后向軌跡模型在顆粒物區(qū)域影響溯源研究中應(yīng)用現(xiàn)狀

傅昭娟

（義烏市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站浙江義烏322000）

后向軌跡模型在顆粒物區(qū)域影響溯源研究中應(yīng)用現(xiàn)狀

傅昭娟

（義烏市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站浙江義烏322000）

本文介紹了后向軌跡模型的基本原理和應(yīng)用實(shí)例,調(diào)研了長(zhǎng)三角地區(qū)運(yùn)用后向軌跡模型分析顆粒物潛在源區(qū)的研究現(xiàn)狀，同時(shí)展望了后向軌跡模型應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

后向軌跡模型；PM2.5；區(qū)域影響；長(zhǎng)三角地區(qū)

混合單顆粒拉格朗日函數(shù)綜合軌跡模型（又稱HYSPLIT后向軌跡模型）是一種計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。模型最初是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)。該模型具有處理多種氣象要素輸入場(chǎng)、多種物理過(guò)程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴(kuò)散和沉降模式,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物在各個(gè)地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散的研究中。

1　后向軌跡模型研究方法及應(yīng)用實(shí)例

在環(huán)境領(lǐng)域，后向軌跡模型可以應(yīng)用于多種計(jì)算污染來(lái)源分布的模型和方法，主要包括軌跡聚類方法、污染貢獻(xiàn)差值方程和軌跡質(zhì)量平衡模型等。

軌跡聚類方法通過(guò)對(duì)軌跡停留點(diǎn)的計(jì)算，得到軌跡的主要來(lái)源方向及其比例，整合了軌跡計(jì)算分析結(jié)果的信息，并為污染的主要來(lái)源方向判斷提供了依據(jù)。Kim等（2009）通過(guò)軌跡聚類將韓國(guó)濟(jì)州島和德積島的氣團(tuán)來(lái)源分為四類分析氣團(tuán)來(lái)源。結(jié)果表明來(lái)自西、北兩個(gè)方向的氣團(tuán)顆粒物和氣態(tài)污染物的濃度更高，推測(cè)主要受來(lái)自于中國(guó)東北重工業(yè)地區(qū)和韓國(guó)西北部地區(qū)的排放傳輸影響。

污染貢獻(xiàn)差值方程（Potential source contribution function，PSCF）是美國(guó)環(huán)保署（USEPA）認(rèn)可的一種比較成熟的利用后向軌跡模型分析污染源分布的方法。在后向軌跡經(jīng)過(guò)的區(qū)域劃分若干個(gè)小地理單元，得到每條軌跡在每個(gè)單元的停留時(shí)間，通過(guò)計(jì)算每個(gè)單元中重污染過(guò)程的停留時(shí)間和所有時(shí)間內(nèi)的停留時(shí)間的比值，得到主要污染來(lái)源貢獻(xiàn)區(qū)域的分布。Heo等（2009）對(duì)2003～2006年間韓國(guó)首爾393個(gè)PM2.5樣品結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)合PMF模型源解析結(jié)果和后向軌跡模型的PSCF計(jì)算，發(fā)現(xiàn)本地源的二次轉(zhuǎn)化和中國(guó)東北重工業(yè)區(qū)的傳輸都是可能的來(lái)源。

軌跡質(zhì)量平衡（Trajectory Mass Balance，TrMB）模型將測(cè)得的污染物濃度的時(shí)間序列作為應(yīng)變量，將后向軌跡在一些污染源區(qū)域的停留時(shí)間作為自變量，通過(guò)多元線性回歸方法分析得到各污染區(qū)域的貢獻(xiàn)大小。Gebhart等（2011）利用TrMB模型解析2006年春夏兩季在美國(guó)落基山脈國(guó)家公園所測(cè)得的二氧化硫和氮氧化物濃度，認(rèn)為該方法的關(guān)鍵在于污染區(qū)域的劃分和選擇。

2　后向軌跡模型在長(zhǎng)三角地區(qū)顆粒物污染分析應(yīng)用

現(xiàn)有科研課題已經(jīng)利用后向軌跡模型開展長(zhǎng)三角地區(qū)顆粒物區(qū)域影響溯源研究。主要針對(duì)不同年度（季節(jié)）或某次重污染天氣過(guò)程顆粒物污染源潛在源區(qū)分析，也有利用該模型發(fā)現(xiàn)年際變化規(guī)律，預(yù)測(cè)周邊源區(qū)貢獻(xiàn)。

研究發(fā)現(xiàn)[1]南京市2012～2014年霾發(fā)生的主要來(lái)源有本地源、南京市東南地區(qū)的近距離污染源和華北地區(qū)的遠(yuǎn)距離污染源，PM2.5在PM10中所占比例與霾強(qiáng)度呈正比。張曉華等[2]研究了2013年蘇州一次連續(xù)重污染過(guò)程，發(fā)現(xiàn)空氣團(tuán)裹挾大量污染物到達(dá)蘇州,使本地污染和區(qū)域污染相互疊加，且污染物存在嚴(yán)重的二次轉(zhuǎn)化，與葛順等[3]的研究結(jié)論類似。

有學(xué)者[4]應(yīng)用聚類分析的方法對(duì)2001～2005年合肥市逐日72h后向軌跡按季節(jié)分類研究,結(jié)果顯示,最高PM10平均濃度對(duì)應(yīng)的后向軌跡在春、秋和冬季都是來(lái)自西北方向,夏季為東北方向,氣溶膠的遠(yuǎn)程輸送主要發(fā)生在自由對(duì)流層，區(qū)域輸送主要發(fā)生在邊界層內(nèi)，移動(dòng)快的氣團(tuán)不一定對(duì)應(yīng)低濃度的PM10。

也有課題[5]就黃山光明頂夏季的污染物氣團(tuán)軌跡進(jìn)行研究，結(jié)合氣團(tuán)軌跡聚類分析,得出夏季影響黃山光明頂積聚模態(tài)顆粒物數(shù)濃度的潛在源區(qū)主要來(lái)自一些工業(yè)發(fā)達(dá)人口密集的城市群:湖北東部、安徽中部、兩廣交界處、湖南南部以及浙江北部地區(qū)的結(jié)論。而垂直方向上，來(lái)自西北和西南方向自由對(duì)流層氣團(tuán)對(duì)黃山頂積聚模態(tài)粒子數(shù)濃度貢獻(xiàn)較大?？娗郲6]結(jié)合二次離子和后向軌跡討論2014年夏季黃山光明頂大氣氣溶膠中有機(jī)碳(OC)和元素碳(EC)的潛在來(lái)源。結(jié)果表明，觀測(cè)期間EC來(lái)自外部輸送，OC既存在外部輸送也存在局地貢獻(xiàn)。外部輸送主要來(lái)源為東部城市群以及西北地區(qū)和武漢一帶。

有不少學(xué)者[7-9]針對(duì)上海2008～2011年不同季節(jié)霾的特征及影響因子進(jìn)行了分析，得出上海氣流輸送季節(jié)變化特征明顯的結(jié)論。冬、春和秋季,上海較易受到來(lái)自西北等區(qū)域的大陸性氣流影響,受沙塵或人為污染排放的影響相對(duì)較大，長(zhǎng)江三角洲地區(qū)污染物對(duì)上海PM2.5濃度的貢獻(xiàn)影響遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)距離污染物的輸入，來(lái)自海面的貢獻(xiàn)總體低于大陸。上海單次重污染天氣過(guò)程分析研究中，也印證了該結(jié)論。

在預(yù)測(cè)周邊源區(qū)貢獻(xiàn)方面，張英杰等[10]結(jié)合WRF粒子擴(kuò)散模型，對(duì)南京10年間大氣污染物粒子后向軌跡進(jìn)行模擬，定量估算周邊污染物源區(qū)的年際變化，確定影響2014年南京青年奧運(yùn)會(huì)期間空氣質(zhì)量的大氣污染物周邊源區(qū)。

3　后向軌跡模型發(fā)展趨勢(shì)

3.1技術(shù)層面上嵌合其他技術(shù)應(yīng)用

后向軌跡模型可以結(jié)合受體模型、同位素示蹤技術(shù)、GDAS氣象數(shù)據(jù)、WRF/Chem輸送過(guò)程模擬等，如TMLR可以定量給出各網(wǎng)格的貢獻(xiàn)濃度，可應(yīng)用于通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)源清單的分布進(jìn)行推算和驗(yàn)證。多種技術(shù)融合應(yīng)用為PM2.5來(lái)源分布及傳輸特征研究提供新思路。

3.2成果應(yīng)用上加強(qiáng)區(qū)域聯(lián)防聯(lián)治

現(xiàn)階段研究表明，長(zhǎng)三角地區(qū)顆粒物區(qū)域影響既存在局地貢獻(xiàn)也存在外部輸送。僅僅局限在一座城市進(jìn)行大氣污染防治的獨(dú)立研究是不切實(shí)際的，區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控乃至跨區(qū)域聯(lián)動(dòng)對(duì)于應(yīng)對(duì)當(dāng)前頻發(fā)的重污染態(tài)勢(shì)具有極為重要的意義。

[1]趙子菁,魏永杰,張祥志,等.南京市霾天氣與主要?dú)庀髼l件的相關(guān)分析[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2015,35(12):3570-3580.

[2]張曉華,王雅玲,鄒強(qiáng),等.蘇州市連續(xù)重污染過(guò)程中可溶性離子組分分析研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2015,40(02):114-118.

[3]葛順,湯莉莉,秦瑋,等.南京地區(qū)秋季灰霾天氣特征及其水溶性離子分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2015,38(02):99-104.

[4]石春娥,姚葉青,邱明燕,等.合肥市PM10濃度的后向軌跡—聚類分析—統(tǒng)計(jì)分析[A].中國(guó)氣象學(xué)會(huì)2006年年會(huì)“大氣成分與氣候、環(huán)境變化”分會(huì)場(chǎng)論文集[C],2006.

[5]王愛平,朱彬,銀燕,等.黃山頂夏季氣溶膠數(shù)濃度特征及其輸送潛在源區(qū)[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2014(04):852-861.

[6]繆青,張澤鋒,李艷偉,等.黃山夏季大氣顆粒物中碳粒徑分布特征及其輸送潛在源區(qū)[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2015(07):1938-1946.

[7]譚冶冰.上海市霾的特點(diǎn)及影響因子研究[D].上海:華東師范大學(xué),2010.

[8]趙倩彪,胡鳴,張懿華.利用后向軌跡模式研究上海市PM2.5來(lái)源分布及傳輸特征[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù),2014(4):21-26.

[9]李莉,蔡鋆琳,周敏.2013年12月中國(guó)中東部地區(qū)嚴(yán)重灰霾期間上海市顆粒物的輸送途徑及潛在源區(qū)貢獻(xiàn)分析[J].環(huán)境科學(xué), 2015(07):2327-2336.

[10]張英杰,趙天良,韓永翔,等.大氣污染物周邊源對(duì)2014南京青奧會(huì)空氣質(zhì)量影響的預(yù)估分析[J].中國(guó)粉體技術(shù),2015(01):16-21.

傅昭娟（1981—），女，工程師，2006年畢業(yè)于浙江師范大學(xué)生態(tài)學(xué)專業(yè)，主要從事水質(zhì)及大氣污染監(jiān)測(cè)與防治工作。