中国中东部一次大范围重污染过程特征分析

丁俊男，赵熠琳，李健军

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

改革开放以来，经过20年的高速发展，中国经济社会建设取得了举世瞩目的成就，同时也付出了巨大的资源环境代价，各类污染问题有所体现。尤其是空气污染形势日益严重，且呈现出明显的结构型、压缩型、复合型特点，重污染天气过程出现范围增大，出现频次增多，空气质量问题造成的损失也越来越大，不仅严重危害环境空气质量和公众健康，还对生产生活造成重大影响，引起全社会的极大关注[1-2]。

人类生产活动，包括交通运输、工业生产、生物质燃烧等产生的一次颗粒物，各类气态污染物经过光化学反应生成的二次颗粒物，在一定温度、湿度条件下形成气溶胶体系。大气气溶胶在对流层大气稳定度高的情况下可长期存在并积累，最终形成污染[3-4]。关注重污染形成原因，要从污染物特征及大气扩散条件等多方面进行综合分析，尤其对于大范围污染过程，了解其形成机理及传输特征，对于开展空气质量预报及有针对性地应对污染过程具有重要的指导意义。本研究以2016年12月发生的大范围污染过程为例，对污染形成原因、变化趋势及分布规律等进行初步分析。

1 资料来源与分析方法

1.1 资料来源

污染物数据来源于中国环境监测总站全国城市空气质量实时发布平台。气象数据来源于中国中央气象台地面1 h风场资料、韩国气象厅700 hPa天气形势场资料、欧洲中心500 hPa天气形势场资料。

1.2 分析方法

嵌套网格空气质量预报模式(NAQPMS)是中国科学院大气物理研究所研制，中国环境监测总站进行业务应用的多物种、多尺度的嵌套网格空气质量预报模式系统。

2 污染特征分析

2016年12月16—21日，以京津冀及周边区域为起始，中国中东部地区包括华北、东北、华中、华东等地区的部分省/自治区/直辖市，发生了长时间、大范围、影响程度严重的一次污染过程。根据中国环境监测总站全国城市空气质量实施监测网的监测结果统计，此次污染过程最大影响范围覆盖了东北(黑龙江、吉林、辽宁)、华北(北京、天津、河北、山西、内蒙古)、华中(河南、湖北)、华东(山东、江苏、安徽)、西北(陕西)地区共14个省/自治区/直辖市，超过80个城市出现重度及以上污染，最大影响面积超过100万km2。京津冀及周边区域共29个城市出现小时AQI达500的情况，其中石家庄、邯郸、安阳、衡水、焦作、漯河、郑州、唐山、济南、洛阳、许昌、临汾12个城市小时AQI达500的时间超过10 h。

2.1 空间变化特征模拟

根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ 613—2012)，城市及点位空气质量状况以AQI为衡量基准，当AQI大于200时，空气质量达到重度污染;当AQI大于300时，空气质量达到严重污染。通过对全国空气质量实时监测网发布的12月16—21日国内地级以上城市的AQI日报结果进行统计并进行同化模拟，分析此次污染过程的影响程度和空间分布。

此次污染过程始于12月16日，重污染首先在京津冀及周边区域中南部开始发生并积累，当日空气质量达到重度污染的城市数量为22个；17日，污染范围扩大至整个京津冀及周边区域，污染程度加重，共21个城市出现重度及以上污染，其中石家庄、保定、廊坊、邢台、邯郸、临汾7个城市为严重污染；18日，污染范围进一步扩大，污染程度持续加重，京津冀及周边区域共43个城市出现重度及以上污染，其中严重污染城市有19个，污染区域由华北向北扩大至东北部分地区，辽宁省锦州、葫芦岛市出现严重污染；19—20日，污染达到最严重水平，其间空气质量达到重度污染的城市数量最多为88个，达到严重污染的城市数量最多为46个，同时污染带向南蔓延，江苏和湖北北部部分城市出现重度污染；21日起，污染形势逐步缓解；22日，污染过程结束。

分析污染期间PM2.5日均浓度的空间分布可知，较高浓度(PM2.5>150 μg/m3)区域主要分布在太行山前的华北平原区，特别是保定、石家庄、邢台一线，随后范围扩大到整个京津冀区域，污染最严重的20日扩大至中东部大部分地区，说明此次污染是一次典型的区域性过程，其发生发展的过程说明不利天气形势下的污染区域传输对PM2.5浓度空间分布有重要贡献。

2.2 污染时间变化特征

此次污染过程的首要污染物主要为PM2.5，16—21日期间，京津冀及周边区域城市PM2.5日均浓度平均值达到200 μg/m3，约为2015年同期的1.2倍(2015年12月京津冀及周边城市PM2.5月均浓度为165 μg/m3)，其中京津冀中南部地区受此次大范围污染过程影响明显，颗粒物浓度显著升高。PM2.5浓度峰值主要出现在19日，PM2.5日均浓度平均值为274 μg/m3，最高日均浓度达到703 μg/m3。京津冀及周边区域各城市PM2.5日均浓度见表1。各城市浓度日变化趋势较一致。

表1 京津冀及周边区域部分城市12月16—21日PM2.5日均浓度Table 1 The concentrations of PM2.5 in Beijing, Tianjin, Hebei and surrounding areas on 16th-21st, December μg/m3

以此次污染过程中受影响区域内的直辖市和省会城市(北京、天津、石家庄、济南)，以及受影响程度严重的典型城市(保定、邯郸、徐州)为例，分析PM2.5浓度逐时变化特征见图1。由图1可知，16—21日，上述城市按照PM2.5浓度积累特征大致可以分为2类。第Ⅰ型：太行山东部及周边地区，包括北京、天津、石家庄、保定等，PM2.5浓度呈台阶式逐步上升态势，其间出现多个浓度峰值，4个城市浓度变化趋势基本一致；第Ⅱ型：河北、山东南部、江苏北部平原地区，包括邯郸、济南、徐州等，PM2.5浓度呈短时间大幅升高态势，浓度峰值持续一段时间后迅速降低。上述结果表明，污染呈现一定程度的区域性特点，不同地理位置条件下，污染物浓度的累积和传输方式表现出不同的特征，了解这些特征对空气质量预报及区域污染防控具有重要意义。

图1 12月16—21日部分城市PM2.5浓度逐时变化曲线Fig.1 The hourly concentrations of PM2.5 in some cities on 16th-21st, December, 2016

16—21日期间，京津冀及周边区域共29个城市出现过小时AQI达500的情况，累计时间达483 h，如图2所示。其中，石家庄、邯郸、安阳、衡水、焦作、漯河、郑州、唐山、济南、洛阳、许昌、临汾12个城市小时AQI达500的时间超过10 h。

图2 京津冀及周边地区小时AQI达500城市及小时数统计Fig.2 The Statistics of cities of hourly AQI up to 500 in Beijing, Tianjin, Hebei and surrounding areas

图3 重污染期间北京市粒子消光系数激光雷达图Fig.3 The particle exaction coefficient in Beijing during the heavy pollution

2.3 污染期间气象特征

分析此次重污染过程，中东部地面和中高空天气形势场发现，高空(500 hPa)形势为脊区，中空处于均压场，天气持续静稳，其间少云无明显降水。地面风场开始以较弱的偏西南风为主，污染物持续由南向北传输，在太行山东侧及燕山南侧堆积，后期风速微弱，水平扩散条件极为不利，污染物在静风条件下进一步累积和生成。这种不利于污染物扩散的高低空天气形势的配合抑制了污染物的快速消散，为大气污染的形成及维持提供了稳定的大气环境背景，形成了此次污染过程污染浓度高、影响范围大的态势。

由图3可见，根据中国环境监测总站激光雷达监测显示，12月17—20日期间，伴随颗粒物污染边界层的降低，高空颗粒物气团逐渐下沉至0.9 km内，近地面颗粒物与高空颗粒物气团混合，浓度逐渐升高。19日夜间至20日凌晨，大气边界层厚度从0.9 km逐渐降低至0.5 km以下，整个区域大气边界层高度低、持续时间长，污染物被压缩在近地面层，不易扩散，污染团在区域内持续积累并缓慢移动，形成污染物大范围的区域积累和输送。22日凌晨，污染消散。

如图4所示，在垂直方向上，重污染过程中北京、石家庄等地在0～3 000 m左右的中低空存在不同程度的逆温。研究表明，逆温引起的上暖下冷的温度层结不利于污染物的垂直扩散，从而使水汽和污染物堆积，导致重污染的持续[5-6]。

图4 北京和石家庄19、20日08:00温度廓线Fig.4 The temperature profile in Beijing and Shijiazhuang on 19th and 20th, December, 2016, 00 UTC

2.4 来源分析

研究表明，细粒子PM2.5主要为二次生成，PM2.5～10主要为一次生成，两者之间的比例能在一定程度上反映颗粒物的主要来源及污染成因。此次污染过程中，北京市PM2.5与PM10的小时浓度比值变化范围为80.7%～97.8%，石家庄市PM2.5

与PM10的小时浓度比值变化范围为70.8%～76.5%，PM2.5占PM10比例极高，详见表2。细颗粒物快速二次生成及不利扩散条件下的持续积累可能是此次污染过程的主要原因。其他研究也表明，城市所排放的VOC、NOx，工业排放的SO2所致的二次生成是我国城市PM2.5的主要来源[7-9]。

表2 京津冀及周边区域部分城市16—21日PM2.5与PM10日均浓度比Table 2 The concentrations ratio of PM2.5 and PM10 in Beijing, Tianjin, Hebei and surrounding areas on 16th-21st, December, 2016 %

采用NAQPMS源示踪技术分析此次重污染过程中北京、天津、石家庄PM2.5不同行业来源贡献率，见图5。贡献率随着污染程度的不同有着明显的时间变化；重污染开始的16日，二次生成所占比例均在40%以下，随着污染过程的持续，二次生成所占比例整体呈上升趋势，经计算重污染过程中17—21日，北京、天津、石家庄PM2.5二次生成来源贡献率分别为47.6%～55.3%、44.1%～53.9%、48.9%～58.93%，可见，重污染过程中二次生成对于PM2.5浓度起着十分重要的作用。此外，居民源也是PM2.5重要来源之一，贡献率约为30%。

图5 北京、天津、石家庄PM2.5不同行业来源贡献率Fig.5 The percent contribution of PM2.5 from various sources in Beijing, Tianjin, Shijiazhuang

3 结果与讨论

此次重污染过程中PM2.5具有较为明显的时空变化规律，浓度较高区域主要分布在太行山前的华北平原，特别是保定、石家庄、邢台一线，是一次典型的区域性污染过程，发生发展过程说明不利天气形势下污染区域传输对PM2.5浓度空间分布有重要贡献。按照PM2.5浓度逐小时变化特征受影响城市大致可以分为2类，污染呈现一定程度的区域性特点，不同的地理位置，污染物浓度的累积和传输方式表现出不同的特征，了解这些特征对空气质量预报及区域污染防控具有重要意义。

京津冀区域稳定的气象条件是形成此次重污染的重要原因，重污染过程中气象条件均不利于污染物的扩散，污染物持续由南向北传输，在太行山东侧及燕山南侧堆积，后期风速微弱，水平扩散条件极为不利，污染物在静风条件下进一步累积和生成。这种不利于污染物扩散的高低空天气形势的配合抑制了污染物的快速消散，为大气污染的形成及维持提供了稳定的大气环境背景，形成了本次污染过程污染浓度高、影响范围大的态势。

污染期间，PM2.5占PM10比例极高，细颗粒物快速二次生成及不利扩散条件下的持续积累可能是此次污染过程的主要原因。

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