嘉興秋冬季中度及中度以上霾天氣的潛在污染來源及污染傳輸特征分析*

李海軍 陸琛莉 宋劉明

(嘉興市氣象局，浙江 嘉興 314000)

嘉興秋冬季中度及中度以上霾天氣的潛在污染來源及污染傳輸特征分析*

李海軍 陸琛莉 宋劉明

(嘉興市氣象局，浙江 嘉興 314000)

秋冬季是嘉興中度及中度以上霾天氣多發(fā)季節(jié)，使用HYSPLIT4模型和潛在源貢獻因子法及濃度權重軌跡分析法對嘉興的潛在污染來源及傳輸特征進行分析。結果表明，嘉興中度及中度以上霾天氣的后向軌跡可以聚成3類。第1類為來自偏西方向的近距離傳輸軌跡，軌跡數量占比最大，約46%。第2類為西偏北約45°方向的中距離傳輸軌跡，軌跡數量約占總數的42%。第3類為西偏北約60°方向的遠距離傳輸軌跡，軌跡數量僅占總數的12%。遠距離傳輸的污染物主要是PM2.5、PM10、SO2和CO，而近距離傳輸的主要是NO2和O3。對嘉興秋冬季中度及中度以上霾天氣影響較大的主要還是近距離的浙北和蘇南地區(qū)，尤其是靜穩(wěn)天氣時蘇南長江沿岸的PM2.5濃度快速增長可能是最主要原因。

中度及中度以上霾天氣 后向軌跡 聚類分析 潛在污染來源 傳輸特征

Abstract: Autumn and winter are seasons prone to moderate and heavier haze weather in Jiaxing. Using the HYSPLIT4 model,potential source contribution factor method and concentration weighted trajectory method,the potential pollution source and transmission characteristics were analyzed. Results show that three types of back trajectory were clustered. The first type came from the west,covering 46% trajectory quantity. The second came from 45° north of the west,covering 42% trajectory quantity. And the third came from 60° north of the west,covering 12% trajectory quantity. The transmission distance of the first type was the nearest while that of the third farthest. PM2.5,PM10,SO2and CO could transferred for a long way,but NO2and O3could not. The Jiaxing’s protential pollution source mainly came from close area like north of Zhejiang and south of Jiangsu. When the weather was quiet,south of Jiangsu along the Yangtze River might the chief source because PM2.5there increased rapidly.

Keywords: moderate and heavier haze weather; back trajectory; clustering analysis; potential pollution source; transmission characteristics

近年來，隨著城市化、工業(yè)化的快速發(fā)展，機動車保有量、化石燃料消耗量、工業(yè)廢氣排放量不斷上升，全國各地霾天氣出現頻率越來越高，霾中含有的細顆粒物(PM2.5)不僅能降低大氣能見度，威脅交通安全[1-3]，而且還易吸附有毒物質，對人們的健康造成危害。 大氣PM2.5除本地來源外，外地源通過大氣運動由遠距離輸送而來也不可忽視[4-5]。

我國霾天氣多發(fā)，而且呈現出區(qū)域大范圍集中多發(fā)態(tài)勢。2013年12月，我國中東部地區(qū)發(fā)生大范圍嚴重霾天氣，涉及京津冀、長三角、珠三角等25個省份的100多個大中型城市，安徽、江蘇、上海、浙江等省份眾多地區(qū)空氣質量指數(AQI)超過300，其中上海12月6日AQI達到了468。李鋒等[6]運用數值模型對此次重度污染過程進行了數值模擬，結果表明，靜穩(wěn)天氣下仍然存在著明顯的PM2.5區(qū)域間輸送。嘉興地處長三角滬杭樞紐中心地帶，近年來霾天氣日益增多，但其污染來源尚不明晰，本研究利用后向軌跡模式，結合聚類分析，對嘉興霾天氣高發(fā)的秋冬季潛在污染來源和污染傳輸特征進行了分析，以期為嘉興大氣污染防治提供依據。

1 霾天氣判別

使用大氣水平能見度、相對濕度和PM2.5濃度對霾天氣及其等級進行判別，其中大氣能見度和相對濕度采用嘉興氣象觀測站監(jiān)測數據；PM2.5濃度采用嘉興3個大氣污染在線監(jiān)測站(嘉興學院、清河小學和南湖區(qū)殘疾人聯(lián)合會)的數據，3個監(jiān)測站同一時間數據取平均值。

表1 嘉興秋冬季各等級霾時分布

根據《霾的觀測和預報等級》(QX/T 113—2010)對霾天氣進行判別，即當能見度小于10 km時，如果相對濕度小于80%，判別為霾天氣；如相對濕度為80%～95%，且PM2.5>75 μg/m3，也判別為霾天氣。霾天氣根據能見度大小可以進一步分級，5 km≤能見度<10 km為輕微霾，3 km≤能見度<5 km為輕度霾，2 km≤能見度<3 km為中度霾，1 km≤能見度<2 km為重度霾，能見度<1 km為嚴重霾。

對嘉興2013—2015年的秋冬季(每年9月至次年2月)逐小時監(jiān)測數據進行霾時判別，共得到霾時4 156 h，無雨時嘉興霾時比例為36.7%。對不同月份的霾時進行霾等級判別和統(tǒng)計，結果見表1，主要以輕微霾和輕度霾為主，共占總霾時的69.7%，中度及中度以上霾占30.3%。由于對人們健康和工作生活造成嚴重影響的主要是中度及中度以上霾，因此本研究著重對嘉興秋冬季中度及中度以上霾天氣的污染來源及傳輸特征進行分析。

2 模型和方法

2.1 軌跡計算模型

使用HYSPLIT4模型，采用美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)分析風、濕度、溫度等基本氣象資料，經緯度分辨率為0.5°×0.5°，計算嘉興中度及中度以上霾時出現前3天的氣流后向軌跡，每天定時在2:00、5:00、8:00、11:00、14:00、17:00、20:00、23:00各計算1次，共得到435條氣流后向軌跡。所有后向軌跡起點設定為嘉興氣象觀測站(120.73°E，30.73°N)，起始點高度設定為1 000 m，模型頂高設定為10 000 m。

2.2 潛在源貢獻因子(PSCF)法

利用HYSPLIT4模型計算的氣流后向軌跡，將氣流途徑區(qū)域網格化，逐網格分析嘉興中度及中度以上霾天氣后向軌跡與所有霾天氣后向軌跡在某網格區(qū)域中停留時間的比值，以此來解析每個網格區(qū)域對嘉興中度及中度以上霾天氣的污染貢獻。由于每個軌跡點間隔時間相同，因此可以用網格內軌跡點數來代表軌跡在網格內的停留時間。PSCF計算公式如下：

(1)

式中：PSCFi,j為網格(i,j)的中度及中度以上霾天氣PSCF；mi,j為經過網格(i,j)的中度及中度以上霾天氣軌跡點數；ni,j為經過網格(i,j)的所有霾天氣軌跡點數。

由于PSCFi,j是條件概率，當ni,j較小時，計算結果不確定性較大。因此，許多研究中都引入權重函數(見式(2))計算權重PSCF來減小不確定性，計算公式見式(3)。

(2)

WPSCFi,j=Wi,j×PSCFi,j

(3)

式中：Wi,j為權重函數；navg為所有網格的所有霾天氣軌跡點數平均值；WPSCFi,j為網格(i,j)的中度及中度以上霾天氣權重PSCF。

2.3 濃度權重軌跡分析法(CWT)

PSCF法可以反映某網格區(qū)域內中度及中度以上霾天氣軌跡所占的比例，但不能反映具體的PM2.5濃度。因此，進一步采用CWT計算軌跡的PM2.5濃度。計算公式如下：

(4)

式中：ci,j為網格(i,j)的PM2.5加權平均質量濃度，μg/m3；cl為軌跡l的PM2.5質量濃度，μg/m3；τi,j,l

圖1 嘉興中度及中度以上霾天氣的潛在污染來源分析Fig.1 The potential sources of moderate and heavier haze weather in Jiaxing

為軌跡l經過網格(i,j)的軌跡點數；M為經過網格(i,j)的軌跡數。

3 結果與分析

3.1 潛在污染來源分析

從圖1(a)可以看到，嘉興中度及中度以上霾天氣的潛在污染來源主要來自華東中北部及河南、山西、河北等地，其中WPSCFi,j≥0.7的網格主要集中在山東、河北一帶。另外，福建西北部和湖北東南部也有分散的強中心存在。

從圖1(b)來看，PM2.5加權平均質量濃度為70 μg/m3以上的高濃度區(qū)域主要集中在浙江、安徽、江蘇、山東、河北等省份，其中嘉興周邊100 km范圍內的蘇南和浙北等地，大部分網格的PM2.5加權平均質量濃度超過110 μg/m3。

對比圖1(a)和圖1(b)可以發(fā)現，兩者的分布趨勢總體上基本一致，但強中心分布存在一定差別。在福建西北部和湖北東南部，中度及中度以上霾天氣軌跡所占比例較高，但PM2.5加權平均濃度并不高，表明這兩個地區(qū)雖然常有污染物經西南氣流傳輸到達嘉興，但影響濃度較低。嘉興周邊地區(qū)雖然中度及中度以上霾天氣軌跡所占比例不高，但PM2.5加權平均濃度較高。綜合而言，嘉興周邊浙北和蘇南地區(qū)對嘉興中度及中度以上霾天氣的污染貢獻較大。此外，山東、河北、安徽等省份對嘉興的中度及中度以上霾天氣污染貢獻也較明顯。

3.2 后向軌跡聚類分析

為探尋嘉興中度及中度以上霾天氣潛在污染的最主要來源，對后向軌跡進行聚類分析。不同霾等級的聚類分析結果如圖2所示。不同月份的聚類分析結果如圖3所示，由于9月份軌跡只有7條，代表性不足，故未進行聚類分析。

由圖2(a)可見，中度及中度以上霾天氣的后向軌跡共聚成3類。第1類來自偏西方向，軌跡數量占總數的約46%，主要是由嘉興西側的安徽和浙江西北部輸入的污染源，軌跡約720 km，平均移速10 km/h，為近距離傳輸，由于氣流移動緩慢，影響時間往往較長，輸送過程中污染物高度大都穩(wěn)定在1 500 m以下，是造成嘉興中度及中度以上霾天氣的主要原因。第2類在西偏北約45°的方向，軌跡數量占總數的約42%，污染物經華北和華東西北部進入嘉興，軌跡長度約2 200 km，平均移速30 km/h，為中距離傳輸，往往是秋冬季西北方向的冷空氣在南下過程中攜帶污染物輸送至嘉興；第3類在西偏北約60°的方向，軌跡數量占總數的12%，污染物從華北和華東輸入嘉興，軌跡長度約3 940 km，平均移速55 km/h，為遠距離傳輸，往往受冬季強冷空氣南下造成的。第3類軌跡移動迅速，在較短的時間內就能把污染物傳輸到嘉興，但此類軌跡過境迅速，因而空氣質量和能見度能較快好轉。

具體分析中度霾(見圖2(b))、重度霾(見圖2(c))和嚴重霾(見圖2(d))的聚類分析結果發(fā)現，中度霾的污染來源基本與中度及中度以上霾的來源一致，重度霾和嚴重霾時還有來自西南方向的污染，并且霾等級越嚴重，西南方向的軌跡數量占比越大，這可能是由于霾等級越嚴重，其后向軌跡起始高度越低，隨著霾等級的加重，低空傳輸影響越顯著。

由圖3可見，秋季10月至11月嘉興中度及中度以上霾天氣的污染來源較為復雜，有海上傳輸和陸地傳輸兩種影響。冬季12月至次年2月，嘉興中度及中度以上霾天氣的污染來源較為一致，與圖2(a)的秋冬季整體聚類分析結果也基本一致。

圖2 不同霾等級的聚類分析結果Fig.2 Clustering analysis result of different haze level

3.3 污染物濃度分析

對圖2(a)的3類后向軌跡的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等污染物中位數進行統(tǒng)計，列于表2。由表2可見，第1類軌跡的PM2.5、PM10、SO2、CO等污染物濃度相對較低，而NO2和O3濃度略高；第3類軌跡的PM2.5、PM10、SO2、CO等污染物濃度較高，而NO2濃度相對較低。由于近地面O3是由復雜的光化學反應形成，一般由NOx和揮發(fā)性有機物(VOCs)等前體物在合適的氣象條件下反應產生[7-8]，而SO2與北方的煤炭燃燒關系密切[9-10]。因而，遠距離傳輸對嘉興的影響主要集中在PM2.5、PM10、SO2和CO等污染物上，而近距離傳輸中NO2和O3的污染影響較大，可能與當地機動車尾氣和其他VOCs的排放有關。

3.4 靜穩(wěn)天氣時嘉興及周邊PM2.5變化分析

近距離傳輸對嘉興中度及中度以上霾天氣的形成影響較大，而靜穩(wěn)天氣下的近距離傳輸影響則更為復雜。為考察靜穩(wěn)天氣(設小時極大風低于2 m/s為靜穩(wěn)天氣)時，嘉興及周邊地區(qū)的PM2.5變化情況，分別計算嘉興及周邊地區(qū)的靜穩(wěn)天氣時PM2.5小時變化量，然后求平均值，繪制圖4。從圖4可以看到，嘉興及周邊地區(qū)PM2.5小時變化量基本為正值，說明PM2.5濃度呈增加態(tài)勢，其中常州的PM2.5小時變化量最大，達6.6 μg/(m3·h)。蘇州、無錫的PM2.5小時變化量也大于3.0 μg/(m3·h)。因此，秋冬季靜穩(wěn)天氣時，蘇南長江沿岸的PM2.5濃度增長迅速，對嘉興的影響較大，需加強區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。

表2 嘉興中度及中度以上霾天氣的3類軌跡污染物濃度中位數

圖3 不同月份的聚類分析結果Fig.3 Clustering analysis results of different month

圖4 靜穩(wěn)天氣時嘉興及周邊地區(qū)PM2.5小時變化量Fig.4 The hour variation of PM2.5 in and around Jiaxing under the static stability weather

4 結 論

(1) 華東中北部及河南、山西、河北等地的污染物對嘉興的影響比較頻繁。但對嘉興中度及中度以上霾天氣影響較大的主要是近距離的浙北和蘇南地區(qū)。

(2) 嘉興中度及中度以上霾天氣的后向軌跡可以聚成3類：第1類為來自偏西方向的近距離傳輸軌跡，軌跡數量占比最大，約46%；第2類為西偏北約45°方向的中距離傳輸軌跡，軌跡數量占總數的約42%；第3類為西偏北約60°方向的遠距離傳輸軌跡，軌跡數量占總數的約12%。

(3) 遠距離傳輸的污染物主要是PM2.5、PM10、SO2和CO，而近距離傳輸的污染物主要是NO2和O3。

(4) 靜穩(wěn)天氣時，蘇南長江沿岸的PM2.5濃度快速增長可能是導致嘉興中度及中度以上霾天氣的最主要原因，應加強區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。

[1] 劉佳雨，楊武年.基于MODIS數據的氣溶膠光學厚度反演[J].地理信息世界，2014，21(3)：29-32.

[2] 雷鳴，薛丹，李成范，等.基于MODIS數據的上海市氣溶膠厚度研究[J].測繪與空間地理信息，2013，36(10)：40-43.

[3] 杜啟勝，劉志平，王新生，等.基于ENVI的MODIS數據預處理方法[J].地理空間信息，2009，7(4)：98-100.

[4] 蘇福慶，高慶先，張志剛，等.北京邊界層外來污染物輸送通道[J].環(huán)境科學研究，2004，17(1)：26-29.

[5] 張志剛，高慶先，韓雪琴，等.中國華北區(qū)域城市間污染物輸送研究[J].環(huán)境科學研究，2004，17(1)：14-20.

[6] 李鋒，朱彬，安俊嶺，等.2013年12月初長江三角洲及周邊地區(qū)重度霾污染的數值模擬[J].中國環(huán)境科學，2015，35(7)：1965-1974.

[7] SCHAUER J J,ROGGE W F,HILDENMANN L M,et a1.Source apportionment of airborne particulate matter using organic compounds as tracers[J].Atmospheric Environment,2007,41(S1):241-259.

[8] SAITO S,NAGAO I,TANAKA H.Relationship of NOxand NMHC to photochemical O3production in a coastal and metropolitan area of Japan[J].Atmospheric Environment,2002,36:1277-1286.

[9] 賈龍，葛茂發(fā)，徐永福，等.大氣臭氧化學研究進展[J].化學進展，2006，18(11)：1566-1574.

[10] 薛婕，羅宏，呂連宏，等.中國主要大氣污染物和溫室氣體的排放特征與關聯(lián)性[J].資源科學，2012，34(8)：1452-1460.

AnalysisofJiaxing’spotentialpollutionsourceandtransmissioncharacteristicsofmoderateandheavierhazeweatherinautumnandwinter

LIHaijun,LUChenli,SONGLiuming.

(JiaxingMeteorologicalAdministration,JiaxingZhejiang314000)

2016-09-28)

李海軍，男，1980年生，本科，工程師，主要從事中短期天氣預報研究。

*浙江省科技計劃項目(No.2014C03025)；嘉興市科技計劃項目(No.2014AY21013)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.08.018