冀東地區重污染天氣分型及污染源研究

張婉瑩　張鑠　郭子晗　侯書勛

摘要：利用2017年- 2020年唐山、承德、秦皇島空氣質量監測站資料和NCEP再分析資料，對冀東地區重污染天氣進行天氣學分型，并利用CAMx - PSAT模擬分析不同天氣形勢下唐山市PM2.5來源和輸送貢獻，結果表明：冀東地區重污染天氣類型可分為均壓場型、西北高壓型和低壓輻合型。唐山市PM2.5濃度貢獻以本地排放最高，外來輸送主要來自天津，廊坊次之，凌晨至上午周邊輸送明顯，其中在02 -08時之間，輸送貢獻可達40%- 70%。從污染物輸送路徑來看，均壓型及低壓輻合型重污染過程的周邊輸送以西南路徑為主，高壓型以西南偏西路徑為主。另外，均壓場型周邊輸送相對于高壓型及低壓輻合型更為明顯。

關鍵詞：重污染；天氣分型；污染源；CAMx

中圖分類號：X51 文獻標志碼：B

前言

冀東地區位于華北平原東北部，北依燕山，南臨渤海，擁有唐山這樣以重工業為主的城市，大氣污染問題一直備受重視。影響冀東大氣污染物濃度的主要因子一方面取決于氣象條件，另一方面取決于污染源。在中國有不少學者對轄區內的重污染天氣開展了天氣形勢方面的分析研究；在污染物來源及輸送研究上，目前廣泛采用空氣質量模式及顆粒物源解析技術進行模擬分析。PM2.5是造成空氣重污染的主要原因，隨著空氣質量模式迅猛發展，PM2.5跨界輸送定量計算成為可能。張智答等基于氣象-空氣質量模式（WRF - CAMx）和傳輸通量計算方法定量評估了京津冀與其周邊省市之間PM2.5的傳輸貢獻，識別了北京、唐山、石家莊三個典型城市PM：，的傳輸路徑。潘勇等對長三角地區PM2.5進行模擬研究，量化評估跨區域污染輸送對寧波地區PM2.5的貢獻和行業來源。基于冀東地區重污染服務的需求，通過模擬分析，明確該地區區域性重污染天氣特征及污染物來源對于開展區域聯防聯控解決大氣污染問題具有重要的現實意義。

1 資料與方法

利用2017年- 2020年承德、唐山、秦皇島空氣質量監測站資料，根據《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）（HJ 633 - 2012）》，定義超過三分之一站點達到PM2.5日平均濃度大于150. 00 μg·m-3且能見度小于10 km即為一次重污染天氣過程，其中排除降水、浮塵、揚沙即沙塵暴等視程障礙天氣。經統計，共挑選出26次重污染天氣過程，重污染日數達50 d。

2 重污染天氣分型

利用NCEP再分析資料，通過分析冀東地區重污染天氣的主要環流形勢，從大尺度角度探明重污染天氣成因，將全部重污染過程的天氣系統劃分為三種類型：均壓場型、西北高壓型和低壓輻合型。

2.1 均壓場型

在重污染天氣中，受均壓場影響的為22 d，占重污染日總數的44%，是冀東地區出現重污染天氣最多的天氣形勢。受均壓場控制時（如圖1所示），高壓主體位于蒙古國西部至青藏高原一帶，高壓中心大多位于40°N以北蒙古國境內，冀東地區受弱氣壓場控制，河北境內等壓線稀疏，沒有或只有一到兩條等壓線穿過，區域內氣壓差較小，無法形成明顯的梯度風，地面風速小，輸送能力較弱。高空500 hPa和700 hPa一般受偏西或西北氣流控制，850 hPa以西南氣流為主，常伴有暖平流，有利于逆溫層的形成，同時也有利于對流層低層水汽的輸送。有時存在弱切變，有利于水汽在低層積聚，弱冷空氣在夜間也極易造成輻射降溫，加劇大氣污染。

2.2 西北高壓型

在重污染日中，氣壓場為西北高壓型的有21 d，占重污染日總數的42%。地面冷高壓中心通常處于蒙古國西部，根據冷高壓前有無鋒面又可分為鋒前型和無鋒型（見圖2）。

2.2.1 鋒前型

地面冷高壓中心位于蒙古國西部，冷空氣沿高壓前南下，白西北路徑影響河北。蒙古國中東部至河套地區有一明顯冷鋒，冀東地區位于鋒前暖區，易形成大范圍重污染天氣。根據冷鋒前不同的氣壓場又可分為鋒前弱氣壓型、鋒前低壓型、鋒前低壓倒槽型。

2.2.1.1 鋒前弱氣壓型

冷鋒前沒有明顯的低壓系統，氣壓場較弱。500 hPa和700 hPa一般處于槽區附近，受西南偏西氣流或槽后西北氣流控制，850 hPa有切變或處于切變后西北氣流當中，切變有利于污染物聚集，而西北氣流控制下的晴好天氣易造成輻射降溫，導致污染天氣維持。

2.2.1.2 鋒前低壓型

冷鋒前部有明顯的低壓系統相伴，低壓主體位于蒙古國東部至東北地區一帶，冀東地區位于低壓中心向南伸展的低壓帶中，氣壓梯度較小。500 hPa和700 hPa受西北到偏西氣流控制，850 hPa處于槽區或槽前西南氣流當中。高空冷空氣較弱，而低層西南暖濕氣流促使濕度增大，污染天氣加劇。

2.2.1.3 鋒前低壓倒槽型

冷鋒前部有低壓倒槽相伴，倒槽白河套以南地區向東北伸展，整個河北地區均位于倒槽內，等壓線稀疏。500 hPa處于偏西氣流中，700 hPa受淺槽影響，以西南偏西氣流為主，850 hPa有切變。受低層系統影響，水汽在冀東地區聚集，易造成重污染天氣。

2.2.2 無鋒型

冷高壓中心位于蒙古國西北部到新疆北部一帶，其前側未形成明顯鋒面，冷空氣通常緩慢滲透南下，經西北路徑到達冀東地區的冷空氣勢力較弱，地面等壓線稀疏，風力較小，污染物不易擴散。冷空氣也可分裂南下，高壓中心分裂出多個小高壓，氣壓場偏弱，導致污染天氣維持。500 hPa和700 hPa處于西北到偏西氣流當中，850 hPa多處于西北氣流當中，天氣晴好，易形成輻射霧，造成大氣污染。

2.3 低壓輻合型

在重污染日中，氣壓場為低壓輻合型的有7d，占重污染日總數的14%。冀東地區處于低壓區內（如圖3所示），地面氣壓場表現為閉合弱低壓或低壓槽，存在明顯的氣流輻合。500 hPa緯向環流較平直，700 hPa有短波槽東移，850 hPa對應有弱波動，高空槽前的上升運動促使地面氣流輻合減壓，導致污染物擴散受阻，從而加重污染。

3 污染物輸送來源分析

CAMx模式是美國ENVIRON公司在UAM -V模式基礎上開發的綜合空氣質量模式，它將“科學級”的空氣質量模型所需要的各種技術特征合成為單一系統，可以用來對氣態和顆粒態的大氣污染物在城市和區域等多種尺度上進行綜合性模擬。CAMx模式中，利用顆粒物源解析技術（Particulate Source Apportionment Technology）評估來自不同區域和排放行業對顆粒物的貢獻。PSAT通過在CAMx模式中加入示蹤物來解析每個網格的顆粒物來源。

3.1 模式設置

使用WRF中尺度氣象模式模擬的氣象場作為背景信息驅動CAMx空氣質量模式。WRF模式使用美國國家環境預報中心（NCEP） FNL 1°×1°全球分析資料建立初始場和邊界場。WRF模式與CAMx模式采用2 -3層嵌套方案，最內層分辨率為3 km，包括整個京津冀地區，最外層區域包括中國范圍，使用最內層區域模擬結果作為項目研究分析的資料。

在CAMx模式中，使用PPM平流方案計算水平擴散，CB05方案作為氣相化學機制，液相化學機制使用RADM方案，化學求解使用EBI算法。使用INTEX -B或者MEIC2012排放源清單作為空氣質量模式的排放輸入CAMx模式中。依據城市行政區劃，將京津冀區域13個城市劃分為13個源區，將所有污染源排放歸為1個行業的總排放，利用來源識別技術模擬分析不同區域源排放對唐山的影響，定量評估污染物輸送貢獻。

3.2 數值模擬計算方案

使用CAMx - PSAT模擬技術，通過對模式中網格化的排放源清單進行分地區標記處理，將各個城市加以標號、區分，可以在數值模擬過程中追蹤各城市的顆粒物的遷移，最終確定各城市對唐山地區PM2.5濃度的貢獻。

排放源區域i對受體點n的污染貢獻記為S（i），于是對受體點n污染物的總體貢獻為：

對于一個受體城市n，城市本地的排放定義為局地貢獻（Local）；來自其它城市的貢獻定義為區域貢獻（Reg），剩余項為跨區域貢獻（SR），計算公式分別為：

3.3 重污染個例模擬分析

3.3.1 均壓場型重污染過程模擬分析

2019年1月11 - 14日，唐山市出現重度到嚴重污染，首要污染物為PM2．5，其中11日、13日、14日空氣質量為重度污染（AQI指數分別為275、278、242），12日空氣質量達到嚴重污染（AQI指數為329），PM2.5日均濃度為279 μg/m3，小時濃度最大達到348 μg/m3。

利用CAMx - PSAT模擬分析污染過程期間唐山市PM2.5來源和輸送貢獻情況。結果表明，整個污染過程中對PM2.5濃度貢獻最高的是本地排放，外來輸送在一定時段內也起到了較大的作用。1月10日唐山本地排放貢獻為56. 8%，周邊輸送占比43. 2%，以天津、廊坊為主，輸送貢獻占比分別為15. 6%、7.4%。11日，由于風場弱，外地污染物輸送貢獻小，以本地排放為主，唐山本地排放貢獻高達81. 9%。12日近地面西南氣流有所增強，促使污染物外來輸送增強，唐山本地排放貢獻為54%，周邊輸送占比46%，以天津、廊坊為主，輸送貢獻分別為11.3%、9.9%，其次為石家莊、保定也有4%

-5%的輸送貢獻（如圖4（a）所示）。從12日PM2.5逐小時輸送貢獻可以看出（如圖5（a）所示），12日0時- 13時，唐山本地貢獻均在60%以內，外來輸送占比達到40%以上，其中02 -07時之間，唐山本地排放占比僅為35.1%- 41. 9%，外來輸送占比58.1%- 64. 9%。從時間分布上來看，在凌晨至上午時段，外來輸送對唐山PM2.5濃度的影響作用相對較大。從污染物輸送路徑來看，此次過程，唐山污染物周邊輸送以西南路徑為主，污染物輸送主要受氣象條件影響。

3.3.2 西北高壓型重污染過程模擬分析

2019年2月21 - 23日，唐山市出現首要污染物為PM2.5的重度污染，重污染從21日夜間持續至23日凌晨，其中22日AQI指數達到232，PM2.5日均濃度為190 μg/m3，小時濃度最大達到281 μg/m3。

利用CAMx - PSAT模擬分析污染過程期間唐山市PM2.5來源和輸送貢獻情況。結果表明，污染過程期間唐山以本地排放為主，21 - 22日本地排放貢獻分別為66.8%、91. 8%，其中21日周邊輸送相對明顯，占比為33. 2%，主要以天津為主，其次為北京、廊坊（如圖4（b）所示）。從21日PM2.5逐小時輸送貢獻可以看出（如圖5（b）所示），周邊輸送呈現出雙峰型變化，21日01時-08時，唐山本地貢獻在55%以內，外來輸送占比達到45%- 70%，主要來自天津、廊坊、北京。21日上午唐山本地排放上升至75%以上，外來輸送較低，但在下午周邊輸送再次上升，特別是來白天津的輸送出現一個峰值變化，在15時唐山本地排放貢獻為47. 9%，周邊僅天津占比就達到34.1%，促使唐山PM2.5濃度大幅提升。22日地面氣壓場較弱，受氣象條件影響，外來輸送也不明顯。從污染物輸送路徑來看，此次過程污染物周邊輸送以西南偏西路徑為主。

3.3.3 低壓輻合型重污染過程模擬分析

2018年11月25 - 27日期間，唐山出現首要污染物為PM2.5的重污染天氣，其中25日、27日空氣質量為重度污染（AQI指數分別為225、209），26日空氣質量達到嚴重污染（AQI指數為339），PM2.5日均濃度達到288 μg/m3，小時平均濃度最高達到339 μg/m3。

利用CAMx - PSAT模擬分析污染過程期間唐山市PM2.5來源和輸送貢獻情況。結果表明，在污染過程前期24日，唐山本地排放貢獻為70. 4%，周邊輸送占比29. 6%，以天津、廊坊為主，輸送貢獻占比分別為8. 0%、5.6%。25日唐山處于弱氣壓場控制下，受氣象條件影響，污染物以本地排放為主，唐山本地排放貢獻高達94.7%。26日地面氣壓場轉為低壓控制，有較好的輻合條件，污染物外來輸送明顯增強，唐山本地排放貢獻降至65.5%，周邊輸送占比34.5%，其中有5. 1%的外省輸送，天津及省內中南部的石家莊、廊坊、邢臺、衡水、滄州等地均有3% - 6%的輸送（如圖4（c）所示）。從26日PM2.5逐小時輸送貢獻可以看出（如圖5（c）所示），26日0時- 12時，外來輸送占比達到400-/0以上，其中02 - 08時之間，唐山本地排放占比僅為24. 3% -41. 0%，外來輸送占比59. 0% -75.7%，在此時段唐山PM2.5濃度在280 - 300 μg/m3。因此在夜間段唐山本地排放降低后，外來輸送對PM2.5濃度的影響作用較大。從污染物輸送路徑來看，此次過程，唐山污染物周邊輸送以西南路徑為主，與氣象條件有很好的對應。

4 結論

冀東地區重污染天氣類型分為均壓場型、西北高壓型和低壓輻合型三種，其中均壓場型最多，占重污染日總數的44%，西北高壓型次之，占42%，低壓輻合型最少，僅占14%。唐山市重污染過程PM2.5濃度貢獻以本地排放最高，外來輸送主要來自天津，廊坊次之，周邊輸送受氣象條件影響較大。在重污染過程中前期，周邊污染物輸送較為明顯，輸送貢獻為25%- 46%，其中凌晨至上午輸送貢獻均在30%以上，特別是02 -08時之間，輸送貢獻可達40％ -70%；重污染過程后期，唐山本地排放貢獻大多在90％以上，外來輸送較弱。從污染物輸送路徑來看，均壓型及低壓輻合型污染過程周邊輸送以西南路徑為主，高壓型污染過程周邊輸送以西南偏西路徑為主，且均壓型周邊輸送相對于高壓型及低壓輻合型更為明顯。