天津市一次重污染天气过程污染特征分析

Analysis of Pollution Characteristics of a Heavy Air Pollution Process in Tianjin

摘要: 利用天津市环境监测资料及气象观测资料，对2016年12月中旬天津市重污染天气过程污染特征进行分析，结果表明,该次重污染天气过程污染程度重、持续时间长及细颗粒物浓度高，主要是在弱气压场、静风及高湿等不利气象条件下，污染物区域传输及本地污染物排放累积，同时在大气化学反应的作用下，污染物的二次反应共同导致。后向轨迹分析表明，污染气团主要来自西南方向，可能是从河南省中北部地区携带了大量污染物，并且移动速度缓慢，造成天津市较为严重的污染天气。

Abstract: Based on the environmental monitoring data and meteorological data in Tianjin, the pollution characteristics of a heavy air pollution process occurred in mid December 2016 in Tianjin were analyzed; the results show that the heavy pollution process of heavy pollution levels, long duration and high concentration of fine particulate matter, mainly in the weak pressure, static wind and high humidity and other adverse weather conditions by the regional transportation of pollutions and local pollutant emissions, and the action of the two reactions of pollutants in the accumulation of atmospheric chemical reactions caused at the same time. The backward trajectory analysis shows that the pollution air masses mainly come from the southwest direction, it might carry a lot of pollutants from the middle and northern part of Henan province and moves slowly, which causes severe pollution weather in Tianjin.

1. 引言

近年来，我国大气污染形势十分严峻，大范围、长时间、高浓度的连续雾霾及重污染天气过程频有发生，严重影响了大气能见度 [1] 和人民群众的正常生活及身体健康 [2] ，社会各阶层对于空气质量状况的关注达到了前所未有的高度。丁一汇和吴兑等 [3] [4] 通过研究我国雾霾长期变化特征发现，雾日自1990 年以后明显减少，而霾日总体呈上升趋势。杨欣等 [5] 利用激光雷达观测研究发现气溶胶颗粒物和大气水分共同造成城市上空的大气强消光，使灰霾污染加剧。穆穆等 [6] 从气象角度提出了应对大范围雾霾天气的对策和措施。王自发等 [7] 通过模拟试验发现气象–污染双向耦合机制对灰霾污染期间大气边界层内气象要素和污染物浓度变化都有显著影响。周敏等 [8] 研究了重污染期间上海市细颗粒物化学组分特征及污染来源类型。廖晓农等 [9] 、张小玲等 [10] 研究表明冬季雾–霾过程出现在高空西北气流、低层多短波活动的背景下，其形成和维持的主要机制是边界层内始终有逆温层、地面弱风场、底层湿度逐渐增大。稳定、高湿的气象条件对细粒子PM_2.5的形成、积聚和维持比较有利，造成严重的区域性低能见度和雾霾天气。区域性大气重污染地区主要集中在中东部地区特别是京津冀地区 [11] - [16] ，京津冀地区由于其特殊地形及快速发展等诸多原因，在静稳天气形势下容易出现雾霾天气。

本研究以2016年12月天津市及其周边城市一次重污染天气过程为例，从区域污染特征、气象条件及污染气团后向轨迹变化等多个方面探讨此次重污染过程，对进一步认识天津市重污染天气成因具有重要意义，为政府更为科学、有效的采取应急预警措施提供决策依据。

2. 数据来源及处理方法

本研究根据全国城市空气质量实时发布平台各城市AQI及2016年12月15日至22日天津市环境监测数据，整理天津市主要污染物及气象要素逐小时数据，判定区域污染形势及重污染天气过程中污染物的特征和变化趋势；利用HYSPLIT Trajectory Model对天津市12月15日至22日每天24时进行后推48小时气团来向进行模拟，计算和分析污染气团运动轨迹，判定重污染日气团的来源、输送、扩散和沉降过程。

3. 结果与讨论

3.1. 污染物浓度变化

为了解此次重污染天气过程前后天津市及周边城市京津冀区域污染状况，本研究对2016年12月15日至22日京津冀区域主要城市AQI日变化进行分析(见图1)。15日，石家庄AQI大于200，保定AQI大于100，其余城市空气质量较好。16日京津冀区域空气质量整体转差，直至22日下午，受冷空气影响，区域空气质量好转，此期间京津冀主要城市分别出现了连续5至7天的重污染天气过程。从城市AQI日变化看出，天津市空气质量在京津冀区域处于较好水平，北京最好，石家庄、保定、廊坊、唐山和沧州污染相对较重。由此可知，该次污染是一次典型的区域污染过程，污染程度重，持续时间长，可能主要是受到不利气象条件影响。

从污染物浓度和气象要素小时变化看(见图2)，12月15日至22日六项污染物浓度均随气象条件变化呈现出较为一致的变化规律，其中PM_2.5和PM₁₀日均浓度变化幅度最大，是该次重污染过程的主要污染物，PM_2.5小时浓度高达381 μg/m³。16日8时PM_2.5和PM₁₀浓度开始明显上升，天津市空气质量由良转为重度污染。17日至18日受弱气压场、小风力、高湿度影响，污染物迅速累积。19日至20日，天津市湿度过饱和，颗粒物浓度有所下降，但整体扩散条件仍较差，污染物始终处于重度至严重污染水平。21日，天津市受东北方向区域传输影响，污染物再次累积。22日，天津市受早间较强冷空气影响，各项污染物浓度逐渐下降，空气质量逐步改善。与15日非污染日相比，16至22日污染日天津市SO₂、NO₂、PM₁₀、PM_2.5、CO浓度平均分别上升19.2%、72.6%、180.2%、257.1%和260.3%。此外，污染日期间污染物呈现为明显的单峰分布特征。

3.2. 颗粒物化学组分分析

${\text{SO}}_4^{2-}$ 、 ${\text{NO}}_3^{-}$ 、 ${\text{NH}}_4^{+}$ 主要是由气态污染物向颗粒态转化生成的二次产物，、和等二次离子在PM₁₀和PM_2.5中占较大比重，特别是在PM_2.5中有明显分布 [17] ，此次污染过程中PM_2.5增长幅度比PM₁₀更高，表明可能主要受到了二次污染物的影响。12月15至22日主要水溶性离子分析结果表明(见图3)，、和是颗粒物组分中最主要的离子，说明此次污染过程二次反应影响显著。此外，颗粒物中和的质量浓度比可以判断大气中N和S的移动源和固定源的相对重要性，用

Figure 1. Tianjin and the surrounding city AQI from December 15 to 22

图1. 12月15日至22日天津市及周边城市AQI

Figure 2. Hourly changes of six pollutants concentration and meteorological elements in Tianjin from December 15 to 22

图2. 12月15日至22日天津市六项污染物浓度及气象要素小时变化

Figure 3. Changes in water soluble ions and ratio in Tianjin from December 15 to 22

图3. 12月15日至22日天津市主要水溶性离子以及比值变化

于指示大气中机动车尾气排放与煤、石油燃烧污染源 [18] [19] 。此次污染过程中/的小时比值均较高，且/平均值为1.41，说明移动源成为天津地区重要的大气颗粒物污染来源。

3.3. 气象条件特征分析

污染物排放水平和气象扩散条件是影响城市大气环境质量的两个主要因子。在污染物排放水平一定的情况下，空气污染与气象条件有着非常紧密的关系 [20] [21] ，其中最主要的要素包括降水、温度、相对湿度、气压和风向风速等。气象监测表明，在该次污染过程前后没有发生降水，而分析其他主要气象要素(见图2)发现，相对湿度在污染过程中处于较高水平，个别时段达到了90%左右，为二次硫酸盐、二次硝酸盐等的生成以及PM_2.5、PM₁₀等颗粒物的吸湿增长提供了有利条件。与此同时，污染过程期间的气压相比污染前也有明显下降。观察近地面风向风速的变化发现，16日起天津市受西南气流影响，西南方向污染带随西南风向北输送，京津冀区域污染累积，16日中午11时天津市实时AQI达到重度污染水平；18日天津市北部以西北风为主，南部以西南风为主，形成风场辐合，导致污染升级。19日至20日，天津市出现特强浓雾天气，湿度过饱和，颗粒物浓度有所下降，但气压场和风场均较弱，污染物无法扩散，空气质量始终处于重度至严重污染水平。21日，天津市主要以东北风为主，受高湿度及区域传输影响，污染物逐渐累积，直至22日，天津市受西北路径较强冷空气影响，污染逐步缓解。

3.4. 后向轨迹分析

利用HYSPLIT Trajectory Model对天津市12月15日至22日每天24时进行后推48小时气团来向进行模拟(见图4)，可以看出：15日至18日，气团主要来自西南方向，河南省中北部地区，且移速随时间推移而降低，有利于污染物在河北省的堆积，并缓慢推移至天津，与天津本地污染物叠加，形成污染峰值；从气团高度轨迹线上看，在京津冀区域均处于低层，且垂直方向气团交换不明显，污染物传输以近地面传输为主；19日至20日，气团虽然来自北方，但其在越过燕山山脉后，移动速度和气团高度迅速降低，对本地积累的污染物清除作用有限；21日，偏西西南方向气团在跨过太行山脉后从北方进入天津市，但其移动速度在跨过太行山脉后也迅速降低，清除作用有限；22日，受西北路径强冷空气影响，本次污染过程结束。

4. 结论

1) 2016 年12月15日至22日天津市出现典型重污染天气，污染程度重、持续时间长及细颗粒物浓度高，同时京津冀区域其他主要城市的空气质量均较差，尤其是石家庄和保定，是一次典型的区域性重污染天气过程。

2) 主要污染物浓度和气象要素的小时变化表明，2016 年12月15日至22日天津市重污染天气主要是在弱气压场、静风及高湿等不利气象条件下，区域传输及本地污染物排放累积，同时在大气化学反应

Figure 4. Analysis of backward trajectory of heavy air pollution process in Tianjin from December 15 to 22

图4. 12月15日至22日天津市重污染天气过程后向轨迹分析

的作用下，污染物的二次反应共同导致，这与之前相关研究中重污染天气的成因可能有所不同。

3) 后向轨迹分析表明，2016 年 12月15日至22日天津市重污染天气过程中污染气团主要来自西南方向，可能是从河南省中北部地区携带了大量污染物，并且移动速度缓慢，造成天津市较为严重的污染天气。

NOTES

^*通讯作者。