天气类型对天津大气PM10污染的影响分析

张晓勇，张裕芬*，冯银厂，韩素芹，2，韩 博，李 蕾，徐 虹

1.南开大学环境科学与工程学院，天津 300071

2.天津市气象科学研究所，天津 300074

天气类型对天津大气PM10污染的影响分析

张晓勇1，张裕芬1*，冯银厂1，韩素芹1，2，韩 博1，李 蕾1，徐 虹1

1.南开大学环境科学与工程学院，天津 300071

2.天津市气象科学研究所，天津 300074

对天津地区出现的天气系统进行分类，利用后向轨迹模型对到达天津地区的气团轨迹进行模拟，并按照不同天气类型进行聚类，分析不同天气类型下到达天津地区的气团传输路径.结果表明，到达天津地区的气团主要来自西北和东南方向.对采暖期和非采暖期不同天气类型的出现频率及其对大气中ρ(PM10)的影响进行了研究.结果表明，天气类型是影响天津地区ρ(PM10)变化的重要因素.2008年采暖期的有利天气类型出现频率为84.2%，比非采暖期(66.9%)多17.3%;同期不利天气类型出现频率为15.8%，比非采暖期(32.2%)低16.4%.虽然采暖期颗粒物排放源强有所增加，但是有利天气类型出现频率明显高于非采暖期，而不利天气类型出现频率较低，这是2008年采暖期ρ(PM10)比非采暖期略低的重要原因.

天津;PM10;天气类型;后向轨迹

颗粒物是影响我国城市环境空气质量的重要污染物.研究［1-9］表明，ρ(PM10)主要取决于污染源的排放和气象因素.大气中PM10的来源比较复杂［10］，气象因素不仅影响PM10的稀释扩散，而且与开放源强变化［11］及周边地区 PM10的中远距离输送有密切关系.

在试铺碾压过程中，主要采用以下两种施工工艺：其一，采用和普通沥青混合料完全相同的碾压施工工艺；其二，采用胶轮压路机进行2遍初压，采用振动压路机先进行1遍微振压，再进行1～2遍强振压，最后进行1遍微振压；采用钢轮压路机进行1～2遍静压，到消除所有轮迹为止。经试铺后，决定采用第二种施工工艺。

近年来，天津市致力于大气颗粒物污染的控制，并取得了一定效果.2001—2008年采暖期、非采暖期及全年ρ(PM10)的变化如图1所示，数据来源于设在天津市环境监测中心的空气质量自动监测站.由图1可知，2001—2004年ρ(PM10)下降明显，特别是加强对燃煤源颗粒物排放控制后，采暖期ρ(PM10)显著降低.而2004—2008年，尽管对颗粒物污染源的防治仍不断加强，但ρ(PM10)降低并不显著，2006年ρ(PM10)比2005年略有增加，2008年采暖期ρ(PM10)略低于非采暖期.这既与“十一五”期间天津市经济发展速度快，能源消费增加有关，也与气象因素的影响密切相关.笔者重点讨论气象因素对 ρ(PM10)的影响.

图1 2001—2008年天津市 ρ(PM10)Fig.1 PM10 mass concentrations in Tianjin City in 2001-2008

为了研究气象因素对天津地区大气环境中ρ(PM10)的影响，根据地面气压场对控制天津地区的天气形势进行分类，利用后向轨迹模型模拟不同天气类型下周边地区PM10中远距离输送的路径，分别研究采暖期和非采暖期天气类型出现频率及其对ρ(PM10)的影响.

1 研究方法与资料来源

研究［1，12-16］表明，对天气形势分类是一种有效的研究气象因素对大气污染物浓度影响的统计方法.按照08：00地面气压场图将天气形势分类，分别研究2002─2004年和2008年2个时段的采暖期(11月15日─翌年3月15日)和非采暖期不同天气类型出现的频率及其对 ρ(PM10)的影响.上述2个时段的ρ(PM10)日均值数据来源于天津市环境监测中心的空气质量自动监测站，该监测站是国控环境空气质量监测点位，采用TEOM微量震荡天平对ρ(PM10)进行连续自动监测.不考虑沙尘暴等极端天气对ρ(PM10)的影响，ρ(PM10)日均值实际有效样本共1 375个(采暖期457个，非采暖期918个).

2008年各天气类型下到达天津地区垂直方向500 m高度的气团后向轨迹模拟结果如图3所示.统计以天津市为坐标中心，气团后向轨迹在第1，2，3，4象限的频率(见表2).对各种天气类型下的轨迹进行聚类分析(见图4).

2 结果与讨论

在2002—2004年及2008年2个时段，不同天气类型在采暖期和非采暖期的出现频率(见图5)及相应的ρ(PM10)分布如表3，4所示.

将影响天津地区的天气类型分为低压型、低压前部型、高压型、高压底部型、高压前部型、均压场型和弱低压型等，不属于上述天气类型的为非典型.2002—2004年主要天气类型下08：00 10 m高度平均风速与08：00的平均混合层高度如表1所示.低压型及均压场型的平均风速相对较小，弱低压型及均压场型的平均混合层高度相对较低.各天气类型的平均地面气压场概念图如图2所示.

表1 主要天气类型条件下08：00的平均风速和平均混合层高度Table 1 The mean of wind speed and boundary layer height by different weather types at 08：00 AM

天气类型是影响大气污染物中远距离输送的重要因素.利用后向轨迹模型模拟周边地区气团中远距离输送路径，并对天气类型进行聚类分析，分析不同天气类型下的中远距离输送路径对天津市PM10污染的影响.采用美国国家海洋和大气局(NOAA)与澳大利亚国家气象局联合开发的Hysplit 4.9［14，17-20］对每天 00：00(UTC) 到 达天津地区垂直方向500 m高度的气团进行24 h后向轨迹模拟.气象数据采用美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气中心(NCAR)的全球再分析数据(NCEP/NCAR Reanalysis Data)，水平分辨率为 2.5°×2.5°，垂直方向共分 18 层，分别为：地面，1 000，925，850，700，600，500，400，300，250，200，150，100，70，50，30，20和10 hPa.地面要素场包括地面气压，温度，10 m高度处的经向风速及纬向风速和6 h降水量等变量.高空要素场包括位势高度、温度、纬向风速、经向风速、垂直风速和相对湿度等.

图2 7种天气类型的平均地面气压场概念图Fig.2 The average ground pressure field of the 7 weather situation types

低压型天气常伴有较强的上升运动，有利于地面污染物的垂直扩散.低压前部型天气主要出现在非采暖期，温暖的偏南风使地面增温很快，近地面的逆温层迅速消失，大气处在不稳定状态下，有利于污染物的垂直和水平扩散，该天气类型下气团主要自东南和西南方向进入天津地区;在高压型和高压前部型天气，气团主要由西北方向输入，偏北风风速较大，利于污染物的平流扩散;均压场天气类型型下地面气压场较弱，地面和低空的风速较小，甚至出现静风，不利于污染物的水平输送，本地源产生的污染物可能在局地累积，形成重污染天气;高压底部型天气类型下，高压中心位于蒙古东部，天津地区处在高压底部的锋区中，地面有弱的冷平流，使近地面层温度下降较快，而在低空冷空气路径偏北，京津地区还处在暖气团的控制下，在这种形势下，当冷空气主力移到东北地区后，底层的冷空气又回流南下，在上层大气已经转为暖平流时，地面还有冷空气活动，使低空形成上冷下暖的逆温层结，阻碍大气污染物的垂直扩散;弱低压型天气类型下天津地区处在低压环流中，低空往往有暖平流活动，在夜间地面有效辐射较大时，会产生较强的逆温层，阻碍大气污染物的垂直扩散，此外，地面的低压环流中常存在弱的水平辐合场，不利于城区大气污染物向外输送.

2.2 不同天气类型出现频率及其对 ρ(PM10)的影响

党的十九大作出了“中国特色社会主义进入新时代”的重大判断。在这样一个充满生机与活力的新时代，成人与继续教育必将大有作为。这就需要成人与继续教育研究的主力军，不忘初心，牢记使命，在新时代征程上有新担当和突破。为了探讨新时代我国成人与继续教育研究发展趋势，11月10日，由中国成人教育协会成人高等教育理论研究会和江西科技师范大学联合主办，江西科技师范大学继续教育学院承办的“第一届全国成人教育博士论坛”在南昌召开，来自全国各地50多家研究单位的120余位代表参加了会议，共同研讨成人教育研究新趋向。通过梳理会议代表的学术观点，可以管窥新时期成人与继续研究的部分发展取向。

图3 7种天气类型条件下的气团后向轨迹模拟结果Fig.3 The trajectories of 7 different synoptic patterns

表2 主要天气类型条件下气团轨迹在4个象限出现的频率Table 2 The frequency of trajectories in 4 quadrants with different synoptic patterns %

移动机械手由受非完整约束的移动平台和固接在其上的机械臂构成。理论上它拥有无限大的操作空间，冗余度高[1]，同时兼具工业机械臂的灵活性和移动机器人的快速到达特性[2]。但是从运动学的角度看，平台受到的非完整约束为整个系统引入了冗余的自由度。系统的控制输入增多，动力学耦合复杂[3]。基于运动学模型设计的控制器在高速的场景下无法满足使用者的需求。因此，对它的动力学分析尤为重要。本文使用牛顿-欧拉方法计算了在末端执行器轨迹已知的情况下机械手的逆动力学模型，并使用ADAMS对样机的三维模型进行了仿真，分析结果为样机的结构优化和动态控制器的设计提供了技术依据。

综上，说明了PM10中远距离输送路径的存在，到达天津的气团主要来自于西北和东南方向.有利于污染物扩散的天气类型为低压型、低压前部型、高压型和高压前部型，不利于污染物扩散的天气类型为高压底部型、均压场型和弱低压型.

2002—2004年非采暖期的有利天气类型出现频率大于 72%，高压型对应的 ρ(PM10)最小，为0.106 mg/m3，出现频率约为22%;不利天气类型的出现频率约为14%，其中弱低压型对应的ρ(PM10)最大，为0.179 mg/m3，但出现频率较低，为1.9%.2002—2004年采暖期的有利天气类型出现频率超过66%，高压前部型对应的ρ(PM10)最小，为0.103 mg/m3，略低于非采暖期该天气类型对应的ρ(PM10)，但其余有利天气类型对应的ρ(PM10)均高于非采暖期.不利天气类型出现频率约为20%，明显高于非采暖期不利天气类型出现的频率.其中，高压底部型、均压场型和弱低压型的污染较重，对应的 ρ(PM10)分别为0.173，0.181和0.220 mg/m3.

2.1 天气类型分型及其扩散条件分析

图4 不同天气类型条件下气团轨迹的聚类模型计算结果Fig.4 Cluster of trajectories with different synoptic patterns

图5 2002—2004和2008年天津天气类型出现频率Fig.5 The occurrence frequency of different synoptic pattern in Tianjin on 2002-2004 and 2008

在大型工程项目的土石方量测量过程中，以GPS-RTK 形式来确定三维的坐标，对两期的测量信息相叠加，算出大型工程项目区域的土石方开挖量是一种可行性较强、精确性较好的方法。方格网法计算主要和方格边长相关，掌握较为合适的边长能够确保计算的精确性。断面法一般适合地形较狭长的场地，计算的精度取决于生成横断面的信息完整性。实际上，边界不太规则的大型工程项目，其横断面的基础数据一般不够完整，难免存在较大的计算偏差，因此，此时采用方格网法进行土石方工程量的计算比较精准。

2008年非采暖期的有利天气类型出现频率超过66%，不利天气类型的出现频率不足33%，其中均压场型是主要的不利天气类型(出现频率超过25%)，弱低压型对应的 ρ(PM10)最大，为 0.113 mg/m3，出现频率超过6%.采暖期的有利天气类型出现频率超过84%，明显多于非采暖期，其中高压型和高压前部型是最主要的有利天气类型，出现频率约58%.采暖期不利天气类型出现频率不到16%，明显低于非采暖期不利天气类型的出现频率.虽然采暖期颗粒物排放源强有所增加，但2008年采暖期有利天气类型出现频率明显高于非采暖期，而不利天气类型出现频率较低，是采暖期ρ(PM10)比非采暖期略低的主要原因.由此可见，气象因素对ρ(PM10)有重要影响.

高校辅导员要完成学校各职能部门布置的工作任务，因此要熟悉应用各种办公软件。随着新媒体的兴起，要意识到应随时关注网络新技术，关注学生的兴趣点，否则会跟不上大学生交流的发展。新形势下，辅导员要定期进行专题报告、集中学习、案例分析等活动，分享自己的工作经验和学习感悟，这有助于辅导员利用网络新媒体加强大学生思想政治教育和日常管理。

表3 2002—2004年天津市采暖期和非采暖期不同天气类型出现频率及相应的ρ(PM10)Table 3 Descriptive statistics for PM10 mass concentrations with different synoptic patterns in Tianjin in 2002-2004

表4 2008年天津市不同天气类型出现频率及相应的ρ(PM10)Table 4 PM10 mass concentrations with different synoptic patterns in Tianjin，2008

3 结论

a.低压型、低压前部型、高压型和高压前部型均为有利于天津地区PM10扩散的天气类型;而高压底部型、均压场型和弱低压型不利于PM10的垂直扩散和水平输送，易造成局地累积.

b.到达天津的气团来向主要是自西北和东南方向入境.低压型、高压型和高压前部型的气团主要来自西北方向，低压前部型的气团主要来自东南方向.

c.天气类型是影响采暖期和非采暖期ρ(PM10)变化的重要原因之一.2008年采暖期的有利天气类型出现频率为84.2%，比非采暖期(66.9%)多17.3%;不利天气类型出现频率为15.8%，比非采暖期(32.2%)低16.4%.有利天气类型出现频率明显高于非采暖期，而不利天气类型出现频率较低是2008年采暖期 ρ(PM10)比非采暖期还略低的重要原因.

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Influence of Synoptic Patterns on the Concentrations of PM10in Tianjin

ZHANG Xiao-yong1，ZHANG Yu-fen1，FENG Yin-chang1，HAN Su-qin1，2，HAN Bo1，LI Lei1，XU Hong1
1.College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin 300071，China
2.Tianjin Institute of Meteorological Sciences，Tianjin 300074，China

In this study，the weather system in Tianjin area was classified，and the air mass tracks arriving at Tianjin were simulated using backward trajectory models and clustered according to different synoptic patterns.The long-distance transport paths of air masses arriving at Tianjin with different synoptic patterns were analyzed.It was found that the air masses arriving at Tianjin were mainly from the northwest and southeast.The occurrence frequency of different synoptic patterns and its impact on the concentration of PM10during heating season and non-heating season were studied respectively.It was found that the synoptic patterns were likely to be the significant factor influencing the ambient concentrations of PM10in Tianjin.Occurrence frequency of synoptic patterns advantageous to atmospheric diffusion in the heating season was 84.2%，17.3%more than that in the non-heating season(66.9%).Occurrence frequency of synoptic patterns disadvantageous to atmospheric diffusion in the heating season was 15.8%，16.4%less than that in the non-heating season(32.2%).Occurrence frequency of synoptic patterns advantageous to atmospheric diffusion in the heating season was more than that in the non-heating season，while the frequency of synoptic patterns disadvantageous to atmospheric diffusion was less than that in the non-heating season.This is an important reason that PM10concentrations in the heating season of 2008 were slightly lower than those in the non-heating season，although particulate matter source emissions increased in the heating season.

Tianjin;PM10;synoptic patterns;back-trajectory

X513

A

1001－6929(2010)09－1115－07

2010－01－15

2010－04－07

国家“十一五”科技支撑计划项目(2007BAC16B01);天津市科技发展计划项目(09ZCGYSF02400);河北省气象局科技项目(08KY03)

张 晓 勇 (1985 － )， 男， 山 西 临 汾 人，zhangxiaoyong@mail.nankai.edu.cn

*责任作者，张裕芬(1973－)，女，山西忻州人，副教授，博士，硕导，

主要从事大气污染防治及环境评价研究，zhafox@126.com

(责任编辑：孙彩萍)