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 空氣質量模型中的OSAT 模擬研究了2013年長三角地區的臭氧污染過程，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，量化了內外源對合肥市臭氧濃度的影響，以期為生態環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。

2 資料與方法

2.1 資料來源

臭氧濃度數據來自合肥市空氣質量站點發布數據，后向軌跡模式的氣象資料數據采用美國國家環境預報中心提供的2017～2019年GDAS數據。

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 結果與分析

3.1 2017～2019年6-9月污染輸送軌跡及其對應的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，同時根據聚類情況對每1 小時氣團軌跡對應的合肥觀測到的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，約有11%的氣團經過山東半島、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%來自東北的海上經江蘇到達合肥，小部分（約12%）氣團來自遼東半島，經山東半島、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的O3濃度略有下降外，其他方向氣團對應的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為氣團軌跡聚類結果及其對應的O3濃度，圖中紅色數字為每條軌跡對應的O3平均濃度，括號內的百分比數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的O3濃度（圖中紅色數字單位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，約有34%的氣團來自東部的海上，經江蘇到達合肥，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 臭氧本地和區域傳輸的貢獻

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濃度的加權平均。因此，根據每一類軌跡所占的比例，以及對應的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。

根據不同類型氣團軌跡，可以制定如下規則：經過北方、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，則根據其軌跡的長短，以及在省內的氣團長度占比，2019年重污染時段的第3 類氣團約有90%長度在省內，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。

根據這個規則計算出2017～2019年臭氧內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的O3濃度略有下降外，其他方向氣團對應的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%）。