王 露, 劉保雙, 畢曉輝*, 梅如波, 吳建會, 隋本會, 馮銀廠

1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 國家環(huán)境保護(hù)城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室， 天津 300350

泰山頂PM2.5及其二次組分的輸送路徑與潛在源

王 露1, 劉保雙1, 畢曉輝1*, 梅如波2, 吳建會1, 隋本會2, 馮銀廠1

1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 國家環(huán)境保護(hù)城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室， 天津 300350

2.泰安市環(huán)境監(jiān)測站， 山東 泰安 271000

為了明確泰山頂PM2.5及其二次組分的輸送路徑與潛在來源，基于后向軌跡聚類方法對2015年冬季和春季抵達(dá)泰山頂?shù)臍鈭F(tuán)傳輸軌跡進(jìn)行聚類分析，并利用PSCF(潛在源貢獻(xiàn)因子)和CWT(濃度權(quán)重軌跡)方法分析泰山頂冬季和春季PM2.5、SO42-、NO3-和NH4+的潛在源域. 結(jié)果表明，冬季和春季來自不同方向的氣團(tuán)軌跡對泰山頂PM2.5及其組分的潛在源分布的影響具有明顯差異. 冬季泰山頂ρ(PM2.5)和ρ(NO3-)平均值的最高值對應(yīng)的氣團(tuán)軌跡來自湖北、河南、山東濟(jì)寧等地區(qū)，而來自西北方向的軌跡1和軌跡2分別對應(yīng)的ρ(SO42-)和ρ(NH4+)平均值最高；春季影響ρ(PM2.5)和ρ(NO3-)的氣團(tuán)軌跡主要來自西南方向的河南、安徽北部、山東聊城等地區(qū)，而源自蒙古國途經(jīng)內(nèi)蒙古、山西、河南北部和山東聊城的氣團(tuán)軌跡對ρ(SO42-)和ρ(NH4+)的貢獻(xiàn)最大. 泰山頂ρ(PM2.5)、ρ(SO42-)、ρ(NO3-)和ρ(NH4+)的PSCF分布特征與CWT分布特征類似，WPSCF(源區(qū)分布概率)和CWT的最高計算值主要集中山東濟(jì)寧、聊城以及鄰近的山西省、河北省和河南省，是泰山頂大氣污染物的主要潛在源域.

PM2.5； 二次無機(jī)離子； 泰山； 聚類分析； PSCF(潛在源貢獻(xiàn)因子)； CWT(濃度權(quán)重軌跡)

Abstract： In order to determine the transport pathways and potential sources of PM2.5as well as the secondary components over the summit of Mount Tai, backward trajectories of daily airflow at the top of the mountain during the winter and spring in 2015 were analyzed by HYSPLIT model using cluster method. Moreover, the potential source contribution function (PSCF) and concentration weighted trajectory (CWT) were used to reveal the potential source areas of PM2.5, SO42-, NO3-and NH4+. The results showed that there were significant differences in the potential source area distribution of PM2.5, SO42-, NO3-and NH4+owing to the airflow trajectories in different directions. In winter, the highest values of PM2.5and NO3-were from air masses, which were concentrated in Hubei and Henan provinces and Jining in Shandong Province, while theρ(SO42-) andρ(NH4+) were highest when airflow was dominated by the northwestern airmasses 1 and 2. However, in spring, the airflow trajectories were mainly from the southwest, which had the biggest contribution to the concentration of PM2.5and NO3-. In addition, the air mass trajectories from Mongolia, northern Inner Mongolia, Shanxi, Henan and Liaocheng in Shandong contributed most toρ(SO42-) andρ(NH4+). The PSCF ofρ(PM2.5),ρ(SO42-),ρ(NO3-) andρ(NH4+) on the top of Mount Tai had similar distribution characteristics to that of CWT, and the highest values of WPSCF (potential contribution algorithm combined with weight factors) and CWT were concentrated in surrounding cities including Liaocheng and Jining cities in Shandong Province and the adjacent provinces including Shanxi, Hebei and Henan. These were identified as the main potential source sources of the air pollutants on the top of Mount Tai.

Keywords： PM2.5; secondary inorganic ions; Mount Tai; cluster analysis; PSCF (potential source contribution function); CWT (concentration weighted trajectory)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加速，我國大氣顆粒物污染問題日益突出[1- 2]，并趨向于以PM2.5(細(xì)顆粒物)污染為主[3]. PM2.5是指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5 μm的顆粒物，有粒徑小、毒性大、組分復(fù)雜等特點[4]，不僅會降低大氣能見度，影響地球輻射平衡，而且可以通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體器官，對人體健康造成極大的危害[5- 10].

目前我國的大氣污染類型已轉(zhuǎn)變成以細(xì)顆粒物、硫化物和NOx等為代表的區(qū)域復(fù)合性污染為主[11]，如長三角地區(qū)、華北地區(qū)、京津冀和珠三角地區(qū)[12- 16]. 城市大氣顆粒物污染具有區(qū)域性特征，大氣顆粒物濃度不僅與本地污染源排放有關(guān)，區(qū)域傳送對其的影響也不容忽視[17- 18]. 國外學(xué)者對顆粒物的區(qū)域傳輸也進(jìn)行了研究，如Mechler等[19- 21]研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)域傳輸對于英國、德國和美國西部和東部的大氣細(xì)顆粒物有明顯的貢獻(xiàn). 國內(nèi)外研究區(qū)域污染傳輸及其貢獻(xiàn)的方法有很多，如Hopke等[22]研究并證明了CWT(濃度權(quán)重軌跡)和 PSCF(潛在源貢獻(xiàn)因子)兩種方法可用來確定污染物的污染程度及潛在源區(qū)；文獻(xiàn)[23- 26]利用后向軌跡模型、PSCF及CWT方法分析了上海、黃山頂、北京和珠三角地區(qū)的污染物傳輸路徑及潛在污染源區(qū). PSCF基于氣流軌跡可識別污染物的潛在源區(qū)；CWT用于反映不同軌跡的污染程度. PSCF、CWT以及后向軌跡聚類等模型的綜合使用，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于污染物區(qū)域傳輸和潛在源域的研究.

近年來，國內(nèi)外對大氣污染特征的研究通常在近地面開展，而對高山等背景點位的研究相對較少. LIU等[27]對泰安市PM2.5污染進(jìn)行了源解析研究，并利用后向軌跡模型及PSCF方法分析了泰安市PM2.5污染的潛在源區(qū)，但研究點位集中在泰安市區(qū)且為近地面觀測，不能很好地表征污染氣團(tuán)的區(qū)域傳輸特征;而在高山點位進(jìn)行的污染物觀測則更具區(qū)域代表性[28]. 國內(nèi)目前對高山站點大氣氣溶膠的研究主要集中在我國中東部地區(qū)的華山、泰山和黃山[28- 29]，主要分析了氣溶膠的潛在源區(qū)及其污染程度，而對顆粒物組分進(jìn)行的相關(guān)研究鮮有報道. 泰山地處我國東部地區(qū)，山頂海拔1 545 m，與周圍的山地、丘陵、平原等形成強(qiáng)烈對比，并且位于混合層以上，受局地污染源影響較小，其大氣氣溶膠濃度水平具有很好的區(qū)域代表性. 因此，泰山頂是一個理想的研究點位，不僅可以了解整個華東地區(qū)的顆粒物及其組分的區(qū)域背景水平，而且對于研究氣團(tuán)的區(qū)域輸送具有不可替代的地理優(yōu)勢.

該研究結(jié)合泰山頂ρ(PM2.5)、ρ(SO42-)、ρ(NO3-)和ρ(NH4+)的監(jiān)測數(shù)據(jù)及全球資料同化系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)，利用后向軌跡模型分析軟件TrajStat，計算泰山頂冬季和春季的氣團(tuán)傳輸軌跡，分析不同類型的輸送軌跡與泰山頂ρ(PM2.5)及其化學(xué)組分的關(guān)系；同時基于PSCF和CWT法分析對泰山頂ρ(PM2.5)及其化學(xué)組分有貢獻(xiàn)的潛在源區(qū)，以期進(jìn)一步了解以泰山頂為代表的整個區(qū)域的污染來源情況，并為該區(qū)域大氣PM2.5污染防治提供參考.

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

泰山地處山東省中部，采樣點位于泰山頂(117.1°E、36.3°N)，海拔 1 545 m，處于混合層以上，大氣狀況具有較好的區(qū)域代表性. 泰山植被類型豐富，森林覆蓋率可達(dá)80%，屬于溫帶季風(fēng)區(qū)，氣候為典型的半濕潤大陸性季風(fēng)氣候.

圖1 2015年冬季與春季泰山風(fēng)景區(qū)主要大氣污染物的濃度水平Fig.1 The concentration of main atmospheric pollutants in winter and summer of Mount Tai Scenic Area in 2015

圖2 2015年春季和冬季泰山風(fēng)景區(qū)氣壓、相對濕度和溫度的逐日變化Fig.2 Daily variations of pressure, humidity and temperature in winter and summer of Mount Tai Scenic Area in 2015

圖3 觀測期間風(fēng)向玫瑰Fig.3 Rose map of wind direction during the observation period

從泰山頂采樣點附近的環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站獲取主要大氣污染物(SO2、NO2、CO和O3)的質(zhì)量濃度水平及風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等氣象參數(shù). 由圖1可見，研究期間泰山風(fēng)景區(qū)有較高的ρ(PM2.5)及大氣前體物ρ(SO2)、ρ(CO)、ρ(NO2)和ρ(O3)，并且ρ(O3)在春季明顯高于冬季. 由圖2、3可見，研究期間泰安風(fēng)景區(qū)氣象條件季節(jié)變化較明顯，平均溫度為13.7 ℃，相對濕度為44.5%，平均氣壓為995.4 hPa，平均風(fēng)速為4.1 m/s. 根據(jù)氣象條件的季節(jié)性特征，將采樣周期設(shè)置在2015年冬季和春季兩個典型污染季節(jié)，時間分別為2月10—16日和4月20—26日.

1.2 數(shù)據(jù)來源

用于后向軌跡模式計算的2015年2月和4月研究區(qū)氣象場資料為美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)提供的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS, global data assimilation system)數(shù)據(jù)(ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/reanalysis).ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(O3)等數(shù)據(jù)由泰安市環(huán)境監(jiān)測中心國控點自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)獲得.

采用武漢天虹儀表有限公司生產(chǎn)的TH- 150C型智能中流量采樣器，并選擇直徑為90 mm的石英濾膜進(jìn)行受體顆粒物樣品的采集. 于采樣期每天10：00—翌日09：00，采樣器流量為100 L/min. 濾膜在采樣前后在恒溫恒濕環(huán)境下用靈敏度為±0.01 mg的Mettler AX025型微量天平稱量，水溶性離子(SO42-、NO3-和NH4+)質(zhì)量濃度使用美國戴安公司生產(chǎn)的DX- 120型離子色譜儀測定分析[30]. 分析時做10%樣品量的平行樣和空白樣，以保證質(zhì)控和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性.

2 研究方法

2.1 后軌跡聚類分析法

采用基于GIS的TrajStat軟件[31]對氣團(tuán)軌跡進(jìn)行計算和聚類分析，其中的HYSPLIT模式采用拉格朗日方法對污染物的來源和傳輸路徑進(jìn)行分析，并根據(jù)氣團(tuán)的方向和移動速度對軌跡進(jìn)行聚類，來估計污染物的潛在源區(qū)[32]. 將泰山頂(117.1°E、36.3°N)設(shè)為后向軌跡的起始點，起始高度選取 1 000 m(以地平面為基準(zhǔn))，對應(yīng)泰山頂海拔 1 545 m(以海平面為基準(zhǔn))，遠(yuǎn)高于本地混合層高度[33]，因此在確定潛在源區(qū)時局地源的影響有限. 為了提高模擬精度，在采樣期間每天模擬8條后向軌跡，每條軌跡后推72 h，并將其春季和冬季兩個季節(jié)的軌跡進(jìn)行聚類，以得到不同的輸送氣流類型. 在此基礎(chǔ)上，對不同季節(jié)的氣流所對應(yīng)的污染物濃度特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到造成泰山頂氣團(tuán)的主要輸送路徑.

2.2 PSCF分析法

PSCF是一種基于氣團(tuán)軌跡來識別污染物潛在源區(qū)的方法，通過把氣團(tuán)軌跡和某要素值〔該研究指ρ(PM2.5)、ρ(SO42-)、ρ(NO3-)、ρ(NH4+)〕相結(jié)合以給出潛在的排放源位置[34- 35]. PSCF函數(shù)是指經(jīng)過某一區(qū)域的氣團(tuán)到達(dá)觀測點時所對應(yīng)的某要素值超過提前設(shè)定閾值的條件概率. 該研究選擇包含95%以上的軌跡所覆蓋的地理區(qū)域為研究區(qū)，同時把該區(qū)域劃分成0.5°×0.5°的網(wǎng)格，并對研究要素設(shè)定閾值，當(dāng)軌跡對應(yīng)的要素值高于設(shè)定閾值時，就認(rèn)為該軌跡是污染軌跡，將其落在某網(wǎng)格(i,j)(i為經(jīng)度，j為緯度)內(nèi)的所有的軌跡點數(shù)定義為nij，而經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)的污染軌跡點數(shù)定義為mij，則污染軌跡落在某網(wǎng)格(i,j)內(nèi)的概率PSCFij可以定義為

PSCFij=mij/nij

(1)

PSCFij是一種條件概率，其誤差會隨著采樣點與網(wǎng)格距離的增加而增加. 當(dāng)nij較小時，不確定性會很大. 為了降低不確定性，相關(guān)學(xué)者引入了權(quán)重函數(shù)W(nij)，當(dāng)某一網(wǎng)格內(nèi)的nij小于研究區(qū)每個網(wǎng)格內(nèi)的平均軌跡端點nave的3倍時，就要使用W(nij)來降低PSCF的不確定性[36]，相關(guān)定義如下：

(2)

(3)

式中，WPSCF為源區(qū)分布概率. WPSCF的值越大，表明該網(wǎng)格點對觀測點的污染物濃度的貢獻(xiàn)也越大. 高WPSCF值對應(yīng)的網(wǎng)格組成的區(qū)域?qū)?yīng)泰山頂粒子質(zhì)量濃度的潛在源區(qū)，而經(jīng)過該區(qū)域的氣團(tuán)軌跡就是對粒子質(zhì)量濃度有貢獻(xiàn)的輸送路徑.

2.3 CWT分析法

PSCF方法反映的是通過一個網(wǎng)格中的污染軌跡所占比例，來確定造成受點地區(qū)污染的潛在源區(qū)，而不能反映污染軌跡的污染程度，無法區(qū)分網(wǎng)格對受點地區(qū)的污染濃度貢獻(xiàn)的大小. 因此該研究用CWT方法計算軌跡的權(quán)重濃度，以反映不同源區(qū)的相對貢獻(xiàn)大小[37]. 在CWT分析法中，通過計算經(jīng)過每個網(wǎng)格的軌跡所對應(yīng)觀測點粒子的平均濃度來得到該網(wǎng)格點的權(quán)重濃度，計算方法：

(4)

式中：Cij為網(wǎng)格(i,j)對應(yīng)的平均權(quán)重濃度，μg/m3；Cl為軌跡l經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)時對應(yīng)的泰山頂污染物的質(zhì)量濃度；τijl為軌跡l在網(wǎng)格(i,j)停留的時間. 設(shè)置CWT的網(wǎng)格精度與PSCF相同，為0.5°×0.5°. 在PSCF分析法中所用的權(quán)重函數(shù)W(nij)也適用于CWT分析法，以減少nij值較小時引起的不確定。

當(dāng)Cij值較大時，說明經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)的空氣團(tuán)會造成泰山頂較高的污染物質(zhì)量濃度，該網(wǎng)格所對應(yīng)的區(qū)域是對泰山頂高質(zhì)量濃度顆粒物污染有較大貢獻(xiàn)的外來源區(qū)，經(jīng)過該網(wǎng)格的軌跡就是對顆粒物污染有貢獻(xiàn)的主要輸送路徑.

3 結(jié)果與討論

3.1 PM2.5及其二次粒子組分分析

觀測期間，泰山頂春季和冬季的日均ρ(PM2.5)分別為46.8和37.6 μg/m3，分別是GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中ρ(PM2.5)一級標(biāo)準(zhǔn)(日均值35 μg/m3)的1.3和1.1倍，并分別是WHO(世界衛(wèi)生組織)規(guī)定的ρ(PM2.5)24 h限值(25 μg/m3)的1.9和1.5倍. 在春季和冬季，PM2.5中二次粒子的平均ρ(SO42-)、ρ(NO3-)和ρ(NH4+)的分別為5.7、2.7、1.3 μg/m3和7.6、2.8、3.2 μg/m3，三者總和分別占ρ(PM2.5)的20.8%和36.0%，普遍高于重慶、上海、孟買等城市[38- 40]，反映出該地區(qū)顆粒物濃度的區(qū)域背景值. 可以看出，SO42-、NO3-和NH4+這三種二次粒子對泰山頂PM2.5污染貢獻(xiàn)較大.

相比之下，泰山頂?shù)摩?PM2.5)明顯低于泰安市區(qū)(63.0 μg/m3)[27]以及北京(84.5 μg/m3)[41]、南京(77.5 μg/m3)[41]、成都(114.0 μg/m3)[42]，但高于國外一些城市〔如威尼斯和馬賽港的ρ(PM2.5)分別是15.0和14.0 μg/m3〕[43]以及GB 3095—2012對自然風(fēng)景區(qū)PM2.5排放標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，污染形勢嚴(yán)峻. 由圖1～3可見，冬季和春季泰山風(fēng)景區(qū)大氣中的氣態(tài)前體物中平均ρ(SO2)、ρ(NO2) 以及ρ(O3)分別為48.0、43.9、22.1 μg/m3和31.8、28.5、74.4 μg/m3，從冬季到春季，ρ(SO2)、ρ(NO2)表現(xiàn)出顯著降低的趨勢(T檢驗，P<0.01)，而ρ(O3)表現(xiàn)出顯著增加的趨勢(T檢驗，P<0.01). 泰山頂位于混合層以上，因此，其大氣中的SO2和NO2等氣態(tài)前體物主要來自于區(qū)域輸送，而受到局地源的影響較小. 泰山頂大氣中的SO2、NO2基本上可以代表華東區(qū)域的背景水平，這些前體物通過化學(xué)轉(zhuǎn)化會進(jìn)一步增加顆粒物中二次粒子(SO42-、NO3-和NH4+)的區(qū)域背景濃度[44- 45]. 因此，研究泰山頂PM2.5及其二次粒子組分SO42-、NO3-和NH4+的濃度水平及區(qū)域來源對泰山風(fēng)景區(qū)PM2.5污染治理具有重要的意義.

3.2 后向軌跡聚類分析

注：底圖于2016年11月3日自國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)(http://nfgis.nsdi.gov.cn)下載. 審圖號：GS (2014) 6032. 余同.圖4 2015年泰山頂冬季和春季氣流聚類分析Fig.4 Cluster analysis of the airflow in the winter and spring of Mount Tai in 2015

為了研究泰山頂冬季和春季受區(qū)域傳輸?shù)挠绊懗潭纫约拔廴疚锏膫鬏敺较颍撗芯窟\用TrajStat軟件對泰山頂2015年冬季和春季的氣流濃度數(shù)據(jù)結(jié)合氣象資料進(jìn)行軌跡分析，并基于軌跡空間分布特征將其聚類，得到4條主要傳輸路徑(見圖4)，每條路徑出現(xiàn)概率見表1. 為研究各類氣流軌跡對PM2.5及其組分SO42-、NO3-和NH4+的影響，將不同類型的氣流軌跡特征和其對應(yīng)的ρ(PM2.5)、ρ(SO42-)、ρ(NO3-)、ρ(NH4+)的算術(shù)平均值相結(jié)合進(jìn)行分析. 由圖4和表1可知，在研究期間，冬季來自西北方向的氣流軌跡(軌跡1、2和3)在冬季氣流總軌跡數(shù)中所占比例最大，其中，來自蒙古國、內(nèi)蒙古、河北和山東聊城方向的氣流軌跡占59.0%；而源自西伯利亞，途徑蒙古國、內(nèi)蒙古、山西、河北和山東方向的氣流軌跡占19.6%. 春季來自河南、安徽北部、山東濟(jì)寧方向的軌跡最多，在當(dāng)季氣流軌跡總數(shù)中占46.5%.

基于泰山頂冬季和春季氣流后向軌跡聚類結(jié)果，對各類型軌跡對應(yīng)的ρ(PM2.5)、ρ(SO42-)、ρ(NO3-)和ρ(NH4+)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以表征大氣污染物的濃度水平特征. 由表1可見，冬季來自湖北、河南、山東濟(jì)寧的氣流軌跡4對應(yīng)的ρ(PM2.5)和ρ(NO3-)平均值最高，分別為40.5和3.2 μg/m3，這可能是因為冬季河南、山東等地區(qū)處于采暖期，燃煤電廠排放的大量NO2，在西南方向的氣流影響下到達(dá)泰山頂，發(fā)生二次反應(yīng)使得該氣流對應(yīng)的PM2.5和 NO3-平均濃度值偏高. 軌跡1對應(yīng)的ρ(SO42-)平均值最高，為7.6 μg/m3; 其次為軌跡4，ρ(SO42-)達(dá)到7.5 μg/m3，這是由于這些地區(qū)大量燃煤產(chǎn)生的SO2在泰山風(fēng)景區(qū)較高的ρ(O3)背景值下參與非均相化學(xué)反應(yīng)生成二次粒子SO42-. 來自西北方向的軌跡2對應(yīng)的ρ(NH4+)最高，為4.3 μg/m3; 而來自軌跡3的最小，

表1 2015年冬季和春季各類軌跡的區(qū)域特征

為3.1 μg/m3，各類氣流軌跡的ρ(NH4+)差異較小. 春季來自河南、安徽北部、山東濟(jì)寧等地區(qū)的氣流軌跡對應(yīng)的ρ(PM2.5)和ρ(NO3-)平均值最高，分別為63.2和3.3 μg/m3，這可能是由于來自西南方向的氣流軌跡經(jīng)過河南、安徽、山東濟(jì)寧等工業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)，把當(dāng)?shù)嘏欧诺拇髿馕廴疚飻y帶到泰山頂；軌跡3對應(yīng)的ρ(SO42-)和ρ(NH4+)平均值最高，分別為6.7和1.6 μg/m3，該軌跡源自蒙古國，途徑內(nèi)蒙古、山西、河南北部和山東聊城. 總體來看，泰山頂冬季和春季較易受到西北和西南地區(qū)的大陸性氣流的影響，受人為排放或沙塵因素的影響大，冬季ρ(NH4+)的平均值相對較高，ρ(SO42-)和ρ(NO3-)的平均值在冬春兩季變化不大，ρ(PM2.5)的平均值在春季明顯高于冬季.

3.3 潛在源區(qū)分析

為了進(jìn)一步研究泰山頂?shù)臐撛谖廴驹捶植技跋鄬ω暙I(xiàn)，利用PSCF法對研究期間泰山頂PM2.5及其組分SO42-、NO3-和NH4+的源概率分布進(jìn)行模擬. WPSCF值越大，表示該區(qū)域網(wǎng)格對泰山頂污染物質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)越大. 如圖5所示，對于PM2.5，冬季W(wǎng)PSCF的較大值主要集中在山西、河北和山東西部等地，是泰山頂PM2.5的主要潛在源區(qū)，此外，重慶、湖南、湖北、河南和內(nèi)蒙古等區(qū)域?qū)μ┥巾斘廴驹匆灿幸欢ㄓ绊懀淮杭網(wǎng)PSCF的較大值主要集中在山東西部和河南等區(qū)域，這與后軌跡聚類中質(zhì)量濃度的分析結(jié)果一致，而其他網(wǎng)格區(qū)域WPSCF值在0.08以下，對泰山頂PM2.5貢獻(xiàn)較小.

ρ(SO42-)、ρ(NO3-)和ρ(NH4+)的分布特征與ρ(PM2.5)較為類似，但春季有較大的區(qū)別. 在春季，WPSCF的較大值集中在河南和山東西部的狹長地帶，并成線狀分布，這是由于春季西南季風(fēng)北上過程中將沿途的人為污染物攜帶所致. 總體看來，泰山頂ρ(PM2.5)及其組分ρ(SO42-)、ρ(NO3-)和ρ(NH4+)的WPSCF潛在分布范圍較小，泰山頂冬季和春季的污染物受距離山東較近的山西、河南、河北等地的區(qū)域輸送影響較大，重慶、湖北等地也有一定貢獻(xiàn).

3.4 濃度權(quán)重軌跡分析

由于WPSCF只能反映潛在源區(qū)的貢獻(xiàn)概率大小，而不能反映各潛在源區(qū)不同軌跡的污染程度. 因此，該研究采用CWT分析法對影響泰山頂?shù)腜M2.5及SO42-、NO3-和NH4+的潛在源區(qū)進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖6所示.

圖5 2015年泰山頂冬季和春季PM2.5、SO42-、NO3-、NH4+的潛在源貢獻(xiàn)分布Fig.5 Distribution of potential source function (PSCF) of PM2.5, SO42-, NO3-, NH4+ in winter and spring of Mount Tai in 2015

圖6 2015年泰山頂冬季和春季PM2.5、SO42-、NO3-、NH4+的濃度權(quán)重分布Fig.6 Distribution of concentration-weighted trajectory(CWT) of PM2.5,SO42-, NO3-, NH4+ in winter and spring of Mount Tai in 2015

由圖6可見，CWT方法分析得到的污染源區(qū)的分布結(jié)構(gòu)與PSCF方法的結(jié)果大體相似，但在細(xì)節(jié)方面略有不同. 冬季PM2.5的最主要潛在源區(qū)集中在山西、河北和山東西部，這些地區(qū)對泰山頂日均ρ(PM2.5)貢獻(xiàn)在12.0 μg/m3以上，這是由于冬季采暖期燃煤鍋爐排放的大量污染物所致；春季CWT的較大值集中在河南和山東本地局部地區(qū)，日均ρ(PM2.5)貢獻(xiàn)在15.0 μg/m3以上，這是由于春季這些區(qū)域人為排放的污染物隨西南方向的氣流擴(kuò)散到泰山頂，此外，鄰近的山西、河北和內(nèi)蒙古對泰山頂也有一定的影響，這些地區(qū)對泰山頂日均ρ(PM2.5)貢獻(xiàn)在3.0 μg/m3以上.

ρ(SO42-)、ρ(NO3-)和ρ(NH4+)的CWT分布特征與ρ(PM2.5)相似. 冬季的最主要潛在源區(qū)集中在山西、河北和山東聊城，對應(yīng)日均ρ(SO42-)、ρ(NO3-)、ρ(NH4+)的CWT計算值分別在2.5、0.9和1.0 μg/m3以上. 春季CWT的較大值集中在河南和山東濟(jì)寧，對應(yīng)的日均ρ(SO42-)、ρ(NO3-)、ρ(NH4+)的CWT計算值分別在2.0、0.5和0.3 μg/m3以上. 總體來看，雖然PSCF與CWT分析法在分析過程中都具有一定的不確定性，但CWT法、PSCF法的模擬結(jié)果與表1中各氣流軌跡所經(jīng)過的潛在源區(qū)以及濃度貢獻(xiàn)值基本一致，因此模擬可信度較高. 模擬結(jié)果顯示，泰山頂大氣污染物主要受周邊山西、河北、河南、山東濟(jì)寧和聊城等地區(qū)域輸送的影響，另外，湖北省和重慶市也是其潛在源區(qū).

PSCF和CWT分析法在都有一定的變化和不確定性[46- 47]，該研究使用這兩種方法得到了相似的模擬結(jié)果，并且模擬結(jié)果與表1中各氣流所經(jīng)過的潛在地區(qū)以及這些地區(qū)的濃度貢獻(xiàn)值基本一致. 兩種模型模擬的結(jié)果相互驗證，降低了單獨模擬時的不確定性，使得結(jié)果更加合理.

4 結(jié)論

a) 泰山頂氣流輸送在冬季和春季季節(jié)性變化特征明顯. 冬季，來自西北方向的氣流所占比例較高，為78.6%；春季，來自西南方向的氣流占有較大的比例，對泰山頂PM2.5及其二次組分質(zhì)量濃度的影響較大.

通過對泰山頂冬季和春季的氣流軌跡進(jìn)行聚類，可以定量分析各類型氣流軌跡對泰山頂ρ(PM2.5)及二次粒子ρ(SO42-)、ρ(NO3-)、ρ(NH4+)影響的程度：冬季來自湖北、河南、山東濟(jì)寧等地區(qū)的氣流軌跡4對應(yīng)的ρ(PM2.5)和ρ(NO3-)平均值最高，來自西北方向的軌跡1和軌跡2分別對應(yīng)的ρ(SO42-)和ρ(NH4+)平均值最高；春季來自河南、安徽北部、山東濟(jì)寧等地區(qū)的西南氣流軌跡對應(yīng)的ρ(PM2.5)和ρ(NO3-)平均值最高，源自蒙古國，途經(jīng)內(nèi)蒙古、山西、河南北部和山東聊城的軌跡3對應(yīng)的ρ(SO42-)和ρ(NH4+)平均值最高.

b) 泰山頂ρ(PM2.5)及二次粒子ρ(SO42-)、ρ(NO3-)和ρ(NH4+)的PSCF和CWT季節(jié)分布特征類似. 冬季污染物的高WPSCF值和高CWT值主要分布在山東聊城和鄰近的山西省和河北省等人口密集、工業(yè)污染嚴(yán)重的地區(qū)，春季W(wǎng)PSCF和CWT的高值主要集中在山東濟(jì)寧和河南省等地區(qū). 山東濟(jì)寧、聊城以及周邊城市山西省、河北省和河南省是泰山頂PM2.5及其二次組分的主要潛在源區(qū).

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Transport Pathway and Potential Sources of PM2.5and Secondary Components at the Top of Mountain Tai

WANG Lu1, LIU Baoshuang1, BI Xiaohui1*, MEI Rubo2, WU Jianhui1, SUI Benhui2, FENG Yinchang1

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Urban Ambient Air Particulate Matter Pollution Prevention and Control, College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China 2.Tai’an Environmental Monitoring Station, Tai′an 271000, China

X823

1001- 6929(2017)10- 1505- 10

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.73

2017-01-06

2017-05-30

國家重點研發(fā)計劃大氣污染成因與控制技術(shù)研究專項(2016YFC0208500，2016YFC0208501)；國家自然科學(xué)基金項目(21407081)

王露(1994-)，女，山西長治人，846153336@qq.com.

*責(zé)任作者，畢曉輝(1980- )，男，山東商河人，副教授，博士，主要從事顆粒物來源解析及空氣污染防治研究，bixh@nankai.edu.cn

王露,劉保雙,畢曉輝,等.泰山頂PM2.5及其二次組分的輸送路徑與潛在源[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(10):1505- 1514.

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