風向對北京市重污染日PM2.5濃度分布影響研究
程念亮，張大偉，李云婷，陳添，鄒本東，王欣，郇寧，陳晨，孫乃迪，孟凡
（1．北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心，北京100048;
2．北京師范大學水科學研究院，北京100875;
3．北京市環(huán)境保護局，北京100048；
4．中國環(huán)境科學研究院環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，北京100012）
摘要：對2013年北京市58 d重污染日PM2.5濃度水平進行了分析，并用克里格插值法統(tǒng)汁了重污染期間不同風向PM2.5不同濃度區(qū)間的國土面積。結果顯示2013年北京市重污染日主要集中在冬季，占到全年天數(shù)的15.9%，且重污染日PM2.5平均濃度為218ug／m3；重污染日PM2.5空問分布較為均勻且統(tǒng)計的平均濃度在150 ug/d以f：的國土面積約占總面積的82%;重污染期問重度污染（>150 ug/m3）以j：面積占比分別為南風(87%)、東B( 81%)、西風(70%)、北風(66%)；重污染日不同風向下p(NO。)、p(NH，)、p( S012-)之和約占p(PM2.5)的60‰65%)，且各組分濃度相差不大。
關鍵詞：PM2.5；季節(jié)分布；空間分布；重污染；北京
近年來，我國中東部地區(qū)以PM2.5為首要污染物的空氣重污染現(xiàn)象頻發(fā)，嚴重影響人體健康和城市景觀，PM2.5是指環(huán)境空氣中空氣動力學粒徑≤2.5um的顆粒物，也稱為細顆粒物。2013年新《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095-2012)將PM2.5納入常規(guī)空氣質量評價，標志著我國從污染物排放總量控制管理階段向環(huán)境質量管理階段轉變。實施新標準、開展污
物監(jiān)測和分析分布特征及變化規(guī)律是解決大氣環(huán)境問題的第一步。
北京市是我國的首都，三面環(huán)山，地形呈典型的“簸箕狀”特征，大氣擴散條件較差。隨著城市的發(fā)展，大氣污染呈嚴峻態(tài)勢。改善空氣質量首先要認清影響空氣質量的主要因素，研究表明m大氣中PM2.5濃度大小主要取決于污染源排放和氣象條件，在污染源排放量相對穩(wěn)定的情況下，空氣質量主要受氣象條件的影響和支配。由于重污染天氣中污染物主要集中在邊界層內，除了受大尺度環(huán)流背景場影響外，低空的風、溫、壓、濕等氣象因素最為重要；在眾多氣象條件中，低空風向是影響空氣質量的關鍵因子。當重污染發(fā)生時風向的微妙變化直接影響著高污染濃度的范圍及變化趨勢。
Davis等指出短時間內大尺度環(huán)流形勢和局地氣象條件對重污染過程起著決定作用；吳兌等州發(fā)現(xiàn)近年來珠江三角洲地區(qū)的氣溶膠污染日趨嚴重，受長期風場影響及源排放影響重污染區(qū)位于珠江口以西的珠江三角洲西側；李瓊等在珠江三角州地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)前期高壓脊帶來的穩(wěn)定層結和靜小風條件使得大氣污染物逐日累積，難以擴散；周敏等研究2013年1月中國中東部大氣重污染期間上海顆粒物的污染特征發(fā)現(xiàn)除不利氣象條件外，N03一和S042-的生成效率較高，二次轉化對灰霾持續(xù)起到促進作用；任陣海等指出弱冷空氣弱高壓及小尺度系統(tǒng)對風向風速的改變，對流擴散的觸發(fā)，南北空氣質量的差異，閾值濃度起著非常重要的作用。王喜全等研究發(fā)現(xiàn)北京西南部地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)的小尺度輻合型流場，是形成北京地區(qū)“南北兩重天”現(xiàn)象的重要原因。王躍等研究北京冬季PM2.5重污染發(fā)現(xiàn)局地西南風和東南風輸送與北部山區(qū)偏北風在山前的匯聚，配合邊界層低層順時針方向的風切變，易發(fā)生大氣中細顆粒物的爆發(fā)性增長。王躍思等指出單一站點顆粒物短時間迅速增長可能與排放源有關，但區(qū)域多站點共同表現(xiàn)為此種形式，則與氣象過程特別是風場密不可分。
目前國內外關于北京市重污染PM2.5多點位、長時間序列的研究較為缺乏，本文利用2013年一個完整年北京市35站點監(jiān)測的PM2.5濃度數(shù)據(jù)及觀象臺氣象觀測數(shù)據(jù)，從年均及重污染日PM2.5濃度基本水平、時間分布、空間分布等多個側面展開分析研究，并重點探討PM2.5與風向的關系，以期為管理部門提供準確、及時、全面的信息，積極應對大氣重污染。
1實驗方法
1.1 區(qū)域概況
北京位于東經(jīng)115.70E—117.40E，北緯39.40N—41.6。N，地處華北平原西北端，臨近半沙漠化地帶邊緣，地形為簸箕型，三面環(huán)山，平均海拔43.5 m，山地一般海拔1 000～1 500 m，地形較不利于污染物擴散。國土面積16 410.54 km2，62%為山區(qū)，平原面積僅6 000多km2；森林資源總量偏低，平原區(qū)森林覆蓋率低(14.85%)，遠低于全市覆蓋率(37.6%)，大氣自凈功能較弱。位于北緯400地區(qū)，屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，近10年年降水量平均不足450 mm，又易受沙塵影響，年均降水的80%集中在夏季6、7、8三個月。
1.2數(shù)據(jù)來源
1984年北京市建立了我國第一套環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測系統(tǒng)，隨著城市規(guī)模發(fā)展以及城市空間布局的變化，站點不斷增加；截至目前，北京市的空氣質量地面自動監(jiān)測網(wǎng)絡由35個站點（見圖1）組成，包括1個城市清潔對照點，23個城市環(huán)境評價點，6個區(qū)域背景傳輸點，5個交通污染監(jiān)控點；35個站點分布在城六區(qū)（東城、西城、朝陽、海淀、豐臺、石景山）；西北部（昌平、延慶）；東北部（懷柔、密云、平谷、順義）；東南部（通州、大興、亦莊）；西南部（房山、門頭溝），覆蓋所有區(qū)縣，包括區(qū)域背景、郊區(qū)、城鎮(zhèn)、交通干道、居住區(qū)等不同的環(huán)境類型，所有站點全部經(jīng)過GPS定位。35個空氣質量自動監(jiān)測子站PM2.5質量濃度的監(jiān)測均采用微量振蕩天平( TEOM)方法的Therm0 1405F系列儀器，操作流程嚴格按照《環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T l93-2005)[19]進行，每天24 h連續(xù)進行采樣，設備由技術人員定期檢查及維護保養(yǎng)，有效數(shù)據(jù)捕獲率超過95%。氣象資料為北京市觀象臺地面觀測數(shù)據(jù)( http：//cdc.cma.gov．cn/)，儀器為荷蘭WAISALA公司的WXT520氣象觀測儀。
1.3研究方法
將PM2.5濃度與觀象臺風向小時數(shù)據(jù)一一對應，設定靜風（無明顯風向）、北向風（西北、北西北、北、北東北、東北）、南向風（西南、南西南、南、南東南、東南）、東向風（東南、東南東、東、東北東、東北）、西向風（西南、西西南、西、西西北、西北），設為4個象限，同一象限下，風向角度持續(xù)2個時次以上，單小時風向跨越2個象限將予以剔除，由于缺乏其它站點氣象觀測數(shù)據(jù)，以觀象臺風向代表全市整體風向，默認為全市多數(shù)情況為受到系統(tǒng)風場的影響。風速則按照氣象的定義，劃分為靜風(0—0.2 m/s)、1級風(0.3—1.5 m/s)、2級風( 1.6～3.3 m/s)、3級風(3.4—5.4 m/s)，由于4級風（5.5—7.9 m/s）對污染物的清除效應已經(jīng)非常明顯，且在北京地區(qū)發(fā)生頻率已經(jīng)較低，4級以上風速統(tǒng)一劃歸為一類，合計分為5種風速類別。研究表明靜風風頻較低，本文重點針對重污染日35站點不同風向下PM2.5濃度，用克里格插值方法將北京市最優(yōu)化分為4 537個網(wǎng)格（約1.9 km -個網(wǎng)格），統(tǒng)計不同風向不同濃度段的所占的網(wǎng)格數(shù)即可計算出其對應的國土面積，以此分析不同風向對PM2.5濃度空間分布影響，克里格插值法較為靈活，是對有限區(qū)域變量無偏最優(yōu)估計的一種方法。
2結果分析
2.1 重污染現(xiàn)狀
根據(jù)環(huán)境保護部《環(huán)境空氣質量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定》( HJ 633-2012)分級方法，200<A Q/≤300即150ug/m3<PM2.5日均值≤250 p4g/m3為重度污染，300<A Q/≤500即250 ug/m3<PM2.5日均值≤600ug/m3為嚴重污染。依據(jù)國家標準，結合2013年北京市逐日AQI變化情況，計算了北京市重污染日天數(shù)的逐月分布，見圖2。2013年全市PM2.5年均濃度為89.5 ug/m3，超過年均35 y,g/m3國家標準的1.56倍。2013年重度污染日累計有58 d，占到全年天數(shù)的15.9%。重污染日細顆粒物24 h平均濃度為218ug/m3；1月份重污染日最多，其次是2和3月份，8月份沒有重污染日。整體來說重污染日冬季最多，其次是春秋季，夏季最少；夏季比冬季次數(shù)明顯偏少是因為夏季大氣垂直運動活躍，氣旋活動頻繁，降水較多，污染物擴散條件較好；而冬季為采暖季，燃煤量增加，逆溫較強，污染物容易積累易形成重污染。1-2月、12月重污染日PM2.5平均濃度與該月月均濃度相比，差別最大，在110ug/m3以上，7月重污染日PM2.5平均濃度高出該月月均濃度幅度最小，為93.7ug/m3。
2.2地面氣象要素統(tǒng)計特征
監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示靜風、北風、東風、南風、西風的分布頻率分別為2.6%、28.7%、23.3%、31.6%、13.8%，頻率從高到低的排序為南風、北風、東風、西風，靜風頻率明顯占比較低；重污染日靜風、北風、東風、南風、西風的分布頻率分別為2.9%、21.5%、24.4%、40.9%、10.3%，與全年相比，靜風、東風頻率略有增加，南風頻率明顯增大，增大9.3%，北風、西風風頻減小。本文重點研究北風、東風、南風、西風對PM2.5濃度影響。圖3為2013年全年及58 d重污染日北京市觀象臺地面觀測的風向玫瑰圖及不同風向下PM2.5濃度分布。由圖3可知，與全年相比重污染日偏東風( NE-E-SE)、西南方向(SW)風頻明顯增加，同時風速有所減小，風速降低約24%。不同風向下年均PM2.5濃度在18.35—111.3 ug/m3之間，不同風向下重污染日PM2.5平均濃度在162.86—220.77ug/m3之間，與年均濃度分布相比，重污染日各個方向PM2.5濃度大幅增加，且各個方向PM2.5濃度分布較為均勻，北風控制下濃度達到162.81ug/m3，是年均北風下均值18.35ug/m3的8.87倍，其它各方向約為相同方向年均濃度的2倍。
從全年的情況看，靜風、1級風、2級風、3級風、4級以上風5種風速條件下PM2.5的平均濃度分別為105.4、109.5、86.4、46.1、33.3ug/m3，具有隨著風力增大，PM2.5濃度水平呈明顯遞降特征。靜風和1級風的弱風速條件下，PM2.5濃度水平超過100ug/m3，2級風條件下PM2.5擴散能力有所增強，但仍維持在80ug/m3以上的高濃度水平，3、4級風速條件下PM2.5擴散能力大大增強，濃度大幅度下降，分別達到45和35 LLg/m3上下水平。弱風速和較大風速條件下PM2.5濃度水平差異顯著。靜風、1級風、2級風、3級風、4級以上風5種風速條件下PM2.5的平均濃度分別為212.8、211.6、209.5、148.4、118.1ug/m3，對于重污染日PM2.5小時濃度而言，由于重污染日平均風速為1.69 m/s，大多時候風速起著加重污染的作用，重污染日持續(xù)的靜小風易造成污染物高濃度，從而為重污染的維持提供了有利條件。
表1給出了2013年全年及58 d重污染日地面氣象要素統(tǒng)計，由表1可知2013年全年北京市觀象臺總降雨量為574.3 mm，是重污染日總降水量(35.7 mm)的16倍；重污染日平均相對濕度68.60%，比全年平均相對濕度54.7%高約26.04%；重污染日平均風速1.69 m/s，比年均風速(2.10 m/s)明顯減��；全年能見度約12 km，遠高于重污染日平均能見度(3.5 km)。對比表格中各項物理量的統(tǒng)計值可以看出，重污染日與年均值差異最大的為總降雨量，其次是能見度、相對濕度及風速。
分風向來看，重污染日東風風速(1.63 m/s)最小，濕度( 90.070A)最大，累計降雨量最大(26.5 mm)，可能與渤海灣濕潤氣團及污染回流有關；其它各方向物理量差異較�。籔M2.5濃度按升序排列依次為：北風<西風<東風<南風。靜小風是造成污染物高濃度的重要條
件；較大相對濕度容易造成PM2.5在近地面層吸濕性增長及累積；低氣壓且變化平緩，有利于污染物匯集；降水少，濕沉降作用較弱；高濕天氣并伴有低壓控制，垂直對流、水平擴散條件較弱，是造成近地層濃度較高的主要原因。
從PM2.5與氣象要素的相關性上看，PM2.5濃度與氣溫、風速呈負相關，與相對濕度呈正相關，而地面氣壓與PM2.5相關性很弱，正負相關性主要取決于氣壓中心的位置（見表2）；不同風向下，相對濕度越大，正相關性越低，風速越大，負相關性越好。研究表明，重污染發(fā)生時，風速較小，相對濕度加大，PM2.5逐漸積累；冷空氣過境時，出現(xiàn)正變壓、負變溫，邊界層躍升，北風較大，大氣水平及垂直擴散能力增強，使PM2.5迅速下降。
2.3風向對PM2.5濃度影響
分析方向對不同站點PM2.5濃度影響時，補充了部分環(huán)保局區(qū)縣監(jiān)測站點。整體來看不同風向條件下各點位的濃度有所波動范圍，濃度由小至大順序基本為北風<西風<東風<南風<靜風，不同站點濃度順序有些差異，見圖4。
進一步采用Kriging（克里格）插值法對北京市2013年重污染日不同風向、不同站點PM2.5濃度插值，見圖5。由圖5可知重污染日北京市城六區(qū)以南地區(qū)PM2.5空間分布相對均勻，北部地區(qū)呈現(xiàn)出濃度梯度特征。西北的延慶、懷柔、昌平定陵以南地區(qū)，濃度均在120ug/m:3左右，中心城區(qū)濃度水平在180 ug/m3左右，而南部的豐臺、房山、大興、亦莊、通州等區(qū)縣濃度升高到190 ug/m3以上，南部及城六區(qū)存在明顯的高污染區(qū)。
總體來說，北京重點污染源主要集中在城市的東部、南部等地區(qū)，上風向空氣比較清潔，清潔的北風稀釋了污染物的濃度，城區(qū)及北部地區(qū)空氣質量較好。當北京盛行偏南風時，局地和周邊輸送的污染物（邯鄲、石家莊、保定一線）抵達城市上空，受地形與風向的影響，污染物會受到燕山、太行山的阻擋，無法擴散，滯留在城區(qū)的上空，使PM2.5濃度與北風相比空間分布上明顯提高；PM2.5濃度在偏東風時較高，原因為西南風引起的周邊高濃度污染物傳輸?shù)奖本┥峡蘸�，北面山脈阻擋，使得氣團在城市上空移速減慢，一段時間后風向突然間轉為東北風，污染物回流，加之濕度加大，細粒子稀釋性增長及局地和周邊輸送的污染物（唐山一廊坊一線），加重了空氣污染；當北京盛行偏西風時，垂直擴散條件較好，全市整體濃度較低，僅次于北風作用下的濃度。
表3為不同風向下PM2.5不同濃度段的國土面積占比，可以看出重污染發(fā)生時與全年相比中度污染(PM2.5>115ug/m3)以上對應的國土面積占比顯著增加，空氣質量為良（35 ug/m'3<PM2.5≤75ug/m3）對應的國土面積占比顯著減小。經(jīng)計算重污染日PM2.,5平均濃度在75~115 ug/m3所占的國土面積比例比全年PM2.5平均濃度在75—115ug/m3國土面積比例減少約49%，PM2.5平均濃度在115~150ug/m3所占的國土面積比例比全年增加了約16%，PM2.5平均濃度在150 ug/m3以上的國土面積比年均濃度對應的國土面積增加了約82%(全年PM2.5平均濃度在150ug/m3以上對應的國土面積為0)。重污染日北風時對應的國土面積占比（PM2.5>150ug/m'3）最小，南風占比最大，國土面積( PM2.5 >150ug/m3)占比按升序排列依次為：北風<西風<東風<南風，重度污染以上面積占比分別為南風(87%)、東風(81%)、西風(70%)、北風(66%)。
由重污染日PM2.5濃度插值過程可知，中心城區(qū)由于監(jiān)測點較多，插值誤差較小，而監(jiān)測點較少的門頭溝、懷柔等周邊地區(qū)，一方面周邊污染差異及氣象條件變化較大，另一方面數(shù)據(jù)離散程度較高，導致預測標準誤較大。在房山區(qū)西南邊緣處、門頭溝百花山等地PM2.5濃度插值誤差達到40ug/m3。本文插值后統(tǒng)計的面積不確定性主要來自：(1)“簸箕狀”的特殊地形影響，山間河谷等地區(qū)風向轉換快且風速偏大，PM2.5擴散速率較大，降低了周圍PM2.5濃度；(2)在無風、高濕天氣下，氣體、液體多附著、溶解或混合于凝結核中，易發(fā)生二次化學反應，增加PM2.5濃度；(3)插值方法誤差，由于35站點較集中分布在城六區(qū)，郊區(qū)點個數(shù)較少，插值受采樣點范圍、采樣點密度等參數(shù)影響；(4)單點風速風向也很難代表全市的不同地區(qū)的風速風向，氣象數(shù)據(jù)的不確定性直接影響著插值結果。
2.4風向對PM2.5組分影響
為進一步分析重污染過程污染的特點和離子組成變化，表4統(tǒng)計了年均及重污染日PM2.5中水溶性無機離子（N03、NH4+、S 042-、Cl-、K+、Ca2+、Na+、Mg2+）及
OM、EC的平均濃度，比較和分析不同風向下組分的差異，能更好了解污染形成的化學過重污染日中無機組分p（N03一）、p(NH4+)、p（S042-）值較高，p（Cl-）、p(K+)、p(Ca2+)值較低，各離子組分按質量濃度大小排序均為：p（S042-）>p（N03一）>p( NH。+) >p（C1一）印(K+)>p(Na+)>p(Ca2+)印(Mg“)。年均p（NO。一）、p( NH。+)、p（S042 -）分另0占p(PM：5)的15.56%、32.71%、12.48%，重污染日J9（NO。一）、』9（NH4+）、p（S 042-）分別占p( PM2.5)的17.35%、32.78%、13.51(V0，各組分比值大小與Zhang等、Duan等在北京的研究結果一致，遠高于上海、西安、青島研究結果；重污染日不同風向類別下p（N03一）、p(NH。+)p（S042-）之和約占p(PM2.5)的60%—65%，且JD（NO。一）、p(NH。+)、p（S042-）濃度均呈現(xiàn)出靜風>南風>東風>西風>北風的規(guī)律。OM、EC也是大氣中PM2.5的重要組分，重污染日不同風向下p(OM) p(EC)與年均值相比，明顯增大，p(OM) p(EC)之和約占p( PM2.5)的29%—32%。研究‘361認為，p(OM)約為p(OC)的1.4倍，且p(OC)/p(EC》2時指示大氣中有SOC生成，經(jīng)計算表明不同風向下重污染過程中p(OC)/p(EC)值在7.8—8.7之間，說明重污染日有較強的二次轉化過程，而在此期間氣溫相對較高、RH較大、大氣氧化性相對較強、大氣較為靜穩(wěn)，為OC二次轉化過程提供了有利條件。
不同風向下各組分濃度相差不大，說明污染狀況下污染的形成來源比較穩(wěn)定，重污染日的形成更多表現(xiàn)為污染物“量”積累。由于污染排放量大，遠超本身所具有的環(huán)境容量，靜風、小風又使得污染物難以擴散，大氣中化學反應較為強烈，PM2.5組分持續(xù)的積累并保持穩(wěn)定。
3結論
(1)2013年北京市重污染日共58 d主要集中在冬季，重污染日PM2.5平均濃度為218 ug/m3，重污染日PM2.5平均濃度在150ug/m3以上的所占的國土面積比例約為82%。
(2)重污染日國土面積（PM：->150ug/m3）按升序排列依次為：北風<西風<東風<南風，重度污染以上面積占比分別為南風(87%)、東風(81%)、西風(70%)、北風(66%)；
(3)重污染日不同風向下p（N03-）、p( NH4+)、p（S 042-）之和約占p( PM2.5)的60%～65%，且各組分濃度相差不大。
