京津冀区域大气重污染过程特征初步分析

高愈霄，霍晓芹，闫 慧，李健军，许 荣，朱莉莉，鲁 宁，王 威

1.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083 2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

京津冀区域大气重污染过程特征初步分析

高愈霄1,2，霍晓芹2，闫 慧2，李健军2，许 荣2，朱莉莉2，鲁 宁2，王 威2

1.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083 2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

基于为京津冀区域和城市环境空气质量预报和空气重污染预警业务提供必要基础参考资料和区域重污染发生发展规律认识的需求，应用现有空气监测网2013—2014年度京津冀区域13个城市空气质量监测数据，分析了该区域2013—2014年空气质量整体情况和污染过程的季节变化规律、污染范围，统计了两年间31次区域范围大气重污染过程，并根据污染过程的空气质量变化特点和大气环流形势，着重对31次重污染过程中均压场天气型污染开展分析。结果表明，2013—2014年京津冀区域空气污染形势严峻，全年约有六成日数受颗粒物污染影响；京津冀区域空气污染南北差异显著，有自北向南逐步加重的特点，南部污染严重城市对区域污染贡献巨大，石家庄、保定、邢台、邯郸4城市将PM10、PM2.5年均浓度分别拉升31、16 μg/m3；2013—2014年京津冀区域大范围重污染过程集中发生在秋冬季，两季的污染过程对区域两年PM10、PM2.5平均浓度分别拉升27、21 μg/m3；京津冀区域均压场天气型污染可细分为臭氧型均压场和颗粒物型均压场。当秋冬季出现较小气压梯度、西南小风、逆温层等均压场天气型时，容易造成区域颗粒物污染过程；而春末、夏季出现均压场天气型时，容易造成O3污染。

空气质量；大气重污染过程；污染特征；大气环流；京津冀区域

近年来，中国中东部区域频繁出现的大范围、长时间大气重污染过程严重影响了环境空气质量和公众健康，对社会生产和人民生活造成了重大影响[1-5]。由于京津冀区域在国家政治、经济、文化中具有极其重要地位，频发的重污染过程更是引起了社会各界的高度关注。为了有效控制京津冀区域空气污染态势，改善京津冀空气质量，认识大气污染规律和机理、对大气污染过程特征进行分析研究显得尤为重要。

针对京津冀区域大气污染特征研究，前期很多专家学者利用部分资料做了诸多有益的工作。孙峰[6]通过对北京地区2013年1月10—14日重污染过程气象条件、区域污染背景、PM2.5组分特征等方面的分析，表明此次过程是由稳定气象条件导致局地污染物积累，再叠加华北区域性污染的影响共同造成。王自发等[7]和刘冰等[8]利用空气质量数值预报模式分别模拟研究了2013年1月、2014年2月国内中东部持续强灰霾天气，初步评估了灰霾天气下大气细颗粒物时空分布特征和传输规律。张人禾等[9]利用资料诊断，从大气环流背景场、雾霾天气演变过程两方面分析了2013年1月中国东部持续性强雾霾产生的气象条件。

以上研究对京津冀区域近期发生的污染过程有较为详尽的分析和讨论，但多侧重单个城市、单次污染过程的案例分析，或基于旧空气质量评价标准开展大气环流形势分型，或利用当时有限的颗粒物PM10等数据，而对空气质量新标准下(尤其是细粒子PM2.5监测)的京津冀区域年际污染过程分析则相对较少。

本文应用环境保护部国家环境空气质量监测网的新标准监测数据[10]，分析了2013—2014年京津冀区域13个主要城市的空气质量变化特点，统计了两年间区域范围大气重污染过程，并重点针对发生频次最高的均压场天气型展开分析。

1 资料与方法

1.1 京津冀区域概况

京津冀区域位于113°27′E～119°50′E、36°05′N～42°40′N，包括北京市、天津市以及河北省的张家口、承德、秦皇岛、唐山、廊坊、保定、石家庄、沧州、衡水、邢台、邯郸等13个地级以上城市，土地面积约21.6万km2。

京津冀区域地处华北平原，北临燕山、西邻太行山，兼跨内蒙古高原，东临渤海。属于温带大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，大部分区域四季分明[11]。

1.2 数据来源与方法

应用中国环境监测总站实时发布的国家环境空气质量监测网监测数据，其中京津冀区域13城市监测网由80余个监测点位组成。大气环流资料主要采用韩国气象局公布的天气实况分析图，探空数据为美国怀俄明州立大学北京区域点位数据。

对环境空气质量新标准实施以来，目前可供利用的2013—2014两个完整年度的京津冀区域北京、天津、张家口、承德、秦皇岛、唐山、廊坊、保定、石家庄、沧州、衡水、邢台、邯郸13个城市逐日污染数据进行统计分析。根据《京津冀及周边地区重污染天气监测预警实施细则》[12]，当区域出现3个及以上城市达到重度及以上污染等级，且污染时间持续3天及以上时，定义为一次区域重污染过程。分析所有区域重污染过程500、700、850 hPa地面气压场和探空数据等资料。

2 结果与讨论

2.1 2013—2014年京津冀区域空气污染整体情况

2013年共计365 d，剔除6日无效数据后，京津冀区域13个地级以上主要城市空气质量超标日数全年累计2 958 d，平均超标日数占总有效日数的比例约为62%。其中，全部城市以O3-8 h、SO2、NO2、CO为首要污染物的超标日数累计分别为432、88、81、5 d，而以PM2.5、PM10等颗粒物为首要污染物的超标日数累计达到2 715 d，占总超标日数的92%。其中以PM2.5为首要污染物的超标日数累计1 962 d，占总超标日数的66%，比例居首，显然细粒子是京津冀区域影响最关键、显著的污染物。

与2013年相比，2014年全年超标日数有所降低，剔除13日无效数据后，超标日数累计2 684 d，占总有效日数比例约为57%。其中，以O3-8 h、SO2、NO2、CO为首要污染物的超标日数分别为690、69、147、0 d，以颗粒物为首要污染物的超标日数为2 331 d，其中以PM2.5为首要污染物的超标日数累计为1 895 d，占总超标日数的71%。2013—2014年，京津冀区域13个城市超标日数分布和6项污染物超标日数分布见图1、图2。

图1 京津冀区域13城市2013—2014年超标日数

图2 2013—2014年京津冀13城市6项污染物累计超标日数

由图1、图2可以看出，2014年绝大部分城市空气超标日数较2013年有所下降，空气污染程度略有缓解。除O3-8 h外，其他各项污染物超标日数均有所下降。

在2013—2014年度的超标日数中，空气质量达到重度及以上日数累计分别为981、790 d，即该区域约有20%的日数受到更为恶劣的空气污染影响。2013—2014年，重污染时段PM2.5、PM10平均浓度分别为241、368、225、327 μg/m3，在2013年污染最为严重时段的PM2.5浓度曾一度是标准限值的10倍多，达到796 μg/m3。

从各项污染物年平均浓度来看，京津冀区域2013年SO2、NO2、PM2.5、PM104项污染物年均浓度均超过环境空气质量二级标准限值(图3)。SO2、NO2的年均浓度值分别为69、51 μg/m3，分别是标准值的1.1倍、1.3倍，而PM2.5、PM10年均浓度分别达到106、180 μg/m3，平均超标1.8倍。

相比2013年，2014年多数污染物污染年均浓度有所降低，但NO2和颗粒物仍未达到二级标准。SO2、NO2、PM2.5、PM10年均浓度分别为52、49、93、158 μg/m3，除SO2浓度未超过标准限值外，NO2、PM2.5、PM10分别超标0.2、1.6、1.2倍。

图3 京津冀区域13城市2013—2014年PM2.5、PM10、NO2、SO2污染物年均浓度

CO、O3年评价指标分别为24小时平均第95百分位数和最大8小时滑动平均值的第90百分位数。据此，2013—2014年CO的24小时平均第95百分位数分别为4.1、3.5 mg/m3，O3日最大8小时平均值第90百分位数浓度分别为155、162 μg/m3。两年间，半数以上城市CO指标合格，而O3达标城市比例在2014年有所降低。

总体而言，2013—2014年京津冀区域空气污染形势严峻，全部地级以上城市中有半数以上长期处于污染状态且以颗粒物污染最为严重。结合城市地理分布，京津冀区域空气污染南北差异显著，有自北向南逐步加重的特点。如2013年，河北省南部城市邢台年均PM10、PM2.5浓度分别是北部城市张家口的3倍、4倍。此外，中南部污染最严重的几个城市对区域污染贡献巨大，保定、邢台、邯郸、石家庄4城市将京津冀区域PM10、PM2.5两年平均浓度分别拉升31、16 μg/m3。

2.2 区域重污染过程统计

2013—2014年期间，京津冀区域发生长时间大范围空气污染过程累计31次，具体污染过程统计见表1、表2。

表1 2013年京津冀区域污染过程统计

表2 2014年京津冀区域污染过程统计

2.3 污染过程发生的时间特点

2.3.1 月际变化

统计结果显示，京津冀区域重污染过程发生时间不同，月际差别显著。2013—2014年间，污染过程主要集中发生在1—3月、10—12月期间(图4)。其中，又以1、2、12月最为明显，如两年间1月，13城市污染过程影响时长累计达到341 d，占1月总日数的85%。

4—9月污染过程相对较少，两年间13城市污染过程影响时长累计为53 d，4、7、8月无污染过程发生。

图4 2013—2014年区域重污染过程影响日数月变化

2.3.2 季节变化

2013—2014年，京津冀区域PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3(日最大8 h滑动平均)6项污染物污染过程时段两年平均浓度季节变化见图5。

图5 2013—2014年6项污染物浓度季节变化(CO浓度单位mg/m3，PM2.5、PM10、O3、SO2浓度单位μg/m3)

由图5可知，PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO污染过程时段的污染水平冬季明显高于其他季节，春秋季相近，夏季污染程度最低。O3相反，夏季最高，春秋季次之，冬季最低。

根据2013—2014年京津冀区域污染过程发生月际规律可知，重污染过程主要集中发生在秋冬季(9—2月)。两年间，秋冬季区域重污染过程13城市影响日数分别为212、684 d，合计占总重污染过程日数的87%，污染过程影响日数季节分布见图6。

图6 2013—2014年区域重污染过程 影响日数季节分布

对秋冬季各项污染分析可知，除O3-8 h外，秋冬季频发的重污染过程对其余各项污染物年均水平都有明显拉升作用。其中，又以对颗粒物拉升最为明显，两季污染过程将2013—2014两年PM10、PM2.5的平均浓度分别拉升27、21 μg/m3。污染过程年均拉升效果见图7。

图7 秋冬季污染过程对6项污染物年均拉升浓度(CO浓度单位mg/m3，SO2、NO2、PM10、PM2.5浓度单位μg/m3)

2.4 污染带分布

在2013—2014年的31次污染过程中，京津冀区域13城市均受到不同程度影响(图8)。

两年间污染过程累计日数城市分布显示 ，与京津冀区域空气污染城市分布形势整体一致，影响日数呈北少南多态势。应用SPSS统计软件对过程影响日数和城市作系统聚类分析结果显示(图9)，张家口、承德和秦皇岛3城市污染过程日数最少，合计不到30 d，受污染过程影响最小，为第一类。北京、天津、唐山、沧州等中北部环渤海城市污染过程日数200余天，受污染程度稍高，划分为第二类。石家庄、保定和邢台受污染过程影响日数最多，累计470余天，为第三类。衡水、邯郸、廊坊虽受影响日数相近，但区域特征不显著。

图8 31次重污染过程影响日数城市分布

图9 城市过程影响日数系统聚类树状图

结合聚类分析结果和地理分布特征，13城市可分为北部污染带(张家口、承德、秦皇岛)、中北部环渤海污染带(北京、天津、唐山、沧州)、中南部污染带(石家庄、保定、邢台)。可以看到，北部污染带受过程影响最小，而中南部污染带受过程影响日数明显，约占总过程的46%。

2.5 污染与气象条件的分析

京津冀区域空气污染过程与大气环流形势变化紧密相关，相关研究[13-14]根据污染与天气条件特点，归纳划分了京津冀区域不同污染条件下的大气环流形势，一定程度分析了区域污染形成原因。据此，结合不同大气环流影响条件变化，2013—2014京津冀区域31次重污染过程也可划分为高压型、低压型、均压场型等污染过程。

2013—2014年污染过程天气分型分析结果显示，虽然出现均压场型天气型时绝大多数会伴随污染过程，但首要污染物不尽相同，往往会出现以颗粒物或臭氧为首要污染物的多种情况。因此，根据2013—2014年出现的同为均压场天气型但首要污染物不同的特点，可将均压场天气型进一步分为颗粒物均压场型和臭氧均压场型。

2.5.1 颗粒物均压场型

在2013—2014年的31次污染过程中，均压场型污染出现频次最高。该类污染过程发生时，京津冀区域处于弱气压场中，污染区域有间隔很小的等值线或无等值线通过，气压梯度极小，呈静稳型天气系统。

以2014年10月7—11日污染过程为例，此次污染过程影响范围大，除张家口、秦皇岛、沧州空气质量略好外，京津冀其余城市均出现以PM2.5为首要污染物的重度至严重污染 。10月6日，京津冀大部分区域空气质量为良至轻度污染。7日，污染形势逐步恶化，唐山、邢台、保定重度污染，石家庄严重污染，颗粒物浓度严重超标。图10展示了该次过程北京官园、天津监测中心、石家庄人民会堂3个较有城市代表性点位的PM2.5浓度演变趋势。结果显示，10月6日晚18∶00北京及周边不同城市PM2.5的浓度均较低，之后PM2.5浓度开始累积，至7日下午15∶00，3个监测点位PM2.5浓度均超过150 μg/m3，达到重度污染。至11日夜间，北部冷空气南下，京津冀区域污染过程自北向南消散。

图10 北京官园、天津监测中心、石家庄人民会堂PM2.5小时浓度变化

天气系统显示，污染发生期间，京津冀区域高空500 hPa等高线极其稀疏(图11a)，风速极弱。850 hPa和地面气压场都受到东部高压影响，等高线稀疏，有微弱南向静小风(图11b、c)，且探空资料表明，9日早间地面至约300 m高度和晚间地面至约200 m高度都有较明显的逆温，温度露点差小，湿度大(图12a、b)，更不利于PM2.5的扩散，因此爆发了大范围颗粒物污染。

此次颗粒物污染过程由均压场型污染天气导致，当气压梯度小造成的低风速，以及通常伴随发生的暖平流造成近地面逆温出现时，颗粒物扩散条件不利，浓度积累加剧。此外，受秋冬季节供暖颗粒物排放增大影响，一旦遇到均压场型天气，就会导致空气质量的急剧恶化，PM10、PM2.5浓度明显升高而爆发大规模的颗粒物污染。

2.5.2 臭氧均压场型

统计结果表明，京津冀区域在春末、夏季出现的均压场静稳型天气类型，往往会造成大范围的臭氧污染。以2014年5月30日的臭氧污染为例，此次污染虽未形成严重污染过程，但污染形势依旧严峻。

5月30日，唐山、承德、沧州、衡水4城市因O3-8 h超标，空气质量达到重度污染等级。当日天气系统显示，京津冀区域500 hPa高空等高线稀疏(图13a)，呈均压场静稳状态，850 hPa受脊区控制(图13b)，地面位于高压边缘(图13c)，有微弱静小风，扩散条件不利。

但是，与颗粒物均压场型污染不同，30日均压场天气型并未造成大规模颗粒物污染过程，而是引起了臭氧区域污染。当日京津冀区域城市PM2.5和O3-8 h空气质量分指数显示(图14)，对于受污染城市(IAQI>100)，除邢台PM2.5IAQI稍高于O3-8 h外，京津冀区域其他城市臭氧空气质量分指数均高于PM2.5分指数，PM2.5分指数整体位于轻至中度污染区间，而O3-8 h分指数普遍较高，处于中至重度污染区间水平。此外，PM10、PM2.5污染水平相当，为轻至中度污染，SO2、NO2、CO均处于优良水平。

相关研究表明[15-18]，由于臭氧是二次污染物，它的形成是局地光化学过程和区域输送共同作用的结果，高浓度臭氧一般都出现在气象状况相对停滞，并伴随高温、强太阳辐射、低风和充足的一次污染物的条件下。30日，京津冀区域静稳气象条件，以及上述4城市白天较高的温度，形成了臭氧生成的有利条件，导致臭氧污染的爆发。但当日气象条件并不具备颗粒物污染发生所需的高湿度、强逆温等条件，加之夏季较高的气温会提升大气边界层高度，相对扩大低层空气活动空间，增加颗粒物容纳量，颗粒物污染相对不易发生。因此，当春末、夏季出现该类均压场静稳型天气时，易发生以臭氧为首要污染物的区域污染。

图11 2014年10月9日20∶00 500、850 hPa和地面气压场天气图

图12 2014年10月9日08∶00、20∶00北京探空数据

图13 2014年5月30日08∶00 500、850 hPa和地面气压场天气图

图14 2014年5月30日京津冀区域城市PM2.5、O3-8 h空气质量分指数

3 结论

1)2013—2014年，京津冀区域空气污染形势不容乐观，全年平均约有六成的日数处于污染状态，其中以PM2.5为关键和显著的主要污染物，颗粒物污染形势严峻。

2)京津冀区域空气污染南北差异显著，有自北向南逐步加重的特点，南部污染严重城市对区域污染贡献巨大，将PM10、PM2.5两年平均浓度分别拉升了31、16 μg/m3。

3)京津冀区域大范围重污染过程主要集中发生在秋冬季，2013—2014年，秋冬季污染过程对年PM10、PM2.5的平均浓度分别拉升27、21 μg/m3。

4)将京津冀区域均压场天气型污染细分为臭氧均压场型和颗粒物均压场型，当秋冬季出现较小气压梯度、西南小风、逆温层等均压场天气型时，易造成区域颗粒物污染过程；而春末、夏季出现均压场天气型时，容易造成O3污染。

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Preliminary Analysis on the Characteristics of Heavy Air Pollution Events in Beijing-Tianjin-Hebei Region

GAO Yuxiao1,2，HUO Xiaoqin2，YAN Hui2，Li Jianjun2，XU Rong2，ZHU Lili2，LU Ning2，WANG Wei2

1.Civil and Environmental Engineering Institute, University of Science and Technology, Beijing 100083, China 2.China National Environmental Monitoring Centre, State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, Beijing 100012, China

In order to provide necessary foundation resources for urban air quality forecast and heavy air pollution early warning in Beijing-Tianjin-Hebei region, and recognize the developing rule of regional heavy pollution events, air quality characteristics were analyzed in this article, by using the air monitoring data of local 13 cities in 2013—2014, especially the data about 31 heavy pollution events during these period. The results showed that: the regional air pollution had increased to an alarming level and about sixty percent of days were affected by particle pollution in 2013—2014; the regional pollution exhibited distinct spatial distribution, which were getting worse from the North to the South. The total annual average concentration of PM2.5and PM10were increased 31 and 16 μg/m3respectively, contributed by southern cities such as Shijiazhuang, Baoding, Xingtai and Handan; the heavy air pollution events mainly occurred in autumn and winter, which raised the annual average concentration of PM2.5and PM10by 27 and 21 μg/m3; the uniform pressure field of synoptic weather pattern in 2013—2014 were divided into two types: particle uniform pressure field and O3uniform pressure field. Particle uniform pressure field happened under the conditions of lower pressure gradient, light southwest breeze and inversion layer in autumn and winter, while O3uniform pressure field occurred in the uniform pressure field in late spring and summer.

air quality; air pollution events; pollution characteristics; atmospheric circulation; Beijing-Tianjin-Hebei Region

2016-01-05;

2016-02-07

环保公益性行业专项“京津冀区域大气重污染过程应急方案研究”(201309071)；“京津冀城市大气边界层过程对重污染形成的影响研究”(201409001-03)；科技部科技支撑计划环境领域项目“大气复合污染区域联合预测预报关键技术研究”(2014BAC22B04)；“京津冀空气监测预报及防控技术研究与示范”(2014BAC06B04)；中科院先导项目“大气灰霾追因与控制专项数值模式与协同控制方案课题”(XDB05030200)

高愈霄(1986-)，男，北京人，在职研究生，工程师。

鲁 宁

X823

A

1002-6002(2016)06- 0026- 10

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.05