廖晶晶，崔修來，孫 瑤

（1.葫蘆島市氣象局，遼寧葫蘆島 125000；2.營(yíng)口市氣象局，遼寧營(yíng)口 115000）

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北京市8月典型顆粒物污染過程的氣象分析

廖晶晶1，崔修來2，孫 瑤2

（1.葫蘆島市氣象局，遼寧葫蘆島 125000；2.營(yíng)口市氣象局，遼寧營(yíng)口 115000）

摘 要：以高分辨率的北京市2011—2014年8月顆粒物質(zhì)量濃度為基礎(chǔ)，耦合氣象數(shù)據(jù)和氣團(tuán)質(zhì)點(diǎn)后向軌跡，探討顆粒物重污染過程的污染特征。結(jié)果顯示，南向的軌跡極易造成北京市顆粒物的積累，形成很高的濃度值。污染過程中PM2.5/PM10的值和相關(guān)系數(shù)逐漸增加，且顆粒物質(zhì)量濃度與平均風(fēng)速、能見度成反比，與相對(duì)濕度成正比。

關(guān)鍵詞：顆粒物；后向軌跡；氣象條件

文獻(xiàn)著錄格式:廖晶晶，崔修來，孫瑤.北京市8月典型顆粒物污染過程的氣象分析［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，57（6）: 930-939.

大氣污染一直是世人關(guān)注的環(huán)境問題。伴隨著城市化、工業(yè)化的發(fā)展，以大中城市、城市群和城市帶為主的區(qū)域環(huán)境污染明顯加劇［1］。郝吉明等［2］將大氣污染物按其存在的狀態(tài)概括為2大類:氣體狀態(tài)污染物和氣溶膠狀態(tài)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）、有機(jī)化合物（如VOC）以及鹵素化合物（如HF）；后者主要是指顆粒物。按照顆粒物空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑（用da表示）大小，將其分為總懸浮顆粒物（TSP）和可吸入顆粒物（用PM10表示）。TSP是指da≤100 μm的顆粒物，PM10是指da≤10 μm的顆粒物。近些年，人們又開始關(guān)注PM2.5，即da≤2.5 μm的顆粒物，將其稱為細(xì)顆粒物，將da在2.5～10 μm的粒子稱為粗顆粒物。

賈英韜［3］研究發(fā)現(xiàn)，PM10和PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃

1 材料與方法

1.1 顆粒物采樣

2011—2014年P(guān)M2.5和PM10監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源于在線（30 min）質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果（TEOM 1405顆粒物監(jiān)測(cè)儀，ThermoElectron）。采樣點(diǎn)位于北京市（39°23′—41°05′N，115°25′—117°30′E）北四環(huán)以外的清華大學(xué)原環(huán)境科學(xué)與工程系樓頂，距地面高度約5 m，距離天安門廣場(chǎng)約12 km，周圍主要是居住區(qū)，食堂和餐廳較多。顆粒物質(zhì)量濃度和高分辨率的人為源顆粒物排放清單均來自清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系。

1.2 氣象數(shù)據(jù)

高分辨率的氣象數(shù)據(jù)（包括平均溫度、降水量、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、能見度）來源于中國(guó)氣象局氣象信息中心，采用2012—2014年8月北京市南郊觀象臺(tái)（站號(hào)為54511）的氣象數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

利用美國(guó)NOAA的HYSPLIT 4.1（hybrid single-particleLagrangian integrated trajectory）模式計(jì)算得到氣團(tuán)質(zhì)點(diǎn)后向軌跡，其傳輸、擴(kuò)散模式是一種歐拉和拉格朗日型混合的計(jì)算模式，平流和擴(kuò)散的處理采用拉格朗日方法，而濃度計(jì)算則采用歐拉方法。模式采用地形σ坐標(biāo)，σ=1-z/Ztop，z為距離地面高度，Ztop為模式頂高。水平網(wǎng)格與輸入的氣象場(chǎng)相同，垂直向分為28層，氣象要素場(chǎng)線性內(nèi)插到各σ層上［5］。

本文利用HYSPLIT 4.1在線（http://www.arl.noaa.gov/ready/hysplit4.html）計(jì)算。軌跡計(jì)算采用2種處理:處理1，軌跡間間隔時(shí)間為24 h，起始高度為500 m，每天從18: 00（UTC）后推48 h；處理2，軌跡間間隔時(shí)間為6 h，從當(dāng)日18: 00，12: 00，6: 00，0: 00，以及次日的18: 00均后推48 h，起始高度為500 m，每天5條，其中0，6，12，18，24分別表示軌跡的先后順序，經(jīng)換算成北京時(shí)間后，0的起始時(shí)間為當(dāng)日2: 00點(diǎn)，6的起始時(shí)間為8: 00，12的起始時(shí)間為14: 00，18的起始時(shí)間為20: 00，24的起始時(shí)間為第2日的2: 00。

為了簡(jiǎn)便直觀，簡(jiǎn)單地按來源方向進(jìn)行聚類。按照日常生活中經(jīng)常提到的8個(gè)方向來分類，即東（E）、東南（SE）、南（S）、西南（SW）、西（W）、西北（NW）、北（N）、東北（NE）。由于軌跡變化多樣，故聚類的主要原則是方便統(tǒng)計(jì)，具體的細(xì)則如下:有一個(gè)拐點(diǎn)時(shí)，分成兩段計(jì)算；有2個(gè)拐點(diǎn)時(shí)分成2個(gè)方向；有2個(gè)以上拐點(diǎn)，不太好聚類時(shí)，以靠近北京的那段軌跡的方向?yàn)闇?zhǔn)。在做后向軌跡時(shí)，其經(jīng)緯度分別是116.23°E和39.94°N。

本文主要采用統(tǒng)計(jì)方法，將顆粒物質(zhì)量濃度和氣象因子結(jié)合起來，以定性描述北京市8月份顆粒物質(zhì)量濃度與氣象因子間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 北京市8月PM10和PM2.5日變化

將2011—2014年8月期間測(cè)量的PM10和PM2.5半小時(shí)平均質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換成日平均值，PM10共106個(gè)樣本，PM2.5共101個(gè)樣本，2014年8月份逐日PM10和PM2.5質(zhì)量濃度見圖1。從整體上看，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的日變化幅度都很大，且變化趨勢(shì)表現(xiàn)出明顯的一致性?，F(xiàn)將2011—2014年北京市PM10和PM2.5的一些統(tǒng)計(jì)指標(biāo)列于表1。

圖1　2014年8月PM10和PM2.5逐日質(zhì)量濃度分布

表1　北京市2011—2014年8月PM10和PM2.5統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

由表1可見，2011—2014年間PM10和PM2.5的最大日均濃度分別是其日均濃度平均值的2.81倍和2.78倍。參照國(guó)家Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（PM10日均質(zhì)量濃度不超過150 μg·m-3），北京市8月PM10日平均質(zhì)量濃度符合標(biāo)準(zhǔn)，雖然其超標(biāo)比例明顯低于于建華等［4］1—4月的研究結(jié)果，但仍達(dá)到34%。參照美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局（EPA）標(biāo)準(zhǔn)（PM2.5日平均質(zhì)量濃度不大于65 μg·m-3），北京市8月PM2.5日均質(zhì)量濃度超過標(biāo)準(zhǔn)，且超標(biāo)比例為45%。PM10超標(biāo)日平均質(zhì)量濃度是標(biāo)準(zhǔn)值的1.32倍，PM2.5超標(biāo)日平均質(zhì)量濃度是標(biāo)準(zhǔn)值的1.46倍?？傮w來看，2014年8月北京市某幾天的PM10質(zhì)量濃度超出國(guó)家Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比較多，如果能把這些超高值抹去或者控制住，北京市8月份的空氣質(zhì)量就不成問題。所以，要實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，有必要深入分析這些遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)或者小時(shí)數(shù)。

2.2 顆粒物鋸齒型污染過程分析

賈英韜［3］將鋸齒型污染過程（sawtooth-shaped cycles）定義為顆粒物質(zhì)量濃度逐漸升高，之后迅速下降的非對(duì)稱變化特征，每個(gè)周期可分為3個(gè)階段，即低濃度期Ⅰ、準(zhǔn)線性增長(zhǎng)期Ⅱ和波動(dòng)期Ⅲ。以此為基礎(chǔ)，分析北京市8月顆粒物污染過程及形成這種過程的一些外來源。圖2是北京市2014年8月PM10和PM2.5半小時(shí)質(zhì)量濃度變化。不難發(fā)現(xiàn)，北京市8月大氣顆粒物也有符合鋸齒型污染規(guī)律的過程。

圖2　2014年8月北京市PM10和PM2.5質(zhì)量濃度變化

2.2.1 案例1

2014年8月1日至9日的PM10質(zhì)量濃度變化及同時(shí)期降水量見圖3。利用HYSPLIT4.1模型模擬相應(yīng)時(shí)間段的后向軌跡，共模擬10 d，采用1.3節(jié)處理一所述方法繪制后向軌跡，結(jié)果見圖4。

由圖4可見，7月31日、8月1日、8月2日氣團(tuán)均來自西北或北，同時(shí)段的PM10質(zhì)量濃度變化起伏不大。8月3日氣團(tuán)偏東南，8月4日氣團(tuán)東向，從圖3可以發(fā)現(xiàn)，8月3日末4日初的時(shí)候PM10質(zhì)量濃度有一個(gè)突降，8月4日氣團(tuán)轉(zhuǎn)為東向，PM10質(zhì)量濃度較低。8月5日氣團(tuán)為偏南，PM10質(zhì)量濃度緩慢增長(zhǎng)，但較4日PM10質(zhì)量濃度要大。8月6日氣團(tuán)開始為偏南，在6日2: 00開始轉(zhuǎn)為正南和西南向，同時(shí)段的PM10質(zhì)量濃度快速積累，達(dá)到最高值之后，迅速下降（圖3）。8 月7—9日，氣團(tuán)都是東南和正南交替，同時(shí)段不易于顆粒物質(zhì)量濃度的積累。

圖3　2014年8月前9 d PM10和降水量變化

圖4　2014年7月31日至8月9日后向軌跡

同樣地，圖4的氣團(tuán)質(zhì)點(diǎn)后向軌跡也適用于解釋同時(shí)期PM2.5的變化（圖5）。因?yàn)镻M2.5和PM10的變化很相似，現(xiàn)將此次污染過程按3個(gè)階段統(tǒng)計(jì)（表2）。

階段劃分的3個(gè)起始點(diǎn)分別是2014年8月4 日0: 30、2014年8月4日13: 30、2014年8月5 日18: 00，終止時(shí)間為2014年8月6日11: 00（此時(shí)出現(xiàn)峰值），PM10和PM2.5的峰值分別是381.5和182.5 μg·m-3。從表2可以看出，此次PM10質(zhì)量濃度每天都有一個(gè)慢積累和快突降的趨勢(shì)存在，但都遠(yuǎn)沒有8月6日PM10質(zhì)量濃度高，這可能是因?yàn)?月6日之前來自南向的氣團(tuán)質(zhì)點(diǎn)積累時(shí)間較長(zhǎng)所致。

經(jīng)過上面分析，可初步斷定只要空氣氣團(tuán)來源于東南、西南和南向就極易造成北京市空氣中顆粒物的鋸齒形污染過程，使PM10質(zhì)量濃度積累達(dá)到一段時(shí)間內(nèi)的濃度峰值。從圖4還可以看出，來自西北、東北和東向的氣團(tuán)擾動(dòng)空間尺度較西南、東南和南向?yàn)榇?，說明氣團(tuán)質(zhì)點(diǎn)擾動(dòng)的空間尺度大，污染過程持續(xù)68 h，但是據(jù)實(shí)測(cè)資料顯示，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度分別在1.5和1 h降到了5.5和12 μg·m-3。細(xì)顆粒物（PM2.5）在顆粒物中的比例逐漸增加，且PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)逐漸增加，可見顆粒物在積累的過程中粗細(xì)顆粒物變化漸趨一致。

進(jìn)一步分析圖3和圖5，將后向軌跡細(xì)化，采用1.3節(jié)處理二所述方法進(jìn)行計(jì)算，2014年8月1—8日共作40條軌跡線，如圖6—7。按前面所述原則共分類為66條，各日方向數(shù)目見圖8。其中，西南、東南、南向共占到了43條，特別是8月5日開始持續(xù)有正南向的氣團(tuán)到達(dá)北京，導(dǎo)致8月6日顆粒物濃度達(dá)到峰值，峰值過后8月6日氣團(tuán)以東南向?yàn)橹鳎?月7日又有正南向的氣團(tuán)，在中午時(shí)分又出現(xiàn)一個(gè)峰值；同理，8月8日又不斷有正南向的氣團(tuán)，導(dǎo)致當(dāng)日在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)3個(gè)峰值，且都是緩積累快突降形式。

從圖8可以更清晰地發(fā)現(xiàn)，8月3—5日東南和正南向的積累導(dǎo)致PM10和PM2.5在8月6日11: 00出現(xiàn)381.5和182.5 μg·m-3的高值。8月6—8日空氣氣團(tuán)主要來源于正南、東南和西南，若誠如前面初步判定的結(jié)論，南向的氣團(tuán)容易慢慢積累顆粒物，從而導(dǎo)致PM10和PM2.5出現(xiàn)峰值，則可據(jù)此預(yù)測(cè)，在8月8日以后的幾天內(nèi)PM10和PM2.5將會(huì)再現(xiàn)峰值。實(shí)際測(cè)量資料顯示，在8月12日11: 00 PM10就出現(xiàn)了一個(gè)比6日還高的質(zhì)量濃度，為413.8 μg·m-3，PM2.5在同日12: 00出現(xiàn)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，盡管這2個(gè)值還是很高，但相對(duì)前面出現(xiàn)的峰值來說，已經(jīng)降低很多。

圖5　2014年8月前9天PM2.5變化

表2　2014年8月4—6日鋸齒型污染過程的指標(biāo)

綜上，利用后向軌跡可以分析顆粒物質(zhì)量濃度變化的外來源位置，并以此為基礎(chǔ)，綜合治理區(qū)域污染，合理規(guī)劃城市和農(nóng)村建設(shè)。另外，還可以繼續(xù)探討這樣的分析是否可以作為對(duì)未來空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的一種有效手段。

圖6　2014年8月1—6日后向軌跡

氣象條件也是影響顆粒物質(zhì)量濃度的重要因素。圖9是定時(shí)風(fēng)速和溫度在2014年8月1—9日間的變化情況。在此期間，溫度變化呈規(guī)律的單峰單谷型，與圖3和圖5相比沒有明顯的相關(guān)性。但是，風(fēng)速卻表現(xiàn)出與PM10和PM2.5相似的鋸齒變化過程。圖10是PM10和風(fēng)速以及相對(duì)濕度的變化圖?？梢钥闯觯L(fēng)速和PM10質(zhì)量濃度呈明顯的負(fù)相關(guān)，但這并不是完全絕對(duì)的。氣象學(xué)上講，一般暖與濕空氣團(tuán)相伴，干與冷空氣團(tuán)相伴，圖10顯示出，濕度峰值幾乎對(duì)應(yīng)著PM10質(zhì)量濃度的峰值，且PM10峰值稍滯后于濕度峰值，說明空氣中的水汽明顯影響著顆粒物的質(zhì)量濃度。在夏季，北京盛行東南風(fēng)，容易從南方和緊緊相鄰的太平洋帶來暖濕的空氣，在某些天氣條件下除成云致雨外，也同時(shí)使得顆粒物質(zhì)量濃度得到明顯的積累，并且達(dá)到較高的峰值。PM10和PM2.5在8月6日11: 00出現(xiàn)381.5和182.5 μg·m-3的高值，當(dāng)日8時(shí)能見度只有3 km；至當(dāng)日13時(shí)，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度分別已經(jīng)降到62.2和12 μg·m-3，14時(shí)能見度達(dá)到15 km，且在8月5日之前能見度一直都保持在10 km以上，自5號(hào)開始能見度有所下降，但不穩(wěn)定，顯然，能見度受到顆粒物質(zhì)量濃度的影響。

圖7　2014年8月7—8日后向軌跡

圖8　2014年8月1—8日后向軌跡聚類分析

圖9　2014年8月前9日溫度和風(fēng)速變化

綜上，北京市8月份顆粒物質(zhì)量濃度與風(fēng)速和能見度呈負(fù)相關(guān)，與濕度呈正相關(guān)；從氣團(tuán)質(zhì)點(diǎn)后向軌跡來看，若氣團(tuán)質(zhì)點(diǎn)來源于北京市南部，就會(huì)造成顆粒物質(zhì)量濃度積累，并且達(dá)到一個(gè)濃度峰值，之后迅速降低，且這樣的降低并不都是因?yàn)榻涤晁斐伞?/p>

圖10 2014年8月前9日PM10、風(fēng)速和相對(duì)濕度變化

圖11 2013年8月8—14日PM10、能見度、相對(duì)濕度、降水量及風(fēng)速變化

2.2.2 案例2

圖11是2013年8月8—14日PM10質(zhì)量濃度及部分氣象條件的變化情況?？梢钥闯觯琍M10質(zhì)量濃度同樣與風(fēng)速、能見度呈負(fù)相關(guān)，但與濕度、降水量似乎沒有直接關(guān)系。在這7 d里，濕度都保持在一個(gè)較高的水平，降水量也相對(duì)比較多。PM10質(zhì)量濃度在8月13日15: 00出現(xiàn)了803.0 μg·m-3的高值，盡管在8月13—14日均有降水，但8月14日12: 30 PM10質(zhì)量濃度仍高達(dá)799.9 μg·m-3。

圖12 2013年8月8—13日后向軌跡

采用1.3節(jié)處理二所述方法計(jì)算此段時(shí)間后向軌跡（圖12—13），可以看出，從8月9日8: 00開始質(zhì)點(diǎn)軌跡就轉(zhuǎn)為南向，之后直到8月14日8: 00轉(zhuǎn)為西北向。在此南向過程中，8月11日主要來源是西南向，并于當(dāng)日出現(xiàn)了一個(gè)PM10質(zhì)量濃度峰值（432.5 μg·m-3）；8月12日和13日主要來源是南向，12日出現(xiàn)了一個(gè)比11日更高的峰值（533.2 μg·m-3），13日更是出現(xiàn)了此次污染過程的最高值（803.0 μg·m-3），1.5 h后就降到408.9 μg·m-3；8月14日主要來向是東南向，當(dāng)日也出現(xiàn)了一個(gè)峰值（799.9 μg·m-3），但低于8 月13日峰值。這再次說明，氣團(tuán)質(zhì)點(diǎn)軌跡來源于南向再加上不利的氣象條件極易造成北京市8月份顆粒物質(zhì)量濃度高值，803.0 μg·m-3的高值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出前面分析的任何一個(gè)峰值。

由于儀器測(cè)量等問題，本研究并未獲得同時(shí)段的PM2.5實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，3階段起始時(shí)間分別為8月8 日0: 00、8月10日9: 00、8月13日0: 00，終止時(shí)間為8月13日15: 00（表3），持續(xù)時(shí)間135.5 h，階段Ⅱ持續(xù)時(shí)間較階段Ⅰ和階段Ⅲ都長(zhǎng)。在整個(gè)持續(xù)期間，PM10質(zhì)量濃度的平均值和最高值都在上升。

圖13 2013年8月14—15日后向軌跡

表3　2013年8月8—13日鋸齒型污染過程

從上面的分析可以看出，南向的氣團(tuán)質(zhì)點(diǎn)很容易引發(fā)北京市顆粒物污染峰值。

3 小結(jié)

本文參考賈英韜［3］分析命名的顆粒物鋸齒型污染過程，選用北京市8月空氣質(zhì)量與部分氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合后向軌跡進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn):北京市8月空氣中顆粒物質(zhì)量濃度與風(fēng)速和能見度呈反相關(guān)，與濕度表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系；來源于南向的氣團(tuán)軌跡極易致使北京市8月空氣中顆粒物累積，從而表現(xiàn)出較高的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度。南向的氣團(tuán)空間尺度擾動(dòng)很小，一般均在500 m以下，而北向的氣團(tuán)空間尺度擾動(dòng)很大，有的超過2 500 m，由此可見，氣團(tuán)空間尺度擾動(dòng)大小會(huì)影響顆粒物的質(zhì)量濃度。鋸齒型污染過程可分為3個(gè)階段，其中，第Ⅱ階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，是一個(gè)積累的過程，階段Ⅰ和階段Ⅲ持續(xù)時(shí)間較短。隨著階段的進(jìn)行，PM2.5在顆粒物中的比例越來越大，即細(xì)顆粒物越來越多。

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（責(zé)任編輯：高 峻）

中圖分類號(hào)：S161

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0528-9017（2016）06-0930-10

DOI：10.16178/j.issn.0528-9017.20160643

收稿日期:2016-02-26

作者簡(jiǎn)介:廖晶晶（1986—），女，遼寧葫蘆島人，工程師，本科，從事氣象服務(wù)與應(yīng)用氣象研究工作，E-mail: liaojingjing860303 @163.com。度呈周期性變化，并按照其變化規(guī)律將其命名為鋸齒形污染過程?？諝鈿鈭F(tuán)軌跡可用于描述空氣質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的來源和去向，可用來輔助分析空氣中氣溶膠的輸送路徑、來源及去向等［4］。同時(shí)，顆粒物的擴(kuò)散和傳輸又受氣象條件影響。本研究擬利用后向軌跡分析北京市8月份典型鋸齒型過程污染的變化規(guī)律，并結(jié)合氣象條件定性分析氣象因子與空氣中可吸入顆粒物質(zhì)量濃度間的關(guān)系。