蘭州春季沙塵過(guò)程PM10輸送路徑及其潛在源區(qū)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)城市大氣污染的狀況和性質(zhì)正在發(fā)生顯著的變化:傳統(tǒng)的污染物SO2和總懸浮顆粒物得到了一定的控制，NOX濃度有上升的趨勢(shì)，大氣可吸入顆粒物PM10(空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于10 μm的氣溶膠粒子)成為我國(guó)大部分城市的首要污染物(周玉素等，2001;任陣海等，2003)。PM10對(duì)氣候、環(huán)境和人體健康有重要的影響，它不僅可以降低大氣能見(jiàn)度，使空氣質(zhì)量惡化，還可以通過(guò)改變地氣系統(tǒng)的輻射平衡以及成云致雨過(guò)程，影響區(qū)域乃至全球的氣候，它甚至可以通過(guò)呼吸進(jìn)入人體，在呼吸系統(tǒng)的不同部位沉積，對(duì)人體健康造成危害，是近年來(lái)大氣科學(xué)研究的熱點(diǎn)(李青青等，1999;王寶鑒等，2001)。

大氣可吸入顆粒物的來(lái)源包括化石燃料燃燒、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等人為過(guò)程和地表?yè)P(yáng)塵、海洋飛沫、火山塵等天然過(guò)程以及二次氣溶膠粒子等非均相化學(xué)反應(yīng)過(guò)程等。發(fā)生在我國(guó)北方和中亞地區(qū)沙漠、戈壁的沙塵暴是春季影響東亞地區(qū)氣候環(huán)境的主要天氣現(xiàn)象，是我國(guó)春季大氣顆粒物的主要來(lái)源(王明星和張仁健，2001;胡敏等，2009)。大量的觀測(cè)和研究表明亞洲沙塵暴不僅會(huì)增加本地和鄰近地區(qū)大氣中的顆粒物含量，甚至還會(huì)隨氣流跨越太平洋影響北美地區(qū)(Duce et al.，1980;Uematsu et al.，1983;Husur et al.，2001;Tratt et al.，2001)。蘭州市地處西北干旱半干旱區(qū)，位于青藏高原東北側(cè)的黃河河谷盆地，其獨(dú)特的盆地地形造成了靜風(fēng)頻率高、逆溫層結(jié)厚、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等不利于污染物擴(kuò)散的大氣條件。同時(shí)蘭州也是亞洲沙塵向下游輸送的經(jīng)由之地，受沙塵天氣影響大(Y.Q.Wang et al.，2006;陶健紅等，2007)，因而蘭州市大氣環(huán)境質(zhì)量不僅受局地氣候條件和當(dāng)?shù)匚廴疚锱欧诺纫蛩氐挠绊?，很大程度上還受外來(lái)入侵塵的影響。特別是每年春季河西走廊沙塵暴發(fā)生頻繁(董安詳?shù)龋?003)，是造成蘭州市大氣顆粒物污染最大的流動(dòng)污染源(王式功等，1999a)。雖然很多學(xué)者已對(duì)蘭州市的大氣污染問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，在污染物擴(kuò)散和輸送特征、大氣污染形成的物理機(jī)制和成因(胡隱樵和張強(qiáng)，1999;張強(qiáng)，2003)、沙塵天氣影響(王式功等，1999b;S.G.Wang et al.，2005，2006;陶健紅等，2007)、數(shù)值模擬(張強(qiáng)和呂世華，2001;安興琴等，2005)和治理對(duì)策(陳玉春等，2001)等方面取得一些比較重要的認(rèn)識(shí)和研究成果，但目前對(duì)影響蘭州市大氣PM10污染的外來(lái)沙塵源地及其輸送路徑的研究還很少(S.G.Wang et al.，2006)。已有的研究(黃健等，2002;徐祥德等，2004;顏鵬等，2005;戚丹青等，2006;任永建等，2009)表明，大氣可吸入顆粒物的時(shí)空分布與輸送軌跡密切相關(guān)。因此，通過(guò)分析氣團(tuán)軌跡來(lái)研究一個(gè)地區(qū)大氣可吸入顆粒物的輸送特征，已成為了解一個(gè)地區(qū)大氣顆粒物來(lái)源的一種常用方法。

本研究利用HYSPLIT(hybrid single particle Lagrangian integrated trajectory)軌跡模式，通過(guò)聚類分析，得到了2001—2008年春季到達(dá)蘭州地區(qū)的主要?dú)鈭F(tuán)運(yùn)動(dòng)軌跡，即輸送路徑，結(jié)合蘭州市逐日PM10觀測(cè)資料，研究了不同輸送軌跡類型與蘭州市區(qū)PM10質(zhì)量濃度之間的關(guān)系，確定了對(duì)蘭州市PM10質(zhì)量濃度影響較大的輸送路徑，定性地給出了蘭州市春季PM10潛在源區(qū)和輸送特征，為改善蘭州市大氣環(huán)境及周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也可以為國(guó)內(nèi)其他城市開(kāi)展類似研究積累一些相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

1 資料來(lái)源

本文采用的2001—2008年春季(3—5月)蘭州市PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，是利用環(huán)境保護(hù)部公布的重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)中蘭州市空氣污染指數(shù)(air pollution index，API)資料，結(jié)合空氣污染指數(shù)的定義和API分級(jí)表計(jì)算得到的(Zhang et al.，2003)。2001—2008年逐日時(shí)刻沙塵資料取自甘肅省氣象局沙塵暴數(shù)據(jù)集。軌跡計(jì)算所用氣象資料取自美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國(guó)家大氣研究中心聯(lián)合執(zhí)行的全球再分析資料(Reanalysis Data)，其水平分辨率為2.5°×2.5°，每日4個(gè)時(shí)次:0000、0600、1200、1800 UTC。

2 研究方法

2.1 軌跡聚類分析

將蘭州市2001—2008年按照春季沙塵天氣發(fā)生次數(shù)分為沙塵天氣相對(duì)多年和相對(duì)少年。利用美國(guó)大氣海洋局研制的HYSPLIT軌跡模式(Draxler and Hess，1998)結(jié)合美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國(guó)家大氣研究中心聯(lián)合執(zhí)行的全球再分析資料，計(jì)算到達(dá)蘭州(103.85°E，36.05°N)的4 d后向軌跡。每天計(jì)算4個(gè)時(shí)次(02、08、14、20，北京時(shí))，得到分辨率為1 h的空氣質(zhì)點(diǎn)后向軌跡。軌跡計(jì)算起始點(diǎn)高度為500 m。將計(jì)算得到的后向軌跡根據(jù)氣團(tuán)水平移動(dòng)速度和方向進(jìn)行分組得出不同的輸送軌跡組(Sirois and Bottenheim，1995;S.G.Wang et al.，2006;Y.Q.Wang et al.，2006)。把每組中各條軌跡對(duì)應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度進(jìn)行平均，得到造成蘭州市春季高質(zhì)量濃度PM10污染的輸送路徑。

2.2 潛在源貢獻(xiàn)因子分析法

為了確定影響蘭州市春季高質(zhì)量濃度PM10污染的潛在沙塵源區(qū)，使用潛在源貢獻(xiàn)因子分析法(potential source contribution function，PSCF)(Ashbaugh et al.，1985)。許多研究者利用該方法確定了影響空氣質(zhì)量的污染源區(qū)(Zeng and Hopke，1989;Gao et al.，1993;Polissar et al.，1999;Cheng and Lin，2001)。PSCF值是所選研究區(qū)域內(nèi)經(jīng)過(guò)網(wǎng)格ij的污染軌跡數(shù)(mij)與該網(wǎng)格上經(jīng)過(guò)的所有軌跡數(shù)(nij)的比值(Stolhl and Kromp-Kolb，1994;Salvador et al.，2004)，即

PSCF的值越大表明該網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)蘭州市PM10的質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)越大。高PSCF值所對(duì)應(yīng)網(wǎng)格組成的區(qū)域就是影響蘭州市PM10質(zhì)量濃度的潛在源區(qū)，經(jīng)過(guò)該區(qū)域的軌跡就是對(duì)蘭州市PM10質(zhì)量濃度有影響的輸送路徑。本文中，分別取沙塵天氣相對(duì)多年和相對(duì)少年蘭州市春季PM10的平均質(zhì)量濃度作為判斷一條軌跡是否為污染軌跡的標(biāo)準(zhǔn)，即在沙塵天氣相對(duì)多年(相對(duì)少年)如果一條軌跡所對(duì)應(yīng)的蘭州市PM10質(zhì)量濃度大于沙塵天氣相對(duì)多年(相對(duì)少年)的平均質(zhì)量濃度，則認(rèn)為該條軌跡是污染軌跡;反之，則為清潔軌跡。

由于PSCF是一種條件概率，當(dāng)nij較小時(shí)，會(huì)有很大的不確定性。為了減小這種不確定性，不同研究者引入了權(quán)重函數(shù)Wij(Cheng et al.，1993;Hope et al.，1995;Polissar et al.，1999，2001;Xu and Akhtar，2010)，當(dāng)某一網(wǎng)格中的nij小于研究區(qū)內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)平均軌跡端點(diǎn)數(shù)的3倍時(shí)(Polissar et al.，2001)，就要使用Wij來(lái)減小PSCF的不確定性。

本文選擇包含95%以上的軌跡所覆蓋的地理區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)。以沙塵相對(duì)多年為例，研究區(qū)的范圍為(55～125°E，25～65°N)，同時(shí)把該區(qū)域分成11 200個(gè)0.5°×0.5°的小網(wǎng)格。該區(qū)域內(nèi)的所有軌跡點(diǎn)數(shù)是142 784個(gè)，因此每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)平均的軌跡端點(diǎn)數(shù)大約是13個(gè)，即當(dāng)nij約小于40的時(shí)候，就要通過(guò)使用權(quán)重函數(shù)來(lái)減小PSCF的不確定性。本文參考Y.Q.Wang et al.(2006)，使用以下權(quán)重函數(shù)

2.3 濃度權(quán)重軌跡分析法

PSCF反映的是一個(gè)網(wǎng)格中污染軌跡所占的比例，不能反映污染軌跡的污染程度，即軌跡所對(duì)應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度比平均質(zhì)量濃度究竟大多少。因此PSCF只能給出潛在源區(qū)的分布，不能給出不同源區(qū)貢獻(xiàn)的相對(duì)大小。為了彌補(bǔ)PSCF的這個(gè)不足，本文用濃度權(quán)重軌跡分析法(concentration-weighted trajectory method，CWT)(Seibert et al.，1994;Hsu et al.，2003)，計(jì)算了軌跡的權(quán)重濃度，以反映不同軌跡的污染程度。在CWT分析法中，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)都有一個(gè)權(quán)重濃度，它可以通過(guò)計(jì)算經(jīng)過(guò)該網(wǎng)格的所有軌跡所對(duì)應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度的平均值來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算方法如下

其中:Cij是網(wǎng)格ij上的平均權(quán)重濃度;l是軌跡;Cl是軌跡l經(jīng)過(guò)網(wǎng)格ij時(shí)對(duì)應(yīng)的蘭州市PM10質(zhì)量濃度;τijl是軌跡l在網(wǎng)格ij停留的時(shí)間(Seibert et al.，1994;Stohl，1996)。在PSCF分析法中所用的權(quán)重函數(shù)Wij也適用于CWT分析法，以減少nij值較小時(shí)所引起的不確定性。當(dāng)Cij值較大時(shí)，說(shuō)明經(jīng)過(guò)網(wǎng)格ij的空氣團(tuán)會(huì)造成蘭州市較高的PM10質(zhì)量濃度，該網(wǎng)格所對(duì)應(yīng)的區(qū)域是對(duì)蘭州市高質(zhì)量濃度PM10污染有貢獻(xiàn)的主要外來(lái)源區(qū)，經(jīng)過(guò)該網(wǎng)格的軌跡就是對(duì)蘭州市PM10污染有貢獻(xiàn)的主要輸送路徑。

3 結(jié)果與討論

3.1 蘭州市春季PM10污染特征

根據(jù)沙塵暴數(shù)據(jù)資料，統(tǒng)計(jì)得到了2001—2008年蘭州市春季沙塵天氣發(fā)生次數(shù)(表1)，并按這8 a春季沙塵天氣發(fā)生次數(shù)，將其分為沙塵天氣相對(duì)多年(2001、2002、2004和2006年)和相對(duì)少年(2003、2005、2007和2008年)。

表1 2001—2008年蘭州市春季沙塵天氣發(fā)生次數(shù)Table 1 Number of dust days in spring during 2001—2008

蘭州市沙塵天氣相對(duì)多年春季PM10平均質(zhì)量濃度為238.8 μg·m－3(圖1)，其中超過(guò)平均值的天數(shù)達(dá)138 d;沙塵天氣相對(duì)少年春季PM10平均質(zhì)量濃度為157.2 μg·m－3(圖2)，高于平均濃度的有123 d。沙塵天氣相對(duì)多年P(guān)M10平均質(zhì)量濃度比相對(duì)少年高出34%。沙塵天氣相對(duì)多年和相對(duì)少年日均PM10質(zhì)量濃度都超過(guò)了國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值150 μg·m－3，超標(biāo)率分別為67.7%和38.0%，其中分別有13.9%(51 d)和3.5%(13 d)為Ⅴ級(jí)重污染。

3.2 平均后向軌跡特征

3.2.1 平均后向軌跡輸送路徑特征

沙塵天氣相對(duì)多年和相對(duì)少年分別得到7組(聚類1—7)和6組(聚類1—3、5—7)不同的后向軌跡。各組的平均軌跡分布如圖3所示。軌跡的路線和方向表示氣團(tuán)在到達(dá)受點(diǎn)(蘭州市)以前所經(jīng)過(guò)的地區(qū)，根據(jù)其長(zhǎng)短可以判斷氣團(tuán)移動(dòng)的速度，長(zhǎng)的軌跡對(duì)應(yīng)快速移動(dòng)的氣團(tuán)，短的軌跡對(duì)應(yīng)移動(dòng)緩慢的氣團(tuán)。西和西北方向的軌跡比其他方向的軌跡長(zhǎng)，表明來(lái)自西方和西北方向的氣團(tuán)移動(dòng)都比較快。

沙塵天氣相對(duì)多年的7組軌跡中，與聚類1對(duì)應(yīng)的氣團(tuán)來(lái)源于青藏高原北部腹地，青海和新疆交界處的沙漠戈壁地帶，這組軌跡沿東南方向移動(dòng)，途經(jīng)柴達(dá)木盆地，在甘肅與四川交界處向北到達(dá)蘭州。聚類2和聚類3對(duì)應(yīng)的氣團(tuán)均來(lái)自新疆境內(nèi)。聚類2對(duì)應(yīng)的氣團(tuán)來(lái)自新疆南部的塔里木盆地，途徑塔克拉瑪干沙漠腹地，向東經(jīng)青海北部的柴達(dá)木盆地到達(dá)蘭州。聚類3對(duì)應(yīng)的氣團(tuán)來(lái)自新疆北部的準(zhǔn)噶爾盆地，這組氣團(tuán)向東南方向移動(dòng)，進(jìn)入甘肅境內(nèi)后，沿著河西走廊，到達(dá)蘭州。聚類4和5對(duì)應(yīng)的氣團(tuán)來(lái)自蒙古國(guó)境內(nèi)的沙漠戈壁地帶，前者自蒙古國(guó)的西南部，向東南移動(dòng)經(jīng)內(nèi)蒙古西部巴丹吉林沙漠，到達(dá)蘭州;后者自蒙古國(guó)中部，向南移動(dòng)到達(dá)內(nèi)蒙古中部地區(qū)，經(jīng)騰格里沙漠后轉(zhuǎn)向西南，最后到達(dá)蘭州。聚類6和7對(duì)應(yīng)的氣團(tuán)分別來(lái)自黃土高原地區(qū)，以及四川、陜西、甘肅交界地帶。

圖1 蘭州市春季沙塵天氣相對(duì)多年P(guān)M10質(zhì)量濃度分布Fig.1 Daily mean PM10mass concentrations in Lanzhou in spring of 2001，2002，2004 and 2006

圖2 蘭州市春季沙塵天氣相對(duì)少年P(guān)M10質(zhì)量濃度分布Fig.2 Daily mean PM10mass concentrations in Lanzhou in spring of 2003，2005，2007 and 2008

圖3 蘭州市春季后向軌跡聚類分析a.沙塵天氣相對(duì)多年;b.沙塵天氣相對(duì)少年Fig.3 Cluster-mean back-trajectories arriving in Lanzhou in spring of(a)2001，2002，2004 and 2006，and(b)2003，2005，2007 and 2008

為了便于與沙塵天氣相對(duì)多年的聚類分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，沙塵天氣相對(duì)少年各軌跡組的聚類標(biāo)號(hào)取與沙塵天氣相對(duì)多年氣團(tuán)來(lái)源與輸送路徑相似的軌跡組的聚類標(biāo)號(hào)。沙塵天氣相對(duì)少年的6組軌跡與沙塵天氣相對(duì)多年相比少了聚類4。沙塵天氣相對(duì)少年和相對(duì)多年相似的輸送路徑在總軌跡中所占比例、污染軌跡在各組中所占比例以及各組所對(duì)應(yīng)的蘭州市PM10質(zhì)量濃度都存在明顯的差別(表2、3)。在沙塵天氣相對(duì)少年，聚類1對(duì)應(yīng)的氣團(tuán)來(lái)自塔里木盆地南緣，經(jīng)新疆和青海、西藏交界地帶向東輸送，橫跨青海省南部后轉(zhuǎn)向北到達(dá)蘭州。雖然相對(duì)少年聚類3對(duì)應(yīng)的氣團(tuán)也來(lái)自新疆北部的準(zhǔn)格爾盆地，但該組軌跡在甘肅省境內(nèi)的輸送路徑有些差異，途經(jīng)甘肅與內(nèi)蒙古交界的沙漠戈壁地帶后到達(dá)蘭州。聚類5對(duì)應(yīng)的氣團(tuán)，在沙塵天氣相對(duì)少年沒(méi)有經(jīng)過(guò)寧夏境內(nèi)，而是從內(nèi)蒙古進(jìn)入甘肅后到達(dá)蘭州。與沙塵天氣相對(duì)多年相比，聚類6在相對(duì)少年對(duì)應(yīng)的軌跡移動(dòng)路徑偏南。

3.2.2 污染軌跡特征

根據(jù)3.1節(jié)給出的沙塵天氣相對(duì)多年和相對(duì)少年P(guān)M10的平均質(zhì)量濃度以及每條后向軌跡所對(duì)應(yīng)的蘭州市PM10日均質(zhì)量濃度，將后向軌跡劃分為清潔軌跡和污染軌跡。當(dāng)某條后向軌跡所對(duì)應(yīng)的蘭州市PM10日均質(zhì)量濃度小于平均質(zhì)量濃度時(shí)，就將其定義為清潔軌跡;當(dāng)其對(duì)應(yīng)的蘭州市PM10日均質(zhì)量濃度大于平均質(zhì)量濃度時(shí)，就將其定義為污染軌跡。表2和表3分別給出了沙塵天氣相對(duì)多年和相對(duì)少年每組聚類軌跡的軌跡數(shù)、所占比例及其對(duì)應(yīng)的蘭州市PM10日均質(zhì)量濃度以及每組聚類中污染軌跡數(shù)、污染軌跡所占比例及其對(duì)應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度。

從表2可以看出，沙塵天氣相對(duì)多年每組聚類中軌跡數(shù)占總軌跡數(shù)的百分比變化幅度較大，從最小的5.9%(聚類1)到最大的33%(聚類2);每組聚類中污染軌跡所占百分比變化也較大，從最小的16.4%(聚類7)到最大的52.7%(聚類2)。與沙塵天氣相對(duì)多年相比，相對(duì)少年變化幅度要小一些，每組聚類中軌跡數(shù)占總軌跡數(shù)的百分比最小為10.9%(聚類1)，最大為23.6%(聚類2)，污染軌跡所占百分比最小為20.4%(聚類6)，最大為47.8%(聚類1)。

在沙塵天氣相對(duì)多年，聚類2包含的軌跡數(shù)最多，聚類3次之。聚類2和3對(duì)應(yīng)的平均PM10質(zhì)量濃度分別為287.7 μg·m－3和275.5 μg·m－3，均大于沙塵天氣相對(duì)多年的平均值(238.8 μg·m－3)。這兩組聚類所包含的污染軌跡最多，占各自組的50%以上，說(shuō)明聚類2和3對(duì)應(yīng)的氣團(tuán)在輸送路徑上會(huì)攜帶較多的顆粒物到蘭州，造成蘭州市春季高質(zhì)量濃度PM10污染。聚類2和3是沙塵天氣相對(duì)多年影響蘭州市春季PM10污染水平的重要輸送路徑，其中聚類2對(duì)應(yīng)著沙塵移動(dòng)的西方路徑，是影響蘭州市春季PM10質(zhì)量濃度的主要輸送路徑。聚類3對(duì)應(yīng)著沙塵移動(dòng)的西北路徑，是影響蘭州市春季PM10質(zhì)量濃度的次要輸送路徑。聚類1、5、6、7與聚類2和3相比包含的軌跡數(shù)量少，對(duì)應(yīng)的蘭州市PM10質(zhì)量濃度也低于沙塵天氣相對(duì)多年平均值，污染軌跡所占比例也小，是沙塵天氣相對(duì)多年相對(duì)清潔的氣團(tuán)輸送路徑。劉曉東等(2004)利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析了我國(guó)29個(gè)大城市春季大氣PM10質(zhì)量濃度與塔克拉瑪干沙區(qū)及其周邊地區(qū)上空沙塵活動(dòng)的相關(guān)性，結(jié)果表明，該區(qū)大氣沙塵活動(dòng)的強(qiáng)弱與中國(guó)西北地區(qū)(西寧、蘭州、銀川和西安)大氣PM10含量高低有顯著的正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合軌跡輸送路徑及污染軌跡特征，本文的研究結(jié)果與之類似。

表2 沙塵天氣相對(duì)多年每組聚類的軌跡數(shù)、每組聚類中軌跡占總軌跡百分?jǐn)?shù)及其對(duì)應(yīng)的蘭州市日均PM10質(zhì)量濃度Table 2 Number of trajectories，percentage of trajectories and polluted trajectories in each cluster and corresponding daily mean PM10mass concentration in Lanzhou in spring of 2001，2002，2004 and 2006

表3 沙塵天氣相對(duì)少年每組聚類的軌跡數(shù)、每組聚類中軌跡占總軌跡百分?jǐn)?shù)及其對(duì)應(yīng)的蘭州市日均PM10質(zhì)量濃度Table 3 Number of trajectories，percentage of trajectories and polluted trajectories in each cluster and corresponding daily mean PM10mass concentration in Lanzhou in spring of 2003，2005，2007 and 2008

在沙塵天氣相對(duì)少年，聚類2所包含的軌跡數(shù)和污染軌跡數(shù)最多，對(duì)應(yīng)的PM10平均質(zhì)量濃度為177.1 μg·m－3，大于沙塵天氣相對(duì)少年的平均值(157.2 μg·m－3)，在348條軌跡中有44%的軌跡所對(duì)應(yīng)的蘭州市PM10質(zhì)量濃度值大于平均值，聚類2是沙塵天氣相對(duì)少年造成蘭州市春季PM10污染的主要輸送路徑。從軌跡數(shù)量上看，聚類3、5、7所包含的軌跡都大于250條，但從對(duì)應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度以及污染軌跡所占比例來(lái)看，聚類5是反項(xiàng)于聚類2的輸送路徑，聚類3是第三重要輸送路徑。聚類7所對(duì)應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度小于沙塵天氣相對(duì)少年的平均值，而且只有22.4%的軌跡為污染軌跡，不是沙塵天氣相對(duì)少年影響蘭州市春季PM10質(zhì)量濃度的主要輸送路徑。聚類1中雖然有47.8%的軌跡所對(duì)應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度大于平均值，但由于其所包含軌跡數(shù)占總軌跡數(shù)比例小，因此也不是影響蘭州市春季PM10質(zhì)量濃度的主要輸送路徑。與聚類2、5、3相比，聚類1、6、7是沙塵天氣相對(duì)少年的清潔路徑軌跡。

3.3 潛在源區(qū)分布及其相對(duì)貢獻(xiàn)

圖4給出蘭州市春季沙塵天氣相對(duì)多年和相對(duì)少年P(guān)SCF計(jì)算結(jié)果。圖中顏色越深，表示PSCF值越大，該網(wǎng)格區(qū)域?qū)κ茳c(diǎn)蘭州市PM10質(zhì)量濃度影響越大。從圖4a可見(jiàn)，沙塵天氣相對(duì)多年的高PSCF區(qū)域主要集中在新疆、青海和甘肅三省境內(nèi)，即造成蘭州市高PM10質(zhì)量濃度的潛在源區(qū)在新疆南部的塔里木盆地、東部的吐魯番盆地、青海北部的柴達(dá)木盆地和甘肅的河西走廊。這些潛在源區(qū)的氣團(tuán)主要沿著聚類2和3所在的軌跡通過(guò)遠(yuǎn)距離輸送到達(dá)蘭州。從圖4b可以清楚地看到，沙塵天氣相對(duì)少年的高PSCF值主要分布在新疆南部的塔里木盆地、青海境內(nèi)的柴達(dá)木盆地、青海、四川和甘肅交界的草原退化地帶以及內(nèi)蒙古中部和西部的沙漠戈壁，氣團(tuán)攜帶著這些源區(qū)的顆粒物沿著聚類1、2和5軌跡輸送到蘭州，影響蘭州市PM10質(zhì)量濃度。沙塵天氣相對(duì)少年的PSCF最大值比沙塵天氣相對(duì)多年小3%左右，出現(xiàn)大值的網(wǎng)格數(shù)量占相對(duì)多年的1/4，沙塵源區(qū)對(duì)蘭州市PM10的影響較沙塵天氣相對(duì)多年要小得多。

圖4 蘭州市春季潛在源貢獻(xiàn)因子(PSCF)分布(顏色越深表示潛在源區(qū)對(duì)受點(diǎn)蘭州市PM10質(zhì)量濃度的影響越大)a.沙塵天氣相對(duì)多年;b.沙塵天氣相對(duì)少年Fig.4 Contribution of potential source of PM10in Lanzhou in spring during(a)2001，2002，2004 and 2006，and(b)2003，2005，2007 and 2008(Darker colors indicate potential sources of greater influence)

濃度權(quán)重軌跡CWT分布(圖5)給出了潛在源區(qū)對(duì)受點(diǎn)蘭州市PM10質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)的大小。在沙塵天氣相對(duì)多年(圖5a)，新疆的塔里木盆地和吐魯番盆地，青海、新疆和甘肅交界的沙漠地區(qū)，青海的柴達(dá)木盆地以及甘肅河西走廊對(duì)蘭州市日均PM10質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)在250 μg·m－3以上;在沙塵天氣相對(duì)少年(圖5b)，新疆南部塔克拉瑪干沙漠、新疆東部戈壁沙漠、內(nèi)蒙古中部和西部的戈壁沙漠以及青海柴達(dá)木盆地對(duì)蘭州市日均PM10質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)在150～200 μg·m－3。此外，在沙塵天氣相對(duì)多年和相對(duì)少年，都有極少部分戈壁沙漠地區(qū)的貢獻(xiàn)值在250 μg·m－3，這些地區(qū)位于內(nèi)蒙古以及蒙古中部。

以上兩種確定潛在源區(qū)的方法得到的結(jié)果不盡相同。與PSCF方法相比，CWT方法得到的潛在源區(qū)更加詳盡，而且可以清晰地看到不同貢獻(xiàn)程度源區(qū)的分布情況。對(duì)于沙塵天氣相對(duì)多年，除了對(duì)蘭州市PM10質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)在250 μg·m－3以上的強(qiáng)潛在源區(qū)，還有PM10質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)在150～250 μg·m－3的中等強(qiáng)度潛在源區(qū)，它主要分布在強(qiáng)潛在源區(qū)的周邊地區(qū)。與PSCF方法相比，CWT方法得到的貢獻(xiàn)源區(qū)比PSCF方法多了內(nèi)蒙古境內(nèi)的沙漠戈壁源區(qū)、黃土高原源區(qū)和四川東部以及四川與甘肅、陜西交界地帶源區(qū)。其中前兩個(gè)源區(qū)對(duì)蘭州的影響相對(duì)小一些，不是主要的潛在源區(qū)，第三個(gè)源區(qū)也稱為南方源區(qū)(Y.Q.Wang et al.，2006)，由于該區(qū)沒(méi)有沙塵源地，且在輸送路徑上有較好的地表植被覆蓋和較多的降水影響，對(duì)蘭州的貢獻(xiàn)較弱，所以不是主要的潛在源區(qū)，但該區(qū)域PM10質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)在150 μg·m－3以上，主要是人為源的貢獻(xiàn)。同時(shí)黃土高原源區(qū)與南方源區(qū)，一年中大部分時(shí)間都處于蘭州市的下風(fēng)區(qū)，也無(wú)法將這兩個(gè)區(qū)域認(rèn)為是蘭州市PM10的外來(lái)潛在源區(qū)。對(duì)于沙塵天氣相對(duì)少年，也有類似的分布特征，分布在最強(qiáng)貢獻(xiàn)源區(qū)周邊的中等強(qiáng)度潛在源區(qū)的質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)在100～150 μg·m－3，相對(duì)最強(qiáng)源區(qū)而言，中等強(qiáng)度的源區(qū)分布面積要廣泛得多。與PSCF分析結(jié)果相比，最強(qiáng)沙塵源區(qū)增加了騰格里沙漠源區(qū)。與圖4b中PSCF結(jié)果相比，圖5b最大的特征是中等強(qiáng)度的源區(qū)大大增多，包括古爾班通古特沙漠邊緣地區(qū)、甘肅西北部地區(qū)和青海北部地區(qū)以及內(nèi)蒙古境內(nèi)的沙漠戈壁地區(qū)。從圖5還可以看出，沙塵天氣相對(duì)多年最強(qiáng)外來(lái)沙塵源區(qū)與相對(duì)少年相比不僅貢獻(xiàn)大很多，而且分布范圍也廣，中等強(qiáng)度源區(qū)分布面積與沙塵天氣相對(duì)少年相比要小一些。

圖5 蘭州市春季濃度權(quán)重軌跡(CWT)分布(顏色越深代表潛在源區(qū)的貢獻(xiàn)越大)a.沙塵天氣相對(duì)多年;b.沙塵天氣相對(duì)少年Fig.5 Distribution of concentration-weighted trajectory method analysis in Lanzhou in spring during(a)2001，2002，2004 and 2006，and(b)2003，2005，2007 and 2008(Darker colors indicate potential sources of greater influence)

簡(jiǎn)而言之，影響蘭州市春季大氣PM10質(zhì)量濃度的潛在源區(qū)分布在新疆塔里木盆地、吐魯番盆地、青海柴達(dá)木盆地、甘肅河西走廊、內(nèi)蒙古中部和西部的沙漠戈壁地區(qū)，這些潛在源區(qū)可以概括為西方源區(qū)、西北源區(qū)(主要是塔克拉瑪干沙漠及其周邊地區(qū))和北方源區(qū)(主要是戈壁沙漠地區(qū))。

西方源區(qū)主要分布在新疆塔里木盆地以及周邊地區(qū)。地面天氣環(huán)流分析發(fā)現(xiàn)，塔克拉瑪干沙漠地區(qū)的大氣沙塵主要是通過(guò)青藏高原東北緣的繞流以及翻越高原東北部柴達(dá)木盆地的偏西風(fēng)輸送到西北東部地區(qū)，進(jìn)而影響到當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量的(劉曉東等，2004)。西北源區(qū)主要分布在吐魯番盆地，主要也是通過(guò)偏西風(fēng)進(jìn)行輸送。北方源區(qū)主要分布在戈壁沙漠地區(qū)。該區(qū)高空受西伯利亞冷空氣、鋒區(qū)和急流的影響，地面受鋒面系統(tǒng)和蒙古高壓的控制，為該區(qū)沙塵天氣頻繁發(fā)生提供了有利條件，在西北風(fēng)的作用下向東南方向輸送(Sun et al.，2001)。潛在源區(qū)上空沙塵活動(dòng)的強(qiáng)弱跟蘭州大氣PM10的輸送強(qiáng)弱密切相關(guān)。有關(guān)文獻(xiàn)表明東亞大槽向西移動(dòng)，隨之氣壓場(chǎng)出現(xiàn)西高東低的壓力偶極子，增強(qiáng)了西北氣流，大氣變得異常干燥，最終導(dǎo)致沙塵天氣頻繁發(fā)生(Yu et al.，2010)，反之，沙塵天氣減少。從行星環(huán)流上來(lái)說(shuō)，帶狀波結(jié)構(gòu)的改變(增多)會(huì)導(dǎo)致沙塵天氣頻繁發(fā)生，這一改變需要考慮氣候因子的影響(Gong et al.，2007)。對(duì)于大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)影響大氣PM10的輸送機(jī)制的研究，科研工作者大多集中在個(gè)例分析，目前許多結(jié)論仍然具有爭(zhēng)議，需要進(jìn)一步的分析和研究。

4 結(jié)論

本文利用空氣質(zhì)點(diǎn)后向軌跡聚類分析，潛在源貢獻(xiàn)因子(PSCF)和濃度權(quán)重軌跡(CWT)方法，結(jié)合蘭州市逐日PM10平均質(zhì)量濃度，研究了不同輸送軌跡類型與蘭州市PM10質(zhì)量濃度之間的關(guān)系，得到了蘭州市春季氣團(tuán)主要輸送軌跡以及影響蘭州市春季大氣PM10質(zhì)量濃度的潛在源區(qū)及其貢獻(xiàn)大小。結(jié)果表明:

1)在沙塵天氣相對(duì)多年，西方路徑和西北路徑發(fā)生的比例最高，對(duì)蘭州市春季PM10質(zhì)量濃度影響最大;在沙塵天氣相對(duì)少年，西方路徑發(fā)生的比例最高，對(duì)蘭州市春季PM10質(zhì)量濃度影響較大。西方路徑與西北路徑對(duì)應(yīng)的潛在源區(qū)分別為西方源區(qū)和西北源區(qū)。

2)對(duì)于沙塵天氣相對(duì)多年，影響蘭州市春季大氣PM10質(zhì)量濃度的西方源區(qū)和西北源區(qū)主要分布在新疆塔里木盆地和吐魯番盆地、新疆、青海和甘肅交界地帶以及甘肅河西走廊;對(duì)于沙塵天氣相對(duì)少年，其西方源區(qū)主要分布在新疆塔里木盆地和吐魯番盆地和新疆、青海、甘肅交界地帶。

3)對(duì)于沙塵天氣相對(duì)多年和相對(duì)少年，還存在著不同強(qiáng)度的中等貢獻(xiàn)源區(qū)，包括北方源區(qū)、南方源區(qū)和黃土高原源區(qū)，其中北方源區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古境內(nèi)的沙漠戈壁地區(qū)，南方源區(qū)主要分布在四川、甘肅、陜西交界地帶，黃土高原源區(qū)主要分布在陜西中部地區(qū)，前者是潛在源區(qū)，后兩者是非潛在源區(qū)?？傮w來(lái)說(shuō)，影響蘭州市春季大氣PM10質(zhì)量濃度的潛在源區(qū)有3個(gè)，它們分別是西方源區(qū)、西北源區(qū)、北方源區(qū)。雖然沙塵天氣相對(duì)多年和相對(duì)少年存在著相似的潛在源區(qū)，但是其源區(qū)所對(duì)應(yīng)的輸送路徑存在差別，不同源區(qū)對(duì)蘭州市春季大氣PM10質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)也存在差異。

需要強(qiáng)調(diào)的是，本文主要針對(duì)2001—2008年蘭州市春季的情況進(jìn)行了研究，對(duì)由沙塵天氣攜帶的外來(lái)顆粒物引起的高質(zhì)量濃度PM10所造成的蘭州市區(qū)空氣質(zhì)量降低有普遍適用性，但不適用于蘭州市其他季節(jié)。在以后的工作中，將對(duì)蘭州市其他季節(jié)尤其是冬季的潛在源區(qū)分布和輸送路徑進(jìn)行研究，結(jié)合個(gè)例分析以及高精度數(shù)值模擬，為改善蘭州市空氣質(zhì)量和周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境提供更加詳盡的科學(xué)依據(jù)。

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