【专家解读】天津市1月12-16日重污染过程解读

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导   读

2018年1月12日起，受系统性偏南风和不利气象条件影响，京津冀及周边地区出现一次大气重污染过程，多城市出现中-重度污染。针对天津市的污染过程，国家大气污染防治攻关联合中心及时邀请南开大学冯银厂教授对此次污染过程进行分析解读。

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总体情况

（图1  1月12日-16日常规污染物浓度时间序列）

2018年1月12-16日，京津冀及周边城市出现一次大范围的污染过程，多城市出现中-重度污染。如图1所示，以PM2.5小时浓度超过75微克/立方米计为污染时段，天津市的污染时段为1月12日的23时至1月15日的6时，污染时段累积达50小时，全过程可分为四个阶段：中度污染阶段、短暂好转阶段、重污染阶段和消散阶段。

从2018年1月12日23时开始至14日2时天津市出现第一次污染累积并达到中度污染水平，14日9时至15日6时为第二次累积时段，达到重度污染水平。全市小时平均PM2.5浓度于12日23时达到75微克/立方米并持续累积升高直至1月13日12时达到峰值；受边界层大幅抬升的影响，空气质量出现短暂好转，于14日7时降低至69微克/立方米；此后风向由西风转为弱北风或西北风，期间受污染物的区域传输影响，同时边界层再次压缩导致污染物浓度再次累积升高；15日6时之后受东风的消除作用和边界层抬升影响，污染逐步消散。PM10和PM2.5全市小时平均浓度分别于14日21时和22时达到本次污染过程中的峰值，分别为254和213微克/立方米。

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成因分析

（图2  1月13日-16日激光雷达监测结果）

（图3  天津局地气象参数时间序列）

2.1 第一阶段（12日23时至14日2时）：中污染阶段

在该阶段污染发生的初期，颗粒物浓度的升高主要来自污染物的一次排放和二次转化，且二次污染特征显著；在污染发展阶段，工业燃煤源贡献逐渐降低，机动车源相对贡献升高。

1月13日，大气污染物主要在太行山沿线地区累积，天津市的污染程度明显低于保定、北京等周边城市。与以往多数污染过程不同，在本轮污染过程的发生阶段，边界层高度呈增加趋势（图2），垂直扩散条件较为有利，未发现边界层大幅下压；同时，随着风速降低，静稳天气形成，同时环境相对湿度大幅升高(图3，由~20%升高至~60%)，二次盐类的转化条件变为有利，NH4+、SO42-和NO3-的累积速率均>1（图4），SNA占比由~35%升高至~55%（图5），PM2.5/PM10比值由~0.5升高至~0.7。可见，在本次污染发生的初期，颗粒物浓度的升高主要与污染物的一次排放和二次转化有关，且二次污染特征显著。

（图4  颗粒物中主要化学组分累积速率时间序列）

（图5  颗粒物中主要化学组分浓度及对应百分含量时间序列）

在第一次污染过程PM2.5浓度达到峰值前期，SO2和CO累积速率较高（>1，图6），PM2.5浓度在13日12时达到峰值时，SO2亦达到峰值，CO也出现小峰值，而NO2浓度缓慢增长，B/T(苯/甲苯)不断升高（图7），说明相对于移动源，工业燃煤源的贡献在污染发生阶段相对突出。随着PM2.5浓度自峰值浓度不断下降，SO2累积速率开始同步下降而NO2的累积速率逐渐升高，CO和NO2同时在18时左右达到峰值，而此时SO2却降低至谷值，这期间环境空气中B/T(苯/甲苯)比值不断下降，以上信息综合印证了在重污染过程的发展阶段，工业燃烧源贡献不断降低，机动车贡献逐渐升高。

（图6  污染物累积速率（V=Ct+1/Ct）时间序列）

（图7 各污染物或化学组成的比值时间序列）

2.2 第二阶段（14日3时至8时）：短暂好转。

受边界层迅速抬升的影响，14日3时至8时天津市垂直扩散条件明显改善，PM10、PM2.5、SO2和NO2等污染物浓度呈现下降趋势（图1），有利的垂直扩散条件短时间缓解了污染程度，天津市空气质量出现短时好转。

（图8  NASA风场时间变化趋势）

2.3 第三阶段（14日9时至15日6时）：重污染阶段。

边界层高度持续降低（由~1000m降至不足200m）导致污染物累积效应明显；区域重污染消散初期，北部区域传输加重了污染。

如图8所示，14日9时开始天津市风向由西风逐渐转为北风，风速较小，再次出现了污染累积过程。污染累积期间边界层高度持续降低（从14日11时的612 m下降至15日2时的145 m），这期间颗粒物、NO2和CO浓度不断升高直至达到最高值。从污染物浓度的时间变化趋势来看（图1），PM2.5、NO2、CO浓度均呈明显的持续增长，从污染物的累积速率时间变化趋势来看（图6），边界层高度下降的时段，PM10和PM2.5的累积速率逐步升高（>1），且PM2.5的累积速率大于PM10。PM2.5/PM10比值不断升高，但SNA在颗粒物中的占比变化并不明显（图5，维持在~50%左右），与第一阶段不同，颗粒物浓度的上升应该是边界层下压导致的污染物累积所致。在重污染的累积过程中，NO2和CO均呈与颗粒物同步累积升高的趋势，而SO2呈不断下降的趋势，此时天津市已采取橙色应急减排措施，应该是固定源排放得到了有效控制，而移动源的贡献较为突出。

14号午后至15日上午，西北方向的新风自北向南逐渐改善了京津冀地区空气质量，在此过程中，天津市14日午后至15日凌晨污染加重，有明显的上风向区域传输特征。由图8所示，14日上午天津市内风向主要为西风，污染空间分布体现为西北高东南低（天津市污染程度低于北京、廊坊、唐山市），14日09时以后逐渐转为西北风和北风，受到北部地区传输和本地累积的共同影响，天津市污染程度转而高于北京、唐山，直至14日22时达到重污染峰值。

（图9  金属元素浓度及对应百分含量时间序列）

2.4 第四阶段：消散期。

15日上午天津市大气污染逐渐向西消散，来自东北部的污染气团对天津市的SO2和CO有明显的贡献。

15日上午风速逐渐增大且风向转为东风，随着边界层高度的迅速抬升，污染开始消散；但边界层高度抬升缓慢（如图2，直到15日早上7时边界层高度仍处于200m以下），结合风场发现15日凌晨近地面由北风转为东风，在污染消散初期污染物的消散主要因为水平方向扩散条件转为有利。而在颗粒物浓度降低的15日8-9时，天津市SO2和CO平均浓度出现明显的峰值，NO2浓度也出现小峰值，来自东北部的污染气团对本地的SO2和CO有明显贡献。在污染消散时段，随着风速的升高，PM2.5/PM10比值大幅降低，颗粒物中Ca和Fe等地壳元素的百分含量明显高于重污染时段（图9），扬尘贡献凸显；消散期，O3浓度升高，OC/EC比值明显升高（~3），约为重污染过程中的两倍（~1.5），二次颗粒物贡献升高。

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应急措施

根据环保部启动重污染天气区域应急联动的要求，经市政府批准，天津市发布重污染天气橙色预警，从1月13日零时起启动Ⅱ级应急响应措施，按照《天津市重污染天气应急预案》的责任分工，开展重污染天气应对工作，并于1月16日零时起终止实施应急响应措施。按照排放清单估算，本次污染过程期间可减排PM2.5321吨、PM10639吨、VOCs 1315吨、CO 3604吨、SO2 267吨、NOx 1108吨。

预警期间Cl-、OC、EC的百分含量明显低于预警前和预警后期，PM2.5/PM10、SO42-/NO3-、OC/EC比值均保持稳定，金属元素的相对含量在预警期间也较为稳定，B/T（苯/甲苯）随着污染过程的发展逐渐减低。综上，预警期间工业源类贡献下降，扬尘源贡献基本稳定，机动车源相对贡献升高，说明相关应急减排措施在工业排放管控上取得明显成效。

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