后向軌跡模型在顆粒物區(qū)域影響溯源研究中應(yīng)用現(xiàn)狀

傅昭娟

（義烏市環(huán)境保護監(jiān)測站浙江義烏322000）

后向軌跡模型在顆粒物區(qū)域影響溯源研究中應(yīng)用現(xiàn)狀

傅昭娟

（義烏市環(huán)境保護監(jiān)測站浙江義烏322000）

本文介紹了后向軌跡模型的基本原理和應(yīng)用實例,調(diào)研了長三角地區(qū)運用后向軌跡模型分析顆粒物潛在源區(qū)的研究現(xiàn)狀，同時展望了后向軌跡模型應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

后向軌跡模型；PM2.5；區(qū)域影響；長三角地區(qū)

混合單顆粒拉格朗日函數(shù)綜合軌跡模型（又稱HYSPLIT后向軌跡模型）是一種計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業(yè)模型。模型最初是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴散和沉降模式,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物在各個地區(qū)的傳輸和擴散的研究中。

1　后向軌跡模型研究方法及應(yīng)用實例

在環(huán)境領(lǐng)域，后向軌跡模型可以應(yīng)用于多種計算污染來源分布的模型和方法，主要包括軌跡聚類方法、污染貢獻差值方程和軌跡質(zhì)量平衡模型等。

軌跡聚類方法通過對軌跡停留點的計算，得到軌跡的主要來源方向及其比例，整合了軌跡計算分析結(jié)果的信息，并為污染的主要來源方向判斷提供了依據(jù)。Kim等（2009）通過軌跡聚類將韓國濟州島和德積島的氣團來源分為四類分析氣團來源。結(jié)果表明來自西、北兩個方向的氣團顆粒物和氣態(tài)污染物的濃度更高，推測主要受來自于中國東北重工業(yè)地區(qū)和韓國西北部地區(qū)的排放傳輸影響。

污染貢獻差值方程（Potential source contribution function，PSCF）是美國環(huán)保署（USEPA）認可的一種比較成熟的利用后向軌跡模型分析污染源分布的方法。在后向軌跡經(jīng)過的區(qū)域劃分若干個小地理單元，得到每條軌跡在每個單元的停留時間，通過計算每個單元中重污染過程的停留時間和所有時間內(nèi)的停留時間的比值，得到主要污染來源貢獻區(qū)域的分布。Heo等（2009）對2003～2006年間韓國首爾393個PM2.5樣品結(jié)果進行了分析，結(jié)合PMF模型源解析結(jié)果和后向軌跡模型的PSCF計算，發(fā)現(xiàn)本地源的二次轉(zhuǎn)化和中國東北重工業(yè)區(qū)的傳輸都是可能的來源。

軌跡質(zhì)量平衡（Trajectory Mass Balance，TrMB）模型將測得的污染物濃度的時間序列作為應(yīng)變量，將后向軌跡在一些污染源區(qū)域的停留時間作為自變量，通過多元線性回歸方法分析得到各污染區(qū)域的貢獻大小。Gebhart等（2011）利用TrMB模型解析2006年春夏兩季在美國落基山脈國家公園所測得的二氧化硫和氮氧化物濃度，認為該方法的關(guān)鍵在于污染區(qū)域的劃分和選擇。

2　后向軌跡模型在長三角地區(qū)顆粒物污染分析應(yīng)用

現(xiàn)有科研課題已經(jīng)利用后向軌跡模型開展長三角地區(qū)顆粒物區(qū)域影響溯源研究。主要針對不同年度（季節(jié)）或某次重污染天氣過程顆粒物污染源潛在源區(qū)分析，也有利用該模型發(fā)現(xiàn)年際變化規(guī)律，預(yù)測周邊源區(qū)貢獻。

研究發(fā)現(xiàn)[1]南京市2012～2014年霾發(fā)生的主要來源有本地源、南京市東南地區(qū)的近距離污染源和華北地區(qū)的遠距離污染源，PM2.5在PM10中所占比例與霾強度呈正比。張曉華等[2]研究了2013年蘇州一次連續(xù)重污染過程，發(fā)現(xiàn)空氣團裹挾大量污染物到達蘇州,使本地污染和區(qū)域污染相互疊加，且污染物存在嚴重的二次轉(zhuǎn)化，與葛順等[3]的研究結(jié)論類似。

有學者[4]應(yīng)用聚類分析的方法對2001～2005年合肥市逐日72h后向軌跡按季節(jié)分類研究,結(jié)果顯示,最高PM10平均濃度對應(yīng)的后向軌跡在春、秋和冬季都是來自西北方向,夏季為東北方向,氣溶膠的遠程輸送主要發(fā)生在自由對流層，區(qū)域輸送主要發(fā)生在邊界層內(nèi)，移動快的氣團不一定對應(yīng)低濃度的PM10。

也有課題[5]就黃山光明頂夏季的污染物氣團軌跡進行研究，結(jié)合氣團軌跡聚類分析,得出夏季影響黃山光明頂積聚模態(tài)顆粒物數(shù)濃度的潛在源區(qū)主要來自一些工業(yè)發(fā)達人口密集的城市群:湖北東部、安徽中部、兩廣交界處、湖南南部以及浙江北部地區(qū)的結(jié)論。而垂直方向上，來自西北和西南方向自由對流層氣團對黃山頂積聚模態(tài)粒子數(shù)濃度貢獻較大。繆青[6]結(jié)合二次離子和后向軌跡討論2014年夏季黃山光明頂大氣氣溶膠中有機碳(OC)和元素碳(EC)的潛在來源。結(jié)果表明，觀測期間EC來自外部輸送，OC既存在外部輸送也存在局地貢獻。外部輸送主要來源為東部城市群以及西北地區(qū)和武漢一帶。

有不少學者[7-9]針對上海2008～2011年不同季節(jié)霾的特征及影響因子進行了分析，得出上海氣流輸送季節(jié)變化特征明顯的結(jié)論。冬、春和秋季,上海較易受到來自西北等區(qū)域的大陸性氣流影響,受沙塵或人為污染排放的影響相對較大，長江三角洲地區(qū)污染物對上海PM2.5濃度的貢獻影響遠大于遠距離污染物的輸入，來自海面的貢獻總體低于大陸。上海單次重污染天氣過程分析研究中，也印證了該結(jié)論。

在預(yù)測周邊源區(qū)貢獻方面，張英杰等[10]結(jié)合WRF粒子擴散模型，對南京10年間大氣污染物粒子后向軌跡進行模擬，定量估算周邊污染物源區(qū)的年際變化，確定影響2014年南京青年奧運會期間空氣質(zhì)量的大氣污染物周邊源區(qū)。

3　后向軌跡模型發(fā)展趨勢

3.1技術(shù)層面上嵌合其他技術(shù)應(yīng)用

后向軌跡模型可以結(jié)合受體模型、同位素示蹤技術(shù)、GDAS氣象數(shù)據(jù)、WRF/Chem輸送過程模擬等，如TMLR可以定量給出各網(wǎng)格的貢獻濃度，可應(yīng)用于通過實測數(shù)據(jù)對源清單的分布進行推算和驗證。多種技術(shù)融合應(yīng)用為PM2.5來源分布及傳輸特征研究提供新思路。

3.2成果應(yīng)用上加強區(qū)域聯(lián)防聯(lián)治

現(xiàn)階段研究表明，長三角地區(qū)顆粒物區(qū)域影響既存在局地貢獻也存在外部輸送。僅僅局限在一座城市進行大氣污染防治的獨立研究是不切實際的，區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控乃至跨區(qū)域聯(lián)動對于應(yīng)對當前頻發(fā)的重污染態(tài)勢具有極為重要的意義。

[1]趙子菁,魏永杰,張祥志,等.南京市霾天氣與主要氣象條件的相關(guān)分析[J].中國環(huán)境科學,2015,35(12):3570-3580.

[2]張曉華,王雅玲,鄒強,等.蘇州市連續(xù)重污染過程中可溶性離子組分分析研究[J].環(huán)境科學與管理,2015,40(02):114-118.

[3]葛順,湯莉莉,秦瑋,等.南京地區(qū)秋季灰霾天氣特征及其水溶性離子分析[J].環(huán)境科學與技術(shù),2015,38(02):99-104.

[4]石春娥,姚葉青,邱明燕,等.合肥市PM10濃度的后向軌跡—聚類分析—統(tǒng)計分析[A].中國氣象學會2006年年會“大氣成分與氣候、環(huán)境變化”分會場論文集[C],2006.

[5]王愛平,朱彬,銀燕,等.黃山頂夏季氣溶膠數(shù)濃度特征及其輸送潛在源區(qū)[J].中國環(huán)境科學,2014(04):852-861.

[6]繆青,張澤鋒,李艷偉,等.黃山夏季大氣顆粒物中碳粒徑分布特征及其輸送潛在源區(qū)[J].中國環(huán)境科學,2015(07):1938-1946.

[7]譚冶冰.上海市霾的特點及影響因子研究[D].上海:華東師范大學,2010.

[8]趙倩彪,胡鳴,張懿華.利用后向軌跡模式研究上海市PM2.5來源分布及傳輸特征[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù),2014(4):21-26.

[9]李莉,蔡鋆琳,周敏.2013年12月中國中東部地區(qū)嚴重灰霾期間上海市顆粒物的輸送途徑及潛在源區(qū)貢獻分析[J].環(huán)境科學, 2015(07):2327-2336.

[10]張英杰,趙天良,韓永翔,等.大氣污染物周邊源對2014南京青奧會空氣質(zhì)量影響的預(yù)估分析[J].中國粉體技術(shù),2015(01):16-21.

傅昭娟（1981—），女，工程師，2006年畢業(yè)于浙江師范大學生態(tài)學專業(yè)，主要從事水質(zhì)及大氣污染監(jiān)測與防治工作。