商丘市大氣顆粒物輸送路徑和潛在源區(qū)分析

許天峰

摘要 根據(jù)商丘市2017—2022年的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)分析了商丘市大氣顆粒物污染特征；通過HYSPLIT模型、PSCF和CWT分析得出不同季節(jié)大氣顆粒物的輸送路徑和潛在源區(qū)。研究表明，商丘市大氣顆粒物質(zhì)量濃度超標，冬季存在典型人為源氣溶膠影響。商丘市大氣顆粒物主要通過短距離的東北、偏東、西南、偏西軌跡輸送，輸送軌跡主要來源于商丘周邊的大氣邊界層中，PM10同時受到長距離西北軌跡的影響。春季商丘市周邊特別是以東地區(qū)是PM2.5的潛在源區(qū)，河南北部、山西南部和河北南部是PM10的潛在源區(qū)。秋季河南西部南部、湖北東北部、安徽南部是PM2.5的潛在源區(qū)，河南東南部和湖北東北部是PM10的潛在源區(qū)。冬季山東、江蘇、河南南部是大氣顆粒物的潛在源區(qū)，同時陜西東部北部也是PM10的潛在源區(qū)。

關(guān)鍵詞 大氣顆粒物；商丘市；PSCF；CWT

中圖分類號：X513 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）09–0-03

研究表明，一個城市或地區(qū)的空氣污染不僅受本地污染源的影響，還會受到其他城市或地區(qū)污染源輸送的影響。近年來，許多學(xué)者通過HYSPLIT后向軌跡聚類分析、潛在源貢獻因子分析法（PSCF）和濃度權(quán)重軌跡分析法（CWT）對不同地區(qū)大氣污染物的輸送路徑和潛在源區(qū)進行了研究[1-3]。蔣琦清等[4]利用HYSPLIT模型聚類分析方法研究了氣團遠距離傳輸規(guī)律，進而分析其氣溶膠輸送路徑；王琰瑋等[5]應(yīng)用HYSPLIT模型，基于MeteoInfo軟件，通過潛在源貢獻因子分析法（PSCF）和濃度權(quán)重軌跡分析法（CWT）對天津市PM2.5與O3污染的外來潛在源區(qū)和可能的污染傳輸途徑進行研究；高興艾等[6]利用后向軌跡聚類分析方法，結(jié)合軌跡密度分析法（TDA）、軌跡停留時間分析法（RTA）對呂梁市顆粒物輸送通道進行了分析；熊健等[7]采用軌跡聚類、潛在源貢獻因子分析法（PSCF）和濃度權(quán)重軌跡分析法（CWT）從年、季節(jié)等不同尺度分析了長沙地區(qū)PM2.5時空分布規(guī)律及其外來污染物輸送源特征。但目前商丘地區(qū)未有針對大氣污染物輸送路徑和潛在源區(qū)的研究。

使用統(tǒng)計方法分析了商丘市大氣顆粒物質(zhì)量濃度特征，應(yīng)用HYSPLIT模型、潛在源貢獻因子分析法（PSCF）和濃度權(quán)重軌跡分析法（CWT）等，將觀測到的大氣顆粒物質(zhì)量濃度與氣象信息相結(jié)合，具體研究商丘市大氣顆粒物輸送路徑和潛在源區(qū)，探索不同輸送路徑和地區(qū)對商丘大氣顆粒物的貢獻，為商丘市區(qū)域大氣污染防控治理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 資料來源

PM2.5和PM10質(zhì)量濃度資料來源于全國空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺，時間段為2017年1月1日00：00—2022年12月31日23：00。用于后向軌跡計算的氣象資料來源于美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）提供的全球資料同化系統(tǒng)（global data assimilation system，GDAS）數(shù)據(jù)，水平分辨率為1°×1°。

1.2 研究方法

主要利用融合HYSPLIT模式可執(zhí)行文件和GIS功能的TrajStat軟件進行后向軌跡計算、軌跡聚類分析、PSCF和CWT分析。

HYSPLIT模式具有處理多種物理過程、多種氣象要素輸入場和不同類型污染物排放源功能，被廣泛應(yīng)用于分析和計算大氣污染物的輸送路徑、沉降模式和擴散軌跡。采用拉格朗日方法后向軌跡計算后向軌跡，可以直觀了解氣流或粒子的運動軌跡[8]。聚類分析是指根據(jù)氣團軌跡的空間相似度，對所有軌跡進行分組聚類，依據(jù)歐氏距離算法總空間方差TSV的突變點確定聚類數(shù)，判斷研究區(qū)域在不同時間段主導(dǎo)氣流的方向和污染物的潛在來源。

TrajStat軟件可以使用多種軌跡分析方法，從長期污染觀測數(shù)據(jù)中識別污染物潛在源區(qū)和相對貢獻，PSCF和CWT是基于氣流軌跡的2種受體模型分析方法[9]。PSCF通過計算經(jīng)過某網(wǎng)格單元的污染軌跡數(shù)和經(jīng)過該網(wǎng)格所有軌跡數(shù)的比值，反映的是一種條件概率，用來描述每個區(qū)域（即網(wǎng)格單元）來源強度的概率分布場，CWT計算軌跡權(quán)重濃度，可給出所有潛在源區(qū)的貢獻分布，為了減少軌跡較少區(qū)域的分析誤差，引入權(quán)重函數(shù)，具體計算公式可參考。

2 結(jié)果與分析

2.1 商丘市大氣顆粒物質(zhì)量濃度特征

商丘市2017—2022年P(guān)M2.5和PM10年平均質(zhì)量濃度分別為54.31、99.65 μg/m3，均高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》大氣顆粒物年平均二級標準值（PM2.5：35 μg/m3，PM10：70 μg/m3）。1月。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度最高，分別為108.94、151.27 μg/m3；8月PM2.5和PM10質(zhì)量濃度最低，分別為25.77、51.83 μg/m3。根據(jù)指數(shù)法計算得出PM2.5和PM10質(zhì)量濃度季平均二級標準分別為42、84 μg/m3。對比可知，除夏季外達標，其他季節(jié)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均未達標，且冬季質(zhì)量濃度最高，分別為91.25、129.52 μg/m3。

研究表明，PM2.5主要受人為源影響，PM10受人為源和自然源共同影響，當(dāng)PM2.5/PM10<0.2時，存在明顯沙塵天氣過程，當(dāng)PM2.5/PM10>0.6時，存在典型人為源氣溶膠影響。PM2.5/PM10平均值為0.56，說明PM2.5質(zhì)量濃度略高于PM2.5～10（粒徑為2.5～10 μg的顆粒物），冬季PM2.5/PM10值為0.68，明顯高于其他季節(jié)，說明商丘市冬季大氣顆粒物污染存在典型人為源氣溶膠影響。

2.2 輸送路徑

利用HYSPLIT模式計算2017年1月1日—2022年12月31日逐日4個時次（00：00、06：00、12：00、18：00，UTC）的72 h后向軌跡。將軌跡按春、夏、秋、冬4個季節(jié)分別進行軌跡聚類分析，依據(jù)歐氏距離算法將每個季節(jié)的后向軌跡均分為4類（圖1）。

春季影響商丘的軌跡主要來自3號偏東軌跡，占比為31.02%，雖然3號軌跡源頭來自黃海，但經(jīng)過江蘇北部，軌跡較短且氣流速度較慢，有利于大氣污染物的積聚輸送，3號軌跡PM2.5質(zhì)量濃度在4條軌跡中最高，為57.40 μg/m3；1號西北軌跡PM10質(zhì)量濃度高于其他軌跡，為131.35 μg/m3，說明商丘市春季常受到西北方向的沙塵影響。

夏季影響商丘市的氣流主要來源于海上清潔軌跡2號和3號，分別占比為33.70%和20.56%。受1號西北軌跡氣流的影響較小，還受到4號偏南軌跡氣流的影響，占比為36.55%。

秋季影響商丘市的氣流主要來自3號偏東軌跡，氣流從山東東部經(jīng)黃海、江蘇北部到達商丘市，與春季3號偏東軌跡相比，秋季軌跡長度較長且氣流移速較快，故秋季3號偏東軌跡PM2.5和PM10質(zhì)量濃度略低于春季。此外，4號偏西軌跡PM2.5質(zhì)量濃度最高，為59.68 μg/m3，氣流來自山西北部，經(jīng)過河南中西部到達商丘市。與春季相同，秋季1號西北軌跡PM10質(zhì)量濃度也高于其他軌跡，存在西北方向的沙塵影響。

冬季影響商丘市的氣流主要來自3號東北軌跡，占比43.30%，軌跡較短，從河北經(jīng)過山東到達商丘市，此外4號偏西軌跡同樣較短，氣流來源于河南西部、南部；從不同軌跡上的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度來看，3號和4號軌跡均高于其他軌跡，商丘市冬季大氣顆粒物主要通過這2類軌跡到達商丘市。

從商丘市2017—2022年不同季節(jié)后向軌跡高度氣壓變化可以看出，不同季節(jié)的西北、偏北軌跡在垂直方向上均有較大跨度，且軌跡較長，氣流移速較快，將氣流從西伯利亞、外蒙古等距離較遠的地區(qū)輸送至商丘市。除夏季的3號東南軌跡外，偏東、偏西、西南軌跡均較短，軌跡源頭高度為850 hPa左右，且隨著氣流向商丘移動，軌跡高度逐漸下降，氣流在邊界層輸送，有利于顆粒污染物的積聚。結(jié)合之前對氣流輸送路徑的分析，商丘市大氣顆粒物主要來源于商丘周邊省市的大氣邊界層（圖2）。

將軌跡對應(yīng)的PM2.5（PM10）質(zhì)量濃度大于75 μg/m3（150 μg/m3）時劃分為污染軌跡，否則為清潔軌跡。冬季PM2.5和PM10污染軌跡占比均遠高于其他季節(jié)，分別為52.03%和29.71%；其次是秋季，占比分別為19.00%和13.10%；春季分別為14.72%和12.50%；夏季PM2.5和PM10污染軌跡占比最少，僅占2.22%和1.95%。

春季、秋季和冬季3號和4號軌跡中PM2.5污染軌跡占比均高于該季節(jié)其他軌跡，且對應(yīng)的PM2.5污染軌跡質(zhì)量濃度也較高；春季和秋季1號軌跡中PM2.5污染軌跡占比與該季節(jié)其他軌跡相比雖較少，但對應(yīng)的PM2.5污染軌跡質(zhì)量濃度高于其他軌跡。

春季、秋季和冬季2號軌跡中PM10污染軌跡占比均最低；1號軌跡中PM10污染軌跡質(zhì)量濃度高于該季節(jié)其他軌跡，來自外蒙古的西北氣流是商丘市PM10主要來源之一；春季PM10污染軌跡質(zhì)量濃度為308.35 μg/m3，高于秋季和冬季各類軌跡，商丘市春季受西北方向的沙塵影響更為明顯。

2.3 商丘市污染物潛在源區(qū)

從商丘市氣流軌跡的聚類分析可以確定影響商丘市氣流軌跡的大致方向和貢獻，但無法準確反映具體大氣顆粒物潛在源區(qū)的位置和貢獻，潛在源區(qū)結(jié)合某一種大氣污染物質(zhì)量濃度進行分析，可以具體到特定的大氣污染物，對細化大氣污染物來源有一定的幫助。

基于2017—2022年后向軌跡和大氣顆粒物質(zhì)量濃度進行分析，探究商丘市不同季節(jié)大氣顆粒物的潛在源區(qū)及其貢獻，由于夏季大氣污染軌跡占比較小，故不做考慮（圖3）。

春季PM2.5PSCF高值區(qū)主要在山東南部—江蘇北部、江蘇南部—浙江北部—安徽南部和湖北東南部等商丘以東地區(qū)，主要沿著3號偏東軌跡進入商丘市；CWT高值區(qū)與PSCF類似，商丘市周邊省市，特別是商丘市以東地區(qū)是商丘市春季PM2.5的主要潛在源區(qū)。春季PM10PSCF高值區(qū)與PM2.5存在明顯的差異，主要在河南北部、山西南部和河北南部，CWT同樣在上述地區(qū)有高值區(qū)，河南北部、山西南部和河北南部是商丘市春季PM10的主要潛在源區(qū)。

秋季PM2.5PSCF高值區(qū)主要在河南西部南部、湖北東北部、安徽南部，主要沿著4號偏西軌跡進入商丘市；CWT結(jié)果與PSCF類似；河南西部南部、湖北東北部、安徽南部是商丘市秋季PM2.5的主要潛在源區(qū)。秋季PM10PSCF高值區(qū)主要在河南東南部和湖北東北部，上述地區(qū)是商丘市秋季PM10的主要潛在源區(qū)。

冬季大氣顆粒物污染明顯高于其他季節(jié)，PM2.5和PM10PSCF均在山東、江蘇、河南南部等地有高值區(qū)，主要沿著偏東和西南軌跡進入商丘市；上述地區(qū)中山東西部CWT值高于其他地區(qū)，同時陜西東部北部也有PM10CWT高值區(qū)，沿著1號西北軌跡輸送至商丘市，說明山東、江蘇、河南南部尤其是山東西部是冬季商丘市大氣顆粒物的主要潛在源區(qū)，同時陜西東部和北部也是冬季商丘市PM10的潛在源區(qū)之一。

3 結(jié)論

第一，商丘市PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均超過大氣顆粒物年平均二級標準值；除夏季外，其他季節(jié)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均未達標，冬季PM2.5和PM10質(zhì)量濃度最高；冬季PM2.5/PM10值為0.68，明顯高于其他季節(jié)，商丘市冬季大氣顆粒物污染存在典型人為源氣溶膠影響。

第二，根據(jù)不同季節(jié)后向軌跡聚類分析，氣流主要通過短距離的東北、偏東、西南、偏西軌跡向商丘市輸送大氣顆粒物，這些軌跡垂直高度變化較小，氣流在邊界層中輸送，有利于顆粒物的積聚，商丘市大氣顆粒物輸送軌跡主要來源于商丘周邊省市的大氣邊界層。除了上述來源和輸送軌跡，商丘市春季、秋季、冬季PM10同時受到長距離西北氣流的影響，春季受西北方向的沙塵影響更為明顯。

第三，商丘市夏季大氣污染軌跡占比較小，不進行PSCF和CWT分析。分季節(jié)和顆粒物種類對商丘市大氣顆粒物進行PSCF和CWT分析。商丘市周邊省市，尤其是商丘市以東地區(qū)是商丘市春季PM2.5的主要潛在源區(qū)；河南北部、山西南部和河北南部是春季PM10的主要潛在源區(qū)。河南西部南部、湖北東北部、安徽南部是商丘市秋季PM2.5的主要潛在源區(qū)；河南東南部和湖北東北部是秋季PM10的主要潛在源區(qū)。山東、江蘇、河南南部，特別是山東西部是冬季商丘市大氣顆粒物的主要潛在源區(qū)，同時陜西東部和北部也是冬季PM10的潛在源區(qū)之一。

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Analysis of the Transport Paths and Potential Source Areas of Atmospheric Particulate Matter in Shangqiu City

Xu Tian-feng （Shangqiu Meteorological Bureau， Shangqiu， Henan 476000）

Abstract This study analyzed the characteristics of atmospheric particulate pollution in Shangqiu City based on PM2.5 and PM10 mass concentration data from 2017 to 2022. Based on the HYSPLIT model， PSCF and CWT analysis were applied to obtain the transport paths and potential source characteristics of atmospheric particulate matter in different seasons.Research has shown that the mass concentration of atmospheric particulate matter in Shangqiu City exceed the standard， and there was a typical anthropogenic aerosol impact in winter. Atmospheric particulate matter is mainly transported through short distance northeast， easterly， southwest， and westerly trajectories. The transport trajectory mainly comes from the atmospheric boundary layer around Shangqiu， and PM10 is also affected by the long distance northwest trajectory. In spring， the surrounding areas of Shangqiu City， especially the eastern region， are potential sources of PM2.5， while northern Henan， southern Shanxi， and southern Hebei are potential sources of PM10. In autumn， the potential sources of PM2.5 are in the southern western part of Henan， northeastern part of Hubei， and southern part of Anhui， while the potential sources of PM10 are in the southeastern part of Henan and northeastern part of Hubei.In winter， Shandong， Jiangsu， and southern Henan are potential sources of atmospheric particulate matter， while the eastern and northern parts of Shaanxi are also potential sources of PM10.

Key words Atmospheric particulate matter; Shangqiu City; PSCF; CWT