?dú)庀笠蛩?氣壓、溫度、相對濕度、能見度、風(fēng)速和風(fēng)向)的逐時分布。從圖5可知，1—2日地面氣壓場較弱，氣壓為1 004～1 007 hPa，整個過程氣壓變化幅度不大，不利于PM2.5擴(kuò)散；溫度整體呈明顯的日變化特征，白天高夜間低，但由于受降水和大風(fēng)影響，1日11:00達(dá)到最高溫度(35.2 ℃)，此后開始下降，2日05:00降至最低(26.5 ℃)，與PM2.5濃度無明顯相關(guān)性。

圖5 天津市夏季重污染天氣過程主要?dú)庀髼l件Fig.5 Meteorological conditions during this heavy pollution in Tianjin City in summer

1日能見度隨著相對濕度的增加呈下降趨勢，1日19:00—2日02:00能見度小于3 km，根據(jù)QX/T 113—2010《霾的觀測和預(yù)報等級》判識，此階段屬于中度霾；2日03:00之后能見度逐漸好轉(zhuǎn)。相對濕度與PM2.5濃度呈線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.54?？梢姡鄬穸仍酱?，氣溶膠通過吸濕增長效應(yīng)使得PM2.5濃度越大，能見度越小。

1日地面風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，由于天津市地處渤海西岸，東南風(fēng)主要受海風(fēng)影響，風(fēng)速從10:00的1.4 m/s迅速增至16:00的5.4 m/s，直至23:00以后風(fēng)速才逐漸減小。

東南風(fēng)推進(jìn)需要一定的時間，河西區(qū)站風(fēng)向先受西南風(fēng)影響，而后逐漸轉(zhuǎn)為東南風(fēng)(持續(xù)3 h以上)，風(fēng)速在16:00達(dá)到最大，為3.9 m/s。一般情況下，隨著風(fēng)速的增大PM2.5濃度降低[20]，但此次過程由于PM2.5輸送的影響，風(fēng)速與PM2.5濃度呈正相關(guān)，風(fēng)向和PM2.5濃度增大方向相一致，但有一定滯后性。根據(jù)鐵塔梯度氣象觀測系統(tǒng)2日02:00梯度觀測數(shù)據(jù)(圖6)，天津河西區(qū)站垂直方向高度160 m以下相對濕度均大于90%，且在180～220 m處出現(xiàn)逆溫層，逆溫層的存在限制了PM2.5的垂直擴(kuò)散，從而使PM2.5被壓縮在逆溫層以內(nèi)，造成PM2.5堆積。2日05:00逆溫層基本消失，PM2.5濃度下降。

圖6 8月2日02:00梯度觀測溫濕廓線Fig.6 Temperature and humidity profiles observed at 02:00 on Aug.2

濱海新區(qū)站PM2.5濃度在1日15:00達(dá)到次峰值，為124 μg/m3，AQI為162，屬于中度污染；但由于邊界層高度白天較高，有利于PM2.5擴(kuò)散，夜間相對濕度增大和低空逆溫，使PM2.5濃度逐漸增大，PM2.5濃度于1日23:00達(dá)到最大值，為147 μg/m3；隨著東南風(fēng)的推進(jìn)，郊區(qū)和市區(qū)的PM2.5濃度分別在2日02:00和04:00達(dá)到最大值，為170和204 μg/m3，AQI分別為211和254，均屬于重度污染。

氣象要素研究表明，地面弱氣壓場、低空逆溫以及偏東暖濕氣流輸送的存在為天津市夏季PM2.5污染形成提供了有利條件；前期污染過程是由于靜穩(wěn)天氣形勢導(dǎo)致PM2.5積累，而后期主要是偏東暖濕氣流輸送水汽導(dǎo)致相對濕度的增加，以及天津市區(qū)PM2.5的輸送促進(jìn)了污染的加重。

氣象條件對污染物的擴(kuò)散、稀釋和積累作用已得到確認(rèn)[22]。趙晨曦等[23]研究發(fā)現(xiàn)，北京市冬季PM2.5濃度與氣溫、相對濕度呈正相關(guān)，與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，風(fēng)速和相對濕度是影響PM2.5濃度分布的主要因素。與冬季相比，天津市夏季重污染天氣過程主要與近地層逆溫和相對濕度密切相關(guān)，而氣溫?zé)o明顯影響；由于水平輸送的影響，風(fēng)向與PM2.5濃度呈正相關(guān)，但有一定滯后性。

2.4 PM2.5垂直分布

選取氣溶膠激光雷達(dá)在河西區(qū)站和濱海新區(qū)站2個觀測站點(diǎn)上空各高度大氣的消光系數(shù)來反映PM2.5分布狀況，結(jié)果見圖7。

從圖7可知，河西區(qū)站1日19:30—2日04:00 600 m以下垂直方向存在明顯污染；濱海新區(qū)站1日19:30—23:00 400 m以下垂直方向上存在明顯污染。河西區(qū)站PM2.5形成和發(fā)展時間明顯落后于濱海新區(qū)站，說明PM2.5存在明顯的水平輸送。2個站點(diǎn)的地面PM2.5濃度于1日19:00開始均處于升高階段，但河西區(qū)站滯后于濱海新區(qū)站。綜上，此次污染過程存在明顯的水平輸送和垂直分布特征，市區(qū)PM2.5濃度升高除與水平輸送相關(guān)，還與低空逆溫導(dǎo)致PM2.5積累密切相關(guān)。

圖7 天津市重污染天氣過程濱海新區(qū)和河西區(qū)站PM2.5垂直分布狀況Fig.7 Vertical distribution of PM2.5 in Benhai New Area and Hexi District stations during observation period

2.5 后向軌跡追蹤

HYSPLIT模型是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。該模型能夠輸入多種氣象要素，采用多種物理過程和不同類型污染物排放源，實(shí)現(xiàn)較為完整的輸送、擴(kuò)散和沉降模式模擬。目前該模型被氣象與環(huán)境工作者廣泛應(yīng)用于多種污染物在各地區(qū)傳輸和擴(kuò)散的研究中。HYSPLIT模型分為單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)版，本研究采用網(wǎng)絡(luò)版。

為分析此次重污染天氣過程中PM2.5的來源和擴(kuò)散路徑，選擇0.5°×0.5°的GDAS數(shù)據(jù)驅(qū)動HYSPLIT模式，時間分別選取1日10:00和2日10:00，對應(yīng)世界標(biāo)準(zhǔn)時分別為1日02:00和2日02:00，以濱海新區(qū)站和河西區(qū)站為參考站點(diǎn)，選取近地面層200、500和1 000 m 3個高度，分別計(jì)算氣團(tuán)24 h后向軌跡，結(jié)果見圖8。

從圖8可知，1日前期氣團(tuán)運(yùn)動距離較短，呈“C”型輸送，河西區(qū)站和濱海新區(qū)站氣團(tuán)均以偏南氣流為主，主要來自滄州市，向北至天津市北部寶坻區(qū)后，再向東南方向沿不同路徑輸送至河西區(qū)站和濱海新區(qū)站。Gao等[24]按照軌跡長度區(qū)分影響北京市夏季重污染天氣的本地和區(qū)域貢獻(xiàn)，借鑒該方法，此次污染主要以本地源為主。2日氣流來向改變，濱海新區(qū)站氣流來自偏東方向，結(jié)合圖7，1日23:00之后無明顯消光系數(shù)，可知該方向氣流較為清潔，可能與偏東氣流途經(jīng)渤海有關(guān)，同時氣流帶來大量水汽；河西區(qū)站氣流也來自偏東方向的海上清潔氣流，經(jīng)濱海新區(qū)站后到達(dá)市區(qū)。1日河西區(qū)站在200、500和1 000 m高度處氣流均有明顯沉降，對應(yīng)河西區(qū)站地面PM2.5濃度處于積累爬升階段；2日在200、500、1 000 m高度處的大氣擴(kuò)散也非常弱，上下湍流不明顯，但沒有明顯的地面沉降。綜上所述，在PM2.5積累爬升階段，氣流主要來自偏南氣流，200、500和1 000 m高度氣流均有明顯沉降，此后氣流來向轉(zhuǎn)變?yōu)檩^清潔的偏東氣流，但同時帶來大量水汽，造成相對濕度的增加，從而導(dǎo)致重污染過程加重。

3 結(jié)論

(1)地面弱氣壓場、低空逆溫以及偏東暖濕氣流輸送為天津市夏季重污染天氣形成提供了有利條件；風(fēng)向和PM2.5濃度增大方向相一致，但有一定滯后性。

(2)通過氣溶膠激光雷達(dá)在水平和垂直方向的分析表明，天津市夏季污染過程存在明顯的水平輸送和垂直分布特征，市區(qū)PM2.5濃度升高除與水平輸送有關(guān)外，還與本地的低空逆溫導(dǎo)致PM2.5積累密切相關(guān)。

(3)利用HYSPLIT模型后向軌跡追蹤，在PM2.5積累爬升階段，氣流主要來自偏南氣流，200、500和1 000 m高度處氣流均有明顯沉降，此后由于氣流來向轉(zhuǎn)變?yōu)檩^清潔的偏東氣流，但同時帶來大量水汽，造成相對濕度的增加，導(dǎo)致污染加重。

(4)綜合氣象條件分析、氣溶膠激光雷達(dá)觀測和HYSPLIT模型后向軌跡追蹤，天津市夏季重污染天氣過程前期是由于靜穩(wěn)天氣形勢導(dǎo)致PM2.5積累造成的，后期主要是由于天津市區(qū)PM2.5的輸送和偏東暖濕氣流輸送水汽使相對濕度增加，從而導(dǎo)致污染加重。