天津市夏季重污染天气过程PM2.5输送特征

孟丽红，郝天依，李培彦，吴彬贵，王雪莲

1.天津市气象科学研究所 2.天津市环境气象中心

近年来，我国华北地区重污染天气现象频发，呈现从以往单一煤烟型污染向复合型污染转变，局地性向区域性拓展的态势[1]，而以PM2.5为首要污染物的重污染天气发生频率呈上升趋势[2]。PM2.5对人体健康和大气环境的危害突出[3- 4]，其已成为重点关注和研究的热点。

国内外学者围绕PM2.5污染机理、来源解析、形成过程、影响因素等方面开展了较多的研究工作：Grazia等[5- 8]研究发现，静稳天气形势、本地污染源强度、特殊地形条件以及外来污染物的输送都是造成区域大气污染的重要原因；廖晓农等[9- 11]发现，高浓度的大气颗粒物和特殊的气象条件共同作用易形成霾，相对湿度和PM2.5浓度是决定能见度大小的关键因子。随着研究的深入，国内外学者研究了大气边界层、海陆风等对大气环境质量的影响[12- 18]，初步揭示了重污染天气过程所具有的边界层结构特征，海陆风对沿海城市PM2.5的扩散作用。天津市秋冬季节多次发生以PM2.5为首要污染物的重污染事件，但夏季较少发生，笔者以2018年8月1—2日的一次重污染天气过程为例，对该过程中PM2.5浓度、天气形势、相对湿度、气压、温度、风向、风速以及大气混合层高度等进行分析，并利用HYSPLIT(hybrid single- particle lagrangian integrated trajectory model)模型进行后向轨迹追踪气团来向，以期为沿海城市夏季环境空气质量预报提供系统化思路。

1 资料来源

环境数据选取天津市环境监测中心实时发布的滨海新区站(代表沿海)、津南区站(代表郊区)、河西区站(代表市区)3个站点的PM2.5小时浓度，这3个站点与海岸线的距离分别为0.1、24.3和45.3 km，在东南风传输过程中具有代表性(天津市地处渤海西岸)，周边城市中选取沧州市和唐山市环境监测站点的PM2.5小时浓度。天津市及周边环境监测站点分布见图1。

图1 天津市及周边环境监测站点分布Fig.1 Distribution of environmental monitoring sites in Tianjin and surrounding areas

气象数据来源于天津市自动气象观测站，包括逐小时的风向、风速、温度、相对湿度、气压等。梯度气象数据来源于中国气象局天津大气边界层观测站气象铁塔梯度气象观测系统，气象台站编号为54517，该站点位于天津市区南部，其北距快速路约100 m，东临友谊路，西面和南面主要为住宅区，该站点已开展逾30 年的梯度气象观测，在距地面5、10、20、30、40、60、80、100、120、140、160、180、200、220和250 m观测平台上开展风速、风向、温度、相对湿度等的观测。气溶胶激光雷达(北京怡孚和融科技有限公司)2台，分别置于滨海新区站(沿海)和中国气象局天津大气边界层观测站(市区)。

2 结果与讨论

2.1 天气过程

2018年8月1日白天湿度较高，受局地对流影响，天津市部分地区出现了分散性降水，降水分布见图2。

从图2可以看出，该日降水量不大，大部分地区为0.1～10.0 mm。最高气温达36.5 ℃，地面风向由西南风逐渐转为东南风，并且风速逐渐增大，16:00滨海新区站达到最大风速，为5.4 m/s，对应地面PM2.5浓度缓慢增长，23:00达到最大值，为147 μg/m3(图3)。随着东南风的推进，郊区2日02:00 PM2.5浓度达到最大值，为170 μg/m3，市区2日04:00达到最大值，为204 μg/m3，对应AQI分别为211和254，均属于严重污染，随后PM2.5浓度缓慢下降。2日，天津市高空仍处于副高压控制下，最高气温超过37 ℃，有利于臭氧生成，从而转为以臭氧为首要污染物的重污染天气。此次PM2.5污染过程出现在夏季，持续时间较短，随着站点与沿海距离的递增，PM2.5最大浓度也逐渐递增，存在明显的输送特征。

图3 天津市夏季重污染天气过程3个站点的PM2.5浓度变化Fig.3 Variation of PM2.5 concentrations in three sites during this heavy pollution in Tianjin City insummer

沧州市东临渤海，北与天津市接壤，距天津市120 km；唐山市南临渤海，北依燕山，西与天津市接壤，距天津市130 km。唐山市和沧州市在1日均为高温晴天。1日和2日唐山市PM2.5日均浓度分别为54和35μg/m3；沧州市分别为60和49 μg/m3。该重污染天气过程中，沧州市站和唐山市站PM2.5浓度变化如图4所示。

图4 天津市区及周边沧州市和唐山市的PM2.5浓度变化Fig.4 Variation of PM2.5 in Tianjin and its surrounding Cangzhou and Tangshan during this process

从图4可以看出，1日00:00—14:00唐山市站PM2.5浓度多高于天津市区，12:00达到天津市区的2倍，为99 μg/m3，AQI为130，属于轻度污染；1日14:00开始下降至低于50 μg/m3，远低于天津市区。1日00:00—07:00沧州市站PM2.5浓度略高于天津市区，08:00—19:00基本维持在优良水平；1日20:00—2日07:00持续走高，维持在76～90 μg/m3，但大幅低于天津市区。天津市PM2.5浓度总体上比周边2个沿海城市高的原因与PM2.5局地传输、相对湿度的增加和夜间逆温层有很大关系。

2.2 大气环流背景

天津市1日08：00地面形势场为低压前部，以西南风为主，扩散条件不利，PM2.5浓度开始积累上升；2日08:00地面形势场转为小高压，受偏东风影响，有利于PM2.5扩散。1—2日500 hPa高空形势场均为高压脊，850 hPa高空以偏东气流为主，整个污染过程由于持续时间较短，高空形势场变化不大。重污染天气的形成与天气形势有着密切的联系[19]，天津市此次重污染天气过程的大气环流背景主要与地面形势场有关。

2.3 气象因素

图5给出了滨海新区站此次重污染天气过程主要气象因素(气压、温度、相对湿度、能见度、风速和风向)的逐时分布。从图5可知，1—2日地面气压场较弱，气压为1 004～1 007 hPa，整个过程气压变化幅度不大，不利于PM2.5扩散；温度整体呈明显的日变化特征，白天高夜间低，但由于受降水和大风影响，1日11:00达到最高温度(35.2 ℃)，此后开始下降，2日05:00降至最低(26.5 ℃)，与PM2.5浓度无明显相关性。

图5 天津市夏季重污染天气过程主要气象条件Fig.5 Meteorological conditions during this heavy pollution in Tianjin City in summer

1日能见度随着相对湿度的增加呈下降趋势，1日19:00—2日02:00能见度小于3 km，根据QX/T 113—2010《霾的观测和预报等级》判识，此阶段属于中度霾；2日03:00之后能见度逐渐好转。相对湿度与PM2.5浓度呈线性正相关，相关系数为0.54。可见，相对湿度越大，气溶胶通过吸湿增长效应使得PM2.5浓度越大，能见度越小。

1日地面风向由西南风转为东南风，由于天津市地处渤海西岸，东南风主要受海风影响，风速从10:00的1.4 m/s迅速增至16:00的5.4 m/s，直至23:00以后风速才逐渐减小。

东南风推进需要一定的时间，河西区站风向先受西南风影响，而后逐渐转为东南风(持续3 h以上)，风速在16:00达到最大，为3.9 m/s。一般情况下，随着风速的增大PM2.5浓度降低[20]，但此次过程由于PM2.5输送的影响，风速与PM2.5浓度呈正相关，风向和PM2.5浓度增大方向相一致，但有一定滞后性。根据铁塔梯度气象观测系统2日02:00梯度观测数据(图6)，天津河西区站垂直方向高度160 m以下相对湿度均大于90%，且在180～220 m处出现逆温层，逆温层的存在限制了PM2.5的垂直扩散，从而使PM2.5被压缩在逆温层以内，造成PM2.5堆积。2日05:00逆温层基本消失，PM2.5浓度下降。

图6 8月2日02:00梯度观测温湿廓线Fig.6 Temperature and humidity profiles observed at 02:00 on Aug.2

滨海新区站PM2.5浓度在1日15:00达到次峰值，为124 μg/m3，AQI为162，属于中度污染；但由于边界层高度白天较高，有利于PM2.5扩散，夜间相对湿度增大和低空逆温，使PM2.5浓度逐渐增大，PM2.5浓度于1日23:00达到最大值，为147 μg/m3；随着东南风的推进，郊区和市区的PM2.5浓度分别在2日02:00和04:00达到最大值，为170和204 μg/m3，AQI分别为211和254，均属于重度污染。

气象要素研究表明，地面弱气压场、低空逆温以及偏东暖湿气流输送的存在为天津市夏季PM2.5污染形成提供了有利条件；前期污染过程是由于静稳天气形势导致PM2.5积累，而后期主要是偏东暖湿气流输送水汽导致相对湿度的增加，以及天津市区PM2.5的输送促进了污染的加重。

气象条件对污染物的扩散、稀释和积累作用已得到确认[22]。赵晨曦等[23]研究发现，北京市冬季PM2.5浓度与气温、相对湿度呈正相关，与风速呈负相关，风速和相对湿度是影响PM2.5浓度分布的主要因素。与冬季相比，天津市夏季重污染天气过程主要与近地层逆温和相对湿度密切相关，而气温无明显影响；由于水平输送的影响，风向与PM2.5浓度呈正相关，但有一定滞后性。

2.4 PM2.5垂直分布

选取气溶胶激光雷达在河西区站和滨海新区站2个观测站点上空各高度大气的消光系数来反映PM2.5分布状况，结果见图7。

从图7可知，河西区站1日19:30—2日04:00 600 m以下垂直方向存在明显污染；滨海新区站1日19:30—23:00 400 m以下垂直方向上存在明显污染。河西区站PM2.5形成和发展时间明显落后于滨海新区站，说明PM2.5存在明显的水平输送。2个站点的地面PM2.5浓度于1日19:00开始均处于升高阶段，但河西区站滞后于滨海新区站。综上，此次污染过程存在明显的水平输送和垂直分布特征，市区PM2.5浓度升高除与水平输送相关，还与低空逆温导致PM2.5积累密切相关。

图7 天津市重污染天气过程滨海新区和河西区站PM2.5垂直分布状况Fig.7 Vertical distribution of PM2.5 in Benhai New Area and Hexi District stations during observation period

2.5 后向轨迹追踪

HYSPLIT模型是由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型。该模型能够输入多种气象要素，采用多种物理过程和不同类型污染物排放源，实现较为完整的输送、扩散和沉降模式模拟。目前该模型被气象与环境工作者广泛应用于多种污染物在各地区传输和扩散的研究中。HYSPLIT模型分为单机版和网络版，本研究采用网络版。

为分析此次重污染天气过程中PM2.5的来源和扩散路径，选择0.5°×0.5°的GDAS数据驱动HYSPLIT模式，时间分别选取1日10:00和2日10:00，对应世界标准时分别为1日02:00和2日02:00，以滨海新区站和河西区站为参考站点，选取近地面层200、500和1 000 m 3个高度，分别计算气团24 h后向轨迹，结果见图8。

从图8可知，1日前期气团运动距离较短，呈“C”型输送，河西区站和滨海新区站气团均以偏南气流为主，主要来自沧州市，向北至天津市北部宝坻区后，再向东南方向沿不同路径输送至河西区站和滨海新区站。Gao等[24]按照轨迹长度区分影响北京市夏季重污染天气的本地和区域贡献，借鉴该方法，此次污染主要以本地源为主。2日气流来向改变，滨海新区站气流来自偏东方向，结合图7，1日23:00之后无明显消光系数，可知该方向气流较为清洁，可能与偏东气流途经渤海有关，同时气流带来大量水汽；河西区站气流也来自偏东方向的海上清洁气流，经滨海新区站后到达市区。1日河西区站在200、500和1 000 m高度处气流均有明显沉降，对应河西区站地面PM2.5浓度处于积累爬升阶段；2日在200、500、1 000 m高度处的大气扩散也非常弱，上下湍流不明显，但没有明显的地面沉降。综上所述，在PM2.5积累爬升阶段，气流主要来自偏南气流，200、500和1 000 m高度气流均有明显沉降，此后气流来向转变为较清洁的偏东气流，但同时带来大量水汽，造成相对湿度的增加，从而导致重污染过程加重。

3 结论

(1)地面弱气压场、低空逆温以及偏东暖湿气流输送为天津市夏季重污染天气形成提供了有利条件；风向和PM2.5浓度增大方向相一致，但有一定滞后性。

(2)通过气溶胶激光雷达在水平和垂直方向的分析表明，天津市夏季污染过程存在明显的水平输送和垂直分布特征，市区PM2.5浓度升高除与水平输送有关外，还与本地的低空逆温导致PM2.5积累密切相关。

(3)利用HYSPLIT模型后向轨迹追踪，在PM2.5积累爬升阶段，气流主要来自偏南气流，200、500和1 000 m高度处气流均有明显沉降，此后由于气流来向转变为较清洁的偏东气流，但同时带来大量水汽，造成相对湿度的增加，导致污染加重。

(4)综合气象条件分析、气溶胶激光雷达观测和HYSPLIT模型后向轨迹追踪，天津市夏季重污染天气过程前期是由于静稳天气形势导致PM2.5积累造成的，后期主要是由于天津市区PM2.5的输送和偏东暖湿气流输送水汽使相对湿度增加，从而导致污染加重。