東北典型沿海城市臭氧區域傳輸貢獻研究
——以丹東市為例

徐 潔

(遼寧省大連生態環境監測中心，遼寧 大連 116023)

1 引言

2013年以來，我國針對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，不僅在京津冀、長三角、珠三角等重點大氣污染防治區域，許多沿海城市O3污染問題異常凸顯，正在嚴重影響著沿海城市經濟環境協調發展和人群身體健康。丹東市地處遼寧東南部，南臨黃海，是中國海岸線的北端起點，位于東北亞的中心地帶，是東北亞經濟圈與環渤海、黃海經濟圈的重要交匯點，是一個以工業、商貿、港口、物流、旅游為主體的沿海城市，獨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，還極易受到周邊區域傳輸的影響。近年來，國內外很多學者對中國不同區域的城市大氣污染規律和區域來源貢獻進行了廣泛和深入的分析[1～3]，但對于來源貢獻分析往往局限于定性分析，并沒有相應的定量分析。

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

2 資料與方法

2.1 后向軌跡模型

本研究采用HYSPLIT-4軌跡模型進行O3來源貢獻模擬計算。HYSPLIT-4模型是由美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯合研發的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業模型。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[4～9]。氣象數據取自美國國家環境預報中心(NCEP)的全球資料同化系統(GDAS1)數據，空間分辨率為 0.25°×0.25°，時間分辨率為1h，以便更好地與O3小時濃度對應。

本研究利用HYSPLIT-4軌跡模型對丹東市2020年5～9月后向氣團進行模擬，將丹東市國控空氣自動監測站江灣東路點位(N40.06°,E124.33°)設為受體點，氣流高度選取100 m、500 m和1500 m，模式起始高度均設置為500 m，每條軌跡計算時長為48 h，時間分辨率為1 h。模式起始高度選擇500 m，既可代表近地層風的流動、反應氣流區域流動性特征，又能減少近地面摩擦力的影響；計算48 h 后向軌跡主要考慮將研究范圍界定在更大區域，同時可涵蓋二次污染物的生命周期。

2.2 后向軌跡聚類分析

本研究利用TrajStat軟件提供的EUCLIDEN算法對氣流軌跡進行聚類，采用總空間方差(total spatial variance，TSV)對分類質量進行判斷，最終選取TSV第二次迅速增大之前的分類結果。

2.3 潛在源貢獻因子法(PSCF)

PSCF 方法是一種條件概率函數，利用污染軌跡與所有軌跡在途經區域停留時間的比來表征每個區域對受體點的污染貢獻,PSCF值高的網格被解釋為潛在源區。將研究區分為i×j個網格，每個網格PSCF計算見公式(1)。

(1)

式(1)中，nij代表落在某一網格內的所有軌跡節點數，mij為其中污染軌跡節點數。污染軌跡指受體點濃度超過某一濃度閾值時對應的軌跡，濃度閾值一般為所有軌跡對應濃度的平均值或空氣質量標準值，本研究將O3濃度閾值設定為100 μg/m3。本研究設定的PSCF網格區域包含主要軌跡所覆蓋的地理區域(90°～144°E, 25°～62°N)，網格分辨率為0.25°×0.25°，共計約31968個網格。 PSCF值越大表明該區域對于受體點污染貢獻越大，由于PSCF是一種條件概率，當各網格內氣流滯留時間較短(nij)較小時，PSCF計算結果的不確定性較大。為降低計算的不確定性，引入了權重函數Wij計算WPSCF值進行降誤差處理，見公式(2)。

WPSCF=Wij×PSCF

(2)

參考其他學者做法[10]，同時考慮本研究網格分辨率較高平均節點數較少的情況，為減少PSCF方法不確定性，將權重函數Wij具體設定見公式(3)。

(3)

2.4 濃度權重軌跡(CWT)

PSCF方法是計算1個網格點中污染軌跡所占比例，反應網格對于受體點污染的影響潛勢，半定量給出網格對于受體點污染物濃度的貢獻，并未定量給出軌跡所對應的O3濃度。CWT分析法可以通過計算軌跡的權重濃度定量給出每個網格的平均權重濃度，反應受體點上游地區污染物濃度來源分布情況。計算公式為：

(4)

式(4)中CWTi是網格i的平均權重濃度，l是軌跡，t是軌跡數目，nij是軌跡l在網格i的停留時間，Cij是軌跡l經過網格i時對應的O3濃度。在PSCF方法中所使用的影響系數Wi同樣適用于CWT方法，即WCWT=Wij×CWT。

3 結果與分析

3.1 軌跡聚類分析

將丹東市2020年5～9月后向軌跡進行逐月聚類分析。圖1為2020年5月至9月丹東市后向軌跡逐月聚類結果。從圖1中可以看出，5月丹東市共有4類氣團，第一類為東南氣團，占比46.6%，起源于韓國，途徑朝鮮及黃海到達觀測點，此類氣團較為清潔，第二類為本地氣團，占比23.7%，起源于遼寧省中部，從西北方向到達觀測點，此類氣團軌跡較短，說明氣流速度較慢；第三類氣團為西北氣團，占比19.4%，起源于俄羅斯，途徑內蒙古、遼寧從西北方向達到觀測點，此類氣團軌跡較長，說明氣流速度較快；第四類氣團為西南氣團，起源于上海，途徑黃海從西南偏南方向到達觀測點。

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

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

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

9月，丹東市共有7類氣團，第一類為西南氣團，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觀測點，軌跡較短，氣流速度較慢；第二類為東北慢速氣團，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觀測點，軌跡較短，氣流速度較慢；第三類為東北快速氣團，占比14.9%，起源于朝鮮東北部海域，途徑朝鮮，從東北向到達觀測點；第四類為西北氣團，占比13.2%，起源于俄羅斯，途徑內蒙古自治區、遼寧省，從西北向到達觀測點；第五類為北向快速氣團，占比11.1%，起源于俄羅斯遠東地區，途徑黑龍江省西北部、內蒙古自治區東部、遼寧省中西部到達觀測點；第六類為北向慢速氣團，占比11.0%，起源于內蒙古東部，途徑吉林省、遼寧省，從北向到達觀測點；第七類為南向氣團，占比10.4%，起源于江蘇東部海域，跨越黃海到達觀測點。

綜上，丹東市5月以潔凈的東南氣團為主，本地慢速氣團次之，6月以南向氣團、東南氣團和北向氣團為主，7月以南向慢速氣團為主，8月以南向氣團為主，慢速及快速氣團兼有，9月氣團來源較為復雜，各類氣團占比相當。

3.2 PSCF分析

圖2為丹東市2020年5～9月O3的PSCF分析結果。網格顏色由藍到紅，WPSCF值越大，表明丹東市O3濃度超過100 μg/m3的時候更趨近于接受來自這些地區的氣團影響。由圖2可見，WPSCF的高值區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、遼寧中北部的區域輸送對丹東O3濃度貢獻較大。

2.3 CWT(O3濃度權重軌跡)分析

圖3為丹東市2020年5～9月O3的WCWT分析結果。網格顏色由藍到紅，WCWT值越大。由圖3可見，WCWT高值區與PSCF分析結果基本一致，但是范圍有所擴大，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，說明上述區域的軌跡所對應的O3濃度權重濃度較高，區域輸送對丹東O3濃度貢獻較大。

圖1 2020年5月～9月研究區逐月后向軌跡聚類結果

4 結論

(1)根據軌跡聚類結果，丹東市5月以潔凈的東南氣團為主，本地慢速氣團次之，6月以南向氣團、東南氣團和北向氣團為主，7月以南向慢速氣團為主，8月以南向氣團為主，慢速及快速氣團兼有，9月氣團來源較為復雜，各類氣團占比相當。

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

(3)CWT分析結果與PSCF分析結果基本一致，但是范圍有所擴大，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的區域輸送對丹東O3濃度貢獻較大。

圖2 2020年5～9月研究區O3的WPSCF分析結果

圖3 2020年5～9月研究區O3的WCWT分析結果