李海軍 陸琛莉 宋劉明

(嘉興市氣象局，浙江 嘉興 314000)

嘉興秋冬季中度及中度以上霾天氣的潛在污染來源及污染傳輸特征分析*

李海軍 陸琛莉 宋劉明

(嘉興市氣象局，浙江 嘉興 314000)

秋冬季是嘉興中度及中度以上霾天氣多發(fā)季節(jié)，使用HYSPLIT4模型和潛在源貢獻(xiàn)因子法及濃度權(quán)重軌跡分析法對嘉興的潛在污染來源及傳輸特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，嘉興中度及中度以上霾天氣的后向軌跡可以聚成3類。第1類為來自偏西方向的近距離傳輸軌跡，軌跡數(shù)量占比最大，約46%。第2類為西偏北約45°方向的中距離傳輸軌跡，軌跡數(shù)量約占總數(shù)的42%。第3類為西偏北約60°方向的遠(yuǎn)距離傳輸軌跡，軌跡數(shù)量僅占總數(shù)的12%。遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奈廴疚镏饕荘M2.5、PM10、SO2和CO，而近距離傳輸?shù)闹饕荖O2和O3。對嘉興秋冬季中度及中度以上霾天氣影響較大的主要還是近距離的浙北和蘇南地區(qū)，尤其是靜穩(wěn)天氣時蘇南長江沿岸的PM2.5濃度快速增長可能是最主要原因。

中度及中度以上霾天氣 后向軌跡 聚類分析 潛在污染來源 傳輸特征

Abstract: Autumn and winter are seasons prone to moderate and heavier haze weather in Jiaxing. Using the HYSPLIT4 model,potential source contribution factor method and concentration weighted trajectory method,the potential pollution source and transmission characteristics were analyzed. Results show that three types of back trajectory were clustered. The first type came from the west,covering 46% trajectory quantity. The second came from 45° north of the west,covering 42% trajectory quantity. And the third came from 60° north of the west,covering 12% trajectory quantity. The transmission distance of the first type was the nearest while that of the third farthest. PM2.5,PM10,SO2and CO could transferred for a long way,but NO2and O3could not. The Jiaxing’s protential pollution source mainly came from close area like north of Zhejiang and south of Jiangsu. When the weather was quiet,south of Jiangsu along the Yangtze River might the chief source because PM2.5there increased rapidly.

Keywords: moderate and heavier haze weather; back trajectory; clustering analysis; potential pollution source; transmission characteristics

近年來，隨著城市化、工業(yè)化的快速發(fā)展，機(jī)動車保有量、化石燃料消耗量、工業(yè)廢氣排放量不斷上升，全國各地霾天氣出現(xiàn)頻率越來越高，霾中含有的細(xì)顆粒物(PM2.5)不僅能降低大氣能見度，威脅交通安全[1-3]，而且還易吸附有毒物質(zhì)，對人們的健康造成危害。 大氣PM2.5除本地來源外，外地源通過大氣運(yùn)動由遠(yuǎn)距離輸送而來也不可忽視[4-5]。

我國霾天氣多發(fā)，而且呈現(xiàn)出區(qū)域大范圍集中多發(fā)態(tài)勢。2013年12月，我國中東部地區(qū)發(fā)生大范圍嚴(yán)重霾天氣，涉及京津冀、長三角、珠三角等25個省份的100多個大中型城市，安徽、江蘇、上海、浙江等省份眾多地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)超過300，其中上海12月6日AQI達(dá)到了468。李鋒等[6]運(yùn)用數(shù)值模型對此次重度污染過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，靜穩(wěn)天氣下仍然存在著明顯的PM2.5區(qū)域間輸送。嘉興地處長三角滬杭樞紐中心地帶，近年來霾天氣日益增多，但其污染來源尚不明晰，本研究利用后向軌跡模式，結(jié)合聚類分析，對嘉興霾天氣高發(fā)的秋冬季潛在污染來源和污染傳輸特征進(jìn)行了分析，以期為嘉興大氣污染防治提供依據(jù)。

1 霾天氣判別

使用大氣水平能見度、相對濕度和PM2.5濃度對霾天氣及其等級進(jìn)行判別，其中大氣能見度和相對濕度采用嘉興氣象觀測站監(jiān)測數(shù)據(jù)；PM2.5濃度采用嘉興3個大氣污染在線監(jiān)測站(嘉興學(xué)院、清河小學(xué)和南湖區(qū)殘疾人聯(lián)合會)的數(shù)據(jù)，3個監(jiān)測站同一時間數(shù)據(jù)取平均值。

表1 嘉興秋冬季各等級霾時分布

根據(jù)《霾的觀測和預(yù)報等級》(QX/T 113—2010)對霾天氣進(jìn)行判別，即當(dāng)能見度小于10 km時，如果相對濕度小于80%，判別為霾天氣；如相對濕度為80%～95%，且PM2.5>75 μg/m3，也判別為霾天氣。霾天氣根據(jù)能見度大小可以進(jìn)一步分級，5 km≤能見度<10 km為輕微霾，3 km≤能見度<5 km為輕度霾，2 km≤能見度<3 km為中度霾，1 km≤能見度<2 km為重度霾，能見度<1 km為嚴(yán)重霾。

對嘉興2013—2015年的秋冬季(每年9月至次年2月)逐小時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行霾時判別，共得到霾時4 156 h，無雨時嘉興霾時比例為36.7%。對不同月份的霾時進(jìn)行霾等級判別和統(tǒng)計，結(jié)果見表1，主要以輕微霾和輕度霾為主，共占總霾時的69.7%，中度及中度以上霾占30.3%。由于對人們健康和工作生活造成嚴(yán)重影響的主要是中度及中度以上霾，因此本研究著重對嘉興秋冬季中度及中度以上霾天氣的污染來源及傳輸特征進(jìn)行分析。

2 模型和方法

2.1 軌跡計算模型

使用HYSPLIT4模型，采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)分析風(fēng)、濕度、溫度等基本氣象資料，經(jīng)緯度分辨率為0.5°×0.5°，計算嘉興中度及中度以上霾時出現(xiàn)前3天的氣流后向軌跡，每天定時在2:00、5:00、8:00、11:00、14:00、17:00、20:00、23:00各計算1次，共得到435條氣流后向軌跡。所有后向軌跡起點(diǎn)設(shè)定為嘉興氣象觀測站(120.73°E，30.73°N)，起始點(diǎn)高度設(shè)定為1 000 m，模型頂高設(shè)定為10 000 m。

2.2 潛在源貢獻(xiàn)因子(PSCF)法

利用HYSPLIT4模型計算的氣流后向軌跡，將氣流途徑區(qū)域網(wǎng)格化，逐網(wǎng)格分析嘉興中度及中度以上霾天氣后向軌跡與所有霾天氣后向軌跡在某網(wǎng)格區(qū)域中停留時間的比值，以此來解析每個網(wǎng)格區(qū)域?qū)闻d中度及中度以上霾天氣的污染貢獻(xiàn)。由于每個軌跡點(diǎn)間隔時間相同，因此可以用網(wǎng)格內(nèi)軌跡點(diǎn)數(shù)來代表軌跡在網(wǎng)格內(nèi)的停留時間。PSCF計算公式如下：

(1)

式中：PSCFi,j為網(wǎng)格(i,j)的中度及中度以上霾天氣PSCF；mi,j為經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)的中度及中度以上霾天氣軌跡點(diǎn)數(shù)；ni,j為經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)的所有霾天氣軌跡點(diǎn)數(shù)。

由于PSCFi,j是條件概率，當(dāng)ni,j較小時，計算結(jié)果不確定性較大。因此，許多研究中都引入權(quán)重函數(shù)(見式(2))計算權(quán)重PSCF來減小不確定性，計算公式見式(3)。

(2)

WPSCFi,j=Wi,j×PSCFi,j

(3)

式中：Wi,j為權(quán)重函數(shù)；navg為所有網(wǎng)格的所有霾天氣軌跡點(diǎn)數(shù)平均值；WPSCFi,j為網(wǎng)格(i,j)的中度及中度以上霾天氣權(quán)重PSCF。

2.3 濃度權(quán)重軌跡分析法(CWT)

PSCF法可以反映某網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)中度及中度以上霾天氣軌跡所占的比例，但不能反映具體的PM2.5濃度。因此，進(jìn)一步采用CWT計算軌跡的PM2.5濃度。計算公式如下：

(4)

式中：ci,j為網(wǎng)格(i,j)的PM2.5加權(quán)平均質(zhì)量濃度，μg/m3；cl為軌跡l的PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m3；τi,j,l

圖1 嘉興中度及中度以上霾天氣的潛在污染來源分析Fig.1 The potential sources of moderate and heavier haze weather in Jiaxing

為軌跡l經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)的軌跡點(diǎn)數(shù)；M為經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)的軌跡數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 潛在污染來源分析

從圖1(a)可以看到，嘉興中度及中度以上霾天氣的潛在污染來源主要來自華東中北部及河南、山西、河北等地，其中WPSCFi,j≥0.7的網(wǎng)格主要集中在山東、河北一帶。另外，福建西北部和湖北東南部也有分散的強(qiáng)中心存在。

從圖1(b)來看，PM2.5加權(quán)平均質(zhì)量濃度為70 μg/m3以上的高濃度區(qū)域主要集中在浙江、安徽、江蘇、山東、河北等省份，其中嘉興周邊100 km范圍內(nèi)的蘇南和浙北等地，大部分網(wǎng)格的PM2.5加權(quán)平均質(zhì)量濃度超過110 μg/m3。

對比圖1(a)和圖1(b)可以發(fā)現(xiàn)，兩者的分布趨勢總體上基本一致，但強(qiáng)中心分布存在一定差別。在福建西北部和湖北東南部，中度及中度以上霾天氣軌跡所占比例較高，但PM2.5加權(quán)平均濃度并不高，表明這兩個地區(qū)雖然常有污染物經(jīng)西南氣流傳輸?shù)竭_(dá)嘉興，但影響濃度較低。嘉興周邊地區(qū)雖然中度及中度以上霾天氣軌跡所占比例不高，但PM2.5加權(quán)平均濃度較高。綜合而言，嘉興周邊浙北和蘇南地區(qū)對嘉興中度及中度以上霾天氣的污染貢獻(xiàn)較大。此外，山東、河北、安徽等省份對嘉興的中度及中度以上霾天氣污染貢獻(xiàn)也較明顯。

3.2 后向軌跡聚類分析

為探尋嘉興中度及中度以上霾天氣潛在污染的最主要來源，對后向軌跡進(jìn)行聚類分析。不同霾等級的聚類分析結(jié)果如圖2所示。不同月份的聚類分析結(jié)果如圖3所示，由于9月份軌跡只有7條，代表性不足，故未進(jìn)行聚類分析。

由圖2(a)可見，中度及中度以上霾天氣的后向軌跡共聚成3類。第1類來自偏西方向，軌跡數(shù)量占總數(shù)的約46%，主要是由嘉興西側(cè)的安徽和浙江西北部輸入的污染源，軌跡約720 km，平均移速10 km/h，為近距離傳輸，由于氣流移動緩慢，影響時間往往較長，輸送過程中污染物高度大都穩(wěn)定在1 500 m以下，是造成嘉興中度及中度以上霾天氣的主要原因。第2類在西偏北約45°的方向，軌跡數(shù)量占總數(shù)的約42%，污染物經(jīng)華北和華東西北部進(jìn)入嘉興，軌跡長度約2 200 km，平均移速30 km/h，為中距離傳輸，往往是秋冬季西北方向的冷空氣在南下過程中攜帶污染物輸送至嘉興；第3類在西偏北約60°的方向，軌跡數(shù)量占總數(shù)的12%，污染物從華北和華東輸入嘉興，軌跡長度約3 940 km，平均移速55 km/h，為遠(yuǎn)距離傳輸，往往受冬季強(qiáng)冷空氣南下造成的。第3類軌跡移動迅速，在較短的時間內(nèi)就能把污染物傳輸?shù)郊闻d，但此類軌跡過境迅速，因而空氣質(zhì)量和能見度能較快好轉(zhuǎn)。

具體分析中度霾(見圖2(b))、重度霾(見圖2(c))和嚴(yán)重霾(見圖2(d))的聚類分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中度霾的污染來源基本與中度及中度以上霾的來源一致，重度霾和嚴(yán)重霾時還有來自西南方向的污染，并且霾等級越嚴(yán)重，西南方向的軌跡數(shù)量占比越大，這可能是由于霾等級越嚴(yán)重，其后向軌跡起始高度越低，隨著霾等級的加重，低空傳輸影響越顯著。

由圖3可見，秋季10月至11月嘉興中度及中度以上霾天氣的污染來源較為復(fù)雜，有海上傳輸和陸地傳輸兩種影響。冬季12月至次年2月，嘉興中度及中度以上霾天氣的污染來源較為一致，與圖2(a)的秋冬季整體聚類分析結(jié)果也基本一致。

圖2 不同霾等級的聚類分析結(jié)果Fig.2 Clustering analysis result of different haze level

3.3 污染物濃度分析

對圖2(a)的3類后向軌跡的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等污染物中位數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，列于表2。由表2可見，第1類軌跡的PM2.5、PM10、SO2、CO等污染物濃度相對較低，而NO2和O3濃度略高；第3類軌跡的PM2.5、PM10、SO2、CO等污染物濃度較高，而NO2濃度相對較低。由于近地面O3是由復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)形成，一般由NOx和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等前體物在合適的氣象條件下反應(yīng)產(chǎn)生[7-8]，而SO2與北方的煤炭燃燒關(guān)系密切[9-10]。因而，遠(yuǎn)距離傳輸對嘉興的影響主要集中在PM2.5、PM10、SO2和CO等污染物上，而近距離傳輸中NO2和O3的污染影響較大，可能與當(dāng)?shù)貦C(jī)動車尾氣和其他VOCs的排放有關(guān)。

3.4 靜穩(wěn)天氣時嘉興及周邊PM2.5變化分析

近距離傳輸對嘉興中度及中度以上霾天氣的形成影響較大，而靜穩(wěn)天氣下的近距離傳輸影響則更為復(fù)雜。為考察靜穩(wěn)天氣(設(shè)小時極大風(fēng)低于2 m/s為靜穩(wěn)天氣)時，嘉興及周邊地區(qū)的PM2.5變化情況，分別計算嘉興及周邊地區(qū)的靜穩(wěn)天氣時PM2.5小時變化量，然后求平均值，繪制圖4。從圖4可以看到，嘉興及周邊地區(qū)PM2.5小時變化量基本為正值，說明PM2.5濃度呈增加態(tài)勢，其中常州的PM2.5小時變化量最大，達(dá)6.6 μg/(m3·h)。蘇州、無錫的PM2.5小時變化量也大于3.0 μg/(m3·h)。因此，秋冬季靜穩(wěn)天氣時，蘇南長江沿岸的PM2.5濃度增長迅速，對嘉興的影響較大，需加強(qiáng)區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。

表2 嘉興中度及中度以上霾天氣的3類軌跡污染物濃度中位數(shù)

圖3 不同月份的聚類分析結(jié)果Fig.3 Clustering analysis results of different month

圖4 靜穩(wěn)天氣時嘉興及周邊地區(qū)PM2.5小時變化量Fig.4 The hour variation of PM2.5 in and around Jiaxing under the static stability weather

4 結(jié) 論

(1) 華東中北部及河南、山西、河北等地的污染物對嘉興的影響比較頻繁。但對嘉興中度及中度以上霾天氣影響較大的主要是近距離的浙北和蘇南地區(qū)。

(2) 嘉興中度及中度以上霾天氣的后向軌跡可以聚成3類：第1類為來自偏西方向的近距離傳輸軌跡，軌跡數(shù)量占比最大，約46%；第2類為西偏北約45°方向的中距離傳輸軌跡，軌跡數(shù)量占總數(shù)的約42%；第3類為西偏北約60°方向的遠(yuǎn)距離傳輸軌跡，軌跡數(shù)量占總數(shù)的約12%。

(3) 遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奈廴疚镏饕荘M2.5、PM10、SO2和CO，而近距離傳輸?shù)奈廴疚镏饕荖O2和O3。

(4) 靜穩(wěn)天氣時，蘇南長江沿岸的PM2.5濃度快速增長可能是導(dǎo)致嘉興中度及中度以上霾天氣的最主要原因，應(yīng)加強(qiáng)區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。

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AnalysisofJiaxing’spotentialpollutionsourceandtransmissioncharacteristicsofmoderateandheavierhazeweatherinautumnandwinter

LIHaijun,LUChenli,SONGLiuming.

(JiaxingMeteorologicalAdministration,JiaxingZhejiang314000)

2016-09-28)

李海軍，男，1980年生，本科，工程師，主要從事中短期天氣預(yù)報研究。

*浙江省科技計劃項目(No.2014C03025)；嘉興市科技計劃項目(No.2014AY21013)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.08.018