冀东地区重污染天气分型及污染源研究

张婉莹　张铄　郭子晗　侯书勋

摘要：利用2017年- 2020年唐山、承德、秦皇岛空气质量监测站资料和NCEP再分析资料，对冀东地区重污染天气进行天气学分型，并利用CAMx - PSAT模拟分析不同天气形势下唐山市PM2.5来源和输送贡献，结果表明：冀东地区重污染天气类型可分为均压场型、西北高压型和低压辐合型。唐山市PM2.5浓度贡献以本地排放最高，外来输送主要来自天津，廊坊次之，凌晨至上午周边输送明显，其中在02 -08时之间，输送贡献可达40%- 70%。从污染物输送路径来看，均压型及低压辐合型重污染过程的周边输送以西南路径为主，高压型以西南偏西路径为主。另外，均压场型周边输送相对于高压型及低压辐合型更为明显。

关键词：重污染；天气分型；污染源；CAMx

中图分类号：X51 文献标志码：B

前言

冀东地区位于华北平原东北部，北依燕山，南临渤海，拥有唐山这样以重工业为主的城市，大气污染问题一直备受重视。影响冀东大气污染物浓度的主要因子一方面取决于气象条件，另一方面取决于污染源。在中国有不少学者对辖区内的重污染天气开展了天气形势方面的分析研究；在污染物来源及输送研究上，目前广泛采用空气质量模式及颗粒物源解析技术进行模拟分析。PM2.5是造成空气重污染的主要原因，随着空气质量模式迅猛发展，PM2.5跨界输送定量计算成为可能。张智答等基于气象-空气质量模式（WRF - CAMx）和传输通量计算方法定量评估了京津冀与其周边省市之间PM2.5的传输贡献，识别了北京、唐山、石家庄三个典型城市PM：，的传输路径。潘勇等对长三角地区PM2.5进行模拟研究，量化评估跨区域污染输送对宁波地区PM2.5的贡献和行业来源。基于冀东地区重污染服务的需求，通过模拟分析，明确该地区区域性重污染天气特征及污染物来源对于开展区域联防联控解决大气污染问题具有重要的现实意义。

1 资料与方法

利用2017年- 2020年承德、唐山、秦皇岛空气质量监测站资料，根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）（HJ 633 - 2012）》，定义超过三分之一站点达到PM2.5日平均浓度大于150. 00 μg·m-3且能见度小于10 km即为一次重污染天气过程，其中排除降水、浮尘、扬沙即沙尘暴等视程障碍天气。经统计，共挑选出26次重污染天气过程，重污染日数达50 d。

2 重污染天气分型

利用NCEP再分析资料，通过分析冀东地区重污染天气的主要环流形势，从大尺度角度探明重污染天气成因，将全部重污染过程的天气系统划分为三种类型：均压场型、西北高压型和低压辐合型。

2.1 均压场型

在重污染天气中，受均压场影响的为22 d，占重污染日总数的44%，是冀东地区出现重污染天气最多的天气形势。受均压场控制时（如图1所示），高压主体位于蒙古国西部至青藏高原一带，高压中心大多位于40°N以北蒙古国境内，冀东地区受弱气压场控制，河北境内等压线稀疏，没有或只有一到两条等压线穿过，区域内气压差较小，无法形成明显的梯度风，地面风速小，输送能力较弱。高空500 hPa和700 hPa一般受偏西或西北气流控制，850 hPa以西南气流为主，常伴有暖平流，有利于逆温层的形成，同时也有利于对流层低层水汽的输送。有时存在弱切变，有利于水汽在低层积聚，弱冷空气在夜间也极易造成辐射降温，加剧大气污染。

2.2 西北高压型

在重污染日中，气压场为西北高压型的有21 d，占重污染日总数的42%。地面冷高压中心通常处于蒙古国西部，根据冷高压前有无锋面又可分为锋前型和无锋型（见图2）。

2.2.1 锋前型

地面冷高压中心位于蒙古国西部，冷空气沿高压前南下，白西北路径影响河北。蒙古国中东部至河套地区有一明显冷锋，冀东地区位于锋前暖区，易形成大范围重污染天气。根据冷锋前不同的气压场又可分为锋前弱气压型、锋前低压型、锋前低压倒槽型。

2.2.1.1 锋前弱气压型

冷锋前没有明显的低压系统，气压场较弱。500 hPa和700 hPa一般处于槽区附近，受西南偏西气流或槽后西北气流控制，850 hPa有切变或处于切变后西北气流当中，切变有利于污染物聚集，而西北气流控制下的晴好天气易造成辐射降温，导致污染天气维持。

2.2.1.2 锋前低压型

冷锋前部有明显的低压系统相伴，低压主体位于蒙古国东部至东北地区一带，冀东地区位于低压中心向南伸展的低压带中，气压梯度较小。500 hPa和700 hPa受西北到偏西气流控制，850 hPa处于槽区或槽前西南气流当中。高空冷空气较弱，而低层西南暖湿气流促使湿度增大，污染天气加剧。

2.2.1.3 锋前低压倒槽型

冷锋前部有低压倒槽相伴，倒槽白河套以南地区向东北伸展，整个河北地区均位于倒槽内，等压线稀疏。500 hPa处于偏西气流中，700 hPa受浅槽影响，以西南偏西气流为主，850 hPa有切变。受低层系统影响，水汽在冀东地区聚集，易造成重污染天气。

2.2.2 无锋型

冷高压中心位于蒙古国西北部到新疆北部一带，其前侧未形成明显锋面，冷空气通常缓慢渗透南下，经西北路径到达冀东地区的冷空气势力较弱，地面等压线稀疏，风力较小，污染物不易扩散。冷空气也可分裂南下，高压中心分裂出多个小高压，气压场偏弱，导致污染天气维持。500 hPa和700 hPa处于西北到偏西气流当中，850 hPa多处于西北气流当中，天气晴好，易形成辐射雾，造成大气污染。

2.3 低压辐合型

在重污染日中，气压场为低压辐合型的有7d，占重污染日总数的14%。冀东地区处于低压区内（如图3所示），地面气压场表现为闭合弱低压或低压槽，存在明显的气流辐合。500 hPa纬向环流较平直，700 hPa有短波槽东移，850 hPa对应有弱波动，高空槽前的上升运动促使地面气流辐合减压，导致污染物扩散受阻，从而加重污染。

3 污染物输送来源分析

CAMx模式是美国ENVIRON公司在UAM -V模式基础上开发的综合空气质量模式，它将“科学级”的空气质量模型所需要的各种技术特征合成为单一系统，可以用来对气态和颗粒态的大气污染物在城市和区域等多种尺度上进行综合性模拟。CAMx模式中，利用颗粒物源解析技术（Particulate Source Apportionment Technology）评估来自不同区域和排放行业对颗粒物的贡献。PSAT通过在CAMx模式中加入示踪物来解析每个网格的颗粒物来源。

3.1 模式设置

使用WRF中尺度气象模式模拟的气象场作为背景信息驱动CAMx空气质量模式。WRF模式使用美国国家环境预报中心（NCEP） FNL 1°×1°全球分析资料建立初始场和边界场。WRF模式与CAMx模式采用2 -3层嵌套方案，最内层分辨率为3 km，包括整个京津冀地区，最外层区域包括中国范围，使用最内层区域模拟结果作为项目研究分析的资料。

在CAMx模式中，使用PPM平流方案计算水平扩散，CB05方案作为气相化学机制，液相化学机制使用RADM方案，化学求解使用EBI算法。使用INTEX -B或者MEIC2012排放源清单作为空气质量模式的排放输入CAMx模式中。依据城市行政区划，将京津冀区域13个城市划分为13个源区，将所有污染源排放归为1个行业的总排放，利用来源识别技术模拟分析不同区域源排放对唐山的影响，定量评估污染物输送贡献。

3.2 数值模拟计算方案

使用CAMx - PSAT模拟技术，通过对模式中网格化的排放源清单进行分地区标记处理，将各个城市加以标号、区分，可以在数值模拟过程中追踪各城市的颗粒物的迁移，最终确定各城市对唐山地区PM2.5浓度的贡献。

排放源区域i对受体点n的污染贡献记为S（i），于是对受体点n污染物的总体贡献为：

对于一个受体城市n，城市本地的排放定义为局地贡献（Local）；来自其它城市的贡献定义为区域贡献（Reg），剩余项为跨区域贡献（SR），计算公式分别为：

3.3 重污染个例模拟分析

3.3.1 均压场型重污染过程模拟分析

2019年1月11 - 14日，唐山市出现重度到严重污染，首要污染物为PM2．5，其中11日、13日、14日空气质量为重度污染（AQI指数分别为275、278、242），12日空气质量达到严重污染（AQI指数为329），PM2.5日均浓度为279 μg/m3，小时浓度最大达到348 μg/m3。

利用CAMx - PSAT模拟分析污染过程期间唐山市PM2.5来源和输送贡献情况。结果表明，整个污染过程中对PM2.5浓度贡献最高的是本地排放，外来输送在一定时段内也起到了较大的作用。1月10日唐山本地排放贡献为56. 8%，周边输送占比43. 2%，以天津、廊坊为主，输送贡献占比分别为15. 6%、7.4%。11日，由于风场弱，外地污染物输送贡献小，以本地排放为主，唐山本地排放贡献高达81. 9%。12日近地面西南气流有所增强，促使污染物外来输送增强，唐山本地排放贡献为54%，周边输送占比46%，以天津、廊坊为主，输送贡献分别为11.3%、9.9%，其次为石家庄、保定也有4%

-5%的输送贡献（如图4（a）所示）。从12日PM2.5逐小时输送贡献可以看出（如图5（a）所示），12日0时- 13时，唐山本地贡献均在60%以内，外来输送占比达到40%以上，其中02 -07时之间，唐山本地排放占比仅为35.1%- 41. 9%，外来输送占比58.1%- 64. 9%。从时间分布上来看，在凌晨至上午时段，外来输送对唐山PM2.5浓度的影响作用相对较大。从污染物输送路径来看，此次过程，唐山污染物周边输送以西南路径为主，污染物输送主要受气象条件影响。

3.3.2 西北高压型重污染过程模拟分析

2019年2月21 - 23日，唐山市出现首要污染物为PM2.5的重度污染，重污染从21日夜间持续至23日凌晨，其中22日AQI指数达到232，PM2.5日均浓度为190 μg/m3，小时浓度最大达到281 μg/m3。

利用CAMx - PSAT模拟分析污染过程期间唐山市PM2.5来源和输送贡献情况。结果表明，污染过程期间唐山以本地排放为主，21 - 22日本地排放贡献分别为66.8%、91. 8%，其中21日周边输送相对明显，占比为33. 2%，主要以天津为主，其次为北京、廊坊（如图4（b）所示）。从21日PM2.5逐小时输送贡献可以看出（如图5（b）所示），周边输送呈现出双峰型变化，21日01时-08时，唐山本地贡献在55%以内，外来输送占比达到45%- 70%，主要来自天津、廊坊、北京。21日上午唐山本地排放上升至75%以上，外来输送较低，但在下午周边输送再次上升，特别是来白天津的输送出现一个峰值变化，在15时唐山本地排放贡献为47. 9%，周边仅天津占比就达到34.1%，促使唐山PM2.5浓度大幅提升。22日地面气压场较弱，受气象条件影响，外来输送也不明显。从污染物输送路径来看，此次过程污染物周边输送以西南偏西路径为主。

3.3.3 低压辐合型重污染过程模拟分析

2018年11月25 - 27日期间，唐山出现首要污染物为PM2.5的重污染天气，其中25日、27日空气质量为重度污染（AQI指数分别为225、209），26日空气质量达到严重污染（AQI指数为339），PM2.5日均浓度达到288 μg/m3，小时平均浓度最高达到339 μg/m3。

利用CAMx - PSAT模拟分析污染过程期间唐山市PM2.5来源和输送贡献情况。结果表明，在污染过程前期24日，唐山本地排放贡献为70. 4%，周边输送占比29. 6%，以天津、廊坊为主，输送贡献占比分别为8. 0%、5.6%。25日唐山处于弱气压场控制下，受气象条件影响，污染物以本地排放为主，唐山本地排放贡献高达94.7%。26日地面气压场转为低压控制，有较好的辐合条件，污染物外来输送明显增强，唐山本地排放贡献降至65.5%，周边输送占比34.5%，其中有5. 1%的外省输送，天津及省内中南部的石家庄、廊坊、邢台、衡水、沧州等地均有3% - 6%的输送（如图4（c）所示）。从26日PM2.5逐小时输送贡献可以看出（如图5（c）所示），26日0时- 12时，外来输送占比达到400-/0以上，其中02 - 08时之间，唐山本地排放占比仅为24. 3% -41. 0%，外来输送占比59. 0% -75.7%，在此时段唐山PM2.5浓度在280 - 300 μg/m3。因此在夜间段唐山本地排放降低后，外来输送对PM2.5浓度的影响作用较大。从污染物输送路径来看，此次过程，唐山污染物周边输送以西南路径为主，与气象条件有很好的对应。

4 结论

冀东地区重污染天气类型分为均压场型、西北高压型和低压辐合型三种，其中均压场型最多，占重污染日总数的44%，西北高压型次之，占42%，低压辐合型最少，仅占14%。唐山市重污染过程PM2.5浓度贡献以本地排放最高，外来输送主要来自天津，廊坊次之，周边输送受气象条件影响较大。在重污染过程中前期，周边污染物输送较为明显，输送贡献为25%- 46%，其中凌晨至上午输送贡献均在30%以上，特别是02 -08时之间，输送贡献可达40％ -70%；重污染过程后期，唐山本地排放贡献大多在90％以上，外来输送较弱。从污染物输送路径来看，均压型及低压辐合型污染过程周边输送以西南路径为主，高压型污染过程周边输送以西南偏西路径为主，且均压型周边输送相对于高压型及低压辐合型更为明显。