裴坤寧,高興艾,王淑敏,閆世明,王 雁

晉東南地區(qū)冬季PM2.5污染輸送路徑分析

裴坤寧,高興艾,王淑敏,閆世明*,王 雁**

(山西省氣象科學(xué)研究所,山西 太原 030002)

利用2017～2019年晉城市和長(zhǎng)治市冬季PM2.5逐時(shí)濃度資料、地面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)等,結(jié)合HYSPLIT軌跡模型和中尺度數(shù)值模式WRFV4.2分析了晉東南地區(qū)冬季PM2.5污染的特征和傳輸特點(diǎn).結(jié)果表明,晉城市冬季PM2.5污染程度高于長(zhǎng)治市.受地形影響,晉城市地面盛行偏南風(fēng)、偏北風(fēng)和西北風(fēng),污染方向主要為偏南風(fēng)和偏北風(fēng);長(zhǎng)治市近地面盛行偏南風(fēng),該風(fēng)向污染頻率最高.影響晉城市和長(zhǎng)治市污染的潛在源區(qū)主要分布在偏西、東北和東南方向,偏西氣流來(lái)自陜西省中部,東北氣流來(lái)自河北省西南部,東南氣流來(lái)自河南省中東部.污染經(jīng)過(guò)晉東南地區(qū)主要影響山西省中南部和北京南部.通過(guò)數(shù)值模擬流場(chǎng),結(jié)合潛在源區(qū)和影響區(qū)域的分析結(jié)果,在均壓場(chǎng)或高壓后部的天氣形勢(shì)下,晉東南地區(qū)污染輸送路徑包括來(lái)自東北方向(河北省西南部一帶)的氣流,沿長(zhǎng)治市東北部的滏口陘向晉東南地區(qū)輸送污染物及沿太行山東麓向南在晉豫交界處的太行陘發(fā)生轉(zhuǎn)折向晉東南地區(qū)輸送污染物;來(lái)自東南方向(河南北部及東部)的氣流輸送和來(lái)自偏西方向(陜西中南部)的氣流輸送.污染物經(jīng)過(guò)晉東南地區(qū)向北輸送至山西省中南部,部分經(jīng)過(guò)山西省中東部的井陘輸送至北京南部.

晉東南；PM2.5；輸送路徑

區(qū)域PM2.5污染的主要原因包括本地積累、區(qū)域傳輸和二次轉(zhuǎn)化[1],在大氣污染排放源穩(wěn)定的情況下,地形條件和不利的氣象條件等對(duì)污染過(guò)程的形成也有影響[2-6].自2013年我國(guó)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》實(shí)施以來(lái),污染防治效果顯著,京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角、汾渭平原區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度明顯下降[7-10],其中污染物排放減少是PM2.5濃度下降的主導(dǎo)因素[11-12].

目前,關(guān)于京津冀“2+26”城市的污染已經(jīng)有大量研究成果[13-17].比如,石家莊市和北京市在特殊地形條件的影響下,均有來(lái)自偏西、西南方向的氣團(tuán)分別向其輸送污染物[18-21],另外北京市還受到華北平原東南風(fēng)帶的影響,因此還有來(lái)自東南路徑的氣團(tuán)向其輸送污染物.有學(xué)者總結(jié)京津冀地區(qū)秋冬季大氣污染物潛在源區(qū)主要分布在河北南部、河南東北部和山西中東部地區(qū)[22],西北方向?yàn)殚L(zhǎng)距離傳輸,南部為短距離傳輸,另外西南、東南方向也有局地氣團(tuán)輸入[23-24].除京津冀外,其它的城市像太原市、鄭州市也有學(xué)者做了研究,發(fā)現(xiàn)太原市大氣污染物輸送路徑主要是西北、西南和偏東方向,重要潛在源區(qū)主要位于汾渭平原[25],鄭州市冬季PM2.5的潛在源區(qū)主要是其北部的京津冀傳輸通道城市[26].

晉東南地區(qū)包括晉城市和長(zhǎng)治市,屬于“2+26”城市,也是京津冀地區(qū)主要潛在源區(qū)和輸送通道[22-24].近年來(lái),當(dāng)?shù)卣蜕鷳B(tài)環(huán)境部門(mén)制定了一系列的減排措施,例如工業(yè)企業(yè)限產(chǎn)、關(guān)停、煤改氣、煤改電、秸稈禁燒等,但環(huán)境空氣質(zhì)量仍不容樂(lè)觀.因此在繼續(xù)進(jìn)行減排治理的基礎(chǔ)上,研究當(dāng)?shù)氐匦?、氣象條件和輸送特征對(duì)于大氣污染治理具有重要意義.本文以晉東南地區(qū)為研究對(duì)象,利用地面風(fēng)場(chǎng)、PM2.5濃度數(shù)據(jù)分析晉東南地區(qū)冬季大氣污染特征,運(yùn)用軌跡模式和中尺度數(shù)值模式分析大氣污染輸送通道,分析區(qū)域輸送對(duì)晉東南地區(qū)PM2.5污染的影響,以期為區(qū)域大氣污染的輸送研究提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

晉東南地區(qū)屬于山地地形,位于太行山上腹地,111.9°E～113.7°E,35.2°N～37.1°N,四面環(huán)山,內(nèi)有上黨盆地和澤州盆地,盆地周?chē)母呱胶０渭s1500～2000m以上,將整個(gè)地區(qū)包裹其間(圖1).太行山中多橫谷(即“太行八陘”),其中太行陘位于晉城市南部,是連接河南省和山西省之間的重要通道;滏口陘位于長(zhǎng)治市東北部,是連接豫北安陽(yáng)和河北邯鄲與晉的通道,這些橫谷為太行山兩側(cè)的大氣污染物交換提供了通道[27].此外,晉城市處于澤州盆地,平均海拔約為600～700m,平面輪廓略呈卵形,整個(gè)地區(qū)的地勢(shì)呈北高,中、南部低的簸箕狀.長(zhǎng)治市處于上黨盆地,平均海拔在900～1000m,東臨太行山,地形東高西低,南高北低.

晉東南地區(qū)煤炭資源豐富,因此工業(yè)也主要以煤炭(煤層氣)、焦化、冶煉、化工以及電力企業(yè)為主,這些行業(yè)的共同特點(diǎn)就是顆粒物的排放量大,無(wú)組織排放治理難度也較大,受地形、不利氣象條件和區(qū)域傳輸?shù)挠绊?冬季污染頻發(fā)[28-29].

圖1 晉東南地區(qū)地形

1.2 研究方法

采用HYSPLIT4[30](混合單粒子拉格朗日積分軌跡)模式分析晉東南地區(qū)2017～2019年冬季PM2.5污染輸送特征,該模式已在大氣污染過(guò)程分析中得到廣泛應(yīng)用[31-32].軌跡的計(jì)算起始高度選取為300m,軌跡運(yùn)行時(shí)間為72h,時(shí)間間隔為1h.用于軌跡模式計(jì)算的氣象場(chǎng)資料為美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的分辨率為1°×1°的逐6h全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)數(shù)據(jù),時(shí)間為2017～2019年冬季(1月、2月和12月).同時(shí)收集晉城市和長(zhǎng)治市2017～2019年冬季逐時(shí)PM2.5濃度資料以及對(duì)應(yīng)時(shí)刻的地面風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù).

利用常規(guī)潛在源貢獻(xiàn)因子分析法(PSCF)和濃度權(quán)重軌跡分析(CWT)[25,33]識(shí)別晉東南地區(qū)冬季PM2.5的潛在源區(qū),并用前向PSCF和前向CWT方法[34]識(shí)別通過(guò)晉東南地區(qū)的氣流可能影響的區(qū)域,通過(guò)軌跡的后向和前向分析,并結(jié)合中尺度數(shù)值模式WRFV4.2[35](天氣預(yù)報(bào)模式)模擬的晉東南地區(qū)污染過(guò)程流場(chǎng)分析,揭示晉東南地區(qū)2017～2019年冬季PM2.5污染的輸送路徑,模式輸入數(shù)據(jù)為水平分辨率1°×1°的逐6h NCEP/NCAR的FNL氣象再分析資料,地形數(shù)據(jù)分辨率為30s.

2 結(jié)果與討論

2.1 晉東南地區(qū)冬季PM2.5污染特征

根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[36],2017～2019年冬季晉城市和長(zhǎng)治市的超標(biāo)率分別為49.0%和46.2%,超標(biāo)率均接近50%,污染嚴(yán)重,PM2.5平均值分別為89.6和82.2μg/m3.由圖2可知,晉城市PM2.5低濃度(0～25μg/m3)區(qū)間和高濃度(3150μg/m3)區(qū)間濃度頻數(shù)均高于長(zhǎng)治市,而在PM2.5濃度25～150μg/m3區(qū)間,長(zhǎng)治市濃度頻數(shù)則要高于晉城市,說(shuō)明晉城市的環(huán)境空氣質(zhì)量相比長(zhǎng)治市波動(dòng)較大,而長(zhǎng)治市環(huán)境空氣質(zhì)量相對(duì)而言較為穩(wěn)定.

圖2 2017～2019年晉東南地區(qū)冬季PM2.5濃度分布

圖3 2017～2019年晉東南地區(qū)冬季PM2.5濃度的日變化特征

由圖3可見(jiàn),與大多數(shù)城市相同[37-39],晉城市和長(zhǎng)治市冬季PM2.5濃度日變化均表現(xiàn)為單峰單谷.但又略有差異,晉城市冬季PM2.5小時(shí)濃度在11:00達(dá)到峰值,而后下降至16:00降到谷值,隨后上升;長(zhǎng)治市則在12:00達(dá)到峰值,直到18:00才降至谷值.晉城市冬季PM2.5逐時(shí)平均濃度的峰值和谷值均高于長(zhǎng)治市,且后者PM2.5濃度峰谷值出現(xiàn)時(shí)間較前者滯后1～2h.

2.2 地形與地面風(fēng)對(duì)PM2.5濃度的影響

2.2.1 地形的影響 復(fù)雜地形會(huì)對(duì)氣象條件和氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱力和動(dòng)力的作用,對(duì)污染物的擴(kuò)散傳輸有很大的影響[40].晉東南地區(qū)地形特殊,以盆地為主,還有山地丘陵分布,均屬于復(fù)雜地形.盆地上空一般存在逆溫層,大氣層結(jié)穩(wěn)定少動(dòng),空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)減弱或停滯,污染物難以垂直擴(kuò)散.復(fù)雜地形對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)影響很大,山體和盆地地形高度差異較大,存在明顯山谷風(fēng),導(dǎo)致污染物堆積在谷底,不易擴(kuò)散[41].盆地受到山體屏障效應(yīng)[42]的影響,山體后側(cè)風(fēng)速偏小,有多個(gè)弱風(fēng)區(qū)域,在這些區(qū)域污染物擴(kuò)散會(huì)受到抑制.

晉東南地區(qū)特殊的地形影響了地面風(fēng)的風(fēng)向及其頻率,為了解各風(fēng)向下PM2.5污染發(fā)生頻率,對(duì)晉城市和長(zhǎng)治市2017～2019年冬季不同風(fēng)向下不同濃度發(fā)生頻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算.

晉城市處于澤州盆地,整體北高南低,西北方向有狹長(zhǎng)的山谷,圖4(a)顯示晉城市近地面盛行偏南風(fēng)、偏北風(fēng)和西北風(fēng),與晉城市所處的地形特征相對(duì)應(yīng)(圖1).長(zhǎng)治市處于上黨盆地,四面環(huán)山,從圖4(b)可以看出除偏南風(fēng)風(fēng)頻略高外,其他各方向風(fēng)頻較為均勻,說(shuō)明長(zhǎng)治市地面風(fēng)場(chǎng)受盆地地形作用十分明顯.

從圖4(a)中可以看出,晉城市近地面風(fēng)盛行風(fēng)向主要是偏南風(fēng)(S、SSE、SSW風(fēng))、偏北風(fēng)(N、NNE風(fēng))以及西北風(fēng)(NW、WNW風(fēng)),這6個(gè)風(fēng)向占比已經(jīng)超過(guò)三分之二,而其中主要的污染方向?yàn)槠巷L(fēng)和偏北風(fēng),兩者發(fā)生污染的頻率已經(jīng)超過(guò)30.0%,而晉城市的污染發(fā)生頻率為49.0%;同時(shí)也可以看出西北風(fēng)下發(fā)生優(yōu)和良天氣的頻率為最高,超過(guò)16.6%.長(zhǎng)治市近地面風(fēng)盛行風(fēng)向主要是偏南風(fēng)(S、SSW、SW風(fēng)),該風(fēng)向占比超過(guò)30.0%,同時(shí)也是主要的污染方向,發(fā)生污染的頻率為13.7%,其他方向風(fēng)頻和污染發(fā)生頻率較均勻.

晉城市和長(zhǎng)治市在偏南風(fēng)方向上均易出現(xiàn)污染,長(zhǎng)治市冬季PM2.5濃度峰谷值出現(xiàn)時(shí)間滯后于晉城市1～2h,計(jì)算了晉城市和長(zhǎng)治市冬季逐時(shí)PM2.5濃度相關(guān)性(表1),可以看出,晉城市與晚2h的長(zhǎng)治市冬季逐時(shí)PM2.5濃度相關(guān)性最高,為0.5443,通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn),這也表明了PM2.5污染通過(guò)偏南風(fēng)的輸送由晉城市北向輸送長(zhǎng)治市.

表1 晉城市和長(zhǎng)治市冬季PM2.5濃度相關(guān)性

2.2.2 地面風(fēng)與污染物的平均濃度關(guān)系 為了解晉東南地區(qū)地面氣流特征,對(duì)晉城市和長(zhǎng)治市2017～2019年冬季不同風(fēng)向下不同風(fēng)速的PM2.5平均濃度(將統(tǒng)計(jì)數(shù)量少于10個(gè)的樣本剔除)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,如圖5所示,小于2m/s的靜穩(wěn)天氣下晉城市PM2.5濃度值較高,可見(jiàn)小風(fēng)靜穩(wěn)天氣易造成晉城市PM2.5的累積,即本地和外來(lái)污染物的積累作用顯著.風(fēng)速在大于2m/s時(shí),偏北風(fēng)、偏西風(fēng)以及偏南風(fēng)下PM2.5濃度也較高,體現(xiàn)出了傳輸過(guò)程對(duì)晉城市PM2.5污染的影響.偏西北風(fēng)下晉城市PM2.5濃度均較低,說(shuō)明來(lái)自偏西北方向的氣流較為清潔.

小于2m/s靜穩(wěn)天氣下長(zhǎng)治市PM2.5濃度值也較高,可見(jiàn)小風(fēng)、靜穩(wěn)天氣同樣造成長(zhǎng)治市PM2.5污染的積累.風(fēng)速在大于2m/s時(shí),偏北風(fēng)、西南風(fēng)和東南風(fēng)下PM2.5濃度也較高,尤其當(dāng)西南風(fēng)大于6m/s時(shí),也出現(xiàn)了PM2.5的高濃度值,表明了大風(fēng)條件下遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程對(duì)長(zhǎng)治市PM2.5污染的影響.偏西風(fēng)下長(zhǎng)治市PM2.5濃度均較低,氣流較為清潔.

2.3 PM2.5污染潛在源區(qū)和影響區(qū)域分析

如圖6(a～b)所示,晉城市冬季PM2.5主要潛在源區(qū)(貢獻(xiàn)0.7及以上)主要分布在偏西、東北和東南方向,偏西方向?yàn)樯轿魑髂喜亢完兾髦心喜?東北方向?yàn)榫┙蚣絽^(qū)域,東南方向?yàn)楹幽系闹袞|部,其中東南方向如開(kāi)封、許昌、周口等地的PSCF計(jì)算值高達(dá)0.9以上,說(shuō)明氣流通過(guò)這些區(qū)域到達(dá)晉城市造成PM2.5污染的概率超過(guò)90%.CWT計(jì)算結(jié)果表明,冬季對(duì)晉城市PM2.5濃度貢獻(xiàn)超過(guò)140μg/m3以上的區(qū)域與潛在源貢獻(xiàn)在0.7及以上的區(qū)域范圍大致相同,濃度貢獻(xiàn)較高的地區(qū)位于東南方向,如河南省中東部區(qū)域濃度貢獻(xiàn)超過(guò)160μg/m3.

如圖6(c～d)所示,長(zhǎng)治市冬季PM2.5主要潛在源區(qū)(貢獻(xiàn)0.7及以上)與晉城市大體相似,偏西方向的影響比晉城市略小,PSCF計(jì)算值最高區(qū)域也在東南方向,最高達(dá)0.9以上.CWT計(jì)算結(jié)果表明冬季對(duì)長(zhǎng)治市PM2.5濃度貢獻(xiàn)超過(guò)120μg/m3以上的區(qū)域少量分布在陜西中南部,主要分布在東北和東南方向,東北方向?yàn)楹颖蔽髂虾蜄|南部地區(qū),東南方向是河南北部及中東部地區(qū),濃度貢獻(xiàn)較高的地區(qū)位于東南方向的河南省中東部達(dá)140μg/m3.

綜上所述,兩城市的污染潛在源區(qū)方向基本一致,主要位于偏西、東北和東南方向.但是不同方向潛在源區(qū)貢獻(xiàn)略有差異,其中晉城市較長(zhǎng)治市受偏西方向影響更大.

圖6 晉東南地區(qū)冬季后向軌跡的PSCF和CWT分布

圖7 晉東南地區(qū)冬季前向軌跡的PSCF和CWT分布

利用前向軌跡模式計(jì)算了2017～2019年冬季晉城市和長(zhǎng)治市的前向氣流軌跡,并結(jié)合對(duì)應(yīng)時(shí)次的PM2.5濃度,采用前向PSCF和前向CWT來(lái)分析計(jì)算經(jīng)過(guò)晉東南地區(qū)的氣流軌跡造成的影響區(qū)域.

如圖7(a～b)所示,氣流經(jīng)過(guò)晉城市后主要影響的區(qū)域是山西省大部分地區(qū)以及京津冀地區(qū),計(jì)算結(jié)果較為分散,但臨汾、太原、呂梁、陽(yáng)泉、北京等地區(qū)計(jì)算值均在0.8以上,表明經(jīng)過(guò)晉城市的氣流到達(dá)該區(qū)域時(shí)造成污染的概率超過(guò)80%.CWT高值區(qū)分布與潛在源區(qū)一致,在山西省中南部區(qū)域及京津冀地區(qū),尤其是北京南部,對(duì)北京的影響最高超過(guò)160μg/m3.

由圖7(c～d)可知,氣流經(jīng)過(guò)長(zhǎng)治市后主要影響山西中部的呂梁、太原、忻州、朔州、陽(yáng)泉等地以及河北省中南部的保定、廊坊等地,PSCF計(jì)算值也均在0.8以上.前向CWT高值區(qū)在山西省的呂梁、晉中以及東北方向山西陽(yáng)泉、北京南部.

晉城市和長(zhǎng)治市前向影響的區(qū)域也基本一致,主要是山西省中南部和北京南部.

2.4 中尺度數(shù)值模式(WRF)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及污染個(gè)例的風(fēng)場(chǎng)分析

2.4.1 模式參數(shù)設(shè)置 為了研究晉東南地區(qū)冬季污染物傳輸?shù)穆窂?利用中尺度數(shù)值模式WRFV4.2模擬了冬季晉東南地區(qū)發(fā)生污染的氣象場(chǎng)(模擬區(qū)域見(jiàn)圖8).模式采用兩層雙向嵌套,第一層網(wǎng)格為214′183,網(wǎng)格距27km,第二層網(wǎng)格為148′133,網(wǎng)格距9km,垂直方向?yàn)?4層,時(shí)間積分步長(zhǎng)為120s.云微物理方案采用Lin方案,長(zhǎng)波輻射RRTM方案,短波輻射Dudhia方案,積云對(duì)流參數(shù)化Betts-Miller- Janjic方案.此外,近地面層方案為MM5Monin? Obukhov方案,陸面過(guò)程方案為Noah land-surface model方案,邊界層方案為YSU方案,本研究主要分析內(nèi)層模擬結(jié)果.

圖8 雙層嵌套模擬區(qū)域

2.4.2 模擬個(gè)例風(fēng)場(chǎng)分析 后向和前向的PSCF和CWT計(jì)算出了潛在源區(qū)和影響區(qū)域,為了更直觀的表達(dá)污染輸送路徑,采用WRF模式模擬了晉東南地區(qū)冬季PM2.5污染發(fā)生時(shí)的地面風(fēng)場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng),并選取了5個(gè)典型個(gè)例來(lái)代表不同方向氣流的輸送情況,進(jìn)而闡明PM2.5的輸送路徑.

圖9(a)代表了東北氣流向晉東南地區(qū)的傳輸,為2019年2月21日20:00的地面風(fēng)場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng).500hPa高空為平直的西風(fēng)氣流,晉東南地區(qū)處于地面均壓場(chǎng),來(lái)自河北省的東北氣流沿滏口陘輸送至?xí)x東南地區(qū),地面風(fēng)速小于2m/s,小風(fēng)、靜穩(wěn)的天氣形勢(shì)有利于污染的積累[5].表明PSCF和CWT東北方向高值區(qū)的傳輸路徑是來(lái)自河北省西南部一帶的東北氣流輸送至?xí)x東南地區(qū).

圖9(b)代表了東北氣流沿太行山東麓向南在晉豫交界處發(fā)生轉(zhuǎn)折的傳輸,為2019年2月6日12:00的地面風(fēng)場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng).地面風(fēng)場(chǎng)對(duì)此次過(guò)程的影響明顯,來(lái)自華北平原的東北氣流沿太行山東麓山體向偏南方向運(yùn)動(dòng),一部分沿著滏口陘吹至長(zhǎng)治市,另一部分繼續(xù)向南至河南省,在太行山東麓氣流向西北轉(zhuǎn)折,沿太行陘吹向晉城市.該個(gè)例中, 500hPa高空為平直的西風(fēng)氣流,晉東南地區(qū)處于地面均壓場(chǎng),晉城市地面的偏南風(fēng)與長(zhǎng)治市的偏北風(fēng)相遇,極易造成污染無(wú)法擴(kuò)散,堆積在晉東南地區(qū).表明PSCF和CWT東北方向高值區(qū)的傳輸既有直接輸送,還可以在地面風(fēng)場(chǎng)的影響下沿太行山東麓向南在晉豫交界處發(fā)生轉(zhuǎn)折輸送.

圖9(c)代表了東南氣流向晉東南地區(qū)的傳輸,為2019年2月11日06:00的地面風(fēng)場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng),500hPa高空為平直的西風(fēng),晉東南地區(qū)位于高壓后部,來(lái)自河南省的東南氣流運(yùn)動(dòng)至?xí)x東南地區(qū),偏南氣流使?jié)穸仍龃?有利于污染物的生成[4].表明PSCF和CWT東南方向高值區(qū)的傳輸路徑是來(lái)自河南北部及東部的東南氣流向晉東南地區(qū)輸送污染物.

圖9(d)代表了偏西氣流向晉東南地區(qū)的傳輸,為2019年2月24日00:00的地面風(fēng)場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng),500hPa高空為平直的西風(fēng),晉東南地區(qū)處于均壓場(chǎng),風(fēng)速很小,有利于污染物的累積,來(lái)自陜西省的偏西氣流吹至?xí)x東南地區(qū),表明PSCF和CWT偏西方向高值區(qū)的傳輸路徑是來(lái)自陜西中南部的偏西氣流輸送污染物至?xí)x東南地區(qū).

圖9(e)代表了晉東南地區(qū)氣流軌跡的影響區(qū)域,為2019年2月17日12:00的地面風(fēng)場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng),500hPa高空為平直的西風(fēng)氣流,晉東南地區(qū)處于地面均壓場(chǎng),氣流向偏北方向流動(dòng),影響山西省中南部大部分區(qū)域,受均壓場(chǎng)控制,風(fēng)速較小,部分氣流通過(guò)山西省中東部的陽(yáng)泉地區(qū)(“井陘”通道,連通太行山兩側(cè)的通道)運(yùn)動(dòng)至京津冀地區(qū)尤其是北京(前向PSCF和前向CWT的計(jì)算結(jié)果也表明,北京南部存在高值區(qū)),說(shuō)明前向軌跡計(jì)算的PSCF和CWT高值區(qū)傳輸路徑是氣流經(jīng)過(guò)晉東南地區(qū)向北輸送至山西省中南部,并通過(guò)連通太行山兩側(cè)的井陘通道輸送至北京南部.

2.5 污染輸送路徑

根據(jù)風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果,結(jié)合PSCF和CWT的后向和前向分析,可歸納出晉東南地區(qū)的污染輸送路徑,如圖10所示,輸送路徑①:東北方向,河北省西南部一帶的氣流沿滏口陘直接輸送至?xí)x東南地區(qū).根據(jù)PSCF和CWT的后向計(jì)算結(jié)果,河北省西南部一帶為PSCF和CWT高值區(qū),即潛在源區(qū),結(jié)合圖9(a)模擬的風(fēng)場(chǎng)圖,顯示來(lái)自河北省的東北氣流沿滏口陘輸送至?xí)x東南地區(qū),對(duì)應(yīng)河北省西南部是PSCF和CWT的高值區(qū).輸送路徑②:東北方向,河北省西南部一帶的氣流沿太行山東麓山體向偏南運(yùn)動(dòng)并在晉豫交界的太行陘一帶轉(zhuǎn)折輸送至?xí)x東南地區(qū).根據(jù)PSCF和CWT的后向計(jì)算結(jié)果,河北省西南部一帶、太行山附近及河南北部為PSCF和CWT高值區(qū),即潛在源區(qū),結(jié)合圖9(b)模擬的流場(chǎng)圖,顯示來(lái)自河北省的東北氣流在太行山東麓發(fā)生轉(zhuǎn)折輸送至?xí)x東南地區(qū),對(duì)應(yīng)潛在源區(qū)的位置.輸送路徑③:東南方向,河南北部及東部的氣流輸送至?xí)x東南地區(qū).根據(jù)PSCF和CWT的后向計(jì)算結(jié)果,河南北部及東部為PSCF和CWT高值區(qū),即潛在源區(qū),結(jié)合圖9(c)模擬的流場(chǎng)圖,來(lái)自河南省的東南氣流輸送至?xí)x東南地區(qū),對(duì)應(yīng)計(jì)算的潛在源區(qū)的高值區(qū).輸送路徑④:偏西方向,陜西中南部的氣流向東輸送至?xí)x東南地區(qū).根據(jù)PSCF和CWT的后向計(jì)算結(jié)果,陜西中南部為PSCF和CWT高值區(qū),即潛在源區(qū),結(jié)合圖9(d)模擬的流場(chǎng)圖,來(lái)自陜西省的偏西氣流運(yùn)動(dòng)至?xí)x東南地區(qū),對(duì)應(yīng)計(jì)算的PSCF和CWT高值區(qū).輸送路徑⑤:偏北方向,向北輸送至山西省中南部,并通過(guò)井陘向東北輸送至北京南部.根據(jù)PSCF和CWT的前向計(jì)算結(jié)果,山西省中南部和陽(yáng)泉到北京南部一帶為PSCF和CWT高值區(qū),即晉東南地區(qū)的前向軌跡造成的影響區(qū)域.PSCF可用于研究源區(qū)域和受體位點(diǎn)之間的路徑[43],識(shí)別源區(qū)域和運(yùn)輸路徑[44].結(jié)合圖9(e)模擬的風(fēng)場(chǎng)圖,晉東南地區(qū)的氣流向北運(yùn)動(dòng)至山西省中南部,部分經(jīng)過(guò)山西省中東部的井陘輸送至北京南部,并造成該處PSCF和CWT的高值.

圖10 晉東南地區(qū)污染輸送路徑

3 結(jié)論

3.1 晉城市和長(zhǎng)治市PM2.5平均值分別為89.6和82.2μg/m3,晉城市冬季PM2.5污染比長(zhǎng)治市重,環(huán)境空氣質(zhì)量波動(dòng)較長(zhǎng)治市大,晉城市PM2.5濃度峰值和谷值均高于長(zhǎng)治市.

3.2 晉東南地區(qū)復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)向影響顯著.受地形影響,晉城市地面盛行偏南風(fēng)、偏北風(fēng)和西北風(fēng),污染方向主要為偏南風(fēng)和偏北風(fēng),而西北方向?yàn)橄鄬?duì)清潔風(fēng)向;長(zhǎng)治市近地面盛行偏南風(fēng),該風(fēng)向污染頻率最高.

3.3小于2m/s的小風(fēng)靜穩(wěn)天氣是造成晉城市和長(zhǎng)治市冬季PM2.5污染積累的主要原因.風(fēng)速大于2m/s時(shí),偏北風(fēng)、偏西風(fēng)以及偏南風(fēng)也會(huì)造成晉城市的污染,偏北風(fēng)、西南風(fēng)和東南風(fēng)同樣會(huì)造成長(zhǎng)治市的污染,說(shuō)明大風(fēng)條件下較長(zhǎng)距離傳輸會(huì)對(duì)晉東南地區(qū)冬季PM2.5污染產(chǎn)生影響.

3.4 PSCF和CWT的前向和后向分析結(jié)果顯示,影響晉城市和長(zhǎng)治市的污染潛在源區(qū)一致,主要分布在偏西、東北和東南方向.其中,晉城市受偏西方向的影響相對(duì)長(zhǎng)治市較大,PSCF和CWT值均較高.PM2.5污染經(jīng)過(guò)晉東南地區(qū)影響山西省中南部及京津冀地區(qū).

3.5 通過(guò)模式模擬發(fā)現(xiàn)晉城市和長(zhǎng)治市的污染發(fā)生在均壓場(chǎng)或高壓后部的天氣形勢(shì)下,結(jié)合PSCF和CWT結(jié)果,得出晉東南地區(qū)的大氣污染輸送路徑:來(lái)自河北省的東北氣流沿滏口陘直接輸送或沿太行山東麓向南在晉豫交界處的太行陘發(fā)生轉(zhuǎn)折輸送、陜西省的偏西氣流和河南省的東南氣流輸送污染物至?xí)x東南地區(qū),后經(jīng)過(guò)晉東南地區(qū)向北輸送至山西省中南部,并通過(guò)井陘輸送至北京南部.

3.6 根據(jù)晉東南地區(qū)大氣污染的輸送路徑,可盡量減少或調(diào)整在污染傳輸路徑上的重污染工業(yè)布局,并加強(qiáng)與污染潛在源區(qū)所在地的協(xié)同污染控制.

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Analysis of PM2.5pollution transportation path in winter in Southeast Shanxi Province.

PEI Kun-ning, GAO Xing-ai, WANG Shu-min, YAN Shi-ming*, WANG Yan**

(Shanxi Institute of Meteorological Sciences, Taiyuan 030002, China)., 2022,42(2)：557～567

Based on the hourly concentration data of PM2.5and surface wind field data in winter of Jincheng and Changzhi from 2017 to 2019, combined with HYSPLIT trajectory model and mesoscale numerical model WRFV4.2, the characteristics and transmission characteristics of PM2.5pollution in winter in Southeast Shanxi were analyzed. The results showed that the pollution degree of PM2.5in Jincheng in winter was higher than that in Changzhi. Affected by the terrain, southerly wind, northerly wind and northwest wind prevail on the ground in Jincheng, and the pollution direction was mainly southerly wind and northerly wind; The southerly wind prevails near the ground in Changzhi, and this wind direction had the highest frequency of pollution. The potential pollution source areas affecting Jincheng and Changzhi were mainly distributed in the west, northeast and southeast. The westward airflow came from central Shaanxi Province, the northeast airflow came from southwestern Hebei Province, and the southeast airflow came from central and eastern Henan Province. Pollution passing through the southeastern part of Shanxi mainly affected the central and southern parts of Shanxi Province and the southern part of Beijing. Through the numerical simulation of flow field, combined with the analysis results of potential source area and influence area, under the weather situation behind the pressure equalizing field or high pressure, the pollution transport path in the southeast of Shanxi included: Airflow from the Northeast (southwest of Hebei Province), transporting pollutants along the Fukou Xing in the northeast of Changzhi to the southeast of Shanxi, and the same northeast air flow continued southward along the eastern foot of the Taihang Mountain and then turned to the Taihang Xing at the junction of Shanxi and Henan to transport pollutants to the southeast of Shanxi; Airflow from the southeast (northern and east of Henan) transported pollutants; And airflow from the west (central and southern Shaanxi) transported pollutants. The pollutants were transported northward to the central and southern Shanxi Province through the southeast of Shanxi Province, and some were transported to the south of Beijing through Jingxing in the Middle East of Shanxi Province.

Southeast Shanxi；PM2.5；transmission path

X513

A

1000-6923(2022)02-0557-11

裴坤寧(1995-),女,山西長(zhǎng)治人,助理工程師,碩士,主要研究方向?yàn)榇髿猸h(huán)境與數(shù)值模擬.發(fā)表論文5篇.

2021-07-09

山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(201601D011084, 201901D111465);山西省氣象局重點(diǎn)項(xiàng)目(SXKZDDQ20185105);山西省氣象局青年基金項(xiàng)目(SXKQNDW20205241,SXKQNDW20217151)

* 責(zé)任作者, 正高級(jí)工程師, qksysm@126.com; **正高級(jí)工程師, qkswy@126.com