2020年營口市夏季期間臭氧來源分布研究

曹姍姍

(遼寧省大連生態環境監測中心，遼寧 大連 116023)

近年來，在國家一系列強國政策引領下，遼寧省沿海經濟帶快速發展，營口市在發展傳統老工業的同時大力發展高新技術產業。但大氣污染問題,尤其是臭氧污染問題,也日益凸顯。營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 數據來源

本文所用O3濃度觀測數據為國家空氣質量監測網觀測的營口市國控子站中學府南路子站的O3數據；后向軌跡應用的氣象資料基于美國國家環境預報中心(National Centers for Environmental Pre-diction，NCEP)提供的全球資料同化系統(GDAS1)的數據。

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，它結合了大氣的垂直和水平運動，分析具有不依賴污染物排放信息且容易掌握等優點，在污染物擴散、傳輸和沉降方面有相對完整的考量[1-2]，因而被廣泛應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)，它是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)與澳大利亞氣象局聯合研發的軌跡計算模式[3-4]，目前被國內外學者廣泛應用。HYSPLIT模式可以結合實時的氣象數據，模擬實現出任一點到達受體點位的氣團運行軌跡，幫助解析污染傳輸路徑和來源。

1.3 模型參數設置

本文后向軌跡計算時段為2020 年6月1日00:00-6月30日23:00，軌跡的受體點為營口學府南路點位(N40.66°，E122.24°)，為將研究范圍界定在更大區域且涵蓋二次衍生物的生成周期，軌跡計算時長設置為 48 h；為實現精細劃分，空間分辨率設置為 0.25°×0.25°；為方便軌跡數據與O3小時濃度數據實現良好對應，時間分辨率設置為1 h；模型起始高度設置為 500 m，在這個高度上，可代表近地面污染物排放的特征及氣流流動特征。

2 結果分析

2.1 超標軌跡分析

對2020 年6月營口市受體點的逐小時后向軌跡進行了模擬。由于軌跡數目較多，篩選其中污染影響較大的軌跡進行分析，參考營口市夏季臭氧平均濃度水平，將對應O3質量濃度超過 100 μg·m-3的軌跡定義為超標軌跡。圖1給出了2020年6月營口市的軌跡，將超標軌跡標記為藍色。由圖1可見，超標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月營口市超標軌跡

2.2 軌跡聚類分析

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

圖2 2020年6月營口市軌跡聚類

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

2.3 PSCF(O3潛在貢獻因子)分析

PSCF 方法[5]利用污染軌跡與所有軌跡在途經區域停留時間的比值來表征每個區域對受體點的污染貢獻，其用于識別外來輸送潛在源區，PSCFif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)

式中，nij為經過第ij個網格的所有軌跡數，mij為受體區域內經過網格ij的污染軌跡數目。本文結合營口市夏季臭氧質量濃度水平，將O3質量濃度閾值設定為 100 μg·m-3。PSCF 值越大，表明該區域中污染軌跡占比越高，對受體點污染貢獻也越大，計算公式見公式(2)。

WPSCF=Wij×PSCF

(2)

由于PSCF 是一種條件概率，其誤差會隨網格和受體點位距離增加而增大，因此引入了權重函數Wij計算WPSCF 值[6-7]進降誤差處理，見公式(3)。

(3)

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

圖3 2020年6月營口市臭氧潛在源區分布

2.4 CWT(O3濃度權重軌跡)分析

CWT分析法[8]用于反應受點上游地區污染物濃度分布情況，它可以補充PSCF無法定量受體點質量濃度的缺點。CWT計算某時間段內經過單個網格的軌跡所對應的O3平均權重質量濃度。CWT計算公式為：

(4)

式中，CWTi是網格i的平均權重質量濃度，t代表軌跡總數，l代表軌跡，Cij代表網格ij中O3平均加權質量濃度，nij代表軌跡l在網格i的停留時間。

利用WCWT方法對營口市臭氧濃度進行分析，結果見圖4。由圖4可知，6月營口市WCWT較高值區主要集中在山東省、河北省南部，說明來自山東省和河北省南部地區的軌跡所對應的O3質量濃度權重最高。此外，來自遼寧省本地的軌跡權重也有一定貢獻。

圖4 2020年6月營口市臭氧WCWT分布

3 結論

從超標軌跡數來看，氣團來源于西南和西北方向時，營口市的O3易超標；以山東省和河北省南部為主。

軌跡聚類表明，影響營口市臭氧濃度的氣團主要來自華北和本地，并且對O3濃度貢獻較高，分析可能為：來自華北地區的氣團途經京津冀和山東等經濟發達地區，大量的VOCs 與NOx等O3前體物和污染物被傳輸至本地，同時疊加本地排放影響后，導致營口市O3濃度較高。

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

CWT分析表明，6月營口市WCWT高濃度區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和山東省的超標軌跡對應的O3濃度權重濃度高，與此同時來自遼寧省本地的軌跡權重也有一定貢獻。