天津市西南地区PM2.5污染及输送特征研究

冯帅　李兴阳　杨旭　温永菁　王林

摘要：静海区和西青区是天津西南界输送影响的关键区域，此研究基于2019年-2022年的PM2.5观测数据和中尺度在线大气化学模式WRF/Chen的模拟数据，探讨区域输送对天津市西南地区PM2.5的影响。结果表明，在不同的时间尺度上，天津市西南地区的PM2.5污染都呈现冬季高、夏季低的规律，与天津市相比，天津市西南地区的PM2.5污染较重。风速和风向都是影响天津市西南地区PM2.5污染和重要因素。WRF/Chen的数值模拟结果表明，静海的PM2.5的本地贡献远高于西青，静海和西青作为天津市的西南门户，周边区域的输送是其PM2.5污染的重要来源，尤其是在秋末、冬季和主风向上，周边的廊坊、沧州、山东、北京和保定是静海和西青地区PM2.5的关键源地。

关键词：PM2.5；区域输送；数值模拟；关键源地

中图分类号：X513 文献标志码：A

前言

PM2.5又称细颗粒物，是环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物。PM2.5粒径小、面积大、活性强、易附带有毒、有害物质，并且在大气中的停留时间长、输送距离远，是大气污染物的重要类型，对人体健康和大气环境质量都有重大影响。PM2.5的区域输送是空气质量预报和大气污染防治的重要因素。数值模拟是定量估算PM2.5区域输送的重要手段，国外的CMAQ模型、WRF/Chem模型以及国内开发的CUACE模型和NAQPMS模型都有广泛应用。天津市是京津冀地区的重要城市，也是中国空气污染治理的重点区域。目前针对天津市PM2.5的研究已有不少报道，污染物的区域输送也有研究。西南界输送是天津秋冬季大气污染的重要特征之一，静海和西青是天津的西南门户，与河北接壤，受西南界输送影响明显，也是天津地区西南界输送影响研究的关键区域，但是针对天津市西南地区PM2.5输送规律的研究还鲜有报道，文章基于2019年-2022年的PM2.5观测数据，分析天津市西南地区（静海区和西青区）的PM2.5，污染特征，并基于中尺度在线大气化学模式WRF/Chen的模拟数据，探讨区域输送对天津市西南地区PM2.5的影响，为天津地区空气质量预报、重污染天气预警业务以及大气污染区域联防联控提供技术支撑。

1 研究区域

天津市静海区和西青区位于天津市西南部，海河流域下游，其西部和南部与河北省的廊坊市和沧州市接壤，东部和北部是天津市。

2 数据来源与方法

2.1 污染物监测数据

空气质量监测数据来自天津环境监测中心发布数据，包括天津市各站2019年-2021年逐时PM2.5质量浓度，按《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》中的方法计算PM2.5的日值，再计算月平均值和年平均值。

2.2 大气化学模式输出的PM2.5质量浓度

天津西侧边界PM2.5质量浓度输送通量计算使用中尺度在线大气化学模式WRF/Chen。此研究采用WRF/Chen3.5.1版本，模拟时间为2020年1月l口至2020年12月31日，模拟采用24h滚动计算，每24h重新使用一次FNL气象初始场，而污染初始场则为上一次的模拟值，积分时长90s。

研究模式的人为排放源清单使用清华大学ME-IC2016，分辨率0.25°×0.25°，化学过程采用MO-ZART-4，长波辐射方案和短波辐射方案均采用RRTMG，边界层方案使用YSU方案，模式采用两层嵌套，水平分辨率分别为27km和9km，水平网格91x91和109×109，中心经纬度为38.6°N，116.2°E，垂直方向分为27层，气象初始场和背景场均使用NECP的FNL全球1°×1°数据。开发过程中将一次源PM2.5标记方法整合到模型中，以便在污染期间识别不同源区对模拟地区的主要PM2.5贡献。标记方法跟踪并计算了较大模拟区域内各标记区PM2.5贡献浓度，这种方法中的示踪剂考虑了物理过程（例如平流尧垂直混合和对流）的影响，此研究中，模拟区域被分成20个源区域（包括天津、北京和河北地区11个城市），并且将每个源区域识别的主要PM2.5作为独立变量进行跟踪。

3 结果与讨论

3.1 天津西南地区PM2.5污染特征

如图1所示2019年-2021年天津市和西南地区（静海区和西青区）PM2.5日平均值的变化情况。从图中可以看出，西南地区和天津市的PM2.5年内日平均值变化都呈现“U”型，即夏季低，冬季高。从3年的平均值来看，西南地区的PM2.5污染要高于天津市。

从月平均值来看（如图2所示），西南地区和天津市的PM2.5的月变化大体也呈现“U”型，最高值出现在1月，最低值出现在8月。整体来看PM2.5的月平均值呈现出夏季低、冬季高的特点。西南地区的PM2.5的月平均值整体高于天津市。从2019年一2021年的平均值来看（见图2），天津市PM2.5的污染是2019年最高，西南地区是2020年最高。西南地区的PM2.5的年平均值普遍高于天津市。从整体来看，西南地区的污染要高于天津市，是天津市的空气污染需要重点关注的区域。

3.2 天津西南部地区PM2.5扩散和输送规律

如图3所示2019年-2021年静海和西青的不同方向的地面风速和风向占比的分布情况，可以看出静海和西青都是北风风速最大，静海的西南风速最小，西青的南风风速最小。从整体来看，静海的地面风速要小于西青的。从地面风风向的占比来看，静海的东南风占比明显高于其他方向的风，是静海地區地面风的主风向，而西青的地面风主风向则是南风和东南风。

从静海和西青的PM2.5在各个方位上的浓度平均值来看，静海地区的PM2.5在西北方向上的浓度最大，西青地区的PM2.5在正北方向上的浓度最大。结合图3可以看出，从方位的角度来讲，风向和风速对PM2.5的影响是不一样的，风向对PM2.5有较明显的影响，主风向相对方向的PM2.5浓度要高于其他方向的，这体现了风对PM2.5的输送结果。

日尺度上的相关分析表明，静海和西青的风速与PM2.5浓度之间都是极显著的负相关关系，即随着风速的增大，加快了PM2.5的扩散，所以浓度下降。在月尺度上，静海的风速与PM2.5之间是显著的负相关关系，但西青的风速与PM2.5之间没有显著的相关关系。

从以上的结果可以看出，风是影响天津市PM2.5扩散和传输的重要因素，这与许多研究结果是一致的。

基于WRF/Chen模式计算2020年静海和西青一次PM2.5来源百分比的分布情况来看，从天津各区的贡献来看，本地是最大的贡献者，但静海本地的贡献（22.00%）远高于西青的（13.13%），说明西青地区的PM2.5更多是区域输送的结果。对于静海来说，天津市其他区PM2.5贡献都不大，最多的津南区仅有2.57%；但对于西青而言，静海的贡献仅低于西青自身的贡献，达到了11.38%，从相对位置也可以看出，静海在西青的西南方向，作为西南输送的最近的源地，其对西青的PM2.5的贡献较大。（见图4）

从周边地区的PM2.5贡献来看，廊坊和沧州是静海和西青PM2.5的最大输入区域。廊坊和沧州毗邻静海和西青，且位于静海和西青的东南、南和西南方，在主风向的上风向，因此PM2.5的输入量占比最大。

从静海和西青2020年各月的一次PM2.5来源的占比情况来看，静海各月PM2.5的自身贡献占比波动较大，2月份最高可以达到31.39%，12月份最低仅为13.46%：天津其他区对静海的PM2.5的贡献比较小，平均贡献为13.13%，10月份贡献最小，仅为2.33%。除了5月到9月津南地区的PM2.5贡献相对高一些以外，其余各区的贡献值都很低。

周边其他城市对静海的PM2.5贡献比较高，10月-12月都超过了70%，10月和l2月甚至接近80%，1月份也达到了65.11%，可以看出秋末和冬季是静海地区PM2.5区域输送的主要季节。在周边城市中，廊坊、沧州、山东、北京和保定是静海地区PM2.5输送的重要源地，其中廊坊和沧州紧临静海，山东、北京和保定分别在静海的东南、西北和西方，山東的贡献主要在春夏季，是远距离传输，北京和保定的贡献主要在冬季。从整体来看，PM2.5都是沿着东亚季风的主风向上进行输送，冬季风的输送要强于夏季风，说明地面风对静海PM2.5的输送有重要的作用。

西青各月PM2.5的自身贡献占比相对较小，最高是19.78%，最低是9.32%，变化比较稳定。天津市其他地区对西青的PM2.5的贡献较高，平均达到了31.80%，5月份最高达到了44.26%，贡献较高的时间主要集中在5-9月，即夏季及其前后。静海区、津南区和东丽区在这一时间段内对西青的一次PM2.5贡献都比较高。

周边其他城市对西青的PM2.5贡献相比静海而言比较低，12月份最高为74.46%，最低的5月份仅为38.70%。10月-1月是周边城市对西青的PM2.5贡献相对较高的时段，也集中在了秋末和冬季，与静海的规律一致。在周边城市中，廊坊、沧州、山东、北京和保定是西青地区PM2.5输送的重要源地，其中廊坊和沧州距离西青较近，山东、北京和保定分别在西青的东南、西北和西方，山东的贡献主要在春夏季，北京和保定的贡献主要在冬季，以上规律和静海是类似的。尽管西青与以上几个PM2.5重要源区都有一定距离（只与廊坊有部分接壤），但是地面风的输送对西青PM2.5的贡献仍然很明显。（见表1及表2）

从以f上结果可以看出，风是影响PM2.5的重要因素，风在不同的季节对PM2.5的区域输送都有重要影响。作为天津市的西南门户，静海区和西青区的PM2.5浓度受区域输送的影响较大，尤其是在秋末、冬季和主风向上，区域输送甚至是远距离的区域输送（山东）都会对静海区和西青区的PM2.5浓度有较大的贡献，因此天津市西南地区P2.5的污染治理，必须高度重视周边区域以及主风向上远距离区域输送的影响。

4 结论

综上，在日和月时间尺度上，天津市西南地区的PM2.5污染都呈现冬季高、夏季低的规律，与天津市相比，天津市西南地区的PM2.5污染较重，是天津市空气污染需要重点关注的区域。地面风的风速和风向都是影响天津市西南地区PM2.5污染和重要因素，在日时间尺度上，风速和PM2.5浓度之间有显著的负相关关系。WRF/Chen的数值模拟结果表明，静海的PM2.5的本地贡献和周边外省市的贡献都要高于西青，天津市其他地区对西青PM2.5的贡献较大。静海和西青作为天津市的西南门户，周边区域的输送是PM2.5污染的重要来源，尤其是在秋末、冬季和主风向上，周边的廊坊、沧州、山东、北京和保定是静海和西青地区PM2.5的关键源地。