量化半封闭地形和季风对华北平原PM2.5及O3污染聚集的综合作用

《Journal of Environmental Sciences》：Quantifying the combined effects of semi-closed terrain and monsoon on PM 2.5 and O 3 pollution aggregation in the North China Plain

华北平原及周边地区地形与气象协同作用对PM2.5和臭氧扩散的影响研究。通过量化地形阻隔效应发现，冬季PM2.5高值区在太行山东侧呈现南北聚集特征，夏季臭氧高值区则出现相反分布。地形风闭合指数（TWCI）显示太行山地形与东亚季风共同作用强化污染扩散，有效阻隔高度冬季PM2.5为22-929米，夏季臭氧为19-1060米，与实测高污染区吻合。

　　

刘双|贾光军|陈云浩|赵文吉|刘鹏|严星|杨行川

中国北京市测绘研究院，北京100045

摘要

华北平原（NCP）及其周边地区是空气污染控制的关键优先区域之一。随着人为排放的显著减少，地形和气象对空气污染模式的影响变得越来越突出，尤其是考虑到华北平原独特的半封闭地形和东亚季风动态。然而，地形主导的阻塞效应的定量表征尚未得到充分研究。在这里，我们定量评估了山脉和地形耦合的气象因素对空气污染物扩散的阻塞效应。我们发现，太行山脉东侧的华北平原PM_2.5和O₃污染水平较高，冬季PM_2.5和夏季O₃的高值区呈现出相反的南北聚集模式。PM_2.5和O₃浓度在平原最高，其次是丘陵，最后是山区。在华北平原及其周边地区典型山脉的120公里缓冲区内，PM_2.5和O₃浓度最初随海拔升高而增加，但在超过某一阈值高度后显著下降。超过该阈值高度后，山脉的阻塞效应变得占主导地位。华北平原及其周边地区典型山脉的有效阻塞高度范围为：冬季PM_2.5为22-929米，夏季O₃污染为19-1060米。地形-风闭合指数表明，地形耦合的东亚季风在冬季对华北平原南部的PM_2.5扩散具有更强的阻塞效应，在夏季对北部O₃扩散具有更强的阻塞效应，这与观察到的高污染区相符。本研究为区域联合空气污染缓解策略以及区域污染评估提供了关键见解。

引言

在过去几十年中，中国实施了一系列措施来预防和控制空气污染（Geng等人，2024b；Zhang等人，2025），导致一次性的PM_2.5排放和气态前体物质大幅减少（Li等人，2023；Luo等人，2022）。尽管近年来空气质量有所改善，但华北平原（NCP）仍然经历严重的PM_2.5污染事件，这不仅是由持续的人为排放引起的，还与该地区的独特地形和气象条件有关。同时，夏季臭氧（O₃）浓度呈现出上升趋势（Ma等人，2021；Zheng等人，2024）。PM_2.5和O₃目前是主要的空气污染物（Liu等人，2023c；Ma等人，2021），它们对人类健康和气候变化产生了影响（Liu等人，2023a；Liu等人，2024；Zhang等人，2024）。

全面了解PM_2.5和O₃污染的特征和驱动因素对于制定有效的缓解策略至关重要（Ren等人，2024；Zhang等人，2025）。已经在中观、区域和国家级层面进行了关于PM_2.5和O₃污染变化、空间聚集和异质性的研究（Qiu等人，2023；Ren等人，2023；Shen等人，2024b；Yin等人，2025）。此外，鉴于空气污染的强烈区域特征，中国的研究重点已从单个大城市转向关键区域（Duan等人，2022b），如华北平原、长江三角洲、珠江三角洲和四川盆地（Liu等人，2022b），这些地区具有不同的污染特征和影响机制。例如，Qiu等人（2023）在中国确定了18个空气污染控制区域。Liu等人（2025b）揭示了2014-2024年间长江三角洲和华北平原PM_2.5污染的周期性行为的空间特征。此外，还应用了数据聚类方法来识别具有相似污染特征的区域。例如，自组织映射（SOM）被用来研究国家和区域尺度上的PM_2.5和O₃浓度的聚类特征（Duan等人，2022a，b），证明了其在处理大数据方面的实际效用。因此，阐明PM_2.5和O?污染的区域特征是有效控制空气污染的关键前提。

大量研究试图阐明中国持续空气污染的潜在机制（Du等人，2022；Jiang等人，2023；Jin等人，2022；Song等人，2025；Wang等人，2024a）。历史上，人为活动产生的高排放量被广泛认为是严重污染事件的主要贡献因素（Geng等人，2024a；Geng等人，2021b）。然而，随着近年来污染物排放的显著减少（Yan等人，2024a；Yan等人，2024b），越来越多的证据表明，气象和地形因素现在在塑造空气质量方面发挥着越来越重要的作用（Hu等人，2024；Liu等人，2022a；Perne等人，2023；Xu等人，2022）。气象条件可以促进空气污染物的局部积累和区域传输（Liu等人，2023b；Nguyen等人，2024；Shen等人，2024a；Wang等人，2024b），而特定的地形特征则控制着大气污染物的扩散和滞留（Liu等人，2025a；Shu等人，2025；Wu等人，2022）。地形通过直接和间接途径影响污染物的扩散动态：主要是通过直接的地形阻塞，以及通过调节局部气象条件（Feng等人，2022b；Zhao等人，2023），从而改变污染物的传输和沉积过程。

目前关于地形对空气质量影响的研究主要基于统计分析和数值建模（Hu等人，2022；Liu等人，2025c；Shu等人，2022）。统计方法通常结合使用海拔或地形起伏指标与线性回归、地理检测器或地理加权回归来探索地形-污染关联。虽然一些研究报告海拔与污染水平之间存在负相关（Wei等人，2019；Xue等人，2020b；Yang等人，2020），但单一地形因素的影响通常较弱（Wu等人，2022）。此外，基于模型的研究提高了我们对地形和气象如何共同调节空气污染动态的定性理解（Hu等人，2022；Shu等人，2022；Wei等人，2020；Yoo等人，2022）。

最近的研究试图定量阐明地形在塑造大气污染物空间异质性中的作用。例如，Wen等人（2022）表明，山脉在某一特定海拔以上对PM_2.5污染具有明显的阻塞效应，不同山脉群的关键海拔阈值差异很大——中国典型山脉的平均值为163米。在此基础上，Wu等人（2022）引入了地形-风闭合指数（TWCI）来量化地形与风和边界层动态共同阻碍污染物扩散的能力；他们的结果揭示了TWCI值与PM_2.5浓度之间的强相关性。华北平原在地理上具有独特性，其北部、西部和南部边缘被山脉环绕，形成了半封闭的地形（图1a）。位于东亚季风区域内的华北平原受到地形和盛行季风之间复杂相互作用的影响。然而，现有研究尚未系统地量化山区地形的阻塞效应，也未区分地形和气象对华北平原PM_2.5和O₃污染的综合影响。

本研究旨在定量阐明地形-气象相互作用对华北平原及其周边地区PM_2.5和O₃污染时空异质性的影响。具体而言，有三个目标：（1）使用先进的数据挖掘技术，全面描述地形受限的半封闭华北平原内PM_2.5和O₃污染的时空分布；（2）量化山区地形对PM_2.5和O₃扩散的阻塞效应；（3）从定量角度评估地形耦合的风场和边界层动态对污染模式的协同影响。本研究的结果有望推进对污染物扩散机制的理论理解，并支持开发更准确的模型，以预测污染物浓度和严重空气污染事件。

部分摘录

地面PM_2.5和O₃观测

地面PM_2.5和O₃观测数据来自中国生态环境部（MEE）和北京市生态环境监测中心，数据可通过在线数据库公开获取（https://quotsoft.net/air/#archive）。本研究利用了2015年至2023年间从华北平原及其周边地区646个持续运行的监测站点收集的每小时PM_2.5和O₃测量数据（图1b）。PM_2.5的测量使用

PM_2.5和O₃的季节性模式

鉴于严重的PM_2.5污染通常发生在冬季，而高O₃水平在夏季占主导（Chen等人，2022；Geng等人，2024b），本研究重点关注这两个季节，以阐明PM_2.5和O₃的变化模式。2015年至2023年间华北平原及其周边地区夏季和冬季平均PM_2.5浓度的空间分布如图2所示。与先前的研究（Deng等人，2022；Liu等人，2023b）一致，PM_2.5表现出明显的

结论

华北平原及其周边地区是中国东部的一个关键地理区域，以高人口密度、密集的工业活动和严重的空气污染为特征。位于太行山脉以东，华北平原独特的半封闭地形——加上东亚季风的影响——在调节大气污染物扩散中起着关键作用。在这项研究中，我们系统分析了PM_2.5和O₃污染的季节性聚集模式

作者贡献声明

刘双：撰写——原始草稿，软件开发，调查，正式分析，概念化。贾光军：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。陈云浩：撰写——审阅与编辑，数据管理，概念化。赵文吉：方法论，调查，概念化。刘鹏：撰写——审阅与编辑，方法论。严星：撰写——审阅与编辑，验证，正式分析。杨行川：撰写——原始草稿

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了部委-省级联合试点项目的支持。