伊寧市冬季PM2.5輸送特征及污染源地分析

張樂樂,孫慧蘭,楊余輝,盧寶寶,劉天弋,蘭小麗,曹麗君

(新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源自治區(qū)重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830054)

0 引言

大氣主要污染物PM2.5嚴重影響了大氣能見度、氣候變化和人類健康[1,2]。生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2018年中國環(huán)境狀況公報》表明,全國338個地級以上城市中以PM2.5為污染物的天數(shù)占重度及以上污染天數(shù)的60.0%。污染天氣的形成主要受當?shù)貧夂驐l件、地形等因素的影響,另外還與污染物的遠距離輸送有關(guān)。隨著“十三五”期間國家生態(tài)文明示范區(qū)的大力發(fā)展,伊犁地區(qū)也充分認識到當?shù)匚廴咎卣鞑⒑侠戆才艤p排工作,促進了全國各區(qū)域的減排工作,這對于改善城市空氣質(zhì)量尤為重要[3?9]。

國內(nèi)外關(guān)于顆粒物污染的研究較多集中于經(jīng)濟發(fā)展迅速和工業(yè)高度集中的地區(qū)。Salameh等[10]研究了地中海城市PM2.5的季節(jié)和空間特征及其化學(xué)組成,發(fā)現(xiàn)PM2.5表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化,冬季的PM2.5濃度比其他季節(jié)高很多。符傳博等[11]模擬了?？谑薪?年500 m高度氣流48 h的后向軌跡,發(fā)現(xiàn)廣東省為海南省的主要潛在貢獻源區(qū)。姜雨等[12]用HYSPLIT模型分析了衡陽市2015–2017年冬季外來氣團后向軌跡分布特征,發(fā)現(xiàn)高濃度外來輸送潛在源區(qū)主要集中在湘南、湘東北、贛西地區(qū)。任傳斌等[13]利用后向軌跡模式分析發(fā)現(xiàn)不同輸送途經(jīng)對北京城區(qū)PM2.5的貢獻差異顯著。國內(nèi)現(xiàn)有研究對于地形地貌相對復(fù)雜的西北地區(qū),尤其是新疆地區(qū),大氣污染物氣流輸送方面的研究較少。山地地區(qū)的地形和氣象條件較為復(fù)雜,對攜帶著污染物的氣流會產(chǎn)生熱力和動力作用,從而導(dǎo)致局地的嚴重污染[14]。其輸送過程比平原復(fù)雜得多,而且難以模式化[15]。因此解析山地城市空氣污染跨區(qū)域傳輸過程并確定潛在源區(qū)具有重要意義。

伊寧市位于伊犁河谷中央,三面環(huán)山的盆地地形利于冷空氣沉積、輻射冷卻,形成逆溫層[16],導(dǎo)致冬季污染物難以及時擴散和稀釋[14],成為我國大氣污染較重的城市之一[17]。目前,有關(guān)伊寧市大氣污染的研究主要集中在污染物形成機制、化學(xué)組成、風(fēng)險評價等方面,針對伊寧市大氣污染物長距離輸送特征的研究相對較少。本文對伊寧市主城區(qū)冬季受大氣輸送影響后PM2.5的擴散進行研究?？紤]到氣流會與當?shù)剌^高的建筑物有相應(yīng)的摩擦,選擇高度為500 m[18]。利用MeteoInfo模型計算氣流軌跡,運用聚類分析、潛在源貢獻(PSCF)分析、濃度權(quán)重軌跡(CWT)分析等方法對潛在源區(qū)進行識別,以揭示冬季影響伊寧市主城區(qū)PM2.5的來源,對于有效確定山地城市PM2.5污染狀況及制定當?shù)卮髿馕廴痉乐未胧┨峁┛茖W(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)

使用的PM2.5濃度數(shù)據(jù)為生態(tài)環(huán)境部環(huán)境監(jiān)測總站空氣質(zhì)量實時發(fā)布網(wǎng)站(http://envi.ckcest.cn/environment/data-Integration/data-Integration.jsp)2018年12月1日–2019年1月31日冬季逐小時空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。本研究使用MeteoInfo模型進行伊寧市后向軌跡分析,采用的氣象數(shù)據(jù)來自美國國家環(huán)境預(yù)報中心提供的全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GDAS)(ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1/)。GDAS資料是指美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)將觀測資料進行同化計算得到的結(jié)果,包括6 h一次的再分析資料以及3 h一次的預(yù)報資料,水平分辨率為1?×1?,用美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的大氣資源實驗室(ARL)將其處理為MeteoInfo模型可用的格式輸入模型[19]。

1.2 研究方法

使用MeteoInfo[20]模型對伊寧市的主要氣流進行軌跡聚類分析,模擬高度設(shè)置為500 m,時間為48 h,選取每日00:00、06:00、12:00和18:00(UTC)進行分析。因本研究只關(guān)注氣流軌跡的方向,故使用TrajStat插件和Euclidean Distance算法結(jié)合總空間方差(TSV)確定聚類數(shù),并對高度聚類后污染軌跡所對應(yīng)的濃度進行分析。將每6 h共248條氣流軌跡進行聚類分析,結(jié)合TSV變化確定聚類數(shù)為5類。運用Jython腳本對2018年12月–2019年1月的PSCF和CWT進行污染源地及潛在源分析,通過潛在源貢獻率(WPSCF)和軌跡權(quán)重濃度(WCWT)進行識別。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》[21]中的二類區(qū)二級PM2.5濃度限值相關(guān)規(guī)定,將氣流軌跡劃分為大于75μg·m?3時的污染軌跡和小于75μg·m?3的清潔軌跡[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣流軌跡輸送特征

圖1為2018年12月和2019年1月氣流軌跡聚類結(jié)果。表1為2018年12月和2019年1月各類氣流軌跡特征。由圖1(a)、表1可知,第1類氣團來源于西北方向,該方向軌跡數(shù)目最少,占全部軌跡比重的3.23%。該氣團途經(jīng)俄羅斯西南部、哈薩克斯坦西北-東南部、察布查爾錫伯自治縣進入伊寧市,攜帶的污染物大多被途中的草地和林地凈化,因此氣團路途雖長,對當?shù)氐奈廴矩暙I卻小,PM2.5平均濃度最低(83.00μg·m?3);第2類西南氣團的軌跡最多,占比為45.16%,該氣團途經(jīng)吉爾吉斯斯坦伊塞克湖、哈薩克斯坦、昭蘇縣、特克斯縣等;第3類西部氣團占比為23.39%,污染軌跡濃度最高(148.92μg·m?3),該氣團途經(jīng)哈薩克斯坦東南部、昭蘇縣等,哈薩克斯坦東南部有崇山峻嶺和山間盆地,其中有阿爾泰山、準噶爾阿拉套山、天山等,且哈薩克斯坦南部的自然條件與外高加索與南歐的地中海沿岸國家相似,空氣相對濕度較大,易于氣溶膠吸濕增長以及二次顆粒物的生成,這可能是第3類西部氣團污染濃度較大的原因之一;第4類為局地氣團,占比為10.48%,該氣團主要集中在伊犁地區(qū),由于自然因素和人為活動的影響,范圍不大,受污染軌跡較少;第5類為西西南方向氣團,占比為17.74%,該氣團源于吉爾吉斯斯坦與哈薩克斯坦交界處由西向東傳輸。第1類西北氣團、第2類西南氣團、第3類西部氣團及第5類西西南氣團的傳輸路徑最長,傳輸速度也較快;第4類局地氣團相對較短,傳輸速度較慢。

由圖1(b)和表1可知,第1類為局地氣流,占比為15.32%,途經(jīng)新源縣和尼勒克縣,該方向上的軌跡范圍不廣,污染條數(shù)較少,污染物平均濃度也相對最低,卻仍達到104.22μg·m?3;第2類西南氣團的軌跡數(shù)量最多,占比最大(38.71%),該軌跡自吉爾吉斯斯坦地區(qū)東部,途經(jīng)伊塞克湖,沿著山脈跨過哈薩克斯坦東南角進入伊犁地區(qū);第3類西西南氣團,起源吉爾吉斯斯坦、哈薩克斯坦東南部、昭蘇縣;第4類西部氣團占比為23.39%,源于哈薩克斯坦、特克斯縣;第5類為西北氣團,軌跡最少,占比僅為8.06%,軌跡長度最長,該方向上的PM2.5污染軌跡雖僅占全部污染軌跡的4.12%,但平均污染濃度最高,達122.67μg·m?3。就氣團的傳輸路徑及傳輸速度而言,第2類西南氣團、第3類西西南氣團、第5類西北氣團的傳輸路徑最長,傳輸速度較快;第1類局地氣團和第4類西部氣團相對較短,傳輸速度較慢。綜上,伊寧市主要受西南氣團影響最大,源于吉爾吉斯斯坦東部、哈薩克斯坦東南部。

圖1 2018年12月(a)和2019年1月(b)氣流軌跡聚類結(jié)果Fig.1 Results of air flow trajectory clustering in December 2018(a)and January 2019(b)

2.2 污染氣流潛在源區(qū)分析

圖2顯示了伊寧市主城區(qū)冬季PM2.5潛在源區(qū)分布特征。由圖可知,PM2.5的WPSCF呈現(xiàn)由高向低擴散,潛在源地呈斑狀分布,受西南氣流影響,集中在昭蘇-特克斯盆地大部分地區(qū)。盆地北部是烏孫山,特克斯河穿盆地而過,兩岸都是濕地,山體阻礙了氣流輸送,從而促使盆地里的PM2.5濃度較高;在特克斯河流域附近,有兩個礦產(chǎn)資源重點開采區(qū)以及多個礦產(chǎn)資源重點勘查區(qū),可能也會造成盆地內(nèi)PM2.5濃度較高,其WPSCF在0.7～0.8以上。中度污染范圍較大,這些區(qū)域主要包括哈薩克斯坦東南部與吉爾吉斯斯坦、伊犁地區(qū)交界處,主城區(qū)也有部分中度污染區(qū)。輕度污染區(qū)則零星分布在外圍,部分呈斑點狀分布在主城區(qū)內(nèi),這與在城內(nèi)的受污染氣流軌跡相對應(yīng),受自然因素及人為活動影響較大。

圖2 伊寧市主城區(qū)2018年12月(a)和2019年1月(b)的WPSCFFig.2 WPSCF in December 2018(a)and January 2019(b)in Yining City

2.3 濃度權(quán)重軌跡分析

PSCF在一定程度上反映某網(wǎng)格中污染軌跡所占的比例,但無法確定經(jīng)過該網(wǎng)格的軌跡對應(yīng)的PM2.5濃度高于設(shè)定閾值的程度,因此借助CWT法對伊寧市主城區(qū)PM2.5進行進一步的潛在源區(qū)貢獻分析,用來確定各潛在源區(qū)的污染程度,分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出,冬季PM2.5WCWT大于75μg·m?3的氣流主要分布于昭蘇-特克斯盆地,哈薩克斯坦及吉爾吉斯斯坦、伊犁地區(qū)交界處大部分區(qū)域也有分布,區(qū)域面積相對較大,分布也較為分散。由于伊犁地區(qū)主要受大西洋暖濕氣流影響,所以PM2.5重要潛在源區(qū)多分布于伊犁地區(qū)西部。伊犁河谷地的地形導(dǎo)致西來較濕氣流容易進入盆地,圖中也顯示昭蘇-特克斯盆地PM2.5濃度最高,氣流遭遇盆地東南部高山攔截,易形成降水;盆地人類活動頻繁,有礦區(qū)分布,易促進SO2、氮氧化物、硫酸鹽、硝酸鹽等物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,且盆地內(nèi)自然源和人為源豐富,故易形成PM2.5聚積的重要源區(qū)。山體會使氣流產(chǎn)生分支現(xiàn)象,西風(fēng)氣流遇高山沿盆地東部流向伊犁河流域,受西風(fēng)氣流影響,污染氣流流向伊犁河流域。從圖中可以看出,鞏留縣、新源縣和尼勒克縣的PM2.5濃度大多處于30～75μg·m?3之間。以上區(qū)域內(nèi)存在礦產(chǎn)開采活動,因此也存在一定的人為源污染。受西風(fēng)急流影響,各地區(qū)形成各異的氣候特征,鞏留縣、新源縣和尼勒克縣境內(nèi)的氣流軌跡各異,不在主要氣流方向上,且距離也會削減污染濃度作用,這都有可能導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)PM2.5軌跡濃度較小。哈薩克斯坦與吉爾吉斯斯坦、伊犁地區(qū)交界處都在潛在源區(qū)內(nèi),軌跡濃度多在70～100μg·m?3之間。來自于哈薩克斯坦與吉爾吉斯斯坦地區(qū)的氣流多聚集在伊塞克湖盆地,這些氣流都在西風(fēng)氣流方向上,盆地四面環(huán)山,且荒漠占地面積大,人口較為密集,較多農(nóng)業(yè)和村莊分布,因此人為活動較為頻繁,自然資源較為豐富。伊寧市產(chǎn)業(yè)集聚、交通網(wǎng)絡(luò)密集、人類活動頻繁,該地冬季多使用燃煤取暖,使得城區(qū)也成為主要源區(qū)。以上結(jié)果通過對比分析潛在源貢獻濃度,發(fā)現(xiàn)和表1中氣團途經(jīng)的區(qū)域中氣流軌跡濃度大體相似,因此具有一定的可信度。

圖3 伊寧市主城區(qū)2018年12月(a)和2019年1月(b)的WCWTFig.3 WCWT in December 2018(a)and January 2019(b)in Yining City

3 討論

氣象因素很大程度上影響空氣污染物的擴散。據(jù)地面觀察資料(表2、圖4)發(fā)現(xiàn),在研究時段,PM2.5小時優(yōu)良軌跡(其范圍在二類區(qū)二級限值即75μg·m?3)占比為42.45%,污染小時軌跡達到53.11%,缺測軌跡數(shù)達4.44%。該時段氣溫均在0～?10?C之間波動,變化不大,趨于穩(wěn)定。張錫福[15]提出溫度層結(jié)是影響污染物在大氣中輸送和擴散的主要氣象因子之一。伊寧市三面環(huán)山,大部分是山地,山區(qū)每天逆溫維持時間比平原地區(qū)長,冬季又比夏季長,尤其是在靜小風(fēng)狀態(tài),空氣對流運動被抑制,更不利于污染物輸送和擴散,反而會加重大氣污染。同時該時段氣象要素特征為低風(fēng)速、高濕度、降水頻繁,西風(fēng)帶活動逐漸減弱的主要表現(xiàn)就是風(fēng)速降低,限制污染物的擴散,且降水事件過少不能對大氣顆粒物起到一定的沖刷作用[22]。高濕度導(dǎo)致大氣粒子吸濕而增大,氣溶膠顆粒的散射效應(yīng)加強,到達地面的太陽輻射量減少,促使大氣邊界層下沉,污染物擴散受到抑制,從而導(dǎo)致大氣污染嚴重[23?25]。

表2 2018年12月和2019年1月PM2.5小時軌跡類型Table 2 PM2.5hourly trajectory types in December 2018 and January 2019

圖4 2018年12月–2019年1月溫度(a)、相對濕度(b)、風(fēng)速(c)、降水(d)日變化Fig.4 Daily variations of temperature(a),relative humidity(b),wind speed(c)and precipitation(d)from December 2018 to January 2019

污染物的分布還受到地形、坡度和坡向的影響[26]。特殊地形容易導(dǎo)致污染事件的發(fā)生,如墨西哥城位于墨西哥盆地的西南部,盆地三面山脊包圍,人口密集和污染物排放源錯綜復(fù)雜,致使墨西哥城及其周邊地區(qū)成為世界上污染最嚴重的地區(qū)之一[27,28]。伊寧市的大氣污染主要源于市內(nèi)和周邊縣市。如圖5所示,伊犁河谷地形輪廓為向西敞開的喇叭形,東、南、北三面環(huán)山,只有西部對外敞開,總體地勢東高西低,伊犁河谷地形復(fù)雜,由一系列近東西走向的山地和谷地組成,即鞏乃斯河谷、特克斯河谷、喀什河谷地、昭蘇盆地及伊犁河谷平原。從哈薩克斯坦及吉爾吉斯斯坦來的氣流被西南-東北走向的外伊犁阿拉套山、昆格山、哈爾克他烏山和拉那提山等高大山體阻擋。被高山阻擋的氣流最有可能聚集在昭蘇-特克斯盆地境內(nèi),導(dǎo)致盆地內(nèi)PM2.5濃度較高,WPSCF及WCWT高值區(qū)都集聚在昭蘇-特克斯盆地,海拔多在3000～4000 m之間,WPSCF最高值在0.7～0.8。而WPSCF低值區(qū)(0.1～0.3)多分散在500～1500 m之間。劉賢等[28]也指出山體會改變PM2.5的輸送方向,氣流受到山體阻礙被迫抬升,則會在山體前形成氣流軌跡密集區(qū)。

圖5 伊寧市地形圖Fig.5 Topographic map of Yining City

4 結(jié)論

對伊寧市冬季PM2.5輸送特征及污染源地進行分析,得出影響伊寧市主城區(qū)的氣流多來自于西部高山區(qū),主要是外源輸入;另外城內(nèi)排放源對于伊寧市主城區(qū)的影響也很大。伊寧市處在伊犁河谷中央,又常年被盛行西風(fēng)控制,更易于氣流的進入。其氣流軌跡多是從此處進入伊犁河谷地,沒有高山阻礙,從而促進了氣流的運輸。在研究中并沒有涉及到氣流的傳輸速度和傳輸方向的變化情況,因為復(fù)雜地形的下墊面并不均勻,會對氣象條件和氣流的運動狀況產(chǎn)生動力和熱力影響,引起局地環(huán)流,對污染物的擴散傳輸影響很大,以至于擴散理論都難以解釋清楚,通常需要借助大氣擴散實驗結(jié)果來闡述復(fù)雜因素。