吳春苗 胡偲豪 高娜娜 張崇崇 樊景森 牛紅亞

(河北工程大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

近年來，國家雖加大了污染治理力度，但我國北方地區(qū)冬春季的霧、霾和沙塵混合污染天氣過程仍時(shí)有發(fā)生，并且呈現(xiàn)區(qū)域擴(kuò)散遷移、持續(xù)時(shí)間長和影響因素復(fù)雜的特征[1],[2]88。霧、霾和塵天氣出現(xiàn)時(shí)，常伴隨著顆粒物濃度超標(biāo)，可能對(duì)能見度和人體健康帶來影響[3]43。

以往的研究大都只是單獨(dú)針對(duì)霧、霾或者沙塵污染的[4-6]，然而隨著霧、霾和沙塵混合污染的頻繁出現(xiàn)，混合污染過程也開始受到研究者們的關(guān)注。熊亞軍等[7]和王耀庭等[8]分析了北京市春季兩次霾和沙塵混合污染過程不同階段的氣象形成因素。王小蘭等[3]50對(duì)太原市冬季一次霾和沙塵混合污染過程的天氣成因進(jìn)行了分析。劉超等[2]94基于后向軌跡對(duì)北京市春季一次霾和沙塵的混合污染過程進(jìn)行了來源解析。

邯鄲市是河北省南部的一個(gè)典型的工業(yè)城市，屬于京津冀大氣污染傳輸通道的“2+26”城市之一，位于華北平原腹地，多盆地和山地，不利于空氣流通擴(kuò)散，大氣污染物容易積累，時(shí)常有霧、霾和沙塵天氣出現(xiàn)[9]。2021年1月，邯鄲市更是發(fā)生了一次沙塵、霾和霧連續(xù)出現(xiàn)的混合污染過程，本研究擬對(duì)這次污染過程的氣象條件、大氣污染物的輸送擴(kuò)散特征及來源進(jìn)行分析，為混合污染過程研究積累數(shù)據(jù)，為京津冀地區(qū)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

大氣污染物(包括SO2、NO2、CO、O3、可吸入顆粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5))數(shù)據(jù)來源于真氣網(wǎng)(https://www.zq12369.com/)。氣象數(shù)據(jù)(包括能見度、相對(duì)濕度、溫度、風(fēng)向和風(fēng)速)來源于慧聚大氣網(wǎng)(https://airwise.zc12369.com/)，而后向軌跡分析運(yùn)用的氣象數(shù)據(jù)來自于美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合發(fā)布的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)。

1.2 污染過程劃分

通常情況下，PM10的質(zhì)量濃度超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(150 μg/m3)，且能見度低于10.0 km，為沙塵污染[10]；PM2.5質(zhì)量濃度超過GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(75 μg/m3)，且能見度低于1.0 km、相對(duì)濕度大于90%，為霧污染；PM2.5質(zhì)量濃度超過GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(75 μg/m3)，且能見度低于10.0 km、相對(duì)濕度低于90%，為霾污染[11-12]。據(jù)此，邯鄲市2021年1月11—17日為沙塵污染天、1月18—19日為清潔天、1月20—24日為霾污染天、1月25—28日為霧污染天。

1.3 研究方法

1.3.1 混合拉格朗日綜合軌跡(HYSPLIT)模型

HYSPLIT模型是由美國國家海洋及大氣管理局研發(fā)的一種用于模擬分析氣流傳輸、沉降的后向軌跡模型。本研究選取大氣監(jiān)測(cè)國控點(diǎn)邯鄲市河北工程大學(xué)老校區(qū)(36.62°N，114.49°E)為軌跡的起始點(diǎn)，模擬軌跡時(shí)長為24 h，每1 h模擬一次，模擬高度為500 m[13-14]。

1.3.2 潛在源貢獻(xiàn)因子(PSCF)分析

PSCF分析是基于HYSPLIT模型的一種用來計(jì)算和確認(rèn)污染物潛在源的分析方法[15-16]。PSCF的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Pij為網(wǎng)格(i，j)的PSCF；mij為網(wǎng)格(i，j)內(nèi)的污染軌跡節(jié)點(diǎn)數(shù)；nij為網(wǎng)格(i，j)內(nèi)的所有軌跡節(jié)點(diǎn)數(shù)。

由于PSCF是一個(gè)概率，具有不確定性，因此再乘以相應(yīng)網(wǎng)格(i，j)內(nèi)的權(quán)重函數(shù)(Wij)對(duì)PSCF進(jìn)行加權(quán)修正后得到加權(quán)PSCF(WPSCF)，權(quán)重函數(shù)設(shè)置見式(2)。

(2)

1.3.3 濃度權(quán)重軌跡(CWT)分析

PSCF是一種條件概率，只能反映某網(wǎng)格的污染程度，而CWT分析可以研究污染軌跡對(duì)目標(biāo)網(wǎng)格的貢獻(xiàn)程度[17]，通過式(3)計(jì)算平均權(quán)重質(zhì)量濃度(WCWT)。

(3)

式中：Cij為網(wǎng)格(i，j)內(nèi)的平均WCWT，μg/m3；Ck為軌跡k經(jīng)過網(wǎng)格(i，j)時(shí)的質(zhì)量濃度，μg/m3；τijk為軌跡k在網(wǎng)格(i，j)內(nèi)停留的時(shí)間，h。

2 污染特征分析

2.1 污染過程概況

2021年1月11—28日，邯鄲市經(jīng)歷了一次沙塵、霾和霧接連出現(xiàn)的混合污染過程，圖1是該次污染過程中顆粒物濃度和氣象要素的逐時(shí)變化特征。

沙塵污染天：首要污染物為PM10，PM2.5/PM10平均只有0.31。1月11日，天氣狀況良好，多西北風(fēng)，1 d后較強(qiáng)西北氣流攜帶高濃度沙塵經(jīng)過邯鄲市導(dǎo)致1月12日空氣質(zhì)量驟然轉(zhuǎn)差，PM10濃度暴增，從10：00開始出現(xiàn)沙塵污染，PM10的質(zhì)量濃度達(dá)到了207 μg/m3，能見度為9.5 km，PM2.5的質(zhì)量濃度為38 μg/m3，相對(duì)濕度為22%。受沙塵污染滯留及傳輸?shù)挠绊懀?月13日18：00 PM10達(dá)到最大值(454 μg/m3)，此時(shí)能見度只有6.0 km，此后PM10濃度逐漸降低。但在1月15日受風(fēng)速降低的影響，大氣擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，6：00起PM10濃度又開始上升，一直持續(xù)到1月16日凌晨，PM2.5/PM10下降。到了1月17日，溫度升高，風(fēng)速增大，污染物加速擴(kuò)散，大氣能見度顯著提高。

清潔天：平均風(fēng)速為1.65 m/s，PM2.5與PM10的平均質(zhì)量濃度分別為51.21、108.38 μg/m3，PM2.5/PM10平均為0.47，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，能見度平均為12.6 km。

霾污染天：首要污染物為PM2.5，能見度大幅下降，平均只有4.7 km。1月20日下午由于風(fēng)速較小開始發(fā)生霾污染，PM2.5濃度不斷升高，PM2.5/PM10也呈增長趨勢(shì)。1月22日8：00，PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)到峰值(204 μg/m3)，能見度降到了2.2 km，此后顆粒物濃度波動(dòng)下降。1月23日21：00后，顆粒物濃度開始再次增加，同時(shí)相對(duì)濕度也升高，霾污染向霧污染轉(zhuǎn)變。邯鄲市的這次霾污染過程PM2.5/PM10平均為0.71，大于0.6，屬于重污染天氣，很可能是人為污染產(chǎn)生的PM2.5導(dǎo)致的[18]，所以邯鄲市應(yīng)加大對(duì)人為污染源的控制。

霧污染天：首要污染物為PM2.5，PM2.5/PM10平均為0.56。1月25日凌晨至1月26日中午為大霧天氣，PM2.5質(zhì)量濃度超過150 μg/m3，相對(duì)濕度一直維持在較高水平，多超過90%，利于顆粒物的吸濕增長，吸濕后的顆粒物對(duì)太陽光的散射能力增強(qiáng)[19-20]，使得能見度下降到1.0 km以下。1月26日下午，風(fēng)速增大，溫度升高，PM2.5濃度波動(dòng)下降，直至污染過程結(jié)束。

2.2 典型污染天大氣污染物濃度對(duì)比

為了更有效分析沙塵、霾、霧污染天的日變化特征，分別選取1月13、19、22、25日作為典型沙塵污染天、清潔天、霾污染天和霧污染天，進(jìn)行大氣污染物濃度比較。此次污染過程顆粒物是首要污染物，PM10大量增加，霾污染天和霧污染天的PM2.5遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于清潔天和沙塵污染天。由圖2可見，沙塵污染天、霾污染天和霧污染天的SO2和CO濃度變化與清潔天相比，差異較大，尤其是霾污染天。在霾污染天，SO2、CO與PM2.5變化趨勢(shì)相似，都是單峰型，基本上都在8：00左右濃度達(dá)到最高，這是因?yàn)轹参廴咎霺O2、CO和PM2.5的濃度受地面風(fēng)速和風(fēng)向的影響較大[3]50。沙塵污染天、霾污染天和霧污染天的NO2與O3度變化與清潔天相比，趨勢(shì)比較相似，表明NO2和O3與這次污染的關(guān)系不大。

注：PM2.5/PM10為質(zhì)量濃度之比。圖1 顆粒物濃度和氣象要素的逐時(shí)變化特征Fig.1 Hourly variation of particulate matter concentrations and meteorological elements

3 來源解析

3.1 后向軌跡聚類分析

為了分析4類不同污染過程下污染物的來源差異，利用TrajStat軟件對(duì)沙塵污染天、清潔天、霾污染天和霧污染天進(jìn)行后向軌跡聚類分析。沙塵污染天的氣流以西北方向輸入為主，軌跡多且長，占總軌跡的67.26%。蒙古、中國內(nèi)蒙古自治區(qū)等西北沙源地降雪稀少，無積雪覆蓋，地表裸露，冷空氣來襲誘發(fā)沙塵天氣；加上大風(fēng)傳輸作用下，沙塵隨引導(dǎo)氣流東移南下，邯鄲市受到影響。隨著來自西北沙源地的風(fēng)力減弱，沙塵污染逐漸得到緩解，來自西北方向的氣流軌跡減少到14.59%，沙塵污染過程趨于結(jié)束。然而邯鄲市在兩天的優(yōu)良天后，相對(duì)濕度增大，風(fēng)速降低，接連發(fā)生了霾污染和霧污染。霾污染天的軌跡主要是來自邯鄲市周邊的短氣流軌跡，來自邢臺(tái)市方向的氣流軌跡占了總軌跡的31.67%。霧污染天以來自山西省南部方向的氣流軌跡占多數(shù)，占到總軌跡的31.25%。

圖2 大氣污染物小時(shí)質(zhì)量濃度變化特征

3.2 潛在污染源分析

氣團(tuán)后向軌跡聚類分析雖然能夠較為清晰地說明沙塵污染天、霾污染天和霧污染天的氣團(tuán)來源方向，但是不能夠更加精準(zhǔn)地說明潛在污染源的分布，故利用PSCF和CWT的計(jì)算來揭示不同污染過程下各大氣污染物的傳輸擴(kuò)散分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同污染過程的污染物源解析結(jié)果差別很大。沙塵污染天的WPSCF高值分布范圍較廣，霾污染天的WPSCF高值多沿山西省中部和河北省中南部呈直線分布，而霧污染天的各大氣污染物WPSCF分布差別不大。沙塵污染天的WCWT高值沿蒙古南部、中國內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部、陜西省北部、山西省中南部、河北省南部和東部等地呈西北—東南向狹長分布，霾污染天和霧污染天的WCWT高值呈“勺狀”分布，主要集中在邯鄲市周邊，特別是PM2.5的高值區(qū)范圍最大，反映出在霾污染天和霧污染天主要是PM2.5的污染。

4 結(jié) 論

2021年1月11—28日，邯鄲市經(jīng)歷了一次沙塵、霾和霧接連出現(xiàn)的混合污染過程，其中1月11—17日為沙塵污染天，首要污染物為PM10；1月18—19日為清潔天；1月20—24、25—28日分別為霾污染天和霧污染天，首要污染物均為PM2.5。此次污染過程顆粒物是首要污染物，與NO2和O3關(guān)系不大。沙塵污染天的氣流以西北方向輸入為主，污染范圍較廣，受來自蒙古、中國內(nèi)蒙古自治區(qū)等西北地區(qū)的冷空氣影響尤為明顯。霾污染天的氣流主要是來自邯鄲市周邊的短氣流，主要沿山西省中部和河北省中南部呈直線分布。霧污染天的氣流也主要來自邯鄲市周邊，以山西省南部為主。