后向軌跡模型在顆粒物區域影響溯源研究中應用現狀

傅昭娟

（義烏市環境保護監測站浙江義烏322000）

后向軌跡模型在顆粒物區域影響溯源研究中應用現狀

傅昭娟

（義烏市環境保護監測站浙江義烏322000）

本文介紹了后向軌跡模型的基本原理和應用實例,調研了長三角地區運用后向軌跡模型分析顆粒物潛在源區的研究現狀，同時展望了后向軌跡模型應用的發展趨勢。

后向軌跡模型；PM2.5；區域影響；長三角地區

混合單顆粒拉格朗日函數綜合軌跡模型（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合研發。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,已經被廣泛地應用于多種污染物在各個地區的傳輸和擴散的研究中。

1　后向軌跡模型研究方法及應用實例

在環境領域，后向軌跡模型可以應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果的信息，并為污染的主要來源方向判斷提供了依據。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。結果表明來自西、北兩個方向的氣團顆粒物和氣態污染物的濃度更高，推測主要受來自于中國東北重工業地區和韓國西北部地區的排放傳輸影響。

污染貢獻差值方程（Potential source contribution function，PSCF）是美國環保署（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。在后向軌跡經過的區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的停留時間的比值，得到主要污染來源貢獻區域的分布。Heo等（2009）對2003～2006年間韓國首爾393個PM2.5樣品結果進行了分析，結合PMF模型源解析結果和后向軌跡模型的PSCF計算，發現本地源的二次轉化和中國東北重工業區的傳輸都是可能的來源。

軌跡質量平衡（Trajectory Mass Balance，TrMB）模型將測得的污染物濃度的時間序列作為應變量，將后向軌跡在一些污染源區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，認為該方法的關鍵在于污染區域的劃分和選擇。

2　后向軌跡模型在長三角地區顆粒物污染分析應用

現有科研課題已經利用后向軌跡模型開展長三角地區顆粒物區域影響溯源研究。主要針對不同年度（季節）或某次重污染天氣過程顆粒物污染源潛在源區分析，也有利用該模型發現年際變化規律，預測周邊源區貢獻。

研究發現[1]南京市2012～2014年霾發生的主要來源有本地源、南京市東南地區的近距離污染源和華北地區的遠距離污染源，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年蘇州一次連續重污染過程，發現空氣團裹挾大量污染物到達蘇州,使本地污染和區域污染相互疊加，且污染物存在嚴重的二次轉化，與葛順等[3]的研究結論類似。

有學者[4]應用聚類分析的方法對2001～2005年合肥市逐日72h后向軌跡按季節分類研究,結果顯示,最高PM10平均濃度對應的后向軌跡在春、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生在自由對流層，區域輸送主要發生在邊界層內，移動快的氣團不一定對應低濃度的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，結合氣團軌跡聚類分析,得出夏季影響黃山光明頂積聚模態顆粒物數濃度的潛在源區主要來自一些工業發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的結論。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粒子數濃度貢獻較大。繆青[6]結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和武漢一帶。

有不少學者[7-9]針對上海2008～2011年不同季節霾的特征及影響因子進行了分析，得出上海氣流輸送季節變化特征明顯的結論。冬、春和秋季,上海較易受到來自西北等區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，也印證了該結論。

在預測周邊源區貢獻方面，張英杰等[10]結合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的年際變化，確定影響2014年南京青年奧運會期間空氣質量的大氣污染物周邊源區。

3　后向軌跡模型發展趨勢

3.1技術層面上嵌合其他技術應用

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

3.2成果應用上加強區域聯防聯治

現階段研究表明，長三角地區顆粒物區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，區域大氣污染聯防聯控乃至跨區域聯動對于應對當前頻發的重污染態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分析[J].中國環境科學,2015,35(12):3570-3580.

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

[3]葛順,湯莉莉,秦瑋,等.南京地區秋季灰霾天氣特征及其水溶性離子分析[J].環境科學與技術,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—統計分析[A].中國氣象學會2006年年會“大氣成分與氣候、環境變化”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濃度特征及其輸送潛在源區[J].中國環境科學,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[J].中國環境科學,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].環境監測管理與技術,2014(4):21-26.

[9]李莉,蔡鋆琳,周敏.2013年12月中國中東部地區嚴重灰霾期間上海市顆粒物的輸送途徑及潛在源區貢獻分析[J].環境科學, 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南京青奧會空氣質量影響的預估分析[J].中國粉體技術,2015(01):16-21.

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