東北典型沿海城市臭氧區(qū)域傳輸貢獻(xiàn)研究
——以丹東市為例

徐 潔

(遼寧省大連生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023)

1 引言

2013年以來(lái)，我國(guó)針對(duì)PM2.5的治理取得了顯著成效，PM2.5濃度逐年下降，但O3污染卻呈快速上升和蔓延趨勢(shì)，不僅在京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等重點(diǎn)大氣污染防治區(qū)域，許多沿海城市O3污染問(wèn)題異常凸顯，正在嚴(yán)重影響著沿海城市經(jīng)濟(jì)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展和人群身體健康。丹東市地處遼寧東南部，南臨黃海，是中國(guó)海岸線(xiàn)的北端起點(diǎn)，位于東北亞的中心地帶，是東北亞經(jīng)濟(jì)圈與環(huán)渤海、黃海經(jīng)濟(jì)圈的重要交匯點(diǎn)，是一個(gè)以工業(yè)、商貿(mào)、港口、物流、旅游為主體的沿海城市，獨(dú)特的地理位置和氣象條件決定了丹東市O3污染除了本地排放，還極易受到周邊區(qū)域傳輸?shù)挠绊憽＝陙?lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)中國(guó)不同區(qū)域的城市大氣污染規(guī)律和區(qū)域來(lái)源貢獻(xiàn)進(jìn)行了廣泛和深入的分析[1～3]，但對(duì)于來(lái)源貢獻(xiàn)分析往往局限于定性分析，并沒(méi)有相應(yīng)的定量分析。

本研究在后向軌跡模型的基礎(chǔ)上，采用聚類(lèi)分析、污染物潛在源貢獻(xiàn)因子分析、污染物濃度權(quán)重分析，對(duì)2020年5～9月份丹東市O3污染影響較大的潛在源進(jìn)行定量模擬，以確定丹東市O3污染的主要潛在源區(qū)，為分析丹東市O3區(qū)域傳輸特征，O3污染成因，制定O3防控策略提供科學(xué)的決策支撐。

2 資料與方法

2.1 后向軌跡模型

本研究采用HYSPLIT-4軌跡模型進(jìn)行O3來(lái)源貢獻(xiàn)模擬計(jì)算。HYSPLIT-4模型是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局 (NOAA) 的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專(zhuān)業(yè)模型。該模型具有處理多種氣象要素輸入場(chǎng)、多種物理過(guò)程和不同類(lèi)型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴(kuò)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(gè)地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散的研究中[4～9]。氣象數(shù)據(jù)取自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS1)數(shù)據(jù)，空間分辨率為 0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1h，以便更好地與O3小時(shí)濃度對(duì)應(yīng)。

本研究利用HYSPLIT-4軌跡模型對(duì)丹東市2020年5～9月后向氣團(tuán)進(jìn)行模擬，將丹東市國(guó)控空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站江灣東路點(diǎn)位(N40.06°,E124.33°)設(shè)為受體點(diǎn)，氣流高度選取100 m、500 m和1500 m，模式起始高度均設(shè)置為500 m，每條軌跡計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為48 h，時(shí)間分辨率為1 h。模式起始高度選擇500 m，既可代表近地層風(fēng)的流動(dòng)、反應(yīng)氣流區(qū)域流動(dòng)性特征，又能減少近地面摩擦力的影響；計(jì)算48 h 后向軌跡主要考慮將研究范圍界定在更大區(qū)域，同時(shí)可涵蓋二次污染物的生命周期。

2.2 后向軌跡聚類(lèi)分析

本研究利用TrajStat軟件提供的EUCLIDEN算法對(duì)氣流軌跡進(jìn)行聚類(lèi)，采用總空間方差(total spatial variance，TSV)對(duì)分類(lèi)質(zhì)量進(jìn)行判斷，最終選取TSV第二次迅速增大之前的分類(lèi)結(jié)果。

2.3 潛在源貢獻(xiàn)因子法(PSCF)

PSCF 方法是一種條件概率函數(shù)，利用污染軌跡與所有軌跡在途經(jīng)區(qū)域停留時(shí)間的比來(lái)表征每個(gè)區(qū)域?qū)κ荏w點(diǎn)的污染貢獻(xiàn),PSCF值高的網(wǎng)格被解釋為潛在源區(qū)。將研究區(qū)分為i×j個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格PSCF計(jì)算見(jiàn)公式(1)。

(1)

式(1)中，nij代表落在某一網(wǎng)格內(nèi)的所有軌跡節(jié)點(diǎn)數(shù)，mij為其中污染軌跡節(jié)點(diǎn)數(shù)。污染軌跡指受體點(diǎn)濃度超過(guò)某一濃度閾值時(shí)對(duì)應(yīng)的軌跡，濃度閾值一般為所有軌跡對(duì)應(yīng)濃度的平均值或空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，本研究將O3濃度閾值設(shè)定為100 μg/m3。本研究設(shè)定的PSCF網(wǎng)格區(qū)域包含主要軌跡所覆蓋的地理區(qū)域(90°～144°E, 25°～62°N)，網(wǎng)格分辨率為0.25°×0.25°，共計(jì)約31968個(gè)網(wǎng)格。 PSCF值越大表明該區(qū)域?qū)τ谑荏w點(diǎn)污染貢獻(xiàn)越大，由于PSCF是一種條件概率，當(dāng)各網(wǎng)格內(nèi)氣流滯留時(shí)間較短(nij)較小時(shí)，PSCF計(jì)算結(jié)果的不確定性較大。為降低計(jì)算的不確定性，引入了權(quán)重函數(shù)Wij計(jì)算WPSCF值進(jìn)行降誤差處理，見(jiàn)公式(2)。

WPSCF=Wij×PSCF

(2)

參考其他學(xué)者做法[10]，同時(shí)考慮本研究網(wǎng)格分辨率較高平均節(jié)點(diǎn)數(shù)較少的情況，為減少PSCF方法不確定性，將權(quán)重函數(shù)Wij具體設(shè)定見(jiàn)公式(3)。

(3)

2.4 濃度權(quán)重軌跡(CWT)

PSCF方法是計(jì)算1個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)中污染軌跡所占比例，反應(yīng)網(wǎng)格對(duì)于受體點(diǎn)污染的影響潛勢(shì)，半定量給出網(wǎng)格對(duì)于受體點(diǎn)污染物濃度的貢獻(xiàn)，并未定量給出軌跡所對(duì)應(yīng)的O3濃度。CWT分析法可以通過(guò)計(jì)算軌跡的權(quán)重濃度定量給出每個(gè)網(wǎng)格的平均權(quán)重濃度，反應(yīng)受體點(diǎn)上游地區(qū)污染物濃度來(lái)源分布情況。計(jì)算公式為：

(4)

式(4)中CWTi是網(wǎng)格i的平均權(quán)重濃度，l是軌跡，t是軌跡數(shù)目，nij是軌跡l在網(wǎng)格i的停留時(shí)間，Cij是軌跡l經(jīng)過(guò)網(wǎng)格i時(shí)對(duì)應(yīng)的O3濃度。在PSCF方法中所使用的影響系數(shù)Wi同樣適用于CWT方法，即WCWT=Wij×CWT。

3 結(jié)果與分析

3.1 軌跡聚類(lèi)分析

將丹東市2020年5～9月后向軌跡進(jìn)行逐月聚類(lèi)分析。圖1為2020年5月至9月丹東市后向軌跡逐月聚類(lèi)結(jié)果。從圖1中可以看出，5月丹東市共有4類(lèi)氣團(tuán)，第一類(lèi)為東南氣團(tuán)，占比46.6%，起源于韓國(guó)，途徑朝鮮及黃海到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)，此類(lèi)氣團(tuán)較為清潔，第二類(lèi)為本地氣團(tuán)，占比23.7%，起源于遼寧省中部，從西北方向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)，此類(lèi)氣團(tuán)軌跡較短，說(shuō)明氣流速度較慢；第三類(lèi)氣團(tuán)為西北氣團(tuán)，占比19.4%，起源于俄羅斯，途徑內(nèi)蒙古、遼寧從西北方向達(dá)到觀測(cè)點(diǎn)，此類(lèi)氣團(tuán)軌跡較長(zhǎng)，說(shuō)明氣流速度較快；第四類(lèi)氣團(tuán)為西南氣團(tuán)，起源于上海，途徑黃海從西南偏南方向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)。

6月，丹東市共有5類(lèi)氣團(tuán)，第一類(lèi)為南向氣團(tuán)，占比34.3%，起源于黃海，沿海到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)；第二類(lèi)為東南氣團(tuán)，占比27.4%，起源于日本東部海面，途徑韓國(guó)、朝鮮從東南方向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)；第三類(lèi)為北向氣團(tuán)，占比25.7%，起源于黑龍江市和吉林省西南交界處，途徑遼寧省到達(dá)觀測(cè)帶你；第四類(lèi)為西南氣團(tuán)，起源于丹東西南近岸海域，氣團(tuán)軌跡較短，氣流速度較慢；第五類(lèi)為西北氣團(tuán)，起源于俄羅斯，途徑內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省，從西北方向達(dá)到觀測(cè)點(diǎn)，氣團(tuán)軌跡較長(zhǎng)，氣流速度較快。

7月，丹東市共有3類(lèi)氣團(tuán)，第一類(lèi)為南向氣團(tuán)，占比55.9%，起源于黃海，軌跡較短，氣流速度較慢；第二類(lèi)為東向氣團(tuán)，占比37.9%，起源于朝鮮東部海面，途徑朝鮮，從東向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)；第三類(lèi)氣團(tuán)為西北氣團(tuán)，占比6.2%，起源于俄羅斯和內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部交界，途徑內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省，從西北方向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)。

8月，丹東市共有7類(lèi)氣團(tuán)，第一類(lèi)為南向慢速氣團(tuán)，占比23.2%，起源于黃海和東海的交界處，跨越黃海到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)；第二類(lèi)為東南慢速氣團(tuán)，占比21.1%，起源于朝鮮，從東南向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)；第三類(lèi)為西南氣團(tuán)，占比20.8%，起源于山東半島南部海域，跨越黃海從西南向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)，氣團(tuán)軌跡較短，氣流速度較慢；第四類(lèi)為南向快速氣團(tuán)，占比14.1%，起源于福建省東部海域，跨越東海、黃海，從南向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)；第五類(lèi)為西北氣團(tuán)，占比13.0%，起源于內(nèi)蒙古自治區(qū)，途徑遼寧省，從西北方向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)；第六類(lèi)為西向氣團(tuán)，占比5.1%，橫跨京津冀從西向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)；第六類(lèi)為東南快速氣團(tuán)，占比2.6%，起源于日本南部海域，途徑日本、韓國(guó)、朝鮮，從東南向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)。

9月，丹東市共有7類(lèi)氣團(tuán)，第一類(lèi)為西南氣團(tuán)，占比20.0%，起源于渤海，途徑大連市南部，跨越黃海從西南向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)，軌跡較短，氣流速度較慢；第二類(lèi)為東北慢速氣團(tuán)，占比19.4%，起源于吉林省和遼寧省東北交界處，跨越黃海海面從東北向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)，軌跡較短，氣流速度較慢；第三類(lèi)為東北快速氣團(tuán)，占比14.9%，起源于朝鮮東北部海域，途徑朝鮮，從東北向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)；第四類(lèi)為西北氣團(tuán)，占比13.2%，起源于俄羅斯，途徑內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省，從西北向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)；第五類(lèi)為北向快速氣團(tuán)，占比11.1%，起源于俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)，途徑黑龍江省西北部、內(nèi)蒙古自治區(qū)東部、遼寧省中西部到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)；第六類(lèi)為北向慢速氣團(tuán)，占比11.0%，起源于內(nèi)蒙古東部，途徑吉林省、遼寧省，從北向到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)；第七類(lèi)為南向氣團(tuán)，占比10.4%，起源于江蘇東部海域，跨越黃海到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)。

綜上，丹東市5月以潔凈的東南氣團(tuán)為主，本地慢速氣團(tuán)次之，6月以南向氣團(tuán)、東南氣團(tuán)和北向氣團(tuán)為主，7月以南向慢速氣團(tuán)為主，8月以南向氣團(tuán)為主，慢速及快速氣團(tuán)兼有，9月氣團(tuán)來(lái)源較為復(fù)雜，各類(lèi)氣團(tuán)占比相當(dāng)。

3.2 PSCF分析

圖2為丹東市2020年5～9月O3的PSCF分析結(jié)果。網(wǎng)格顏色由藍(lán)到紅，WPSCF值越大，表明丹東市O3濃度超過(guò)100 μg/m3的時(shí)候更趨近于接受來(lái)自這些地區(qū)的氣團(tuán)影響。由圖2可見(jiàn)，WPSCF的高值區(qū)主要集中在山東和江蘇東部的黃海海域、渤海灣、遼寧中北部，表明山東及江蘇東部的黃海海域、渤海灣、遼寧中北部的區(qū)域輸送對(duì)丹東O3濃度貢獻(xiàn)較大。

2.3 CWT(O3濃度權(quán)重軌跡)分析

圖3為丹東市2020年5～9月O3的WCWT分析結(jié)果。網(wǎng)格顏色由藍(lán)到紅，WCWT值越大。由圖3可見(jiàn)，WCWT高值區(qū)與PSCF分析結(jié)果基本一致，但是范圍有所擴(kuò)大，主要集中在山東東北部及東部海域、江蘇東部海域、遼寧中北部及南部地區(qū)，說(shuō)明上述區(qū)域的軌跡所對(duì)應(yīng)的O3濃度權(quán)重濃度較高，區(qū)域輸送對(duì)丹東O3濃度貢獻(xiàn)較大。

圖1 2020年5月～9月研究區(qū)逐月后向軌跡聚類(lèi)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)根據(jù)軌跡聚類(lèi)結(jié)果，丹東市5月以潔凈的東南氣團(tuán)為主，本地慢速氣團(tuán)次之，6月以南向氣團(tuán)、東南氣團(tuán)和北向氣團(tuán)為主，7月以南向慢速氣團(tuán)為主，8月以南向氣團(tuán)為主，慢速及快速氣團(tuán)兼有，9月氣團(tuán)來(lái)源較為復(fù)雜，各類(lèi)氣團(tuán)占比相當(dāng)。

(2)PSCF分析結(jié)果表明：山東及江蘇東部的黃海海域、渤海灣、遼寧中北部的區(qū)域輸送對(duì)丹東O3濃度貢獻(xiàn)較大。

(3)CWT分析結(jié)果與PSCF分析結(jié)果基本一致，但是范圍有所擴(kuò)大，山東東北部及東部海域、江蘇東部海域、遼寧中北部及南部地區(qū)的區(qū)域輸送對(duì)丹東O3濃度貢獻(xiàn)較大。

圖2 2020年5～9月研究區(qū)O3的WPSCF分析結(jié)果

圖3 2020年5～9月研究區(qū)O3的WCWT分析結(jié)果