2020年?duì)I口市夏季期間臭氧來源分布研究

曹姍姍

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

近年來，在國(guó)家一系列強(qiáng)國(guó)政策引領(lǐng)下，遼寧省沿海經(jīng)濟(jì)帶快速發(fā)展，營(yíng)口市在發(fā)展傳統(tǒng)老工業(yè)的同時(shí)大力發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。但大氣污染問題,尤其是臭氧污染問題,也日益凸顯。營(yíng)口市作為遼寧省沿海城市，控制其臭氧污染，說清污染成因及傳輸路徑變得越加迫切。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用O3濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)為國(guó)家空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)的營(yíng)口市國(guó)控子站中學(xué)府南路子站的O3數(shù)據(jù)；后向軌跡應(yīng)用的氣象資料基于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Pre-diction，NCEP)提供的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS1)的數(shù)據(jù)。

1.2 后向軌跡模型介紹

后向軌跡法是研究污染空間輸送特征的基本工具之一，它結(jié)合了大氣的垂直和水平運(yùn)動(dòng)，分析具有不依賴污染物排放信息且容易掌握等優(yōu)點(diǎn)，在污染物擴(kuò)散、傳輸和沉降方面有相對(duì)完整的考量[1-2]，因而被廣泛應(yīng)用于大氣污染輸送與來源分析。

本文采用HYSPLIT模式(Hybrid single-particle lagrangian integrated trajectory model)，它是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)與澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的軌跡計(jì)算模式[3-4]，目前被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用。HYSPLIT模式可以結(jié)合實(shí)時(shí)的氣象數(shù)據(jù)，模擬實(shí)現(xiàn)出任一點(diǎn)到達(dá)受體點(diǎn)位的氣團(tuán)運(yùn)行軌跡，幫助解析污染傳輸路徑和來源。

1.3 模型參數(shù)設(shè)置

本文后向軌跡計(jì)算時(shí)段為2020 年6月1日00:00-6月30日23:00，軌跡的受體點(diǎn)為營(yíng)口學(xué)府南路點(diǎn)位(N40.66°，E122.24°)，為將研究范圍界定在更大區(qū)域且涵蓋二次衍生物的生成周期，軌跡計(jì)算時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為 48 h；為實(shí)現(xiàn)精細(xì)劃分，空間分辨率設(shè)置為 0.25°×0.25°；為方便軌跡數(shù)據(jù)與O3小時(shí)濃度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)良好對(duì)應(yīng)，時(shí)間分辨率設(shè)置為1 h；模型起始高度設(shè)置為 500 m，在這個(gè)高度上，可代表近地面污染物排放的特征及氣流流動(dòng)特征。

2 結(jié)果分析

2.1 超標(biāo)軌跡分析

對(duì)2020 年6月營(yíng)口市受體點(diǎn)的逐小時(shí)后向軌跡進(jìn)行了模擬。由于軌跡數(shù)目較多，篩選其中污染影響較大的軌跡進(jìn)行分析，參考營(yíng)口市夏季臭氧平均濃度水平，將對(duì)應(yīng)O3質(zhì)量濃度超過 100 μg·m-3的軌跡定義為超標(biāo)軌跡。圖1給出了2020年6月營(yíng)口市的軌跡，將超標(biāo)軌跡標(biāo)記為藍(lán)色。由圖1可見，超標(biāo)軌跡主要來自西南方向，以山東省和京津冀西南部為主。

圖1 2020年6月營(yíng)口市超標(biāo)軌跡

2.2 軌跡聚類分析

2020年6月營(yíng)口市大氣氣團(tuán)聚類結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，夏季營(yíng)口市以西南方向和東北方向污染輸入為主。

圖2 2020年6月營(yíng)口市軌跡聚類

出現(xiàn)頻率最高的為華北氣團(tuán)(27.92%)，從起源點(diǎn)經(jīng)山東省(從西南方向)到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)位。此類氣團(tuán)來源地污染較重，攜帶污染較多，是重點(diǎn)的污染輸入來源。其次，為東北氣團(tuán)，占23.89%，起源于黑龍江省，途徑吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)。第三類為本地氣團(tuán)，占18.33%，起源于我省中部地區(qū)，運(yùn)行速度較快從東北方向到達(dá)受體點(diǎn)。第四類為黃海氣團(tuán)，占15.56%，起源于朝鮮海峽，途徑黃海由東南部進(jìn)入。第五類為西北氣團(tuán)，共占14.31%，起源于蒙古，途經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省西部，從西北部到達(dá)受體點(diǎn)。

2.3 PSCF(O3潛在貢獻(xiàn)因子)分析

PSCF 方法[5]利用污染軌跡與所有軌跡在途經(jīng)區(qū)域停留時(shí)間的比值來表征每個(gè)區(qū)域?qū)κ荏w點(diǎn)的污染貢獻(xiàn)，其用于識(shí)別外來輸送潛在源區(qū)，PSCFif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)算見公式(1)。

(1)

式中，nij為經(jīng)過第ij個(gè)網(wǎng)格的所有軌跡數(shù)，mij為受體區(qū)域內(nèi)經(jīng)過網(wǎng)格ij的污染軌跡數(shù)目。本文結(jié)合營(yíng)口市夏季臭氧質(zhì)量濃度水平，將O3質(zhì)量濃度閾值設(shè)定為 100 μg·m-3。PSCF 值越大，表明該區(qū)域中污染軌跡占比越高，對(duì)受體點(diǎn)污染貢獻(xiàn)也越大，計(jì)算公式見公式(2)。

WPSCF=Wij×PSCF

(2)

由于PSCF 是一種條件概率，其誤差會(huì)隨網(wǎng)格和受體點(diǎn)位距離增加而增大，因此引入了權(quán)重函數(shù)Wij計(jì)算WPSCF 值[6-7]進(jìn)降誤差處理，見公式(3)。

(3)

其中，WPSCF值為0～0.3時(shí)標(biāo)示為輕度污染，0.3～0.7標(biāo)示為中度污染，0.7～1.0標(biāo)示為重度污染。圖3為營(yíng)口市2020年6月臭氧潛在源區(qū)分布。由圖3看出，臭氧潛在源區(qū)分布范圍較小并且較為集中，中度污染-重度污染源區(qū)主要集中在山東省、遼寧省、河北省東部和南部地區(qū)。

圖3 2020年6月營(yíng)口市臭氧潛在源區(qū)分布

2.4 CWT(O3濃度權(quán)重軌跡)分析

CWT分析法[8]用于反應(yīng)受點(diǎn)上游地區(qū)污染物濃度分布情況，它可以補(bǔ)充PSCF無法定量受體點(diǎn)質(zhì)量濃度的缺點(diǎn)。CWT計(jì)算某時(shí)間段內(nèi)經(jīng)過單個(gè)網(wǎng)格的軌跡所對(duì)應(yīng)的O3平均權(quán)重質(zhì)量濃度。CWT計(jì)算公式為：

(4)

式中，CWTi是網(wǎng)格i的平均權(quán)重質(zhì)量濃度，t代表軌跡總數(shù)，l代表軌跡，Cij代表網(wǎng)格ij中O3平均加權(quán)質(zhì)量濃度，nij代表軌跡l在網(wǎng)格i的停留時(shí)間。

利用WCWT方法對(duì)營(yíng)口市臭氧濃度進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。由圖4可知，6月營(yíng)口市WCWT較高值區(qū)主要集中在山東省、河北省南部，說明來自山東省和河北省南部地區(qū)的軌跡所對(duì)應(yīng)的O3質(zhì)量濃度權(quán)重最高。此外，來自遼寧省本地的軌跡權(quán)重也有一定貢獻(xiàn)。

圖4 2020年6月營(yíng)口市臭氧WCWT分布

3 結(jié)論

從超標(biāo)軌跡數(shù)來看，氣團(tuán)來源于西南和西北方向時(shí)，營(yíng)口市的O3易超標(biāo)；以山東省和河北省南部為主。

軌跡聚類表明，影響營(yíng)口市臭氧濃度的氣團(tuán)主要來自華北和本地，并且對(duì)O3濃度貢獻(xiàn)較高，分析可能為：來自華北地區(qū)的氣團(tuán)途經(jīng)京津冀和山東等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，大量的VOCs 與NOx等O3前體物和污染物被傳輸至本地，同時(shí)疊加本地排放影響后，導(dǎo)致營(yíng)口市O3濃度較高。

PSCF分析表明，中度污染-重度污染源區(qū)主要集中在山東省、遼寧省、河北省東部和南部地區(qū)。

CWT分析表明，6月營(yíng)口市WCWT高濃度區(qū)域主要集中在河北省南部和山東省，這說明來自河北省南部地區(qū)和山東省的超標(biāo)軌跡對(duì)應(yīng)的O3濃度權(quán)重濃度高，與此同時(shí)來自遼寧省本地的軌跡權(quán)重也有一定貢獻(xiàn)。