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  气象   2018, Vol. 44 Issue (11): 1489-1500.  DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2018.11.012

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贾小芳, 颜鹏, 董璠, 等, 2018. 2013—2016年北京朝阳站PM2.5质量浓度变化特征[J]. 气象, 44(11): 1489-1500. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2018.11.012.
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JIA Xiaofang, YAN Peng, DONG Fan, et al, 2018. Variations of PM2.5 Mass Concentration at Chaoyang Site in Beijing During 2013-2016[J]. Meteorological Monthly, 44(11): 1489-1500. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2018.11.012.
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资助项目

国家自然科学基金重点项目(91644223)、国家自然科学基金面上项目(21377165和21777191)及中国气象局气象探测中心青年基金(MOCQNJJ201408)共同资助

第一作者

贾小芳,主要从事大气成分监测研究.Email:jiaxiaofangstar@126.com

通信作者

颜鹏,主要从事大气成分观测与模拟研究.Email:yanpeng@cma.gov.cn

文章历史

2017年6月8日收稿
2018年9月18日收修定稿
2013—2016年北京朝阳站PM2.5质量浓度变化特征
贾小芳 1, 颜鹏 1, 董璠 2, 张晓春 1, 李杨 1, 郭伟 1    
1. 中国气象局气象探测中心,北京 100081
2. 中国气象局京津冀环境气象预报预警中心,北京 100089
摘要:利用2013年2月至2016年1月北京朝阳环境气象站PM2.5质量浓度和同步地面风数据,重点分析了PM2.5质量浓度的变化特征及受地面风的影响情况。观测期间测点PM2.5年平均质量浓度为80.6±4.0 μg·m-3,为环境空气质量标准(GB3095—2012)二级年均浓度限值(35 μg·m-3)的约2.3倍,季节变化特征明显,冬季最高(115.1 μg·m-3)、夏季最低(58.5 μg·m-3)。测点主导风向为ENE—E—ESE,风速主要集中在0.2~2.0 m·s-1。当地面风来自ENE—E—ESE方向时PM2.5质量浓度最高(109.1 μg·m-3),来自WNW—NW—NNW方向时最低(39.5 μg·m-3)。PM2.5质量浓度随风速增大先上升后下降,在0.4 m·s-1时达最高,为139.2 μg·m-3。风速在0.2~2.0 m·s-1时主要受ENE—E—ESE方向影响,而2~6 m·s-1时主要受ESE方向影响较大。通过与其他站点的比较发现,不同站点各方向污染源和地面风的差异导致了PM2.5质量浓度在各方向分布的差异。
关键词PM2.5    质量浓度    地面风    
Variations of PM2.5 Mass Concentration at Chaoyang Site in Beijing During 2013-2016
JIA Xiaofang1, YAN Peng1, DONG Fan2, ZHANG Xiaochun1, LI Yang1, GUO Wei1    
1. Meteorological Observation Centre, CMA, Beijing 100081;
2. Environmental Meteorological Forecast Centre of Beijing-Tianjin-Hebei, CMA, Beijing 100089
Abstract: Using the PM2.5 mass concentration and surface wind data from February 2013 to January 2016 at Chaoyang Environmental Meteorological Station in Beijing, the characteristics of PM2.5 and its influence by surface wind are analyzed. The results show that the annual concentration of PM2.5 is 80.6±4.0 μg·m-3, 2.3 times the annual concentration limits (35 μg·m-3) regulated in the ambient air quality standard (GB3095-2012) of China. Its seasonal variation is obvious with the highest concentration in winter (115.1 μg·m-3) and the lowest in summer (58.5 μg·m-3). The dominant wind direction at Chaoyang Site in Beijing is ENE-E-ESE, and the wind speed ranges between 0.2-2.0 m·s-1. The concentration is the highest (109.1 μg·m-3) in the dominant ENE-E-ESE wind direction and the lowest (39.5 μg·m-3) in WNW-NW-NNW. With the increase of wind speed, PM2.5 concentration increases first and then decreases. The highest concentration (139.2 μg·m-3) appears at the wind speed of 0.4 m·s-1. When the wind speed is in 0.2-2.0 m·s-1, the concentration is mainly affected by ENE-E-ESE, and when the wind speed is 2-6 m·s-1, the value is influenced by ESE more. By comparing with the PM2.5 data from other sites, we found that the different characteristics of pollution sources and ground winds result in the difference of PM2.5 mass concentration in different wind directions.
Key words: PM2.5    mass concentration    surface wind    
引言

近年来,我国华北、珠三角、长三角等地区高浓度大气污染事件频繁发生(Shen et al,2017; Guo et al,2014; Kang et al,2013; Huang et al,2014; Wang et al,2014a; 2014b; 2014c; Zhang et al,2014; 2015a; Andersson et al,2015; 何心河等,2016),在不同气象条件下,同一地点的大气污染物浓度水平可相差几十倍乃至几百倍。风向和风速是影响污染物运输量和分散度的主要因素之一(Zhang et al,2015b),例如,不同来向的气团所对应的PM2.5质量浓度及组分会有所差异(Wang et al,2015a),气溶胶质量浓度与风速大小存在负相关等(杨军等,2001)。

受地形及城市下垫面的影响,北京不同区域主导风向存在差异(张德山等,2007),同时污染源分布存在非均匀性,北京不同地区地面气溶胶质量浓度分布及其受地面风的影响会有所差异。关于北京地区PM2.5质量浓度受风的影响已有一些研究,如李云婷等(2015)发现当出现南风、东风时,北京PM2.5质量浓度明显偏高; 赵晨曦等(2014)认为主导风向的季节差异是导致北京气溶胶质量浓度春冬季节差异的原因之一; 程念亮等(2015)发现小风是导致2013年1月北京出现气溶胶重污染的原因之一; 花丛等(2017)发现当北京近地面风速小于2 m·s-1时PM2.5质量浓度普遍较高(西北风除外)。但这些研究中的PM2.5质量浓度和地面风资料并未来自同一个站。这种气溶胶观测资料与地面风资料的空间不一致,可能对分析结果有一定影响。

朝阳区是北京市重要的纺织、电子、化工、机械制造、汽车制造工业基地,也是北京市重要的外事活动区。本工作利用朝阳环境气象站2013年2月至2016年1月PM10、PM2.5质量浓度和地面风观测资料,结合周边主要污染源分布,深入探讨了该站点气溶胶质量浓度变化特征、地面风对PM2.5质量浓度的影响,以及与北京其他区域PM2.5质量浓度变化特征的异同点。

1 观测站点与资料

朝阳环境气象站(39°57′N、116°30′E,海拔35.3 m)位于北京市朝阳区酒仙桥东风南路朝阳区气象局内,配套国家级自动气象站,站点位置见图 1。颗粒物观测仪器安装在方舱内,采样口高度距离地面约5 m。观测点200 m范围内,北部约130 m处有一条双向单车道公路,工作日的工作时间(08— 18时)平均车流量约为920辆·h-1; 东部为铁路; 南部主要为房屋; 西部无明显建筑和污染源。根据研究期间污染源调查和朝阳区环保局公布的大气污染源情况,200 m范围外主要污染源如下:NE方向900 m左右为家具制造厂和再生水厂; ENE方向2 km左右为东五环七棵树桥,9 km左右为水质稳定剂厂和污水处理厂; E方向9 km左右为高安屯垃圾填理场和垃圾焚烧发电厂,15 km处为废物处理公司; SE方向3、7、16、18 km左右分别为东五环平房桥、高碑店污水处理厂、建筑装饰公司和双桥电镀厂; 西北方向5 km左右以外有一些供热或动力公司。

图 1 朝阳站地理位置图 Fig. 1 Location of Chaoyang Site

PM10、PM2.5质量浓度由GRIMM 180在线颗粒物监测仪(Grimm Aerosol Technik,德国)连续测量。该仪器采用激光散射原理对颗粒物质量浓度进行测量,符合欧洲标准EN12341(PM10)、EN14907(PM2.5),并获得美国EPA认证(PM2.5)。为减少水汽对测量结果的影响,配置非加热去湿管以保证测量过程中相对湿度小于40%。按照中国气象局《大气成分观测业务规范》(中国气象局,2012)进行PM10、PM2.5质量浓度观测,并定期进行仪器运行状况检查、气管路清洗维护、标校与流量校准等,观测数据记录频率为5 min。原始数据经过时间序列检查、多观测要素协同相关判断、孤点极值排除等方法进行质量控制,在此基础上计算小时均值。按环境空气质量标准(GB3095—2012;环境保护部和国家质量监督检验检疫总局,2012),进行PM2.5、PM10质量浓度日均值和年均值统计,有效日均值率为93%。

地面风小时数据由CAWS600B(S)-NEW型自动气象站测量,仪器安装符合中国气象局气象站有关场地的规范要求,观测数据经过了人工订正和异常数据处理。

2 PM2.5质量浓度、地面风的变化特征 2.1 PM2.5质量浓度变化特征

观测期间,朝阳站PM2.5年平均质量浓度为80.6±4.0 μg·m-3,约为GB3095—2012(环境保护部和国家质量监督检验检疫总局,2012)二级年均浓度限值(35 μg·m-3)的2.3倍,浓度水平与朝阳区其他观测结果接近(表 1)。三年PM2.5日平均质量浓度为83.2±69.4 μg·m-3,约为环境空气质量标准二级日均浓度限值(75 μg·m-3)的1.1倍。由图 2可知,朝阳站PM2.5质量浓度季节变化特征明显,冬季(12月、1—2月)最高(115.1 μg·m-3),秋季(9—11月)和春季(3—5月)次之(分别为80.9、77.7 μg·m-3),夏季(6—8月)最低(58.5 μg·m-3)。PM2.5质量浓度月均值在28.2~149.0 μg·m-3,最低月均值出现在2015年6月,最高月均值出现在2014年2月。月超标率(各月超标日数占本月样本数的比例)分布在3%~81%,冬季月超标率较高,夏季月超标率较低。北京城区的持续重污染过程多发生在供暖季(苗蕾等,2016),冬季PM2.5质量浓度和月超标率较高。

表 1 朝阳站PM2.5质量浓度与邻近其他站点观测结果的比较 Table 1 Comparison of PM2.5 concentration at Chaoyang Site with other research

图 2 2013年2月至2016年1月朝阳站PM2.5、PM10质量浓度和月超标率 Fig. 2 Monthly mass concentrations and exceeding standard rate of PM2.5 and PM10 at Chaoyang Site from February 2013 to January 2016

PM10年平均质量浓度为152.1±23.0 μg·m-3,约为GB3095—2012(环境保护部和国家质量监督检验检疫总局,2012)二级年均浓度限值(70 μg·m-3)的2.2倍。三年PM10日平均质量浓度为168.0±128.5 μg·m-3,约为环境空气质量标准二级日均浓度限值(150 μg·m-3)的1.1倍。PM10质量浓度在冬季最高(225.0 μg·m-3),春季和秋季次之(分别为200.6、153.0 μg·m-3),夏季最低(87.0 μg·m-3)。朝阳站PM10质量浓度和月超标率的时间变化与PM2.5保持很好的一致性(图 2)。2013年12月PM10质量浓度为422.0 μg·m-3,与2013年12月石家庄人民会堂站(414 μg·m-3)(高康宁等,2015)和2013年2月北京中国环境监测总站(348.0 μg·m-3)的观测值(刀谞等,2015)接近。有研究表明重污染期间(2013年1月)北京中国环境科学研究院的PM10日均质量浓度大于500 μg·m-3(郑子龙等,2014)。2013年12月朝阳站较高的月超标率(97%)是该月月均值较高的原因之一,同时月均PM2.5质量浓度(128.7 μg·m-3)也较高,反映了朝阳站2013年12月污染较重的特点。

从PM2.5与PM10的比值(PM2.5/PM10)看,朝阳站三年日均的PM2.5/PM10为0.54,与1999年冬季至2000年秋季北京车公庄(0.55)(杨复沫等,2002)、2003年1月至2004年1月北京白石桥(0.55)(徐敬等,2007)和2009—2010年北京健德门(0.48)(Kong et al,2016)的观测结果相近,但低于北京市环境状况公报公布的朝阳区的平均结果(表 1)。分析认为造成这种差别,一方面是因为站点不同,北京市环境状况公报采用的是城市建成区环境评价监测站的监测结果,监测站点是奥体中心站和农展馆站,而本观测所在的朝阳站周边市政设施建设相对不太成熟,观测期间受周边建筑工地扬尘影响,颗粒物中的粗粒子比例增高,PM2.5/PM10降低; 另一方面,两者使用的测量仪器不同也是造成PM2.5/PM10差异的一个原因。据调研,北京市环境状况公报公布的PM10质量浓度观测使用TEOM1400(微震荡天平法)测量,而PM2.5质量浓度观测使用TEOM1405F测量(表 1)。因TEOM1400测量时加热挥发造成颗粒物质量损失(Charron et al,2004),使得PM10的观测值偏低,而TEOM1405F通过滤膜动态测量系统(FDMS)对挥发性物质予以补偿,研究表明加滤膜动态测量系统的TEOM1405F的观测值大于GRIMM180(李菲等,2015)。因此,观测仪器的不同也是造成朝阳站PM2.5质量浓度略低于北京市环境状况公报公布的结果,而PM10质量浓度却较高的原因之一。朝阳站PM2.5/PM10在夏季最高(0.68),与刀谞等(2015)在京津冀地区的研究结果(0.72)相近,在秋季和冬季次之(0.56和0.55),春季最低(0.40)。

2.2 地面风变化特征

参照李颖敏等(2011)的方法,把≤0.2 m·s-1的地面风定义为静风。观测期间朝阳站的主导风向为ENE—E—ESE(29.9%)(表 2),N—NNE—NE的风频次之(18.1%)(图 3a),与张德山等(2007)在与朝阳站最接近的东北环区内发现的东北风频率最高(31%)的结论较吻合。图 3b给出了不同地面风向对应的平均风速,风速在WNW—NW—NNW方向最大(3.2 m·s-1),NE—ENE—E方向最小(1.4 m·s-1)。

表 2 2013年2月至2016年1月朝阳站全年和四个季节主导风向和频率 Table 2 Dominant wind direction and frequency at Chaoyang Site from February 2013 to January 2016

图 3 2013年2月至2016年1月全年(a, b)和季节(c, d)朝阳站风频(a, c)和风速(b, d; 单位:m·s-1)玫瑰图 Fig. 3 Rose diagrams of wind frequency (a, c) and wind speed (b, d; unit:m·s-1) in whole year (a, b) and seasons (c, d) at Chaoyang Site from February 2013 to January 2016

观测期间风速主要出现在0.2~2 m·s-1(63.5%),其次是2~4 m·s-1(28.3%)。不同风速段在不同风向出现频率不同,0.2~2 m·s-1风速段在ENE方向出现频率最大(14.7%); 2~4 m·s-1风速段在SW方向出现频率(11.0%)比其他方向略高; 4~6、6~8、>8 m·s-1在NW方向频率最高(分别为26.7%、38.7%和42.4%)。

3 观测期间PM2.5质量浓度随地面风向、风速分布特征 3.1 各方向PM2.5质量浓度、PM2.5/PM10分布特征

图 4a显示了观测期间朝阳站PM2.5质量浓度在不同风向上的分布。PM2.5质量浓度在ENE—E—ESE方向最高(109.1 μg·m-3),其次是NE方向(102.0 μg·m-3),WNW—NW—NNW方向最低(39.5 μg·m-3),静风时为123.2 μg·m-3。总体来说,静风时以及来自ENE—E—ESE方向污染源对朝阳站高浓度PM2.5贡献较大。PM2.5/PM10在E—ESE—SE方向最大(0.63),WNW—NW—NNW方向最小(0.37),静风时为0.60。一般而言,PM2.5/PM10较高时对应的PM2.5质量浓度也较高。当风来自E—ESE—SE方向时PM2.5/PM10比值高于静风,说明来自E—ESE—SE方向吹来的颗粒物中二次细粒子较多。

图 4 2013年2月至2016年1月朝阳站各方向(a)PM2.5质量浓度(单位:μg·m-3)及其标准偏差,(b)PM2.5相对标准偏差和PM2.5/PM10分布 Fig. 4 Mass concentration (unit: μg·m-3) and standard deviation of PM2.5 (a), relative standard deviation of PM2.5 and PM2.5/PM10 (b) in different wind directions at Chaoyang Site from February 2013 to January 2016

图 4a4b给出了PM2.5质量浓度标准偏差、相对标准偏差在各方向的分布。可以看出,PM2.5质量浓度标准偏差基本与平均浓度的分布保持一致,即浓度高的风向对应的标准偏差一般也较高,体现了高浓度方向的污染源相对不太稳定。但在SSW、SW方向和偏北的几个方向上有所不同,WNW、NW、NNW三个偏北方向上PM2.5质量浓度最低,但其标准偏差都超过较高浓度水平的SSW、SW方向。总体来说,北风时PM2.5质量浓度相对波动较大; 偏南风时,波动较小。静风时PM2.5质量浓度最高,但标准偏差(86.5 μg·m-3)低于东北方向,推测朝阳站东北方向局地污染源相对较稳定。

图 5显示了不同季节PM2.5质量浓度在各风向的分布(图 5a)及其与各风向上三年总体平均浓度的差值(图 5b)。总体上看,各个季节PM2.5质量浓度随风向的分布与三年总体平均情况类似(图 5a),均在NE—E—SE方向、W方向和静风时出现高值,而在WNW—NW—N方向较低。但与总体平均相比,除了在北到偏西北(WNW、NW、NNW)上各个季节差别不大,其他方向均显示冬季明显偏高、夏季偏低,春、秋季与总体平均相当的特点(图 5b)。北到偏西北各个季节浓度较低且与总体平均接近的主要原因是该方向主要对应相对清洁地区, 污染排放较少且风速较大(图 3d),平流和稀释作用使得这几个方向上的PM2.5质量浓度较低且四季差异较小。冬季由于北京及北方地区采暖造成污染排放源增加,同时大气边界层高度较低,温度层结相对稳定,且在大部分方向(NNE—E—S—W)风速接近或低于其他季节(图 3d),较弱的大气扩散能力使得污染物累积,造成冬季PM2.5质量浓度在NNE—E—S—W方向较全年平均值显著偏高。夏季尽管水平风速较低(图 3d),但由于地面辐射加热,热力对流使得大气垂直扩散能力较强,再加上较多的降水对颗粒物的湿清除作用,使得夏季PM2.5质量浓度在各个方向上均低于对应风向上的总体均值,也低于同样以非采暖排放源为主要的春季和秋季。

图 5 2013年2月至2016年1月朝阳站不同风向上(a)四个季节PM2.5质量浓度及(b)与全年均值差值的变化 Fig. 5 PM2.5 mass concentration (a) and difference between seasonal and annual values (b) in different wind directions at Chaoyang Site from February 2013 to January 2016

冬季PM2.5质量浓度与总体平均的差值在偏东和SW—WSW—W方向相对偏高,这是因为偏东方向的乡村地区大范围采暖等造成颗粒物排放源增加使得测点PM2.5质量浓度偏高,而SW—WSW—W方向对应北京城区方向,冬季城市排放增加对测点PM2.5质量浓度影响较大。夏季PM2.5质量浓度在NNE—ENE—ESE以及W方向上比总体平均低的最多,这是因为这几个风向上(除了NE方向较其他方向相对略低)总降水量和>5 mm降水的次数均明显高于其他季节,降水清除作用可能是造成PM2.5质量浓度在这两个方向上比总体平均低很多的主要原因。春季和秋季PM2.5质量浓度处于四个季节中的平均水平,与总体均值较为接近,但在NE—E—SE方向PM2.5质量浓度略低于总体均值。

静风时PM2.5质量浓度在冬季显著高于总体均值,春季和秋季略高于总体均值,而夏季显著低于总体均值。静风情况下,由于低层风速近似为0 m·s-1,动力作用(包括湍流和水平输送)相比其他风向更弱,不同季节污染排放源以及大气热力条件的差异对污染物的积累和扩散作用的影响更明显,冬季排放源强、大气温度层结稳定、垂直扩散能力最弱,而夏季污染排放比冬季少、热力对流输送和降水清除较强,使得静风时PM2.5质量浓度在冬季和夏季的差别最大。

3.2 PM2.5质量浓度与地面风风速关系

风对PM2.5污染物起到输送和稀释作用,一般来说,站点处于污染源下风向时,随着风速增大,输送会造成站点污染物浓度升高,但伴随风速加大,扩散能力增强,污染物浓度降低(周丽等,2003; 陈敏等,2013; 黄海燕和郑国光,2009)。图 6给出了朝阳站PM2.5小时质量浓度与地面风速的关系。随着风速增大,PM2.5质量浓度先增加后减小,当风速为0.4 m·s-1时PM2.5质量浓度最高(139.2 μg·m-3),即气溶胶高浓度值发生在小风或静风时(杨东贞等,2002)。PM2.5质量浓度在风速为8.4、9.2 m·s-1时出现波动最大,这是因为大风速发生频率较低,当个别时次出现扬沙或者其他污染事件时,就会拉高该风速下PM2.5平均质量浓度水平。例如研究期间仅有3个时次对应的风速为8.4 m·s-1,而其中2015年3月28日12时因受扬沙影响,PM10小时质量浓度高达1019.0 μg·m-3,而PM2.5质量浓度超过190 μg·m-3,使得该风速下PM2.5平均质量浓度升高至76.8 μg·m-3

图 6 2013年2月至2016年1月朝阳站PM2.5小时质量浓度与地面风速关系 Fig. 6 Correlation between PM2.5 mass concentration and wind speed at Chaoyang Site from February 2013 to January 2016
3.3 不同方向PM2.5质量浓度频数分布

为进一步深入分析各方向PM2.5质量浓度分布情况,按8个风向对各方向PM2.5小时质量浓度数据按5 μg·m-3为间隔进行频数分档统计和洛伦兹拟合。由图 7可知,各方向PM2.5平均质量浓度的频数分布呈现单峰特征,峰值对应的质量浓度不同。当风来自E、SE和S方向时,峰值对应的质量浓度较高,分别为42.1、60.3、49.6 μg·m-3; 而NW、N和NE方向峰值对应质量浓度较低,分别为17.0、17.2、6.2 μg·m-3。峰宽从N—E方向逐渐变大,从E—SW方向逐渐变小,显示了E方向PM2.5质量浓度波动较大,污染源相对复杂。NW、N方向峰宽最窄,显示这几个方向浓度波动较小,污染源比较稳定。

图 7 2013年2月至2016年1月朝阳站各风向和静风PM2.5质量浓度频数分布图(a)N, (b)NE, (c)E, (d)SE, (e)S, (f)SW, (g)W, (h)NW, (i)静风 Fig. 7 Frequency distribution of PM2.5 mass concentration and their Lorentz fitting in different wind directions and in calm condition at Chaoyang Site from February 2013 to January 2016 (a) N, (b) NE, (c) E, (d) SE, (e) S, (f) SW, (g) W, (h) NW, (i) calm

针对E方向PM2.5质量浓度频数分布峰宽较宽的特点,图 8进一步分析了该方向三年中每年夏季(当年6—8月)和采暖期(当年11月15日至次年2月28日)的频数对比情况,发现2013年夏季出现PM2.5小时质量浓度大于100 μg·m-3的情况,而2014和2015年并未出现这种情况。ENE—E—ESE方向为夏季主导风向,同时夏季垃圾填埋场二次有机气溶胶的重要前体物VOCs的种类和浓度都远远高于冬季(黄丹丹等,2014),推测夏季高浓度值可能与E方向的垃圾填埋场和垃圾焚烧厂有关。2014年6月1日实施的新标准《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485—2014;环境保护部和国家质量监督检验检疫总局,2014)中颗粒物、氮氧化物、二氧化硫排放标准都有不同程度的收紧,虽然现有项目自2016年1月1日起执行新标准,但同时北京市市政市容管理委员会在2014年增加了对处理设施节能减排方面的考核(刘敏等,2015),这可能是2014和2015年夏季高峰值未再出现的原因之一。

图 8 2013—2015年夏季(a,c,e)与采暖期(b,d,f)朝阳站E方向PM2.5质量浓度小时均值频数分布 Fig. 8 Frequency distribution of PM2.5 mass concentration in E direction during summer (a, c, e) and heating period (b, d, f) at Chaoyang Site from 2013 to 2015
3.4 朝阳站受其周边排放源与长距离(区域)输送的影响

为了分析各方向近距离和远距离输送对朝阳站的影响,图 9分析了各方向不同风速段的PM2.5质量浓度,发现风速在0.2~2 m·s-1时,ENE—E—ESE方向PM2.5质量浓度最大,而在较大风速(2~6 m·s-1)时,ESE方向浓度最高。相比而言,朝阳站受ENE—E—ESE方向较近的污染源影响较大,如NE方向为家具制造中心,ENE方向为东五环七棵树桥,E方向为铁路道路、东五环路、高安屯垃圾填理场和垃圾焚烧发电厂。ESE方向除了受16 km处建筑装饰公司、18 km处双桥电镀厂的影响,可能还受河北香河、廊坊和天津等远距离输送的影响。

图 9 2013年2月至2016年1月朝阳站各风向不同风速PM2.5质量浓度分布图 Fig. 9 PM2.5 mass concentration in different directions at different wind speeds at Chaoyang Site from February 2013 to January 2016

W方向在风速为0.2~2、2~4 m·s-1时浓度较大,站点偏西方向北二环和北三环城区的污染物可能会对PM2.5质量浓度有所贡献。此外三元热能中心和太阳宫燃气热电公司分别距离站点W方向约4和7 km,可能也会对朝阳站造成影响。尽管在西北方向5 km左右以外有一些供热或动力公司,但由于WNW—NW—NNW方向风速最大(3.2 m·s-1) (图 3b),大风造成的动力稀释作用(图 4a)导致该方向PM2.5质量浓度最低(39.5 μg·m-3),同时PM2.5/PM10最小(0.37),推测该方向气溶胶以西北方向吹来的粗颗粒为主。

通过欧拉和拉格朗日混合型大气扩散模式HYSPLIT(http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php)可直观了解大气中的气团或粒子运动轨迹(刘超等,2017),运用TrajStat软件计算朝阳站一年(2013年2月至2014年1月)每日4个时次(00、06、12、18时)3 d(72 h)的后向轨迹。所用气象资料为美国国家海洋和大气局(NOAA)提供的GDAS数据,起始高度设为100 m。通过聚类得到6条轨迹(图 10),来自站点南部的轨迹3频率最高(30.3%),对应的PM2.5质量浓度较大(105.5 μg·m-3),说明河北中南部对站点高浓度PM2.5有所贡献; 站点东南部的轨迹6对应的PM2.5质量浓度虽然较高(109.4 μg·m-3),但频率较小(11.2%),说明站点东南部的天津、山东等地区对朝阳的高浓度PM2.5有一定的贡献; 站点西北方向的轨迹1较短、频率较低(17.9%),对应的PM2.5质量浓度较高,说明河北西部、内蒙古等地区对朝阳站PM2.5质量浓度有贡献,但西北方向长的轨迹2和5,对应的PM2.5质量浓度较小(分别为48.6、84.0 μg·m-3),对应的频率与轨迹1(分别为14.5%、14.9%)接近,使得来自西北方向气团中PM2.5质量浓度整体有所降低。自偏北方向的较长的轨迹4对应的PM2.5质量浓度较小,频率为11.1%。总体而言,来自河北中南部的气团对高浓度PM2.5贡献较大,而站点偏北地区的气团对低浓度PM2.5贡献较大。

图 10 朝阳站站点后向轨迹聚类分析图(单位:μg·m-3) Fig. 10 Result of the cluster analysis on backward air mass trajectory to Chaoyang Site (unit: μg·m-3)
4 与北京其他观测站点对比

Wang et al(2015b)通过分析2005—2010年长距离输送对北京健德门PM2.5质量浓度的影响,发现在SE和S方向上PM2.5质量浓度最高(76~120 μg·m-3),Pu et al(2011)发现2006—2008年7—9月北京海淀1500 m高空西南方向PM2.5质量浓度最高(98.6 μg·m-3),李云婷等(2015)通过统计分析2013年北京6个站点各风向下PM2.5质量浓度得出南风、东风时北京PM2.5质量浓度明显偏高。这些研究与朝阳站的观测结果不完全一致,朝阳站在ENE—E—ESE方向上出现较高PM2.5质量浓度(图 4a)。一方面是由于分析所用的风资料的尺度(空间、时间等)的不同。另一方面也可能与不同站点各方向污染源和风向频率、风速等的不同有关,健德门S—SE方向为市区中心方向,海淀西南方向主要受北京石景山和河北保定等重污染地区的输送影响,而朝阳站东部存在高安屯垃圾填理场和垃圾焚烧发电厂等污染源。

为深入分析同一城市不同站点PM2.5质量浓度受地面风的影响,进一步利用2013年2月至2016年1月中国气象局环境气象站北京海淀站和昌平站PM2.5质量浓度和地面风气象数据,进行了各风向PM2.5质量浓度的统计,虽然朝阳站、海淀站、昌平站均在西北方向出现浓度低值,但最高PM2.5质量浓度出现方位却不同。一方面从污染源的角度看,海淀站地处西三环,周边污染源分布相对比较均匀,因而在NE、ENE、SE、S多个方向出现相差不大的PM2.5质量浓度峰值; 而昌平站地处北六环,污染源主要在北京市区方向,因而在北京市主城区所在的E—ESE方向出现峰值。另一方面,从地面风特征角度看,与朝阳站不同,海淀站和昌平站分别在NE和NNW风频最高,各风向对应的风速也不同。城市中气溶胶的分布和来源复杂,同时受城市建筑等影响,地面风也表现出不同特征,站点周边污染源和风的差异性导致PM2.5质量浓度分布的差异性,因此要获取城市的空气质量,需要更多的站点,同时若进一步深入探讨不同站点的污染特征必须匹配必要的气象观测。

5 结论

(1) 2013年2月至2016年1月北京朝阳站PM2.5年平均质量浓度为80.6±4.0 μg·m-3,是环境空气质量标准二级年均浓度限值的约2.3倍,季节变化特征明显,冬季最高(115.1 μg·m-3),秋季和春季次之(分别为80.9、77.7 μg·m-3),夏季最低(58.5 μg·m-3)。PM2.5质量浓度月均值在28.2~149.0 μg·m-3,月超标率分布在3%~81%。PM10年平均质量浓度为152.1±23.0 μg·m-3,是环境空气质量标准二级年均浓度限值的约2.2倍。三年平均看,PM2.5日均质量浓度在PM10中所占比例为54%,在夏季最高(68%),秋季和冬季次之(56%和55%),春季最低(40%)。

(2) PM2.5质量浓度在ENE—E—ESE方向最高(109.1 μg·m-3),WNW—NW—NNW方向最低(39.5 μg·m-3),静风时为123.2 μg·m-3。东北方向风速最低,PM2.5质量浓度波动大,PM2.5/PM10较低,污染源不太稳定; 偏南方向风速略高,浓度波动小,PM2.5/PM10较高,污染源比较稳定; 偏西北方向,风速最高,PM2.5/PM10较低。PM2.5质量浓度随着风速的增加先增加后减小,在0.4 m·s-1时最高(139.2 μg·m-3)。风速在0.2~2 m·s-1时ENE—E—ESE方向浓度最高,而2~6 m·s-1时ESE方向浓度最高,推测ENE—E—ESE方向受较近的污染源影响较大,ESE方向可能还受河北香河、廊坊和天津等远距离输送的影响。

(3) 通过与其他站点的比较发现,不同站点各方向污染源和地面风的特征存在差异,导致PM2.5质量浓度在各方向分布的差异。因此要获取城市的空气质量,不仅需要建立全面的观测站网,同时深入探讨不同站点的污染特征必须匹配必要的气象观测。

致谢:感谢朝阳、海淀、昌平环境气象站工作人员的辛勤观测。

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