丁偉宸 劉勤亞 張 俊 吳成志 陳乃翀 胡 非

1 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029 2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3 北京中氣輝光科技有限公司，北京 100085 4 中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081 5 北京新機(jī)場建設(shè)指揮部，北京 102602 6 三捷(環(huán)境工程)咨詢公司，杭州 310012

提 要： 北京大興國際機(jī)場作為吞吐量巨大的超大型國際樞紐，其運(yùn)營過程中飛機(jī)尾氣排放量大，對機(jī)場周邊地區(qū)大氣環(huán)境的影響不容忽視。為研究不利氣象條件下飛機(jī)尾氣排放對大氣環(huán)境的影響，根據(jù)北京市環(huán)境空氣數(shù)據(jù)篩選出2020年度不利氣象條件時(shí)段，基于北京大興國際機(jī)場2025年規(guī)劃相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用排放與擴(kuò)散模型系統(tǒng)(EDMS)建立飛機(jī)尾氣排放源清單，開展不利氣象條件下大氣污染擴(kuò)散模擬預(yù)測分析。氣象分析結(jié)果表明不利氣象條件時(shí)段存在小靜風(fēng)、高濕、厚度薄而強(qiáng)度大的接地逆溫等特征，該時(shí)段北京地區(qū)經(jīng)歷以PM2.5為首要污染物的重污染過程，并伴隨著低能見度天氣。模式預(yù)測結(jié)果顯示在不利氣象條件下摩擦速度和混合層高度等參數(shù)均處于較小的水平，大氣污染擴(kuò)散條件較差，飛機(jī)尾氣對周邊環(huán)境產(chǎn)生較大程度的影響，且污染物落地濃度存在晝間較低、夜間較高的時(shí)間分布規(guī)律。分析不利氣象條件下的污染氣象特征和飛機(jī)尾氣污染物落地濃度分布特征對開展機(jī)場大氣污染控制措施研究工作具有一定的參考價(jià)值。

引 言

交通運(yùn)輸污染源是大氣污染的重要來源之一，隨著機(jī)場業(yè)務(wù)量的不斷增長，飛機(jī)尾氣排放(特別是吞吐量巨大的大型國際機(jī)場)對大氣環(huán)境的影響日漸成為人們高度關(guān)注的問題。北京大興國際機(jī)場定位超大型國際樞紐機(jī)場，于2019年9月25日正式投運(yùn)，設(shè)計(jì)目標(biāo)年即2025年，旅客吞吐量：7200萬人次，貨郵吞吐量：200萬噸，飛機(jī)起降：62.8萬架次。該機(jī)場位于北京市南部，大興區(qū)榆垡鎮(zhèn)、禮賢鎮(zhèn)和河北省廊坊市廣陽區(qū)之間，在秋、冬季不利氣象條件下，該地區(qū)時(shí)常發(fā)生霧-霾污染事件，而機(jī)場吞吐量位居全國前列，運(yùn)營過程中必然產(chǎn)生大量飛機(jī)尾氣排放，加劇環(huán)境空氣污染，大大降低機(jī)場周邊能見度，對機(jī)場開放關(guān)閉、飛機(jī)的起飛著陸和飛行安全都有很大影響(趙慧霞等，2010；邵振平，2014；陳玉蓉，2019；臺(tái)宏達(dá)等，2019)，因此研究分析不利氣象條件下飛機(jī)尾氣排放對機(jī)場周邊環(huán)境空氣質(zhì)量的影響至關(guān)重要。

目前對機(jī)場大氣污染的研究主要以飛機(jī)尾氣CO2和NOx排放(Sausen and Schumann，2000；Liu et al，2003；陳林，2013；朱佳琳等，2020)及其對氣候的影響(Marais et al，2008)為主。伯鑫等(2017)指出,國內(nèi)機(jī)場環(huán)境影響評價(jià)報(bào)告書評價(jià)重點(diǎn)為機(jī)場噪聲影響，而針對機(jī)場大氣污染影響的分析較為簡單。由于飛機(jī)在起飛、降落和滑行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的SO2、NOx、VOCs、CO、PM10、PM2.5等污染物(Brasseur et al，1998；Mahashabde et al，2011)，飛機(jī)尾氣排放的大氣污染物是機(jī)場總污染物的主要部分，可能給周邊環(huán)境空氣質(zhì)量帶來較大影響。國內(nèi)外眾多學(xué)者對飛機(jī)起飛降落(landing-taking off,LTO)的尾氣排放量進(jìn)行核算評估，估算一般依據(jù)國際民用航空組織飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)大氣污染物排放系數(shù)數(shù)據(jù)庫(ICAO Aircraft Engine Emissions Databank，http:∥www.easa.europa.eu/document-library/icao-aircraft-engine-emissions-databank)(夏卿等，2008；宋利生，2013；黃清鳳等，2014；楊芮，2018；韓博等，2020)或區(qū)域移動(dòng)源排放清單(樊守彬等，2010)。Schürmann et al(2007)、Zhu et al(2011)、儲(chǔ)燕萍(2013)、Masiol and Harrison(2014)和袁遠(yuǎn)等(2018)采用飛機(jī)尾氣排放量和周邊區(qū)域污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)對比的方式評價(jià)上海浦東、天津和瑞士蘇黎世等機(jī)場飛機(jī)尾氣排放對周邊環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。朱艷玲(2015)采用排放與擴(kuò)散模型系統(tǒng)(Emissions and Dispersion Modeling System，EDMS)定量計(jì)算了飛機(jī)尾氣對周邊環(huán)境空氣質(zhì)量的影響程度和影響范圍，在此基礎(chǔ)上提出有效的減緩措施，并對措施前后污染物濃度變化情況進(jìn)行了對比分析。由此可見，飛機(jī)尾氣排放對機(jī)場周邊大氣環(huán)境產(chǎn)生較大影響，污染物濃度在部分區(qū)域超過環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。而現(xiàn)有研究在分析尾氣排放的環(huán)境影響時(shí)大多沒有區(qū)分正常天氣條件和重污染天氣條件，對重污染過程中污染物濃度分布情況的研究存在不足。重污染過程是目前最受關(guān)注的大氣問題之一，飛機(jī)尾氣污染物的大量排放，可能加重重污染天氣負(fù)擔(dān)，因此，對于重污染過程期間的污染氣象和飛機(jī)尾氣污染物落地濃度時(shí)空分布特征研究尤其重要。

根據(jù)《北京新機(jī)場項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書》(https:∥www.mee.gov.cn/ywgz/hjyxpj/jsxmhjyxpj/xmslqk/201605/W020160522143434085352.pdf)，在2025年規(guī)劃情景下，北京大興國際機(jī)場飛機(jī)尾氣中SO2和NOx的排放量較大，分別為355.30 t·a-1和4873.21 t·a-1，機(jī)場尾氣對大氣環(huán)境的影響不容忽視，且機(jī)場所在的大興區(qū)作為北京市南大門，在秋、冬季時(shí)常經(jīng)歷重污染過程，開展不利氣象條件下飛機(jī)尾氣對環(huán)境影響的研究至關(guān)重要。本文結(jié)合北京市2020年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)篩選不利氣象條件時(shí)段，并進(jìn)行污染氣象分析，采用EDMS模式建立北京大興國際機(jī)場的飛機(jī)尾氣排放源清單，以2020年為預(yù)測基準(zhǔn)年模擬2025年規(guī)劃情景下的飛機(jī)尾氣對周邊環(huán)境的影響，重點(diǎn)研究不利氣象條件下污染氣象、大氣擴(kuò)散能力和飛機(jī)尾氣污染物落地濃度時(shí)間分布特征。

1 不利氣象條件時(shí)段污染氣象特征

大氣污染物的擴(kuò)散能力與區(qū)域內(nèi)的氣象條件特別是大氣邊界層結(jié)構(gòu)和湍流特性密切相關(guān)，氣象影響因素包括風(fēng)向、風(fēng)速、相對濕度、氣壓、溫度等。京津冀相關(guān)研究(王躍等，2014；程念亮等，2016；桂海林等，2019；賀園園等2019；韓笑顏等，2020)結(jié)果表明，重污染發(fā)生時(shí)，往往地面風(fēng)速小、濕度大、最大混合層高度低，這些氣象特征均不利于污染物擴(kuò)散。

本文基于北京市空氣質(zhì)量歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，篩選出2020年度的不利氣象條件時(shí)段，同時(shí)收集了距離北京大興國際機(jī)場較近的北京市大興舊宮站2020年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、河北省固安氣象站2020年地面氣象數(shù)據(jù)和北京市觀象臺(tái)2020年探空氣象數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)相關(guān)氣象要素，分析重污染過程中的地面氣象條件變化及邊界層逆溫情況。結(jié)果表明，不利氣象條件時(shí)段內(nèi)污染氣象特征為弱風(fēng)高濕、近地層有較強(qiáng)逆溫層結(jié)?？諝赓|(zhì)量數(shù)據(jù)來源于北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心(http:∥www.bjmemc.com.cn/)，地面和探空氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心。

1.1 不利氣象條件時(shí)段篩選

根據(jù)北京市空氣質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)，2020年2月10—15日北京市出現(xiàn)重污染過程，首要污染物為PM2.5，11—13日達(dá)到重度污染，14日后大氣污染呈降低趨勢直至消散(表1)。

表1 2020年2月10—15日北京歷史環(huán)境空氣質(zhì)量和天氣狀況Table 1 Historical air quality and weather conditions in Beijing from 10 to 15 February 2020

1.2 不利氣象條件時(shí)段地面污染氣象特征

2020年2月10—15日不利氣象條件時(shí)段NO2和PM2.5污染物小時(shí)濃度如圖1a所示，根據(jù)濃度變化可將這次污染過程分為4個(gè)階段，其中EP1為中度污染階段，EP2為重度污染階段，EP3—EF4污染過程基本結(jié)束。

圖1a和1b顯示了2020年2月10—15日重污染過程期間污染物濃度和風(fēng)速風(fēng)向變化(在重污染過程期間，2月12日13—14時(shí)、13日15—17時(shí)、14日11—12時(shí)PM2.5污染物小時(shí)濃度缺測)。由圖可知，EP1—EP2重污染發(fā)生期間PM2.5濃度較高，小時(shí)濃度范圍為116～275 μg·m-3，均值為193 μg·m-3，NO2小時(shí)濃度范圍為24～125 μg·m-3，均值為57 μg·m-3。此時(shí)段內(nèi)以偏東風(fēng)為主，風(fēng)速較小，多為小靜風(fēng)(0～2 m·s-1)，期間平均風(fēng)速為0.7 m·s-1，0～2 m·s-1風(fēng)速大小占比高達(dá)99.0%。圖1c和1d是重污染過程期間氣溫、相對濕度、氣壓和能見度變化，EP1—EP2階段平均氣溫為2.6℃，平均相對濕度達(dá)到80%，氣溫和相對濕度日變化較為明顯，且日均溫度和濕度呈上升態(tài)勢，符合冷鋒過境前特征。重污染過程期間，天氣以霧為主，相對濕度較高會(huì)導(dǎo)致二次顆粒物爆發(fā)性增長，從而導(dǎo)致區(qū)域能見度下降(劉瑞翔等，2020;劉兆東等，2020)，期間能見度均值為2.1 km，并在13日09時(shí)降至70 m。在EP3—EP4污染結(jié)束階段，受北方冷空氣影響(曹爽等，2020)，風(fēng)速明顯增強(qiáng)，期間平均風(fēng)速達(dá)2.8 m·s-1，大于2 m·s-1風(fēng)速占比高達(dá)87.5%，氣溫和相對濕度快速降低，平均氣溫為0℃，平均相對濕度為60%，地面氣壓升高，且天氣由暴雪轉(zhuǎn)晴，降雪將顆粒物濕沉降至地面，晝間地面升溫，湍流強(qiáng)度增加，污染物迅速擴(kuò)散，在EP4階段PM2.5和NO2小時(shí)濃度均值分別降到5 μg·m-3和6 μg·m-3。能見度隨著PM2.5濃度下降逐漸好轉(zhuǎn)，在EP4階段能見度始終維持在22 km以上。相比EP1—EP2階段，EP3—EP4階段平均風(fēng)速增大了300%，平均相對濕度下降了25%，PM2.5和NO2小時(shí)平均濃度分別下降了97%和89%。

圖1 2020年2月10—15日北京大興國際機(jī)場區(qū)域污染物小時(shí)濃度和氣象參數(shù)演變(空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)：大興舊宮站；氣象數(shù)據(jù)：固安站；EP1—EP4表示AQI污染等級(jí)及污染過程，下同)Fig.1 Map of regional pollutant concentrations and meteorological parameters of Beijing Daxing International Airport area from 10 to 15 February 2020(air quality data: Daxing Jiugong Station; meteorological data: Gu’an Station; EP1—EP4 indicate AQI pollution levels and pollution processes, the same below)

1.3 不利氣象條件時(shí)段逆溫特征分析

本節(jié)使用的高分辨率溫度探空數(shù)據(jù)來源于北京市觀象臺(tái)，觀測時(shí)間為每日的08時(shí)和20時(shí)(北京時(shí)，下同)。采用一階導(dǎo)數(shù)算法(Guo et al，2020)識(shí)別逆溫層。首先計(jì)算一條溫度廓線的導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)，然后從地表至2000 m高度檢查數(shù)據(jù)，如果導(dǎo)數(shù)為正且100 m高度范圍內(nèi)保持為正，則認(rèn)定為逆溫層，一般要求逆溫層頂和層底溫差大于0.5℃。如果存在非常薄的負(fù)導(dǎo)數(shù)層，即層高小于100 m，則認(rèn)為該層次為逆溫層的一部分。最后，將底高度小于100 m的逆溫層歸為接地逆溫，大于100 m的歸為懸浮逆溫。逆溫層需計(jì)算如下參數(shù)：(1)逆溫層厚度，即逆溫層頂高和底高之間的高度差ΔH；(2)逆溫強(qiáng)度，公式為ΔT/ΔH×100,即逆溫層頂部和底部溫度差ΔT除以逆溫層厚度ΔH，一般用單位℃·(100 m)-1表示。

2020年2月10—15日08時(shí)和20時(shí)的溫度探空曲線見圖2。由溫度廓線圖可知，EP1—EP2期間(2月10—13日)08時(shí)存在接地逆溫，逆溫厚度為560～1254 m,逆溫強(qiáng)度為0.7～2.4 ℃·(100 m)-1，20時(shí)在近地面存在較為淺薄的穩(wěn)定層結(jié)。20時(shí)接地逆溫開始發(fā)展，由于接地逆溫和殘留層綜合作用導(dǎo)致近地面存在淺薄的穩(wěn)定層結(jié)，經(jīng)過一夜的發(fā)展，到08時(shí)形成厚度較大的接地逆溫層，符合夜間逆溫形成并逐漸增厚的逆溫發(fā)展規(guī)律。夜間至早晨穩(wěn)定層結(jié)的存在阻礙了空氣的垂直對流運(yùn)動(dòng)，不利于污染物的擴(kuò)散和傳輸，污染物在逆溫層中不斷累積形成重污染天氣。

圖2 2020年2月10—15日北京市觀象臺(tái)溫度廓線[橫線代表接地逆溫層厚度；橫線上第一行數(shù)字為接地逆溫層厚度，單位：m；第二行為逆溫強(qiáng)度，單位：℃·(100 m)-1]Fig.2 Temperature profile of Beijing Station from 10 to 15 February 2020[Horizontal line in each temperature profile represents the ground temperature inversion layer height； the first-line number above the horizontal line is the height of the ground inversion layer, unit: m； and the second-line number is the temperature inversion strength, unit: ℃·(100 m)-1]

EP3和EP4期間受冷空氣影響，整體逆溫結(jié)構(gòu)不明顯，擴(kuò)散條件較好，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為優(yōu)良。

2 飛機(jī)尾氣源強(qiáng)及特征

根據(jù)《北京新機(jī)場項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書》，在2025年規(guī)劃情景下，北京大興國際機(jī)場飛機(jī)尾氣中各污染物排放量分別為SO2：355.30 t·a-1,NOx：4873.21 t·a-1,VOCs：576.71 t·a-1,CO：3131.94 t·a-1,PM10：27.87 t·a-1,PM2.5：27.87 t·a-1。飛機(jī)尾氣中SO2和NOx排放量分別占2020年大興區(qū)工業(yè)企業(yè)重點(diǎn)污染物“十三五”總量控制計(jì)劃中SO2和NOx目標(biāo)總量的55.0%和57.8%。其中作為二次PM2.5重要前體物的NOx排放量最大，因此本次研究以NOx、PM2.5為重點(diǎn)污染物，分析不利氣象條件下飛機(jī)尾氣對大氣環(huán)境的影響。

本文采用EDMS生成飛機(jī)尾氣在各個(gè)高度和水平范圍內(nèi)的一系列立體源強(qiáng)和排放參數(shù)。該模型重點(diǎn)關(guān)注飛機(jī)尾氣排放源的設(shè)置，飛機(jī)在1個(gè)LTO循環(huán)中污染物的排放量包含6個(gè)工作模式，分別為進(jìn)場(approach)、進(jìn)場滑行(taxi in)、啟動(dòng)(start up)、出場滑行(taxi out)、起飛(take off)和爬升(climb out)。按照機(jī)型分類(表2)、機(jī)型組合(表3)、不同時(shí)段飛行計(jì)劃(表 4，機(jī)場正常運(yùn)營時(shí)間為07—22時(shí)，22時(shí)至次日07時(shí)的飛機(jī)架次較少)和機(jī)場跑道起降分配(圖 3)等信息處理機(jī)場尾氣排放清單。上述機(jī)型分類、機(jī)型組合、飛行計(jì)劃和跑道起降分配數(shù)據(jù)均基于《北京新機(jī)場項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書》。EDMS生成飛機(jī)尾氣立體排放源強(qiáng)和排放參數(shù)后，將排放源信息輸入污染擴(kuò)散模式，進(jìn)行飛機(jī)尾氣排放對環(huán)境影響的模擬預(yù)測。

表2 北京大興國際機(jī)場機(jī)型分類一覽表Table 2 List of aircraft types of Beijing Daxing International Airport

表3 北京大興國際機(jī)場2025年機(jī)型組合比例一覽表(單位：%)Table 3 List of aircraft types ratio of Beijing Daxing International Airport in 2025 (unit: %)

表4 北京大興國際機(jī)場不同時(shí)間段飛行架次比例(單位：%)Table 4 Proportion of flight sorties in different time periods of Beijing Daxing International Airport (unit: %)

圖3 2025年北京大興國際機(jī)場不同跑道架次分配(共4條跑道，主航站區(qū)東、西兩側(cè)跑道根據(jù)距離航站區(qū)遠(yuǎn)近分別命名為東一跑道北向號(hào)碼：36L、南向號(hào)碼：18R,尺寸：3400 m×60 m；西一跑道北向號(hào)碼：35R、南向號(hào)碼：17L,3800 m×60 m；西二跑道北向號(hào)碼：35C、南向號(hào)碼：17C,尺寸：3800 m×45 m；側(cè)向跑道為只允許起飛的北一跑道號(hào)碼：11L,尺寸：3800 m×60 m)Fig.3 Allocation map of different runways of Beijing Daxing International Airport in 2025(Daxing Airport will have 4 runways in 2025. According to the distance from the terminal area, the east and west runways of the main terminal area will be named as follows: the No.1 east runway, 36L in the north direction, 18R in the south direction, 3400 m×60 m; No. 1 west runway 35R in north direction, 17L in south direction, 3800 m×60 m; No.2 west runway 35C in north direction, 17C in south direction, 3800 m×45 m; side runway is No.1 north runway 11L, 3800 m×60 m, only for taking-off)

3 飛機(jī)尾氣環(huán)境影響模擬

北京大興國際機(jī)場于2019年投入運(yùn)營，現(xiàn)階段運(yùn)行吞吐量不大，參考意義較小。為反映機(jī)場在達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行規(guī)模情景下飛機(jī)尾氣對周邊大氣環(huán)境的影響，本文采用國內(nèi)外廣泛使用的EDMS，依據(jù)上述北京大興國際機(jī)場規(guī)劃2025年的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和飛機(jī)尾氣排放特征，生成機(jī)場飛機(jī)尾氣污染物排放源強(qiáng)，并以2020年作為模擬基準(zhǔn)年預(yù)測了飛機(jī)尾氣排放對周邊大氣環(huán)境的影響。

3.1 EDMS模型設(shè)置

EDMS的污染擴(kuò)散計(jì)算內(nèi)核是穩(wěn)態(tài)煙羽擴(kuò)散模式，可基于大氣邊界層數(shù)據(jù)特征模擬點(diǎn)源、面源、體源等排放污染物在短期(小時(shí)平均、日平均)、長期(年平均)的濃度分布，適用于農(nóng)村或城市地區(qū)、簡單或復(fù)雜地形。地面氣象數(shù)據(jù)采用距離北京大興國際機(jī)場最近的固安站2020年地面逐時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、云量觀測資料；地面氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心。高空氣象數(shù)據(jù)取自中尺度氣象模式(WRF模式)模擬50 km內(nèi)的格點(diǎn)氣象資料；該數(shù)據(jù)層數(shù)為40層，時(shí)間為世界時(shí)的00時(shí)和12時(shí)，可直接作為EDMS氣象預(yù)處理程序的高空輸入文件。地表特征基于北京大興國際機(jī)場周邊區(qū)域土地利用規(guī)劃，3 km內(nèi)為城市規(guī)劃用地和工業(yè)用地，因此模式采用城市下墊面的地表特征參數(shù)。本文的預(yù)測方案如表 5所示，預(yù)測時(shí)段分為全年預(yù)測與不利氣象條件時(shí)段預(yù)測，預(yù)測因子為NOx和PM2.5，其中PM2.5濃度采用式(1)進(jìn)行計(jì)算：

表5 北京大興國際機(jī)場飛機(jī)尾氣排放環(huán)境影響模擬預(yù)測方案Table 5 Scheme of environmental impact simulation of aircraft emissions of Beijing Daxing International Airport

ρPM2.5=ρ一次PM2.5+φSO2ρSO2+φNO2ρNO2

(1)

式中:ρPM2.5、ρ一次PM2.5、ρSO2、ρNO2分別為PM2.5、一次PM2.5、SO2和NO2的質(zhì)量濃度，單位：μg·m-3；φSO2和φNO2為SO2、NO2濃度換算為二次PM2.5濃度的系數(shù)，取值參考《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》(生態(tài)環(huán)境部,2018)，分別為0.58和0.44。

3.2 EDMS預(yù)測結(jié)果與分析

根據(jù)預(yù)測方案采用EDMS模擬規(guī)劃2025年北京大興國際機(jī)場飛機(jī)尾氣污染物在地面的濃度分布情況，采用2020年氣象條件，得到全年及不利氣象條件時(shí)段飛機(jī)尾氣對北京大興國際機(jī)場周邊地區(qū)的環(huán)境影響。

3.2.1 全年預(yù)測結(jié)果與分析

北京大興國際機(jī)場全年的NO2和PM2.5環(huán)境影響預(yù)測結(jié)果見表 6，其中占標(biāo)率定義為：

表6 2025年北京大興國際機(jī)場區(qū)域主要污染物全年時(shí)段最大小時(shí)、最大日均及年均質(zhì)量濃度預(yù)測結(jié)果(不含機(jī)場內(nèi)部區(qū)域)Table 6 Statistics of the prediction results of the maximum hourly, maximum daily average and annual average mass concentrations of major pollutants at the Beijing Daxing International Airport area throughout the year 2025 (excluding the area inside the airport)

(2)

式中：P為污染物地面空氣質(zhì)量濃度占標(biāo)率，單位：%；ρ為污染物地面空氣質(zhì)量濃度，單位：μg·m-3；ρ0為污染物環(huán)境空氣質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)，單位：μg·m-3。

由預(yù)測結(jié)果可知：NO2區(qū)域最大小時(shí)、最大日均、年均貢獻(xiàn)濃度占標(biāo)率分別為191.55%、128.15%、95.14%；PM2.5區(qū)域最大日均、年均貢獻(xiàn)濃度占標(biāo)率分別為68.45%、52.73%。NO2和PM2.5各時(shí)段占標(biāo)率均較高，甚至在機(jī)場附近區(qū)域出現(xiàn)短期濃度超標(biāo)，飛機(jī)尾氣排放對周邊環(huán)境將產(chǎn)生一定的影響。

NO2和PM2.5區(qū)域日均濃度前50大值發(fā)生時(shí)段分布如圖 4所示。由圖可見，污染物濃度貢獻(xiàn)高值主要發(fā)生在10月下旬至12月和1月至3月上旬的秋、冬季節(jié)，與北京市重污染天氣高發(fā)期吻合，本文所選取的不利氣象條件時(shí)段也發(fā)生于該季節(jié)。

圖4 2025年北京大興國際機(jī)場區(qū)域主要污染物全年時(shí)段日均質(zhì)量濃度前50大值發(fā)生時(shí)段分布Fig.4 Distribution map of the top 50 maximum daily mass concentrations of major pollutants at Beijing Daxing International Airport throughout the year 2025

3.2.2 不利氣象條件時(shí)段預(yù)測結(jié)果與分析

北京大興國際機(jī)場不利氣象條件時(shí)段排放的NO2和PM2.5預(yù)測結(jié)果見表 7，由預(yù)測結(jié)果可知：不利氣象條件時(shí)段內(nèi)NO2區(qū)域最大小時(shí)、日均貢獻(xiàn)濃度占標(biāo)率分別為163.11%、109.54%；PM2.5區(qū)域最大日均貢獻(xiàn)濃度占標(biāo)率為65.71%；NO2和PM2.5在不利氣象條件時(shí)段占標(biāo)率均較高，NO2在機(jī)場附近區(qū)域出現(xiàn)超標(biāo)，說明在不利氣象條件下，飛機(jī)尾氣對周邊環(huán)境影響較大。不利氣象條件下的預(yù)測結(jié)果接近全年預(yù)測結(jié)果的極大值，說明本文選擇的不利氣象條件時(shí)段具有代表性。下文對此不利氣象條件時(shí)段的污染物落地濃度和污染氣象特征進(jìn)行分析。

表7 北京大興國際機(jī)場主要污染物不利氣象條件時(shí)段最大小時(shí)、最大日均質(zhì)量濃度預(yù)測結(jié)果(不含機(jī)場內(nèi)部區(qū)域)Table 7 Statistics of the prediction results of the maximum hourly and maximum daily average mass concentration of major pollutants in adverse meteorological conditions at Beijing Daxing International Airport (excluding the area inside the airport)

3.2.3 不利氣象條件時(shí)段污染氣象特征分析

EDMS中飛機(jī)尾氣污染物落地濃度很大程度上取決于混合層高度和湍流擴(kuò)散系數(shù)(Cimorelli et al，2005；夏思佳和王勤耕，2009)，其中模式定義的混合層高度依賴于對流和機(jī)械兩個(gè)過程，如式(3)所示，模式規(guī)定對流邊界層(CBL)中混合層高度(zi)為機(jī)械混合層(zim)和對流混合層高度(zic)的較大值；在穩(wěn)定邊界層(SBL)中混合層高度只取決于機(jī)械湍流(切變湍流)，因此SBL的混合層高度zi等于zim。上述機(jī)械混合層高度與摩擦速度(u*)呈正相關(guān)關(guān)系，如式(4)所示。模式中擴(kuò)散系數(shù)也分為對流和機(jī)械兩種成分(SBL中只含有機(jī)械成分)，分別與對流速度尺度(w*)和u*大致呈正相關(guān)關(guān)系。從不利氣象條件時(shí)段地面風(fēng)速與摩擦速度的關(guān)系(圖 5)可知，當(dāng)風(fēng)速<2 m·s-1時(shí),摩擦速度較小，均<0.5 m·s-1，當(dāng)風(fēng)速≥2 m·s-1時(shí)摩擦速度顯著增大，風(fēng)速與摩擦速度基本呈正相關(guān)關(guān)系。綜上所述，風(fēng)速大小決定了影響污染擴(kuò)散能力的摩擦速度、機(jī)械混合層高度和機(jī)械湍流擴(kuò)散系數(shù)，即大氣污染擴(kuò)散能力。

圖5 2020年2月10—15日北京大興國際機(jī)場區(qū)域地面風(fēng)速與摩擦速度關(guān)系Fig.5 Relationship between surface wind speed and friction speed in Beijing Daxing International Airport area from 10 to 15 February 2020

(3)

zim∝u*

(4)

重污染過程期間EDMS預(yù)測最大小時(shí)落地污染物濃度和污染特征參數(shù)(zic、w*、zim、u*)如圖6所示。由圖6b可知在重污染過程期間，晝間的w*從08—09時(shí)開始增大,在中午(12時(shí))至午后(13時(shí))達(dá)到最大，然后持續(xù)下降至下午(16—17時(shí))，zic一般從08—09時(shí)開始持續(xù)上升直至16—17時(shí)消失，重污染過程中每日的w*和zic差距不大，說明晝間的對流擴(kuò)散系數(shù)與對流混合層高度在整個(gè)過程中變化不大，兩者均不是影響污染物落地濃度的重要因素。由圖6c可知重污染過程期間u*與zim存在較為明顯的正相關(guān)關(guān)系，且u*與zim在EP1—EP2和EP3—EP4兩段時(shí)間內(nèi)存在明顯差異。在EP1—EP2的污染過程中，風(fēng)速基本小于2 m·s-1，均值為0.7 m·s-1;u*始終小于0.4 m·s-1，均值為0.19 m·s-1;zim始終小于500 m，均值為222 m，均處于較小的水平，說明此段時(shí)間機(jī)械湍流擴(kuò)散能力偏弱，機(jī)械混合層高度偏低；14日00時(shí)前后伴隨著冷空氣過境，EP3—EP4期間風(fēng)速迅速增加到2 m·s-1以上，均值達(dá)2.8 m·s-1;u*增大至0.4 m·s-1以上，均值為0.61 m·s-1，zim增大至500 m以上，均值為1235 m，機(jī)械擴(kuò)散能力明顯增強(qiáng)，機(jī)械混合層高度迅速升高。相比EP1—EP2階段，EP3—EP4階段摩擦速度均值上升了221%。

圖6 2020年2月10—15日北京大興國際機(jī)場區(qū)域模式預(yù)測最大小時(shí)落地污染物濃度和污染特征參數(shù)演變Fig.6 Model-predicted maximum pollutant concentration and pollution characteristic parameter evolution in Beijing Daxing International Airport area from 10 to 15 February 2020

綜合考慮圖 6b的對流混合層高度和圖6c的機(jī)械混合層高度得到重污染期間混合層高度(圖6d)。對比圖6a和6d可得，在重污染過程的EP1—EP2時(shí)段內(nèi)，由風(fēng)切變引起的夜間機(jī)械混合層高度較低，由太陽輻射形成的晝間對流混合層高度相對較高，因此混合層高度此時(shí)間段內(nèi)有明顯的日變化特征，即晝間高夜間低。由于EDMS小時(shí)預(yù)測結(jié)果只代表此小時(shí)情況，不考慮污染物累積效應(yīng)，因此晝間相對較高的混合層高度，有利于飛機(jī)尾氣污染物的垂直擴(kuò)散，污染物落地濃度值較低。夜間混合層高度較低，污染物難以突破邊界層向上輸送擴(kuò)散，而是在較低邊界層內(nèi)滯留，緩慢地沿向下風(fēng)方向擴(kuò)散，并較快地隨下沉氣流擴(kuò)散到地面，同時(shí)較小的水平風(fēng)也難以將污染物向周邊地區(qū)輸送，導(dǎo)致此時(shí)段內(nèi)夜間污染物落地濃度明顯增高(蔡子穎等，2018；徐棟夫等，2020)。EP1—EP2時(shí)間段內(nèi)NO2最大小時(shí)落地濃度范圍為7.9～326.2 μg·m-3，均值為61.4 μg·m-3，PM2.5最大小時(shí)落地質(zhì)量濃度范圍為4.9～184.8 μg·m-3，均值為37.3 μg·m-3，考慮區(qū)域背景環(huán)境污染物濃度值較高，飛機(jī)尾氣排放將進(jìn)一步加劇區(qū)域重污染程度。EP3—EP4時(shí)段內(nèi)，大風(fēng)引起的較強(qiáng)的切變湍流抬高了機(jī)械混合層高度，因此EP3—EP4階段混合層高度無論在晝間或夜間均處于較高的水平，混合層內(nèi)擴(kuò)散能力大大加強(qiáng)，地面污染物能夠向上輸送到較高的高度，大氣環(huán)境容量也明顯上升，且較大的風(fēng)速有利于污染物向周邊地區(qū)擴(kuò)散，2月14日后污染物濃度迅速降低，EP3—EP4時(shí)間段內(nèi)NO2最大小時(shí)落地濃度范圍為1.2～53.7 μg·m-3，均值為12.5 μg·m-3，PM2.5最大小時(shí)落地濃度范圍為1.1～49.0 μg·m-3，均值為8.5 μg·m-3，顯著低于EP1—EP2期間濃度，周邊區(qū)域背景環(huán)境空氣質(zhì)量較好，飛機(jī)尾氣的影響也較小。相比EP1—EP2階段，EP3—EP4階段飛機(jī)尾氣排放所致的PM2.5和NO2最大小時(shí)落地濃度均值分別下降了77%和80%。

混合層頂存在逆溫，污染物只能在逆溫層下的混合層內(nèi)對流彌散，對比圖1a和圖6d可知，EP1—EP2階段大氣污染物濃度的升高也會(huì)影響晝間混合層頂逆溫高度，這是由于空氣中的污染物不僅吸收太陽輻射，同時(shí)也會(huì)削弱地面太陽輻射量，有助于晝間逆溫的形成。因此，晝間逆溫和空氣污染物之間的相互作用是一個(gè)正反饋的過程(Zhang and Li，2011)。在EP3—EP4階段受到寒潮影響，破壞了晝間逆溫，降雪過程也有利于清除空氣中的污染物，從而中斷了逆溫和污染物之間的反饋過程，污染物濃度迅速降低。

綜合分析上述重污染過程期間污染氣象特征和EDMS預(yù)測結(jié)果可知，京津冀秋、冬季霧-霾消散主要因素為較強(qiáng)的大氣水平、垂直運(yùn)動(dòng)(周須文等，2020)，重污染結(jié)束階段EP3—EP4相比重污染階段EP1—EP2平均風(fēng)速增大了300%，平均相對濕度下降了25%，與區(qū)域擴(kuò)散能力密切相關(guān)的摩擦速度均值上升了221%，因此重污染結(jié)束階段EP3—EP4環(huán)境PM2.5和NO2小時(shí)平均濃度分別下降了97%和89%，飛機(jī)尾氣排放的PM2.5和NO2最大小時(shí)落地濃度分別下降了77%和80%。由此可知重污染期間受到弱風(fēng)高濕、較強(qiáng)的接地逆溫等不利氣象條件影響，區(qū)域環(huán)境污染物濃度和飛機(jī)尾氣污染物落地濃度均處于較高的水平。并且通過分析發(fā)現(xiàn)氣象條件、污染物擴(kuò)散能力存在較為明顯的日變化，污染物隨時(shí)間的變化規(guī)律為08—17時(shí)的飛機(jī)尾氣污染物落地濃度較低，17時(shí)至次日08時(shí)落地濃度較高，最大的時(shí)刻為夜間的21時(shí)。

4 結(jié)論與討論

依據(jù)北京市2020年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)確定不利氣象條件時(shí)段，采用EDMS建立北京大興國際機(jī)場飛機(jī)尾氣排放清單，并模擬預(yù)測了全年及不利氣象條件時(shí)段的飛機(jī)尾氣落地濃度分布，通過對不利氣象條件時(shí)段的污染氣象特征和污染物落地濃度時(shí)間分布特征的分析得到如下結(jié)論：

(1)根據(jù)北京市空氣質(zhì)量歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，選擇2020年2月10—15日重污染過程作為不利氣象條件時(shí)段進(jìn)行污染氣象特征分析，結(jié)果表明北京地區(qū)秋、冬季不利氣象條件基本特征為小靜風(fēng)、高濕度，存在厚度薄、強(qiáng)度大的接地逆溫，區(qū)域污染擴(kuò)散條件較差，它們共同作用導(dǎo)致北京地區(qū)出現(xiàn)以PM2.5為首要污染物的重污染天氣過程，并伴隨著低能見度天氣。

(2)飛機(jī)尾氣排放有排放量大、空間分布廣的特征，且北京大興國際機(jī)場2025年規(guī)劃顯示，二次PM2.5的重要前體物NOx，其排放量可達(dá)4873.21 t·a-1。全年模式預(yù)測結(jié)果顯示，北京大興國際機(jī)場飛機(jī)尾氣NO2和PM2.5排放會(huì)對周圍環(huán)境造成一定影響，甚至存在短期超標(biāo)現(xiàn)象，且區(qū)域污染高濃度時(shí)段基本發(fā)生在重污染高發(fā)的秋、冬季。

(3)不利氣象條件期間的小靜風(fēng)導(dǎo)致決定區(qū)域大氣擴(kuò)散能力的摩擦速度和混合層高度參數(shù)較小，影響區(qū)域大氣擴(kuò)散能力，使得飛機(jī)尾氣排放的污染物最大落地濃度較大，進(jìn)一步惡化周邊環(huán)境空氣質(zhì)量。冷空氣過境后，風(fēng)速、摩擦速度和混合層高度顯著增大，飛機(jī)尾氣排放污染物落地濃度迅速降低，且重污染期間污染物落地濃度存在較為明顯的日變化特征，即08—17時(shí)的落地濃度較低，17時(shí)至次日08時(shí)落地濃度較高。

本文討論的不利氣象條件下的飛機(jī)尾氣影響研究目前在國內(nèi)外開展較少，由于采用的EDMS不具備PM2.5二次污染和小靜風(fēng)條件下的模擬能力，下一步可考慮耦合具有上述能力的CALPUFF、CMAQ等模式，研制適合國內(nèi)管理要求的新一代飛機(jī)尾氣影響預(yù)測數(shù)值分析模型。

本研究成果對制定不利氣象條件下大型樞紐機(jī)場的污染控制對策以減輕飛機(jī)尾氣排放對周邊環(huán)境空氣質(zhì)量影響具有一定的參考價(jià)值。下一步可以在保障機(jī)場安全運(yùn)行的前提下，開展不利氣象條件下飛機(jī)尾氣污染控制措施研究，針對重污染期間的大氣擴(kuò)散特征和規(guī)律，設(shè)置多種調(diào)控措施情景并進(jìn)行模擬預(yù)測，為降低不利氣象條件下飛機(jī)尾氣排放對周邊環(huán)境的影響，機(jī)場完善運(yùn)行管理和污染控制提供科學(xué)依據(jù)。

致謝：感謝《飛機(jī)尾氣對機(jī)場區(qū)域大氣環(huán)境影響與減排研究——構(gòu)建適合北京大興國際機(jī)場飛機(jī)尾氣影響預(yù)測的先進(jìn)數(shù)值分析模型》項(xiàng)目提供的機(jī)場排放源清單等資料。