嘉兴秋冬季中度及中度以上霾天气的潜在污染来源及污染传输特征分析*

李海军 陆琛莉 宋刘明

(嘉兴市气象局，浙江 嘉兴 314000)

嘉兴秋冬季中度及中度以上霾天气的潜在污染来源及污染传输特征分析*

李海军 陆琛莉 宋刘明

(嘉兴市气象局，浙江 嘉兴 314000)

秋冬季是嘉兴中度及中度以上霾天气多发季节，使用HYSPLIT4模型和潜在源贡献因子法及浓度权重轨迹分析法对嘉兴的潜在污染来源及传输特征进行分析。结果表明，嘉兴中度及中度以上霾天气的后向轨迹可以聚成3类。第1类为来自偏西方向的近距离传输轨迹，轨迹数量占比最大，约46%。第2类为西偏北约45°方向的中距离传输轨迹，轨迹数量约占总数的42%。第3类为西偏北约60°方向的远距离传输轨迹，轨迹数量仅占总数的12%。远距离传输的污染物主要是PM2.5、PM10、SO2和CO，而近距离传输的主要是NO2和O3。对嘉兴秋冬季中度及中度以上霾天气影响较大的主要还是近距离的浙北和苏南地区，尤其是静稳天气时苏南长江沿岸的PM2.5浓度快速增长可能是最主要原因。

中度及中度以上霾天气 后向轨迹 聚类分析 潜在污染来源 传输特征

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

近年来，随着城市化、工业化的快速发展，机动车保有量、化石燃料消耗量、工业废气排放量不断上升，全国各地霾天气出现频率越来越高，霾中含有的细颗粒物(PM2.5)不仅能降低大气能见度，威胁交通安全[1-3]，而且还易吸附有毒物质，对人们的健康造成危害。 大气PM2.5除本地来源外，外地源通过大气运动由远距离输送而来也不可忽视[4-5]。

我国霾天气多发，而且呈现出区域大范围集中多发态势。2013年12月，我国中东部地区发生大范围严重霾天气，涉及京津冀、长三角、珠三角等25个省份的100多个大中型城市，安徽、江苏、上海、浙江等省份众多地区空气质量指数(AQI)超过300，其中上海12月6日AQI达到了468。李锋等[6]运用数值模型对此次重度污染过程进行了数值模拟，结果表明，静稳天气下仍然存在着明显的PM2.5区域间输送。嘉兴地处长三角沪杭枢纽中心地带，近年来霾天气日益增多，但其污染来源尚不明晰，本研究利用后向轨迹模式，结合聚类分析，对嘉兴霾天气高发的秋冬季潜在污染来源和污染传输特征进行了分析，以期为嘉兴大气污染防治提供依据。

1 霾天气判别

使用大气水平能见度、相对湿度和PM2.5浓度对霾天气及其等级进行判别，其中大气能见度和相对湿度采用嘉兴气象观测站监测数据；PM2.5浓度采用嘉兴3个大气污染在线监测站(嘉兴学院、清河小学和南湖区残疾人联合会)的数据，3个监测站同一时间数据取平均值。

表1 嘉兴秋冬季各等级霾时分布

根据《霾的观测和预报等级》(QX/T 113—2010)对霾天气进行判别，即当能见度小于10 km时，如果相对湿度小于80%，判别为霾天气；如相对湿度为80%～95%，且PM2.5>75 μg/m3，也判别为霾天气。霾天气根据能见度大小可以进一步分级，5 km≤能见度<10 km为轻微霾，3 km≤能见度<5 km为轻度霾，2 km≤能见度<3 km为中度霾，1 km≤能见度<2 km为重度霾，能见度<1 km为严重霾。

对嘉兴2013—2015年的秋冬季(每年9月至次年2月)逐小时监测数据进行霾时判别，共得到霾时4 156 h，无雨时嘉兴霾时比例为36.7%。对不同月份的霾时进行霾等级判别和统计，结果见表1，主要以轻微霾和轻度霾为主，共占总霾时的69.7%，中度及中度以上霾占30.3%。由于对人们健康和工作生活造成严重影响的主要是中度及中度以上霾，因此本研究着重对嘉兴秋冬季中度及中度以上霾天气的污染来源及传输特征进行分析。

2 模型和方法

2.1 轨迹计算模型

使用HYSPLIT4模型，采用美国国家环境预报中心(NCEP)的全球资料同化系统(GDAS)分析风、湿度、温度等基本气象资料，经纬度分辨率为0.5°×0.5°，计算嘉兴中度及中度以上霾时出现前3天的气流后向轨迹，每天定时在2:00、5:00、8:00、11:00、14:00、17:00、20:00、23:00各计算1次，共得到435条气流后向轨迹。所有后向轨迹起点设定为嘉兴气象观测站(120.73°E，30.73°N)，起始点高度设定为1 000 m，模型顶高设定为10 000 m。

2.2 潜在源贡献因子(PSCF)法

利用HYSPLIT4模型计算的气流后向轨迹，将气流途径区域网格化，逐网格分析嘉兴中度及中度以上霾天气后向轨迹与所有霾天气后向轨迹在某网格区域中停留时间的比值，以此来解析每个网格区域对嘉兴中度及中度以上霾天气的污染贡献。由于每个轨迹点间隔时间相同，因此可以用网格内轨迹点数来代表轨迹在网格内的停留时间。PSCF计算公式如下：

(1)

式中：PSCFi,j为网格(i,j)的中度及中度以上霾天气PSCF；mi,j为经过网格(i,j)的中度及中度以上霾天气轨迹点数；ni,j为经过网格(i,j)的所有霾天气轨迹点数。

由于PSCFi,j是条件概率，当ni,j较小时，计算结果不确定性较大。因此，许多研究中都引入权重函数(见式(2))计算权重PSCF来减小不确定性，计算公式见式(3)。

(2)

WPSCFi,j=Wi,j×PSCFi,j

(3)

式中：Wi,j为权重函数；navg为所有网格的所有霾天气轨迹点数平均值；WPSCFi,j为网格(i,j)的中度及中度以上霾天气权重PSCF。

2.3 浓度权重轨迹分析法(CWT)

PSCF法可以反映某网格区域内中度及中度以上霾天气轨迹所占的比例，但不能反映具体的PM2.5浓度。因此，进一步采用CWT计算轨迹的PM2.5浓度。计算公式如下：

(4)

式中：ci,j为网格(i,j)的PM2.5加权平均质量浓度，μg/m3；cl为轨迹l的PM2.5质量浓度，μg/m3；τi,j,l

图1 嘉兴中度及中度以上霾天气的潜在污染来源分析Fig.1 The potential sources of moderate and heavier haze weather in Jiaxing

为轨迹l经过网格(i,j)的轨迹点数；M为经过网格(i,j)的轨迹数。

3 结果与分析

3.1 潜在污染来源分析

从图1(a)可以看到，嘉兴中度及中度以上霾天气的潜在污染来源主要来自华东中北部及河南、山西、河北等地，其中WPSCFi,j≥0.7的网格主要集中在山东、河北一带。另外，福建西北部和湖北东南部也有分散的强中心存在。

从图1(b)来看，PM2.5加权平均质量浓度为70 μg/m3以上的高浓度区域主要集中在浙江、安徽、江苏、山东、河北等省份，其中嘉兴周边100 km范围内的苏南和浙北等地，大部分网格的PM2.5加权平均质量浓度超过110 μg/m3。

对比图1(a)和图1(b)可以发现，两者的分布趋势总体上基本一致，但强中心分布存在一定差别。在福建西北部和湖北东南部，中度及中度以上霾天气轨迹所占比例较高，但PM2.5加权平均浓度并不高，表明这两个地区虽然常有污染物经西南气流传输到达嘉兴，但影响浓度较低。嘉兴周边地区虽然中度及中度以上霾天气轨迹所占比例不高，但PM2.5加权平均浓度较高。综合而言，嘉兴周边浙北和苏南地区对嘉兴中度及中度以上霾天气的污染贡献较大。此外，山东、河北、安徽等省份对嘉兴的中度及中度以上霾天气污染贡献也较明显。

3.2 后向轨迹聚类分析

为探寻嘉兴中度及中度以上霾天气潜在污染的最主要来源，对后向轨迹进行聚类分析。不同霾等级的聚类分析结果如图2所示。不同月份的聚类分析结果如图3所示，由于9月份轨迹只有7条，代表性不足，故未进行聚类分析。

由图2(a)可见，中度及中度以上霾天气的后向轨迹共聚成3类。第1类来自偏西方向，轨迹数量占总数的约46%，主要是由嘉兴西侧的安徽和浙江西北部输入的污染源，轨迹约720 km，平均移速10 km/h，为近距离传输，由于气流移动缓慢，影响时间往往较长，输送过程中污染物高度大都稳定在1 500 m以下，是造成嘉兴中度及中度以上霾天气的主要原因。第2类在西偏北约45°的方向，轨迹数量占总数的约42%，污染物经华北和华东西北部进入嘉兴，轨迹长度约2 200 km，平均移速30 km/h，为中距离传输，往往是秋冬季西北方向的冷空气在南下过程中携带污染物输送至嘉兴；第3类在西偏北约60°的方向，轨迹数量占总数的12%，污染物从华北和华东输入嘉兴，轨迹长度约3 940 km，平均移速55 km/h，为远距离传输，往往受冬季强冷空气南下造成的。第3类轨迹移动迅速，在较短的时间内就能把污染物传输到嘉兴，但此类轨迹过境迅速，因而空气质量和能见度能较快好转。

具体分析中度霾(见图2(b))、重度霾(见图2(c))和严重霾(见图2(d))的聚类分析结果发现，中度霾的污染来源基本与中度及中度以上霾的来源一致，重度霾和严重霾时还有来自西南方向的污染，并且霾等级越严重，西南方向的轨迹数量占比越大，这可能是由于霾等级越严重，其后向轨迹起始高度越低，随着霾等级的加重，低空传输影响越显著。

由图3可见，秋季10月至11月嘉兴中度及中度以上霾天气的污染来源较为复杂，有海上传输和陆地传输两种影响。冬季12月至次年2月，嘉兴中度及中度以上霾天气的污染来源较为一致，与图2(a)的秋冬季整体聚类分析结果也基本一致。

图2 不同霾等级的聚类分析结果Fig.2 Clustering analysis result of different haze level

3.3 污染物浓度分析

对图2(a)的3类后向轨迹的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等污染物中位数进行统计，列于表2。由表2可见，第1类轨迹的PM2.5、PM10、SO2、CO等污染物浓度相对较低，而NO2和O3浓度略高；第3类轨迹的PM2.5、PM10、SO2、CO等污染物浓度较高，而NO2浓度相对较低。由于近地面O3是由复杂的光化学反应形成，一般由NOx和挥发性有机物(VOCs)等前体物在合适的气象条件下反应产生[7-8]，而SO2与北方的煤炭燃烧关系密切[9-10]。因而，远距离传输对嘉兴的影响主要集中在PM2.5、PM10、SO2和CO等污染物上，而近距离传输中NO2和O3的污染影响较大，可能与当地机动车尾气和其他VOCs的排放有关。

3.4 静稳天气时嘉兴及周边PM2.5变化分析

近距离传输对嘉兴中度及中度以上霾天气的形成影响较大，而静稳天气下的近距离传输影响则更为复杂。为考察静稳天气(设小时极大风低于2 m/s为静稳天气)时，嘉兴及周边地区的PM2.5变化情况，分别计算嘉兴及周边地区的静稳天气时PM2.5小时变化量，然后求平均值，绘制图4。从图4可以看到，嘉兴及周边地区PM2.5小时变化量基本为正值，说明PM2.5浓度呈增加态势，其中常州的PM2.5小时变化量最大，达6.6 μg/(m3·h)。苏州、无锡的PM2.5小时变化量也大于3.0 μg/(m3·h)。因此，秋冬季静稳天气时，苏南长江沿岸的PM2.5浓度增长迅速，对嘉兴的影响较大，需加强区域联防联控。

表2 嘉兴中度及中度以上霾天气的3类轨迹污染物浓度中位数

图3 不同月份的聚类分析结果Fig.3 Clustering analysis results of different month

图4 静稳天气时嘉兴及周边地区PM2.5小时变化量Fig.4 The hour variation of PM2.5 in and around Jiaxing under the static stability weather

4 结 论

(1) 华东中北部及河南、山西、河北等地的污染物对嘉兴的影响比较频繁。但对嘉兴中度及中度以上霾天气影响较大的主要是近距离的浙北和苏南地区。

(2) 嘉兴中度及中度以上霾天气的后向轨迹可以聚成3类：第1类为来自偏西方向的近距离传输轨迹，轨迹数量占比最大，约46%；第2类为西偏北约45°方向的中距离传输轨迹，轨迹数量占总数的约42%；第3类为西偏北约60°方向的远距离传输轨迹，轨迹数量占总数的约12%。

(3) 远距离传输的污染物主要是PM2.5、PM10、SO2和CO，而近距离传输的污染物主要是NO2和O3。

(4) 静稳天气时，苏南长江沿岸的PM2.5浓度快速增长可能是导致嘉兴中度及中度以上霾天气的最主要原因，应加强区域联防联控。

[1] 刘佳雨，杨武年.基于MODIS数据的气溶胶光学厚度反演[J].地理信息世界，2014，21(3)：29-32.

[2] 雷鸣，薛丹，李成范，等.基于MODIS数据的上海市气溶胶厚度研究[J].测绘与空间地理信息，2013，36(10)：40-43.

[3] 杜启胜，刘志平，王新生，等.基于ENVI的MODIS数据预处理方法[J].地理空间信息，2009，7(4)：98-100.

[4] 苏福庆，高庆先，张志刚，等.北京边界层外来污染物输送通道[J].环境科学研究，2004，17(1)：26-29.

[5] 张志刚，高庆先，韩雪琴，等.中国华北区域城市间污染物输送研究[J].环境科学研究，2004，17(1)：14-20.

[6] 李锋，朱彬，安俊岭，等.2013年12月初长江三角洲及周边地区重度霾污染的数值模拟[J].中国环境科学，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] 贾龙，葛茂发，徐永福，等.大气臭氧化学研究进展[J].化学进展，2006，18(11)：1566-1574.

[10] 薛婕，罗宏，吕连宏，等.中国主要大气污染物和温室气体的排放特征与关联性[J].资源科学，2012，34(8)：1452-1460.

AnalysisofJiaxing’spotentialpollutionsourceandtransmissioncharacteristicsofmoderateandheavierhazeweatherinautumnandwinter

LIHaijun,LUChenli,SONGLiuming.

(JiaxingMeteorologicalAdministration,JiaxingZhejiang314000)

2016-09-28)

李海军，男，1980年生，本科，工程师，主要从事中短期天气预报研究。

*浙江省科技计划项目(No.2014C03025)；嘉兴市科技计划项目(No.2014AY21013)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.08.018