天津市西南地區PM2.5污染及輸送特征研究

馮帥　李興陽　楊旭　溫永菁　王林

摘要：靜海區和西青區是天津西南界輸送影響的關鍵區域，此研究基于2019年-2022年的PM2.5觀測數據和中尺度在線大氣化學模式WRF/Chen的模擬數據，探討區域輸送對天津市西南地區PM2.5的影響。結果表明，在不同的時間尺度上，天津市西南地區的PM2.5污染都呈現冬季高、夏季低的規律，與天津市相比，天津市西南地區的PM2.5污染較重。風速和風向都是影響天津市西南地區PM2.5污染和重要因素。WRF/Chen的數值模擬結果表明，靜海的PM2.5的本地貢獻遠高于西青，靜海和西青作為天津市的西南門戶，周邊區域的輸送是其PM2.5污染的重要來源，尤其是在秋末、冬季和主風向上，周邊的廊坊、滄州、山東、北京和保定是靜海和西青地區PM2.5的關鍵源地。

關鍵詞：PM2.5；區域輸送；數值模擬；關鍵源地

中圖分類號：X513 文獻標志碼：A

前言

PM2.5又稱細顆粒物，是環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5微米的顆粒物。PM2.5粒徑小、面積大、活性強、易附帶有毒、有害物質，并且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，是大氣污染物的重要類型，對人體健康和大氣環境質量都有重大影響。PM2.5的區域輸送是空氣質量預報和大氣污染防治的重要因素。數值模擬是定量估算PM2.5區域輸送的重要手段，國外的CMAQ模型、WRF/Chem模型以及國內開發的CUACE模型和NAQPMS模型都有廣泛應用。天津市是京津冀地區的重要城市，也是中國空氣污染治理的重點區域。目前針對天津市PM2.5的研究已有不少報道，污染物的區域輸送也有研究。西南界輸送是天津秋冬季大氣污染的重要特征之一，靜海和西青是天津的西南門戶，與河北接壤，受西南界輸送影響明顯，也是天津地區西南界輸送影響研究的關鍵區域，但是針對天津市西南地區PM2.5輸送規律的研究還鮮有報道，文章基于2019年-2022年的PM2.5觀測數據，分析天津市西南地區（靜海區和西青區）的PM2.5，污染特征，并基于中尺度在線大氣化學模式WRF/Chen的模擬數據，探討區域輸送對天津市西南地區PM2.5的影響，為天津地區空氣質量預報、重污染天氣預警業務以及大氣污染區域聯防聯控提供技術支撐。

1 研究區域

天津市靜海區和西青區位于天津市西南部，海河流域下游，其西部和南部與河北省的廊坊市和滄州市接壤，東部和北部是天津市。

2 數據來源與方法

2.1 污染物監測數據

空氣質量監測數據來自天津環境監測中心發布數據，包括天津市各站2019年-2021年逐時PM2.5質量濃度，按《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》中的方法計算PM2.5的日值，再計算月平均值和年平均值。

2.2 大氣化學模式輸出的PM2.5質量濃度

天津西側邊界PM2.5質量濃度輸送通量計算使用中尺度在線大氣化學模式WRF/Chen。此研究采用WRF/Chen3.5.1版本，模擬時間為2020年1月l口至2020年12月31日，模擬采用24h滾動計算，每24h重新使用一次FNL氣象初始場，而污染初始場則為上一次的模擬值，積分時長90s。

研究模式的人為排放源清單使用清華大學ME-IC2016，分辨率0.25°×0.25°，化學過程采用MO-ZART-4，長波輻射方案和短波輻射方案均采用RRTMG，邊界層方案使用YSU方案，模式采用兩層嵌套，水平分辨率分別為27km和9km，水平網格91x91和109×109，中心經緯度為38.6°N，116.2°E，垂直方向分為27層，氣象初始場和背景場均使用NECP的FNL全球1°×1°數據。開發過程中將一次源PM2.5標記方法整合到模型中，以便在污染期間識別不同源區對模擬地區的主要PM2.5貢獻。標記方法跟蹤并計算了較大模擬區域內各標記區PM2.5貢獻濃度，這種方法中的示蹤劑考慮了物理過程（例如平流堯垂直混合和對流）的影響，此研究中，模擬區域被分成20個源區域（包括天津、北京和河北地區11個城市），并且將每個源區域識別的主要PM2.5作為獨立變量進行跟蹤。

3 結果與討論

3.1 天津西南地區PM2.5污染特征

如圖1所示2019年-2021年天津市和西南地區（靜海區和西青區）PM2.5日平均值的變化情況。從圖中可以看出，西南地區和天津市的PM2.5年內日平均值變化都呈現“U”型，即夏季低，冬季高。從3年的平均值來看，西南地區的PM2.5污染要高于天津市。

從月平均值來看（如圖2所示），西南地區和天津市的PM2.5的月變化大體也呈現“U”型，最高值出現在1月，最低值出現在8月。整體來看PM2.5的月平均值呈現出夏季低、冬季高的特點。西南地區的PM2.5的月平均值整體高于天津市。從2019年一2021年的平均值來看（見圖2），天津市PM2.5的污染是2019年最高，西南地區是2020年最高。西南地區的PM2.5的年平均值普遍高于天津市。從整體來看，西南地區的污染要高于天津市，是天津市的空氣污染需要重點關注的區域。

3.2 天津西南部地區PM2.5擴散和輸送規律

如圖3所示2019年-2021年靜海和西青的不同方向的地面風速和風向占比的分布情況，可以看出靜海和西青都是北風風速最大，靜海的西南風速最小，西青的南風風速最小。從整體來看，靜海的地面風速要小于西青的。從地面風風向的占比來看，靜海的東南風占比明顯高于其他方向的風，是靜海地區地面風的主風向，而西青的地面風主風向則是南風和東南風。

從靜海和西青的PM2.5在各個方位上的濃度平均值來看，靜海地區的PM2.5在西北方向上的濃度最大，西青地區的PM2.5在正北方向上的濃度最大。結合圖3可以看出，從方位的角度來講，風向和風速對PM2.5的影響是不一樣的，風向對PM2.5有較明顯的影響，主風向相對方向的PM2.5濃度要高于其他方向的，這體現了風對PM2.5的輸送結果。

日尺度上的相關分析表明，靜海和西青的風速與PM2.5濃度之間都是極顯著的負相關關系，即隨著風速的增大，加快了PM2.5的擴散，所以濃度下降。在月尺度上，靜海的風速與PM2.5之間是顯著的負相關關系，但西青的風速與PM2.5之間沒有顯著的相關關系。

從以上的結果可以看出，風是影響天津市PM2.5擴散和傳輸的重要因素，這與許多研究結果是一致的。

基于WRF/Chen模式計算2020年靜海和西青一次PM2.5來源百分比的分布情況來看，從天津各區的貢獻來看，本地是最大的貢獻者，但靜海本地的貢獻（22.00%）遠高于西青的（13.13%），說明西青地區的PM2.5更多是區域輸送的結果。對于靜海來說，天津市其他區PM2.5貢獻都不大，最多的津南區僅有2.57%；但對于西青而言，靜海的貢獻僅低于西青自身的貢獻，達到了11.38%，從相對位置也可以看出，靜海在西青的西南方向，作為西南輸送的最近的源地，其對西青的PM2.5的貢獻較大。（見圖4）

從周邊地區的PM2.5貢獻來看，廊坊和滄州是靜海和西青PM2.5的最大輸入區域。廊坊和滄州毗鄰靜海和西青，且位于靜海和西青的東南、南和西南方，在主風向的上風向，因此PM2.5的輸入量占比最大。

從靜海和西青2020年各月的一次PM2.5來源的占比情況來看，靜海各月PM2.5的自身貢獻占比波動較大，2月份最高可以達到31.39%，12月份最低僅為13.46%：天津其他區對靜海的PM2.5的貢獻比較小，平均貢獻為13.13%，10月份貢獻最小，僅為2.33%。除了5月到9月津南地區的PM2.5貢獻相對高一些以外，其余各區的貢獻值都很低。

周邊其他城市對靜海的PM2.5貢獻比較高，10月-12月都超過了70%，10月和l2月甚至接近80%，1月份也達到了65.11%，可以看出秋末和冬季是靜海地區PM2.5區域輸送的主要季節。在周邊城市中，廊坊、滄州、山東、北京和保定是靜海地區PM2.5輸送的重要源地，其中廊坊和滄州緊臨靜海，山東、北京和保定分別在靜海的東南、西北和西方，山東的貢獻主要在春夏季，是遠距離傳輸，北京和保定的貢獻主要在冬季。從整體來看，PM2.5都是沿著東亞季風的主風向上進行輸送，冬季風的輸送要強于夏季風，說明地面風對靜海PM2.5的輸送有重要的作用。

西青各月PM2.5的自身貢獻占比相對較小，最高是19.78%，最低是9.32%，變化比較穩定。天津市其他地區對西青的PM2.5的貢獻較高，平均達到了31.80%，5月份最高達到了44.26%，貢獻較高的時間主要集中在5-9月，即夏季及其前后。靜海區、津南區和東麗區在這一時間段內對西青的一次PM2.5貢獻都比較高。

周邊其他城市對西青的PM2.5貢獻相比靜海而言比較低，12月份最高為74.46%，最低的5月份僅為38.70%。10月-1月是周邊城市對西青的PM2.5貢獻相對較高的時段，也集中在了秋末和冬季，與靜海的規律一致。在周邊城市中，廊坊、滄州、山東、北京和保定是西青地區PM2.5輸送的重要源地，其中廊坊和滄州距離西青較近，山東、北京和保定分別在西青的東南、西北和西方，山東的貢獻主要在春夏季，北京和保定的貢獻主要在冬季，以上規律和靜海是類似的。盡管西青與以上幾個PM2.5重要源區都有一定距離（只與廊坊有部分接壤），但是地面風的輸送對西青PM2.5的貢獻仍然很明顯。（見表1及表2）

從以f上結果可以看出，風是影響PM2.5的重要因素，風在不同的季節對PM2.5的區域輸送都有重要影響。作為天津市的西南門戶，靜海區和西青區的PM2.5濃度受區域輸送的影響較大，尤其是在秋末、冬季和主風向上，區域輸送甚至是遠距離的區域輸送（山東）都會對靜海區和西青區的PM2.5濃度有較大的貢獻，因此天津市西南地區P2.5的污染治理，必須高度重視周邊區域以及主風向上遠距離區域輸送的影響。

4 結論

綜上，在日和月時間尺度上，天津市西南地區的PM2.5污染都呈現冬季高、夏季低的規律，與天津市相比，天津市西南地區的PM2.5污染較重，是天津市空氣污染需要重點關注的區域。地面風的風速和風向都是影響天津市西南地區PM2.5污染和重要因素，在日時間尺度上，風速和PM2.5濃度之間有顯著的負相關關系。WRF/Chen的數值模擬結果表明，靜海的PM2.5的本地貢獻和周邊外省市的貢獻都要高于西青，天津市其他地區對西青PM2.5的貢獻較大。靜海和西青作為天津市的西南門戶，周邊區域的輸送是PM2.5污染的重要來源，尤其是在秋末、冬季和主風向上，周邊的廊坊、滄州、山東、北京和保定是靜海和西青地區PM2.5的關鍵源地。