不同季節(jié)常州市氣團(tuán)來源差異性研究

何濤,葉香,彭燕,徐圃青,夏京

(常州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 常州 213001)

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不同季節(jié)常州市氣團(tuán)來源差異性研究

何濤,葉香,彭燕,徐圃青,夏京

(常州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 常州 213001)

利用NCEP全球再分析資料和HYSPLIT4模式，計算了2014年常州市不同季節(jié)的氣流后向軌跡。結(jié)合聚類分析方法和常州市PM2.5、PM10、SO2、NO2和O3監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了各季節(jié)不同類型氣團(tuán)來源對各污染物濃度的影響。結(jié)果表明，常州市的氣團(tuán)來源具有明顯的季節(jié)性特征，春季以東北偏東方向的氣團(tuán)為主，西南氣流對應(yīng)的PM2.5和PM10平均值較高，分別為93 和157 μg/m3；夏季受海洋型氣團(tuán)影響為主，東南氣團(tuán)對應(yīng)的O3平均值較高，為90 μg/m3。秋季西北氣流增多，其對應(yīng)的PM2.5和PM10平均值較高，分別為71 和107 μg/m3，東南氣團(tuán)對應(yīng)的SO2和NO2平均值較高，分別為40 和43 μg/m3；冬季受大陸型氣團(tuán)影響更顯著，京津冀等北方氣團(tuán)和杭州灣方向的南面氣團(tuán)對應(yīng)的PM2.5和PM10值較高,分別在100和150 μg/m3以上。冬季隨著空氣污染加重，本地和本區(qū)域的氣團(tuán)逐漸占主導(dǎo)地位，說明加強(qiáng)長三角區(qū)域內(nèi)的污染物協(xié)同管控，對于改善空氣質(zhì)量會具有明顯的效果。

大氣污染；后向軌跡；聚類分析；傳輸路徑；常州

環(huán)境空氣質(zhì)量受污染源排放、氣象條件和地形等因素的共同影響，氣象條件制約著大氣污染物的稀釋、擴(kuò)散、清除、傳輸和光化學(xué)反應(yīng)等過程，進(jìn)而影響到污染物的空間分布和污染濃度[1-4]。隨著城市化、工業(yè)化快速發(fā)展，大城市群的涌現(xiàn)，區(qū)域間的相互傳輸影響顯著[5-7]，污染物跨區(qū)域輸送[8-9]已成為影響一個區(qū)域空氣質(zhì)量的重要因素。

薛文博等[10]利用數(shù)值模型研究了全國PM2.5及其化學(xué)組分的跨區(qū)域輸送規(guī)律，結(jié)果表明，跨區(qū)域傳輸對重點區(qū)域的PM2.5污染貢獻(xiàn)顯著，其中上海、江蘇等省市的PM2.5年均值受省外源貢獻(xiàn)超過45%?；魬c等[11]研究表明，長三角區(qū)域秋冬季有較明顯的局地累積效應(yīng)。文獻(xiàn)[12-13]研究表明,在長江三角洲地區(qū),光化學(xué)污染區(qū)域輸送與化學(xué)轉(zhuǎn)化的作用表現(xiàn)十分突出，其中地面ρ(O3)的空間分布受太陽輻射和風(fēng)向的影響較大，太陽輻射強(qiáng)度決定了O3的生消過程，風(fēng)速風(fēng)向決定了O3的輸送方向和高濃度出現(xiàn)的地點。王亞強(qiáng)等[14]利用后向軌跡方法研究了北京市2001—2003年春季的沙塵傳輸路徑，結(jié)果表明，4個主要的潛在沙塵源區(qū)對北京PM10有顯著貢獻(xiàn)。王艷等[15]利用后向軌跡模型以杭州為代表分析了長三角地區(qū)大氣污染物傳輸規(guī)律，研究表明，長三角地區(qū)輸送氣流主要來自華北或東北地區(qū)，西南方向也是重要輸送通道。王茜[16]利用軌跡模型分析了上海市各季節(jié)不同類型氣流軌跡對污染物濃度的影響，并對影響上海市PM10和NO2的潛在污染源區(qū)做了分析。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，長三角地區(qū)是目前我國工業(yè)和交通最為集中的地區(qū)之一，已成為全國大氣污染最嚴(yán)重地區(qū)之一，該區(qū)域大氣污染已呈現(xiàn)區(qū)域性、復(fù)合型特征[17]，并帶有顯著的季節(jié)性特征。夏季O3成為長江三角洲和珠江三角洲等區(qū)域環(huán)境空氣的主要污染物之一，冬季以PM2.5為主要污染物的灰霾現(xiàn)象依然突出[18-20]。

常州市位于長江三角洲中心地帶，現(xiàn)選取該市作為長三角區(qū)域的代表城市，利用數(shù)理統(tǒng)計和后向軌跡聚類分析方法，研究影響常州市的主要氣團(tuán)傳輸路徑在季節(jié)上的差異性和對各污染物的影響，以及不同空氣質(zhì)量級別下的氣團(tuán)來源特征，以期為本區(qū)域大氣污染防治、區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控等研究提供資料和依據(jù)。

1 研究方法

后向軌跡HYSPLIT模型是一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。該模型是一種歐拉和拉格朗日模型混合的計算模式，其平流和擴(kuò)散的處理采用拉格朗日方法，而濃度計算則采用歐拉方法。

聚類分析是一種基于多變量的客觀統(tǒng)計分析方法，后向軌跡聚類分析是根據(jù)后向軌跡空間的相似度，將樣本軌跡統(tǒng)計分析進(jìn)而分類，通過比較不同聚類類數(shù)之間的差異來確定最佳的聚類數(shù)目，然后對每組氣流軌跡所對應(yīng)的污染物濃度特征進(jìn)行統(tǒng)計分析。

對常州市6個環(huán)境空氣質(zhì)量評價點數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到全市2014年各污染物的小時濃度，結(jié)合后向軌跡數(shù)據(jù)來分析常州市的污染特征和氣團(tuán)來源差異，選取常州市環(huán)境監(jiān)測中心(北緯31.76°N,東經(jīng)119.95°E)為后向軌跡起始點，起始高度為100 m，1h模擬1條后向軌跡，每條軌跡計算時長36 h。氣象資料采用NCEP(美國國家環(huán)境預(yù)報中心)提供的全球資料同化系統(tǒng)GDAS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率為1°×1°。研究期間季節(jié)劃分：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為1、2和12月。

2 2014年常州市后向軌跡聚類分析

2.1 2014年常州市污染特征

2014年常州市市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)為26～300，其中優(yōu)24 d，良210 d，輕度污染90 d，中度污染30 d，重度污染11 d，優(yōu)良率為64.1%；影響空氣質(zhì)量的首要污染物以PM2.5和O3為主，其中 PM2.5全年累計超標(biāo)97 d，O3超標(biāo)31 d。

圖1為2014年常州市逐月的首要污染物分布。由圖1可見，1—4月和11—12月長達(dá)半年的時間以PM2.5和PM10等顆粒物污染為主，特別是PM2.5為首要污染物的天數(shù)占主導(dǎo)地位；從4月份開始常州市的O3污染問題日漸凸顯，并逐步取代顆粒物成為首要污染物，其中O3污染的高發(fā)期為5—10月，導(dǎo)致5—10月份PM2.5與O3污染并存。

圖1 2014年常州市逐月的首要污染物及天數(shù)

2.2 不同季節(jié)后向軌跡聚類特征

圖2(a)(b)(c)(d)為2014年四季常州市后向軌跡聚類分析結(jié)果，曲線上2點之間的時間間隔為6 h。表1為2014年不同季節(jié)聚類分析結(jié)果對應(yīng)的統(tǒng)計特征，表中濃度為各聚類類別所包含的氣流軌跡對應(yīng)的常州市污染物濃度算數(shù)平均值。

圖2 2014年后向軌跡聚類分析結(jié)果

表1 2014年不同季節(jié)各聚類類別的統(tǒng)計特征

①為算術(shù)平均值。

由圖2可見，春季影響常州的氣團(tuán)主要來自于4個方向，各自占比相對較為均勻，其中自黃海、東海經(jīng)上海、江蘇南部的氣流軌跡聚類B占比最大，為34.9%。

春季，自山東中東部經(jīng)江蘇北部的北方氣團(tuán)和來自黃海、東海經(jīng)江蘇南部的氣流(聚類A和B)對應(yīng)的污染相對較輕。

自安徽東南部、浙江北部與江蘇交界區(qū)域的氣流軌跡聚類D對應(yīng)的污染較重，其PM2.5和PM10分別比其他路徑平均高22和44 μg/m3以上，可能是該路徑傳輸距離短，大氣擴(kuò)散條件較差，導(dǎo)致污染物容易在局地累積。

夏季受降水、擴(kuò)散條件等因素影響整體污染較輕，主導(dǎo)風(fēng)向為偏東風(fēng)，由于夏季對流旺盛，且受副熱帶高壓、臺風(fēng)等影響，夏季常州受黃海和東海的海洋型氣團(tuán)影響較大。

此外，自浙江北部和江蘇南部的氣流軌跡聚類F占23.8%，受靜穩(wěn)天氣影響，該氣流以本地氣團(tuán)為主。

夏季東南和偏南方向的氣團(tuán)(聚類E、F)對應(yīng)的顆粒物和臭氧污染相對較重，東北氣流(聚類A、B)對應(yīng)的污染較輕，其中自東海，經(jīng)杭州灣、上海、蘇州和無錫到達(dá)常州的氣流軌跡聚類E對應(yīng)的O3污染相對較重，平均值為90 μg/m3。

秋季東南偏東風(fēng)顯著增加，為主導(dǎo)風(fēng)向。聚類B和C所在的東北偏北和東北風(fēng)對應(yīng)的污染相對較輕，可能是由于該聚類移動路徑長、擴(kuò)散條件好，且經(jīng)過的區(qū)域以海洋區(qū)域為主，人為排放源相對較少。

入秋后，西北氣流增多，自山東南部經(jīng)江蘇北部到常州的氣流軌跡聚類A占比22.9%，其對應(yīng)的PM2.5和PM10值較高，分別為71 和107 μg/m3；自東海經(jīng)上海、蘇州、無錫到達(dá)常州的氣流軌跡聚類D占比42.3%，該路徑對應(yīng)的SO2和NO2值較高，分別為40 和43 μg/m3。

冬季，受大陸型氣團(tuán)影響顯著，西風(fēng)和北風(fēng)明顯增加；除O3外，其余4項污染物值均明顯高于其他季節(jié)。偏北風(fēng)和偏南風(fēng)(聚類A和D)對應(yīng)的PM2.5和PM10值較高，說明南北冷暖空氣移動會帶來污染傳輸；冬季主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)(聚類B)，其對應(yīng)的各類污染物值均較低。

總體上不同季節(jié)的氣團(tuán)來源具有較大的差異性，春夏季東南風(fēng)對應(yīng)的O3值較高，秋冬季東北風(fēng)對應(yīng)的O3值較高；江蘇南部和沿長江區(qū)域的氣流對應(yīng)的SO2和NO2值較高，PM2.5和PM10受京津冀方向的氣團(tuán)和處于靜穩(wěn)天氣時的本地氣團(tuán)影響較大。

2.3 冬季不同空氣質(zhì)量級別下氣團(tuán)來源特征

由于冬季的污染較重，重污染天數(shù)最多，圖3(a)(b)(c)給出了2014年冬季不同空氣質(zhì)量級別下的后向軌跡來源。

冬季，空氣質(zhì)量級別為優(yōu)良時，以東北風(fēng)(聚類B)為主，占比達(dá)57.7%；輕度污染時占比較大的風(fēng)向為西北風(fēng)(聚類D)和西南偏南風(fēng)(聚類C)，分別占比接近30%。

中度污染及以上時，主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)(聚類B)，占比38.6%。從后向軌跡空間分布看，隨著空氣污染等級的增加，軌跡路徑長度逐漸收縮變短，大陸型氣團(tuán)比重逐漸增加，海洋型氣團(tuán)比重從60%以上逐漸減少到10%以內(nèi)。

從軌跡分布區(qū)域看，隨著污染等級增加，本地和本區(qū)域的氣團(tuán)逐漸占主導(dǎo)地位，中度污染及以上時來自內(nèi)蒙古、京津冀方向的遠(yuǎn)距離氣團(tuán)(聚類A)占比僅為9.6%。說明冬季污染較重時以長三角區(qū)域內(nèi)的污染貢獻(xiàn)為主，遠(yuǎn)距離輸送占比較小，同時說明加強(qiáng)本區(qū)域內(nèi)的污染物協(xié)同管控，會對空氣質(zhì)量有明顯的改善效果。

圖3 2014年冬季不同污染級別下的后向軌跡聚類分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 常州市的氣團(tuán)來源具有明顯的季節(jié)性特征，春季以東北偏東方向的氣團(tuán)為主，但其他3個方向的氣團(tuán)各自占比為20%左右，較為均勻；夏季受海洋型氣團(tuán)影響為主，主導(dǎo)風(fēng)向為偏東風(fēng)；秋季以東南偏東氣流為主，靜穩(wěn)天氣較少，西北氣流增多；冬季以東北氣流為主，受大陸型氣團(tuán)影響更顯著，西風(fēng)和北風(fēng)明顯增加；

(2) 基于后向軌跡聚類及其對PM2.5、PM10、SO2、NO2和O3的影響分析，可初步判斷各氣團(tuán)輸送通道對污染物濃度的影響。春季自安徽東南部、浙江北部與江蘇交界區(qū)域的氣流對應(yīng)的污染較重，其中PM2.5和PM10分別比其他路徑平均高22 和44 μg/m3以上。夏季自東海，經(jīng)杭州灣、上海、蘇州和無錫到達(dá)常州的氣團(tuán)對應(yīng)的O3污染較重，平均值為90 μg/m3。秋季自山東南部經(jīng)江蘇北部到常州的西北氣流對應(yīng)的PM2.5和PM10值較高，分別為71 和107 μg/m3；自東海經(jīng)上海、蘇州、無錫到達(dá)常州的氣團(tuán)對應(yīng)的SO2和NO2值較高，分別為40 和43 μg/m3。冬季從京津冀經(jīng)山東中部、江蘇北部的氣團(tuán)和從杭州灣方向來的氣團(tuán)對應(yīng)的顆粒物濃度較高，其對應(yīng)的PM2.5和PM10平均值分別在100和150 μg/m3以上；

(3) 冬季隨著空氣污染等級的增加，軌跡路徑長度逐漸收縮變短，大陸型氣團(tuán)比重逐漸增加，海洋型氣團(tuán)比重逐漸減少，本地和本區(qū)域的氣團(tuán)逐漸占主導(dǎo)地位，中度污染及以上時從內(nèi)蒙古、京津冀方向來的遠(yuǎn)距離氣團(tuán)占比僅為9.6%。說明加強(qiáng)長三角區(qū)域內(nèi)的污染物協(xié)同管控，對于改善空氣質(zhì)量會具有明顯的效果。

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ADifferentialResearchofAirMassSourcesinDifferentSeasonsofChangzhou

HE Tao, YE Xiang, PENG Yan, XU Pu-qing, XIA Jing

(ChangzhouEnvironmentalMonitoringCenter,Changzhou,Jiangsu213001,China)

NCEP global reanalysis meteorological data and HYSPLIT4 model were used to compute the backward trajectory in different seasons of Changzhou in 2014. Combined with clustering method, the concentration data of PM2.5,PM10,SO2,NO2and O3in Changzhou were used to analyze the effect of air mass on the concentration of different pollutants in different seasons. It is found that the air mass in Changzhou showed an obvious seasonal characteristics. The air mass of ENE was the dominant in spring , and the PM2.5and PM10were higher in southwest airflow, which were 93 and 157 μg/m3, respectively. In summer, the air mass was mainly affected by the airflow from the ocean, and the average value of O3was higher when the airflow from southeast, which was 90 μg/m3. During autumn, the Northwest airflow increased obviously, and the corresponding PM2.5and PM10values were higher, which were 71 and 107 μg/m3. The SO2and NO2values were higher when the airflow from southeast in autumn, which were 40 and 43 μg/m3. In winter, continental airflow had a significant effect on air quality in Changzhou. The PM2.5and PM10were relatively higher due to airflow from Jing-jin-ji regional or Hangzhou Bay, which were 100 and 150 μg/m3above. As the increasing of air pollution in winter, the local air mass played a dominant role, which indicates that strengthen the control of pollution sources in the Yangtze River Delta region would be a significant effect on improving air quality.

Air pollution；Backward trajectory；Cluster analysis；Transport pathways；Changzhou

2017-05-12；

2017-05-24

江蘇省環(huán)境監(jiān)測科研基金資助項目(1603)

何濤(1983—),男,工程師,碩士,主要從事大氣污染研究工作。

10.3969/j.issn.1674-6732.2017.06.011

X513

B

1674-6732(2017)06-0048-05

歡迎訂閱2018年度《中國環(huán)境監(jiān)測》

《中國環(huán)境監(jiān)測》是由環(huán)境保護(hù)部主管、中國環(huán)境監(jiān)測總站主辦的環(huán)?？萍紝W(xué)術(shù)期刊，是中文核心期刊、中國科技核心期刊，其國際標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)出版物編號為ISSN 1002-6002、國內(nèi)統(tǒng)一刊號為CN 11-2861/X。曾獲環(huán)保部(原環(huán)保局)部屬期刊一等獎和首屆《CAJ-CD》規(guī)范執(zhí)行優(yōu)秀獎。期刊一貫堅持學(xué)術(shù)性、專業(yè)性與實用性相結(jié)合的辦刊原則，宣傳國家有關(guān)環(huán)境保護(hù)工作的方針政策和法律法規(guī)，介紹國內(nèi)外先進(jìn)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，交流環(huán)境監(jiān)測科研成果。設(shè)有特約來稿、特別關(guān)注、環(huán)境質(zhì)量管理、分析技術(shù)、調(diào)查評價、應(yīng)急預(yù)警、自動監(jiān)測、環(huán)境遙感、儀器設(shè)備等欄目。一直以來，期刊作為環(huán)保政策和監(jiān)測技術(shù)的交流平臺，始終發(fā)揮著科技創(chuàng)新和發(fā)展的引領(lǐng)作用，是從事環(huán)境保護(hù)特別是環(huán)境監(jiān)測工作的管理干部和科研人員的必備工具書。

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