2017年上半年北京市及周边地区空气质量特征分析

张 良，王占山，朱桂艳，谷天宇，王旭光，崔继宪

1.河北省环境应急与重污染天气预警中心，河北 石家庄 050037 2.北京市环境保护监测中心，北京 100048 3.廊坊市环境监测站，河北 廊坊 065000 4.北京工业大学环境与能源学院，北京 100124

大气污染会影响大气能见度、公共安全、人体健康和全球气候变化[1-2]。随着中国社会和经济的快速发展、城市化进程的加快和能源消耗量的不断攀升，中国各地区空气质量出现一定程度的恶化[3]，特别是位于京津冀中部的北京市及周边的廊坊市和保定市等，大气污染严重。该区域西靠太行山，北依燕山，山脊连成平均海拔为1 000 m左右的弧形屏障，地形呈簸箕状，地理条件不利于污染物扩散；同时城市规模较大，人口密集，能源消耗量巨大，大气污染物排放强度相对集中。因此一旦遇到持续性的不利气象条件，该区域空气质量随之变差，并可能出现大气污染过程[4-5]。

近年来，在京津冀及周边地区大气污染联防联控工作的推动下，区域大气污染物减排力度空前，空气质量出现比较明显的改善。但由于污染物浓度起点较高，目前区域内仍有多项污染物浓度超标。对于北京市及周边区域的空气质量，国内外学者开展了相关研究。WANG等[6]分析了2014年APEC会议前后北京市空气质量的变化，发现会议期间SO2、NO2、PM10和PM2.5浓度与前5年相比分别下降了62%、41%、36%和47%，而O3浓度上升了102%。孙志强等[7]分析了2008年奥运会期间北京市及周边地区的空气质量，发现北京市的NOx浓度高于周边的涿州市和廊坊市等地，而周边地区PM2.5浓度明显高于北京市，在夏季的典型污染过程中，北京市污染物峰值出现时间滞后于周边城市2～14 h。郑晓霞等[8]研究了京津冀地区大气NO2污染特征，发现平原区存在两大NO2高值区域，分别为北京市-天津市-唐山市区域和石家庄市-邢台市-邯郸市区域；近年来NO2高值范围不断扩大，且呈现明显的连片趋势；NO2柱浓度有显著的季节变化特征，总体表现为秋冬高、春夏低，但山区与平原区差异较大。

研究基于北京市及周边廊坊市、保定市区县级监测点位的空气质量监测数据，分析该区域气象条件、污染物浓度水平、时空变化特征、PM2.5化学组分构成和气团运动轨迹等污染特征，以期为京津冀地区大气污染联防联控提供科学依据。

1 实验部分

常规空气质量数据来自于三地的空气质量监测网络实时发布数据，点位数量分别为北京市35个，保定市29个和廊坊市12个；选择北京市观象台、保定市气象站和廊坊市气象站的气象数据进行气象条件分析；PM2.5化学组分监测仪安装在廊坊市环保局楼顶，使用美国Thermo Fisher CNSVC-TAS-WI-CMD111(1)-URG系列离子色谱在线分析仪和美国Sunset model14 有机碳/元素碳分析仪进行监测。各监测仪器均采用校准仪参照国家标准定期校准，保证监测数据的准确性和有效性。

2 结果与讨论

2.1 气象条件分析

表1显示了2016年上半年和2017年上半年三地的气象条件水平。

表1 2016、2017年上半年三地气象条件Table 1 Meteorological condition in Baoding,Langfang and Beijing during the first half of 2016 and 2017

从北风频率来看，2017年各地均呈现下降趋势，其中北京市下降最为明显，达到7.4%，平均变化率为-4.8%。从风速来看，同样呈现下降的趋势，保定市下降最为明显，达到8.4%，平均变化率为-6.8%。地面温差呈现出明显的上升趋势，廊坊市上升最为明显，达到8.2%，平均变化率为6.7%。湿度呈上升趋势，北京市上升最为明显，达到7.6%，平均变化率为5.4%。地面气压的变化不太明显，基本持平。整体来看，与2016年上半年相比，2017年三地的北风频率和风速下降，温度和湿度回升，大气污染物扩散条件明显转差。

2.2 污染物浓度水平和超标特征

表2和图1显示了根据国控点位计算的三地6项污染物浓度水平、超标率和各级别天数占比。可以看出，各项污染物浓度均呈现保定市最高、北京市最低的规律，特别是SO2和颗粒物的浓度，保定市显著高于北京市。保定市的超标率和重污染率最高，廊坊市和北京市的超标率也接近50%。三地均为二级良的天数占比最高，保定市一级优的天数占比仅为1.1%，是三地中空气污染最重的城市。

表2 2017年上半年三地各污染物平均浓度Table 2 Average concentration of air pollutant in Baoding,Langfang and Beijing during the first half of 2017

图1 2017年上半年三地各级别天数占比Fig.1 Ratios of days in every level of air quality in Baoding, Langfang and Beijing during the first half of 2017

2.3 污染物时间变化特征

图2显示了三地国控点位6项污染物月平均浓度变化。

对SO2来说，北京市浓度水平最低，廊坊市次之，保定市浓度水平明显高于北京市和廊坊市，特别是冬季的1、2月，保定市SO2月均浓度分别达到北京市的3.6、3.1倍，体现出保定市受到燃煤排放影响较大；从时间尺度来看，1—6月SO2浓度呈现逐月降低的趋势。

对NO2来说，三地浓度水平较为接近，在4、6月，保定市NO2浓度水平低于北京市和廊坊市；从时间尺度来看，同样呈现逐月降低的月变化规律。

对CO来说，北京市浓度水平略低，廊坊市和保定市较为接近；从时间尺度来看，冬季浓度水平高，3—6月浓度水平较为接近。

对O3来说，虽然三地浓度绝对值差异不大，但6个月均呈现出北京市浓度最高的特征，且随着温度的上升，O3浓度水平也逐月上升。

对PM10和PM2.5来说，保定市浓度最高，北京市浓度最低；从时间尺度来看，冬季浓度较高，另外PM10的浓度在5月出现高值，跟5月受到几次沙尘过程的影响有关。

图3显示了2017年上半年三地典型点位各污染物的日变化曲线。选择的点位为位于市中心的受局地污染源排放影响较小的国控点位。

图3 2017年上半年三地各污染物日变化Fig.3 Diurnal variation of air pollutants in Baoding,Langfang and Beijing during the first half of 2017

从图3可见，SO2浓度呈现双峰型分布，在上午出现第1个峰值，在夜间00:00左右出现第2个峰值，保定市浓度水平明显偏高，且夜间浓度波动较大，傍晚时段各点位浓度水平最低。NO2浓度呈双峰型分布，在交通早高峰时段出现第1个峰值，在夜间出现第2个峰值；白天时段，三地NO2浓度水平较为接近，值得注意的是，夜间保定市监测站点位NO2浓度水平明显高于北京市和廊坊市，体现了夜间的高排放特征。CO浓度同样呈双峰型变化，在交通早高峰时段和夜间各出现1个峰值。O3浓度呈单峰型曲线，虽然北京市国控点位O3平均浓度高于廊坊市和保定市，但官园点位O3浓度水平低于保定市监测站点位和廊坊市药材公司点位，特别是峰值时段。PM10和PM2.5多呈现双峰型分布，在交通早高峰和夜间出现2个峰值；保定市监测站PM2.5浓度基本呈单峰型分布，夜间峰值浓度较高，在上午时段未出现峰值，体现出保定市夜间排放量较大。污染物日变化特征的监测结果与之前在北京市等地的观测结果较为一致[6，9]。

2.4 PM2.5及其前体物空间分布特征

分析PM2.5及其前体物(SO2和NO2)的空间分布特征，对SO2来说，区域整体呈现明显的南高北低的分布特征，北京市北部山区浓度较低，各个季节均维持在10 μg/m3以下，保定市浓度最高，各个季节均有高值出现。从时间分布来看，1、2月浓度水平最高，区域高值区主要集中在保定市的西南部，3月以后浓度水平明显降低，区域南部浓度水平较高。

对NO2来说，上半年区域整体呈现中部高、周边低的特征，高值区呈带状分布，由北京市的城区和南部沿西南方向延伸至保定市的中部。从时间分布来看，1、2月浓度水平最高，整个北京市的中南部和保定市、廊坊市均为高值区，3、4月高值区分布与上半年平均浓度分布较为类似，北京市城区最高，5、6月整体浓度水平较低，未出现明显的高值区。

对PM2.5来说，上半年区域整体呈现南高北低的趋势，同时区域内呈现多个小高值中心，分布在北京市的南部、东南部和保定市的东南部。从时间分布来看，同样1、2月浓度高，几乎整个北京市城区以南地区均为高值区，3—6月浓度水平明显降低，保定市中部和北京市南部浓度略高。整体来看，PM2.5与其前体物(SO2和NO2)的空间分布规律虽然不完全一致，但都呈现出南高北低的分布规律。

2.5 PM2.5化学组分分析

图4 2017年上半年PM2.5化学组分Fig.4 Concentrations of compositions of PM2.5during the first half of 2017

2.6 气团后向轨迹分析

使用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)开发的后向轨迹模型HYSPLIT对北京市2017年上半年气团来源和轨迹变化进行聚类分析。

模型选取北京市中心(地理坐标为40°N，160°E)为后向轨迹起始点，起始高度设为2 m(考虑到与地面气象观测站高度和空气质量观测站高度一致)，模拟时间为2017年1月1日00:00—2017年6月30日23:00，推算时间为72 h，时间间隔为12 h。后向轨迹模式采用的气象资料为美国国家环境预报中心(NCEP)提供的2017年1—6月全球资料同化系统(GDAS)数据[12-13]。结果显示，在2017年上半年到达北京市的气流中有24%的气团来自于北京市南部，且这些气团多为低空传输，容易携带大气污染物进入北京市，表明区域传输对于北京市空气质量具有一定的影响。本地排放和区域传输是造成北京市空气污染的两大主要原因。

3 结论

1)与2016年上半年相比，2017年上半年气象条件明显不利于污染物扩散，具体表现在北风频率降低了4.8%，平均风速降低了6.8%，地面温度上升了6.7%，相对湿度上升了5.4%。

2)三地中北京市空气质量较好，保定市较差。保定市空气质量超标率达到63.1%，北京市和廊坊市也接近50%。具体来看，保定市SO2浓度水平明显高于廊坊市和北京市，1、2月的月均浓度分别是北京市的3.6、3.1倍。三地NO2浓度较为接近。PM10和PM2.5浓度也呈现保定市最高，北京市最低的规律。

3)从污染物日变化来看，CO、SO2、NO2、PM10和PM2.5呈双峰型分布，在上午和夜间各出现1个峰值；O3呈单峰型分布，在下午出现峰值。值得注意的是，夜间保定市各污染物浓度明显偏高，体现出夜间排放高的特征，需加强管控。从区域空间分布规律来看，PM2.5和SO2呈现明显的“南高北低”的特征，NO2的高值区则集中在区域的中部。

4)PM2.5化学组分分析结果表明，1—4月燃煤对廊坊地区空气质量的影响较大，5—6月机动车排放的影响更为凸显。

5)后向轨迹分析结果表明，在2017年上半年到达北京市的气流中有24%的气团来自于北京市南部，且这些气团多为低空传输，容易携带大气污染物进入北京市，表明区域传输对于北京市空气质量具有一定的影响，区域联防联控是今后京津冀地区大气污染防治的主要方向。