寧波秋冬季空氣污染變化特征及污染物后向軌跡分析*

俞科愛 徐宏輝 黃旋旋 丁燁毅 郭建民 朱純陽 胡 曉

(1.寧波市氣象臺(tái)，浙江 寧波 315012；2.浙江省氣象科學(xué)研究所，浙江 杭州 310008；3.寧波市氣象服務(wù)中心，浙江 寧波 315012；4.鎮(zhèn)海區(qū)氣象局，浙江 寧波 315200)

環(huán)境氣象

寧波秋冬季空氣污染變化特征及污染物后向軌跡分析*

俞科愛1徐宏輝2黃旋旋3丁燁毅1郭建民1朱純陽4胡 曉4

(1.寧波市氣象臺(tái)，浙江 寧波 315012；2.浙江省氣象科學(xué)研究所，浙江 杭州 310008；3.寧波市氣象服務(wù)中心，浙江 寧波 315012；4.鎮(zhèn)海區(qū)氣象局，浙江 寧波 315200)

統(tǒng)計(jì)分析2012—2013年寧波空氣質(zhì)量及污染物濃度，得出秋冬季寧波市空氣質(zhì)量最差，AQI均值92，首要污染物主要為PM2.5、SO2、PM10，其中，PM10、PM2.5的濃度超過了國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。2013年空氣質(zhì)量下降、污染程度明顯加重主要表現(xiàn)為秋冬季空氣污染加重。應(yīng)用HYSPILT4模式計(jì)算輸送軌跡并聚類分析，表明大氣污染是可以通過中遠(yuǎn)距離輸送影響到下風(fēng)向的地區(qū)；外來污染源對(duì)寧波空氣質(zhì)量影響明顯。寧波秋季軌跡比較復(fù)雜，共有7條軌跡，主要來自津京冀、黃海南部、浙江西南地區(qū)和東海，共占72%；冬季有4條軌跡，主要來自浙北和津京冀，共占81%。由此可見，寧波空氣污染受其特定的地理環(huán)境和大氣環(huán)流背景影響，存在遠(yuǎn)、近不同距離的污染物輸送問題，西北方向的輸送軌跡對(duì)寧波空氣質(zhì)量有明顯影響，其AQI、PM2.5、PM10、NO2、SO2平均濃度分別可達(dá)104、72.9 μg·m-3、122.8 μg·m-3、54.1 μg·m-3、37.8 μg·m-3，遠(yuǎn)高于其它軌跡。特別是秋季來自京津冀、黃海南部以及冬季來自浙江北部、山西河北的軌跡，造成寧波重度或嚴(yán)重污染的重要原因之一。在重污染天氣預(yù)報(bào)預(yù)警中，預(yù)報(bào)員需要密切關(guān)注PM2.5濃度變化。大氣污染的防治除政府相關(guān)部門繼續(xù)進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、交通源排放控制外，還需要更大范圍區(qū)域乃至全國(guó)的協(xié)作才能從根本上改善城市的空氣質(zhì)量。

AQI；污染濃度；后向軌跡

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，居民生活水平不斷提高，城市空氣質(zhì)量對(duì)公眾身體健康和生活質(zhì)量的影響受到越來越多的關(guān)注。空氣中的污染物,除本地人為和自然因素產(chǎn)生外，在一定條件下,還可以通過大氣輸送與擴(kuò)散等過程到達(dá)接受體[1-3],其輸送與擴(kuò)散的范圍小至幾百米,大至區(qū)域、洲際乃至全球性各種不同尺度,因此關(guān)注一個(gè)城市的大氣環(huán)境,不僅要考慮局地的影響,還要考慮周邊區(qū)域的影響。研究表明我國(guó)的大氣環(huán)境質(zhì)量已呈現(xiàn)大區(qū)域特征[4-8],趙恒等[9]分析了到達(dá)香港的 6 類典型氣團(tuán)中，來自大陸的氣團(tuán)占47.5%，局地輸送性氣團(tuán)占 34.6%，海洋性氣團(tuán)占18.7%，污染性氣體在大陸性氣團(tuán)的影響下平均質(zhì)量濃度明顯高于其他氣團(tuán)；北京大氣污染外來源研究表明北京周邊地區(qū)對(duì)北京地區(qū)的大氣污染有相當(dāng)影響[10-14]，Shan等[15]發(fā)現(xiàn)濟(jì)南臭氧高值可能與京津地區(qū)和長(zhǎng)三角地區(qū)污染性氣體的遠(yuǎn)程輸送有密切的聯(lián)系；長(zhǎng)三角地區(qū)大氣污染也存在中遠(yuǎn)距離傳輸問題[16-18]。

寧波是長(zhǎng)三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)增速、城市化進(jìn)程和能源消耗快的城市之一，能源消耗帶來大量氣體污染物，大氣環(huán)境問題日益顯現(xiàn)。秋冬季空氣質(zhì)量明顯轉(zhuǎn)差，污染加重，所以了解秋冬季空氣污染的變化特征、追蹤大氣污染外來源顯得尤其重要，對(duì)政府實(shí)行控制污染物排放、實(shí)施環(huán)境問題的應(yīng)對(duì)措施甚至是控制周邊源影響決策等具有實(shí)際指導(dǎo)意義,也是寧波經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展過程中急需要解決的環(huán)境問題之一，更是本文試圖探討的核心問題。

1 數(shù)據(jù)來源及處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

2012—2013年空氣質(zhì)量指數(shù)AQI、污染物濃度數(shù)據(jù)來自于寧波市環(huán)保局寧波城區(qū)8個(gè)國(guó)控站的逐日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。氣象資料來源于美國(guó)國(guó)家環(huán)保中心(National Centers for Environmental Prediction,NECP)的全球再分析數(shù)據(jù),其水平分辨率為2.5°×2.5°的日數(shù)據(jù)。

1.2 處理方法

1)美國(guó)、韓國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都是用AQI(Air Quality Index)來評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量。本文所指的空氣質(zhì)量是指寧波新六區(qū)(海曙、江東、江北、鄞州、鎮(zhèn)海、北侖)AQI。根據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI技術(shù)規(guī)定(試行)(HJ633-2012)標(biāo)準(zhǔn)，AQI分6級(jí)，即0～50、51～100、101～150、151～200、201～300、>300，分別對(duì)應(yīng)空氣質(zhì)量等級(jí)優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染；當(dāng)一天首要污染物出現(xiàn)兩種污染物時(shí)，則這兩種污染物均列入統(tǒng)計(jì)。

2)采用HYSPLIT-4方法來研究大氣污染物傳輸路徑。HYSPLIT-4模式是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局(NOAA)等開發(fā)的供質(zhì)點(diǎn)軌跡、擴(kuò)散及沉降分析用的綜合模式系統(tǒng)。該模式是Eulerian-Lagrangian混合型的擴(kuò)散模式，其平流和擴(kuò)散計(jì)算采用Lagrang-ian法,通常用來跟蹤氣流所攜帶的粒子或氣體移動(dòng)方向。采用地形σ坐標(biāo)，水平網(wǎng)格與輸入的氣象場(chǎng)相同，垂直方向分為28層，將氣象要素線性內(nèi)插到各σ層上[19]。該模式已被廣泛應(yīng)用于大氣污染物輸送研究[20-21]，聚類分析根據(jù)氣團(tuán)水平移動(dòng)速度和方向?qū)Υ罅寇壽E進(jìn)行分組，分組原則是達(dá)到組間差異極大、組內(nèi)差異極小，該方法可用于估計(jì)大氣污染物的潛在源區(qū)的不同輸送態(tài)勢(shì)分類[22-23]。

2 空氣質(zhì)量特征

2.1 空氣質(zhì)量指數(shù)AQI

2012—2013年寧波秋冬季(9—12月和1—2月)AQI均值為92，明顯高于春夏季66和年均值79，25%～75%的日均AQI在55～93。2013年空氣質(zhì)量比2012明顯轉(zhuǎn)差，年均AQI升高到83(2012年為75)，主要表現(xiàn)就在于秋冬季的差別，2013年秋冬季AQI由2012年86上升到97，并且首次出現(xiàn)3天最高等級(jí)的6級(jí)嚴(yán)重污染天氣。統(tǒng)計(jì)2012—2013年各類空氣質(zhì)量等級(jí)發(fā)生在秋冬季節(jié)的百分率，圖1為可見，所有中度及以上污染等級(jí)空氣質(zhì)量出現(xiàn)在秋冬季節(jié)的百分比為100%；輕度污染空氣日數(shù)出現(xiàn)在秋冬季節(jié)的占66.7%，空氣等級(jí)為良日數(shù)占50%，優(yōu)質(zhì)空氣的日數(shù)僅占10%，由此可見，秋冬季是寧波中度及以上空氣污染的高發(fā)期。

上述AQI季節(jié)分布特征與其所處的大氣環(huán)境密切相關(guān)。秋冬季東部沿海地區(qū)受大陸高壓控制，大氣層結(jié)和天氣形勢(shì)穩(wěn)定，加上偏北的主導(dǎo)風(fēng)，容易攜帶內(nèi)陸不潔的空氣等影響所致，而春夏季空氣湍流、對(duì)流天氣明顯增多，加上偏南或東南的主導(dǎo)風(fēng)，攜帶的是來自海洋潔凈空氣，氣象條件比較有利污染物的擴(kuò)散、稀釋。

圖1 2012—2013年寧波秋冬季各等級(jí)空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

2.2 首要污染物

AQI計(jì)入首要污染物監(jiān)測(cè)項(xiàng)目共有6種：二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、可吸入顆粒物(PM10)、一氧化碳(CO)、細(xì)顆粒物(PM2.5)、臭氧(O3)。寧波出現(xiàn)首要污染物年均為291 d，其中秋冬季為162 d，首要污染物主要為PM2.5、SO2、PM10，分別占總數(shù)的54.3%、16.7%和15.7%，AQI在300以上的首要污染物無一例外均是PM2.5；所以，在重污染天氣預(yù)報(bào)預(yù)警中密切關(guān)注PM2.5濃度變化顯得十分關(guān)鍵。

2.3 污染物濃度

表1為寧波秋冬季與年均SO2、NO2、O3、CO、PM10、PM2.56類污染物平均濃度，除O3外，秋冬季濃度均高于年均值，也高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB3095—2012)，其中，SO2和NO2濃度高于國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)年均值，PM10、PM2.5的濃度明顯偏高，超過了國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。SO2主要來自于煤、石油等化石燃料以及工業(yè)的大量含硫物質(zhì)的燃燒， 其濃度與政府全面落實(shí)SO2排放總量削減目標(biāo)責(zé)任制、加大揚(yáng)塵污染控制行動(dòng)以及一系列對(duì)工業(yè)污染排放實(shí)行嚴(yán)格控制措施相關(guān)。由于，目前寧波仍然處于經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展、人口日益集中、城市明顯擴(kuò)大的時(shí)期，寧波市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，2013年寧波雖然第一產(chǎn)業(yè)增加值比2012年下降1.2%，但是2013年寧波的生產(chǎn)總值已達(dá)7128.9億元，比2012年增長(zhǎng)8.1%，而且，與空氣質(zhì)量密切相關(guān)的港口生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、建筑業(yè)等繼續(xù)明顯增長(zhǎng)，特別是2013年汽車保有量已增長(zhǎng)到近214萬輛。燃料消耗量急劇增導(dǎo)致人為原因造成的顆粒物污染日趨嚴(yán)重，政府相關(guān)部門仍然需要注意調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、控制交通源排放等。

表1 2012—2013年寧波6類污染物濃度統(tǒng)計(jì)表 μg.m-3

2.4 污染物軌跡來源

應(yīng)用美國(guó)NOAA研制的HYSPILT4模式，進(jìn)行大氣污染物的潛在源區(qū)的不同輸送態(tài)勢(shì)分類，由于，各季影響天氣系統(tǒng)不同，故按季節(jié)根據(jù)氣團(tuán)水平移動(dòng)速度和方向進(jìn)行分組聚類。考慮到邊界層內(nèi)的擴(kuò)散混和，軌跡起始點(diǎn)設(shè)在海拔1 km，即對(duì)應(yīng)于邊界層中上部；起點(diǎn)為寧波市(29.8°N，121.5°E)。為了更客觀準(zhǔn)確描細(xì)述細(xì)顆粒物的傳輸路徑，聚類分析時(shí)秋冬季中去除了日均AQI≤50的日期作為大氣污染物軌跡來源的研究對(duì)象，共計(jì)327條軌跡。寧波1 km上空秋冬季節(jié)前36 h污染物輸送軌跡見圖2，主要表現(xiàn)如下。

秋季(9—11月)軌跡比較復(fù)雜，來自各個(gè)方向都有，共有7條軌跡，來自津京冀和東北方向海上路徑最多，分別占20%；其次是浙江西南地區(qū)，占17%；以及東南方向海上路徑，占15%。冬季(12月、1—2月)有4條軌跡，主要西北方向的短中距離軌跡，來自浙北的占42%；津京冀經(jīng)江蘇、上海的占39%。與冬季相比，秋季污染軌跡還有來自海上的偏東軌跡。另外，前36 h的遠(yuǎn)距離輸送的垂直高度一般是在2～3 km，中短距離一般在1～1.5 km。HYSPLIT-4模式后向軌跡分析表明，寧波空氣污染受其特定的地理環(huán)境和大氣環(huán)流背景影響，存在遠(yuǎn)、近不同距離的污染物輸送問題，也由此可見，某一地區(qū)的大氣污染是可以通過中遠(yuǎn)距離輸送影響到下風(fēng)向的地區(qū)。

圖2 寧波市秋(左)、冬(右)季的后向氣流平均軌跡分類圖

2.5 不同軌跡的污染物濃度

秋冬季不同軌跡對(duì)寧波污染影響差異比較明顯。表2為剔除了出現(xiàn)頻率低于10%且沒有造成中度以上污染(空氣質(zhì)量等級(jí)為4～6級(jí))后的秋冬季影響寧波空氣質(zhì)量的10條主要軌跡的污染物濃度、空氣質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)表?？梢姡瑢?duì)寧波空氣質(zhì)量影響較為明顯的污染物輸送軌跡主要表現(xiàn)為：秋季，來自內(nèi)蒙古、京津冀、黃海南部、安徽西部的中遠(yuǎn)距離軌跡；冬季，來自蒙古、山西河北的遠(yuǎn)距離軌跡以及浙北局地源，此類軌跡能見度不到10 km。秋冬季來自浙北、安徽西部的近距離輸送以及山西河北、內(nèi)蒙的遠(yuǎn)距離輸送，PM2.5濃度均高于70 μg·m-3，最大為84.7 μg·m-3；PM10濃度最高的是來自蒙古的遠(yuǎn)距離軌跡，為144.5 μg·m-3；NO2濃度在冬季容易升高。預(yù)報(bào)員需要特別關(guān)注秋季來自安徽西部的易導(dǎo)致高濃度的軌跡，最高62.8 μg·m-3；SO2濃度最高的是冬季來自蒙古的遠(yuǎn)距離輸送軌跡，達(dá)53.0 μg·m-3。

表2 寧波不同季節(jié)主要后向軌跡的空氣污染濃度、空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

綜上所述，秋冬季來自西北方向的輸送軌跡無論距離遠(yuǎn)近，對(duì)寧波空氣質(zhì)量、污染物濃度均有明顯影響，統(tǒng)計(jì)分析上述7條西北方向輸送軌跡，平均AQI以及PM2.5、PM10、NO2、SO2濃度分別可達(dá)104、72.9 μg·m-3、122.8、54.1、37.8 μg·m-3，其它軌跡平均值為76、48.5 μg·m-3、76.3、42.4、19.7 μg·m-3。寧波重度到嚴(yán)重污染的輸送軌跡是秋季來自京津冀、黃海南部以及冬季來自浙江北部、山西河北的軌跡，這也意味著秋冬季節(jié)西北方向外來污染物的輸入是造成寧波地區(qū)重污染的重要原因之一。

3 結(jié) 語

1)秋冬季是寧波空氣質(zhì)量最差季節(jié)，輕度污染占該級(jí)年總數(shù)的66.7%，中度及以上污染等級(jí)均出現(xiàn)在該兩季節(jié)，AQI均值92，首要污染物主要為PM2.5、SO2、PM10，共占總數(shù)85.7%；秋冬季的空氣質(zhì)量基本能代表年度空氣質(zhì)量特征，2013年空氣質(zhì)量下降、污染程度明顯加重主要表現(xiàn)為秋冬季空氣污染加重。這與秋冬季寧波受大陸高壓控制，大氣層結(jié)和天氣形勢(shì)穩(wěn)定，加上偏北的主導(dǎo)風(fēng)，易攜帶內(nèi)陸不潔空氣等原因密切相關(guān)。在重污染天氣預(yù)報(bào)預(yù)警中，需要密切關(guān)注PM2.5濃度變化。

2)寧波秋冬季SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5這5類污染物平均濃度均高于年均值和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB3095—2012)，特別是PM10、PM2.5的濃度超過了國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)濟(jì)仍處于迅猛發(fā)展的寧波而言，政府相關(guān)部門仍然需要注意調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、控制交通源排放等，尤其是寧波港口工業(yè)發(fā)達(dá)、海洋經(jīng)濟(jì)突出，污染物濃度變化更依賴于政府宏觀調(diào)控政策。

3)寧波前36 h的污染物輸送秋季軌跡比較復(fù)雜，共有7條軌跡，主要來自津京冀和東北方向海上路徑最多，其次是來自浙江西南地區(qū)和海上路徑，這3類軌跡共占52%。冬季有4條軌跡，主要來自浙北和津京冀，共占81%。由此可見，某一地區(qū)的大氣污染是可以通過中遠(yuǎn)距離輸送影響到下風(fēng)向的地區(qū)。

4)寧波空氣污染受其特定的地理環(huán)境和大氣環(huán)流背景影響，存在遠(yuǎn)、近不同距離的污染物輸送問題。西北方向的輸送軌跡對(duì)寧波空氣質(zhì)量有明顯影響，該方向的平均AQI、各污染物濃度遠(yuǎn)高于其它方向，特別是秋季來自京津冀、黃海南部以及冬季來自浙江北部、山西河北的軌跡，是造成寧波重度或嚴(yán)重污染的重要原因之一。

5)對(duì)城市空氣質(zhì)量的趨勢(shì)預(yù)測(cè)，既要考慮本地污染源及大氣擴(kuò)散條件，還要考慮外來污染源的輸入以及天氣系統(tǒng)演變導(dǎo)致的大氣擴(kuò)散條件和輸送條件的變化。因此，防治大氣污染已不是某一地區(qū)的工作,只有全國(guó)乃至更大范圍區(qū)域的協(xié)作才能從根本上改善城市的空氣質(zhì)量。

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2014-10-11

“公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)” (GYHY201206011); “寧波市科技計(jì)劃項(xiàng)目”(2013C51013)