对位于中国北部沿海城市天津的PM2.5和臭氧共污染特征及其成因的案例分析

《Atmospheric Environment》：Episode analysis of the characteristics and causes of PM 2.5 and ozone co-pollution in Tianjin, a coastal city in northern China

本研究基于2017-2024年天津观测数据，分析PM2.5与O3复合污染特征，发现污染天数在2018年激增后逐年下降至2021年，2024年回升至35天。通过CMAQ模型模拟发现，高温高湿、静稳天气及海陆风循环易诱发复合污染。O3-PM2.5耦合机制表现为O3先升后触发PM2.5二次生成（贡献率21.76%），而PM2.5-引发型则因区域传输（山东贡献25.57%）叠加逆温形成复合污染。研究揭示区域协同减排与优化大气氧化条件是防控关键。

　　

作者：刘海宁|高毅|张美根|韩晓|朱莉|杨建波

中国天津市海洋气象重点实验室，天津300074

摘要

作为中国北部的一个典型沿海城市，天津经常遭受PM_2.5和臭氧（O₃的严重共污染，暖季（4月至9月）期间每日8小时平均臭氧浓度（MDA8 O₃）≥160 μg m^-3，每日平均PM_2.5浓度（PM_2.5_24h）≥35 μg m^-3。然而，天津共污染的气象特征和形成机制仍不清楚。本研究基于2017年至2024年的观测数据，分析了天津共污染天的时间变化。选取了两个典型案例，利用社区多尺度空气质量（CMAQ）模型研究了共污染的气象影响和驱动因素。2018年至2021年间共污染天数有所减少，2024年增至35天，占暖季总污染天数的45.5%。共污染天的MDA8 O₃浓度高于单纯O₃污染天，这突显了大气氧化加剧的作用。共污染容易发生在高温、高相对湿度、风力较弱或海陆环流较弱以及温度逆温的天气条件下。本研究探讨了天津共污染的两种形成机制：2020年6月27日的O₃引发的共污染表现为O₃先升高，随后PM_2.5增加；2022年4月8日的PM_2.5引发的共污染则由区域传输和积累引起，这与不利的气象条件（海陆风和温度逆温）有关。研究结果表明，减少大气氧化和加强区域合作对于北方沿海地区的共污染防控至关重要。

引言

地表臭氧（O₃）和空气动力学等效直径小于2.5 μm的颗粒物（PM_2.5）是中国的主要空气污染物，对人类健康、生态系统和气候变化有显著影响（Li等人，2025；Lyu等人，2023；Chen等人，2020；Qiao等人，2019）。根据2017-2024年中国生态环境状况公报，年均PM_2.5浓度显著下降，而O₃污染却在恶化并扩散至全国。2022年，O₃超标天数（47.9%）首次超过PM_2.5超标天数（36.9%）。华北平原（NCP）地区空气污染最为严重（Wang等人，2025；Dai等人，2023；Liu等人，2020），2024年的年均PM_2.5浓度和每日8小时平均O₃浓度第90百分位数（MDA8 O₃）分别为国家环境空气质量标准（NAAQS，GB3095-2012）二级标准的1.21倍（42.2 μg m^-3）和1.12倍（179 μg m^-3）。这表明高PM_2.5和O₃的共污染问题已成为NCP地区空气质量改善的严峻挑战，其健康影响比单独暴露于任一污染物更为严重（Siddika等人，2019）。作为渤海西岸的沿海城市，天津由于广泛的石油化工和港口贸易，排放了大量初级污染物。由于其独特的地理位置和气象条件，天津的共污染形成机制和驱动因素更为复杂（Gu等人，2022；Han等人，2019；Meng等人，2019）。

在高污染排放背景下，共污染事件对气象条件和污染物传输的变化更为敏感（Liu等人，2025；Ji等人，2024）。许多先前的研究系统地分析了共污染事件期间的天气模式和气象条件（Wang等人，2025；Dai等人，2024a；He等人，2022；Liu等人，2021）。在中国，气旋和反气旋是主要的共污染环流类型，伴随静态或弱风、高温和低湿度（Tong等人，2024）。然而，不同城市群的共污染主要环流模式存在显著空间差异：长江三角洲（Qin等人，2021）、珠江三角洲（Lai等人，2018）和华北平原（Wang等人，2025；Yan等人，2024）的共污染分别与弱低压、大陆冷高压和气旋低压系统相关。在天津，共污染的天气模式分为五种类型，其中低压、冷锋前沿和弱高压占92.5%（Xiao等人，2022）。此外，Meng等人（2019）提出海陆风通过增强PM_2.5的扩散降低了其浓度，但通过增强其区域传输和垂直下沉作用增加了O₃浓度。

PM_2.5和O₃通过相同的前体物质、大气氧化能力、消光过程和异质反应相互作用（Qu等人，2023；Wu等人，2022；Zhu等人，2021；Gao等人，2020）。一些研究表明，在不利气象条件下，PM_2.5的积累和吸湿增长，以及强南风驱动的区域传输可能是共污染天PM_2.5浓度过高的主要原因（Chen等人，2019）。此外，大气氧化能力是共污染形成的关键驱动因素（Wang等人，2024），它决定了痕量气体的去除速率和二次污染物的生成速率（Dou等人，2024；Dai等人，2023，2024b）。Liu等人（2021）观察到，夏季和秋季天津氧化剂（如O₃）的背景浓度较高，促进了二次颗粒物的形成，夜间海水的传输有效增强了硝酸盐（$$）（如N₂O₅的水解反应）的生成，这是共污染天PM_2.5显著增加的重要机制。

然而，关于天津共污染形成机制的现有研究主要基于长期观测数据的统计分析或典型事件的观测分析。天津共污染事件期间的具体物理化学过程，包括气象条件的影响、O₃和PM_2.5之间的相互作用以及污染源仍不清楚，需要进一步利用数值模型进行研究（Zhang等人，2025；Tong等人，2024）。因此，有必要研究天津共污染的原因和来源。本研究基于2017年至2024年的观测数据，分析了天津共污染事件的年度变化特征，并选取了两个典型案例研究共污染的形成机制。利用社区多尺度空气质量（CMAQ）模型中的综合过程分析（IPR）和综合源分配方法（ISAM）模块，量化了主要物理化学过程和区域源对共污染事件的贡献。本研究结果可为天津PM_2.5和O₃污染的协同防控措施提供科学支持。

模型描述

CMAQv5.0.2模型系统已被广泛用于城市和区域尺度空气污染的理论研究和业务预报（Liu等人，2022；Han等人，2018；Li等人，2017a），本研究用该模型模拟了O₃和PM_2.5的生成和传输。区域大气建模系统（RAMS）的初始和边界条件由欧洲中期天气预报中心（ECMWF）再分析数据集提供（空间

天津共污染概况

为了了解天津共污染的年度变化，我们统计了2017年至2024年暖季（4月至9月）的共污染天和单污染天（图2）。总体而言，PM_2.5单污染天数呈下降趋势，而O₃单污染天数呈上升趋势。2017年至2021年间，共污染天数从34天增加到67天，但随后逐年减少至2021年的12天

结论

基于地面观测和CMAQ模型，我们分析了典型沿海城市天津共污染的变化特征及其原因。利用PA和ISAM模块，量化了不同物理化学过程和区域源对天津共污染的贡献。本研究的主要结论如下：

统计分析显示，2018年共污染天数急剧增加，随后稳定下降至2021年，之后再次上升

作者贡献声明

张美根：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学，资金获取，概念构思。高毅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，方法学，资金获取，概念构思。刘海宁：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，方法学，调查，数据整理，概念构思。杨建波：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，资金获取，

未引用参考文献

GB 3095，2012；Kurokawa等人，2013；Li等人，2019。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2022YFC3701203）、国家自然科学基金（编号：42205092、42077203、41830966）以及国家关键科技基础设施项目“地球系统数值模拟设施”（EarthLab）（编号：2025-EL-PT-001041）的支持。作者感谢为国家空气质量与气象数据库提供支持的机构。