基于后向軌跡模式的合肥市臭氧來源分析

夏曉宇

安徽皖欣環(huán)境科技有限公司

1 引言

臭氧（O3）是大氣的重要組成部分，臭氧層可保護地球生物免受紫外線的侵害，但臭氧由于其具有化學活性高的特點，近地面高濃度的臭氧又成為光化學煙霧的重要成分。目前近地面臭氧來源分析問題已成為廣大科研工作者的研究熱點。李浩等[1]利用CAMx 空氣質(zhì)量模型中的OSAT 模擬研究了2013年長三角地區(qū)的臭氧污染過程，得出長距離輸送對上海、杭州、蘇州的臭氧濃度貢獻高于40%。王雪松等[2]開展了北京市的臭氧來源識別，給出了不同地區(qū)對北京近郊臭氧濃度的貢獻值。但目前的主要研究主要集中在長三角、珠三角等一線城市[3-5]，合肥市作為長三角地區(qū)重要城市之一，夏季臭氧污染日趨嚴重，近年對于合肥市臭氧來源的研究近乎空白。

本文采用后向軌跡模式對合肥市2017～2019年6～9月及重污染時段的臭氧來源進行模擬，分析合肥市臭氧傳輸路徑，量化了內(nèi)外源對合肥市臭氧濃度的影響，以期為生態(tài)環(huán)境主管部門制定切實有效地臭氧污染防治對策提供理論依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 資料來源

臭氧濃度數(shù)據(jù)來自合肥市空氣質(zhì)量站點發(fā)布數(shù)據(jù)，后向軌跡模式的氣象資料數(shù)據(jù)采用美國國家環(huán)境預報中心提供的2017～2019年GDAS數(shù)據(jù)。

2.2 后向軌跡模式

后向軌跡模式采用美國國家海洋大氣研究中心空氣資源實驗室開發(fā)的HYSPLIT4.9版本，該模式采用拉格朗日方法處理平流和擴散，濃度計算采用歐拉方法。

3 結(jié)果與分析

3.1 2017～2019年6-9月污染輸送軌跡及其對應(yīng)的O3濃度分析

利用后向軌跡模式計算2017～2019年6～9月每1 小時的合肥市后推48 小時氣團軌跡，利用軌跡聚類方法，分別對2017年6～9月、2018年6～9月和2019年6～9月這3個時間段分別進行聚類，每個時間段聚類成4 條軌跡，同時根據(jù)聚類情況對每1 小時氣團軌跡對應(yīng)的合肥觀測到的O3濃度，分別計算每組的平均濃度。

通過軌跡聚類結(jié)果，2017年6月～9月，氣團主要來自東北、偏東和偏南方向，氣團輸送軌跡約有超過40%的氣團來自省內(nèi)，約有11%的氣團經(jīng)過山東半島、黃海、江蘇沿海到達合肥，約有24%的氣團來自偏東南方向，另外約有19%來自南方的氣團。2018年6～9月，來自北方的氣團約有17%，東北方向氣團約占22%，較上年有所增加，另有約28%的氣團來自東南的海上，經(jīng)江蘇到達合肥，此外有約33%的氣團來自安徽本地，較去年略有下降。2019年6月～9月，東北方向氣團增加至67%，其中超過40%來自東北的海上經(jīng)江蘇到達合肥，小部分（約12%）氣團來自遼東半島，經(jīng)山東半島、江蘇，最后影響合肥，另外來自東部的氣團約為26%，南方的氣團約為18%。

從氣團對應(yīng)的O3濃度來看，2017年6月～9月，來自東北方的氣團，O3濃度為90ug/m3左右，來自偏東和偏南方向氣團O3濃度在102ug/m3～115ug/m3之間，而來自本地的氣團濃度達到111ug/m3。2018年6月～9月，來自北方及東北方向氣團的O3濃度較上年略有升高，在98ug/m3～99ug/m3之間，來自東方的氣團O3濃度變化不大，濃度在117ug/m3，本省的氣團濃度較上年同期略有升高，達到117ug/m3。2019年6月～9月，北方的氣團O3濃度升高至108ug/m3～127ug/m3，而來自偏東與偏南方向氣團濃度略有下降，分別為106 ug/m3與110ug/m3。

綜合來看，2017～2019年的每年6月～9月，合肥市臭氧主要來自本地、東北、偏東及偏南方向，除2019年6月～9月來自東方的氣團所對應(yīng)的O3濃度略有下降外，其他方向氣團對應(yīng)的O3濃度整體呈升高趨勢。

3.2 2017～2019年重污染時段污染輸送軌跡及其對應(yīng)的O3濃度分析

篩選出2017～2019年O3濃度超過160ug/m3的時刻，定義為重污染時段，按照上文所述方法分別對2017年、2018年和2019年重污染時段分別進行聚類，每個時間段聚類成4 條軌跡，圖1為氣團軌跡聚類結(jié)果及其對應(yīng)的O3濃度，圖中紅色數(shù)字為每條軌跡對應(yīng)的O3平均濃度，括號內(nèi)的百分比數(shù)值為每類軌跡的占比。

圖1 2017～2019年6～9月重污染時段

氣團軌跡聚類和對應(yīng)的O3濃度（圖中紅色數(shù)字單位ug/m3）

通過模擬得出：2017年重污染時段，氣團主要來自西南和偏東方向，分別占33%，另外有15%和19%的氣團來自西北和偏北方向。2018年重污染時段，西北方向氣團有所減少，約有41%的氣團來自省內(nèi)，約有34%的氣團來自東部的海上，經(jīng)江蘇到達合肥，另外有22%的氣團來自北方以及少量（3%）的氣團來自東南方向。2019年重污染時段，偏東方向氣團增加至53%，來自北方的氣團約占20%，此外，來自西南方向及本省氣團約占26%，較上年同期有所降低。

從氣團對應(yīng)的O3濃度來看，2017年重污染時段，來自北方及西北方向的氣團，O3濃度為181ug/m3～191ug/m3左右，來自偏東方向氣團O3濃度較高，達到209ug/m3，來自西南方向的短距離氣團濃度為194ug/m3。2018年重污染時段，來自北方氣團的O3濃度略有下降，為188ug/m3，而來自偏東方向與偏南方向的氣團對應(yīng)的O3濃度變化不大，在193ug/m3～203ug/m3左右。2019年重污染時段，來自偏東方向氣團濃度略有降低，為195ug/m3～197ug/m3，而來自北方的氣團濃度有所上升，達191ug/m3。

綜合來看，2017～2019年的重污染時段，氣團主要來自本地、偏北及偏東方向，其中偏東方向氣團所占比例呈逐年升高的趨勢，其對應(yīng)的O3濃度整體呈下降趨勢，其他方向氣團濃度變化不大。

3.3 臭氧本地和區(qū)域傳輸?shù)呢暙I

某一時間段，如2017年重污染時段，合肥的O3平均濃度，為各類氣團O3濃度的加權(quán)平均。因此，根據(jù)每一類軌跡所占的比例，以及對應(yīng)的O3濃度，可以計算出其對總體這個時段合肥市平均濃度的貢獻，如圖1中，2017年重污染時段，軌跡1所占的比例為19%，其對應(yīng)的平均濃度為191ug/m3，則該類氣團對2017年重污染時段平均濃度（197ug/m3）的貢獻為36ug/m3。

根據(jù)不同類型氣團軌跡，可以制定如下規(guī)則：經(jīng)過北方、東部或西部長距離快速輸送（主要為冷空氣入侵的情況），氣團移動速度快，在本地駐留時間很短，假定這類氣團80%為外地貢獻，僅20%為省內(nèi)貢獻；如果氣團移動速度較慢，如圖1 的2019年重污染時段的第3類氣團，則根據(jù)其軌跡的長短，以及在省內(nèi)的氣團長度占比，2019年重污染時段的第3 類氣團約有90%長度在省內(nèi)，另外的在省外假定90%為本省貢獻，10%為外源；若軌跡僅在本省范圍內(nèi)的，如圖1中2018年重污染時段的第1類氣團，則假定其濃度全部為本省貢獻。

根據(jù)這個規(guī)則計算出2017～2019年臭氧內(nèi)外源占比及濃度變化情況，從2017～2019年重污染時段，O3平均濃度整體呈下降趨勢，從197ug/m3降低至192ug/m3。內(nèi)源貢獻有所升高，從72ug/m3（37%）升高到94ug/m3（49%），而外源貢獻變化有所降低，從125ug/m3（63%）降低到98ug/m3（51%）。

4 結(jié)論

（1）2017～2019年的每年6月～9月，合肥市臭氧主要來自本地、東北、偏東及偏南方向，除2019年6月～9月來自東方的氣團所對應(yīng)的O3濃度略有下降外，其他方向氣團對應(yīng)的O3濃度整體呈升高趨勢。

（2）2017～2019年的重污染時段，合肥市臭氧主要來自本地、偏北及偏東方向，其中偏東方向氣團所占比例呈逐年升高的趨勢，其對應(yīng)的O3濃度整體呈下降趨勢，其他方向氣團濃度變化不大。

（3）從2017～2019年重污染時段，O3平均濃度整體呈下降趨勢，從197ug/m3降低至192ug/m3。內(nèi)源貢獻有所升高，從72ug/m3（37%）升高到94ug/m3（49%），而外源貢獻變化有所降低，從125ug/m3（63%）降低到98ug/m3（51%）。