0 引言

隨著國民經(jīng)濟的迅速增長和城市化進程的加快，我國城市大氣污染的狀況和性質(zhì)正在發(fā)生顯著的變化:傳統(tǒng)的污染物SO2和總懸浮顆粒物得到了一定的控制，NOX濃度有上升的趨勢，大氣可吸入顆粒物PM10(空氣動力學(xué)直徑小于10 μm的氣溶膠粒子)成為我國大部分城市的首要污染物(周玉素等，2001;任陣海等，2003)。PM10對氣候、環(huán)境和人體健康有重要的影響，它不僅可以降低大氣能見度，使空氣質(zhì)量惡化，還可以通過改變地氣系統(tǒng)的輻射平衡以及成云致雨過程，影響區(qū)域乃至全球的氣候，它甚至可以通過呼吸進入人體，在呼吸系統(tǒng)的不同部位沉積，對人體健康造成危害，是近年來大氣科學(xué)研究的熱點(李青青等，1999;王寶鑒等，2001)。

大氣可吸入顆粒物的來源包括化石燃料燃燒、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動等人為過程和地表揚塵、海洋飛沫、火山塵等天然過程以及二次氣溶膠粒子等非均相化學(xué)反應(yīng)過程等。發(fā)生在我國北方和中亞地區(qū)沙漠、戈壁的沙塵暴是春季影響東亞地區(qū)氣候環(huán)境的主要天氣現(xiàn)象，是我國春季大氣顆粒物的主要來源(王明星和張仁健，2001;胡敏等，2009)。大量的觀測和研究表明亞洲沙塵暴不僅會增加本地和鄰近地區(qū)大氣中的顆粒物含量，甚至還會隨氣流跨越太平洋影響北美地區(qū)(Duce et al.，1980;Uematsu et al.，1983;Husur et al.，2001;Tratt et al.，2001)。蘭州市地處西北干旱半干旱區(qū)，位于青藏高原東北側(cè)的黃河河谷盆地，其獨特的盆地地形造成了靜風(fēng)頻率高、逆溫層結(jié)厚、持續(xù)時間長等不利于污染物擴散的大氣條件。同時蘭州也是亞洲沙塵向下游輸送的經(jīng)由之地，受沙塵天氣影響大(Y.Q.Wang et al.，2006;陶健紅等，2007)，因而蘭州市大氣環(huán)境質(zhì)量不僅受局地氣候條件和當(dāng)?shù)匚廴疚锱欧诺纫蛩氐挠绊?，很大程度上還受外來入侵塵的影響。特別是每年春季河西走廊沙塵暴發(fā)生頻繁(董安詳?shù)龋?003)，是造成蘭州市大氣顆粒物污染最大的流動污染源(王式功等，1999a)。雖然很多學(xué)者已對蘭州市的大氣污染問題進行了大量的研究，在污染物擴散和輸送特征、大氣污染形成的物理機制和成因(胡隱樵和張強，1999;張強，2003)、沙塵天氣影響(王式功等，1999b;S.G.Wang et al.，2005，2006;陶健紅等，2007)、數(shù)值模擬(張強和呂世華，2001;安興琴等，2005)和治理對策(陳玉春等，2001)等方面取得一些比較重要的認(rèn)識和研究成果，但目前對影響蘭州市大氣PM10污染的外來沙塵源地及其輸送路徑的研究還很少(S.G.Wang et al.，2006)。已有的研究(黃健等，2002;徐祥德等，2004;顏鵬等，2005;戚丹青等，2006;任永建等，2009)表明，大氣可吸入顆粒物的時空分布與輸送軌跡密切相關(guān)。因此，通過分析氣團軌跡來研究一個地區(qū)大氣可吸入顆粒物的輸送特征，已成為了解一個地區(qū)大氣顆粒物來源的一種常用方法。

本研究利用HYSPLIT(hybrid single particle Lagrangian integrated trajectory)軌跡模式，通過聚類分析，得到了2001—2008年春季到達蘭州地區(qū)的主要氣團運動軌跡，即輸送路徑，結(jié)合蘭州市逐日PM10觀測資料，研究了不同輸送軌跡類型與蘭州市區(qū)PM10質(zhì)量濃度之間的關(guān)系，確定了對蘭州市PM10質(zhì)量濃度影響較大的輸送路徑，定性地給出了蘭州市春季PM10潛在源區(qū)和輸送特征，為改善蘭州市大氣環(huán)境及周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)，同時也可以為國內(nèi)其他城市開展類似研究積累一些相關(guān)經(jīng)驗。

1 資料來源

本文采用的2001—2008年春季(3—5月)蘭州市PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，是利用環(huán)境保護部公布的重點城市空氣質(zhì)量日報數(shù)據(jù)中蘭州市空氣污染指數(shù)(air pollution index，API)資料，結(jié)合空氣污染指數(shù)的定義和API分級表計算得到的(Zhang et al.，2003)。2001—2008年逐日時刻沙塵資料取自甘肅省氣象局沙塵暴數(shù)據(jù)集。軌跡計算所用氣象資料取自美國環(huán)境預(yù)報中心和國家大氣研究中心聯(lián)合執(zhí)行的全球再分析資料(Reanalysis Data)，其水平分辨率為2.5°×2.5°，每日4個時次:0000、0600、1200、1800 UTC。

2 研究方法

2.1 軌跡聚類分析

將蘭州市2001—2008年按照春季沙塵天氣發(fā)生次數(shù)分為沙塵天氣相對多年和相對少年。利用美國大氣海洋局研制的HYSPLIT軌跡模式(Draxler and Hess，1998)結(jié)合美國環(huán)境預(yù)報中心和國家大氣研究中心聯(lián)合執(zhí)行的全球再分析資料，計算到達蘭州(103.85°E，36.05°N)的4 d后向軌跡。每天計算4個時次(02、08、14、20，北京時)，得到分辨率為1 h的空氣質(zhì)點后向軌跡。軌跡計算起始點高度為500 m。將計算得到的后向軌跡根據(jù)氣團水平移動速度和方向進行分組得出不同的輸送軌跡組(Sirois and Bottenheim，1995;S.G.Wang et al.，2006;Y.Q.Wang et al.，2006)。把每組中各條軌跡對應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度進行平均，得到造成蘭州市春季高質(zhì)量濃度PM10污染的輸送路徑。

2.2 潛在源貢獻因子分析法

為了確定影響蘭州市春季高質(zhì)量濃度PM10污染的潛在沙塵源區(qū)，使用潛在源貢獻因子分析法(potential source contribution function，PSCF)(Ashbaugh et al.，1985)。許多研究者利用該方法確定了影響空氣質(zhì)量的污染源區(qū)(Zeng and Hopke，1989;Gao et al.，1993;Polissar et al.，1999;Cheng and Lin，2001)。PSCF值是所選研究區(qū)域內(nèi)經(jīng)過網(wǎng)格ij的污染軌跡數(shù)(mij)與該網(wǎng)格上經(jīng)過的所有軌跡數(shù)(nij)的比值(Stolhl and Kromp-Kolb，1994;Salvador et al.，2004)，即

PSCF的值越大表明該網(wǎng)格點對蘭州市PM10的質(zhì)量濃度貢獻越大。高PSCF值所對應(yīng)網(wǎng)格組成的區(qū)域就是影響蘭州市PM10質(zhì)量濃度的潛在源區(qū)，經(jīng)過該區(qū)域的軌跡就是對蘭州市PM10質(zhì)量濃度有影響的輸送路徑。本文中，分別取沙塵天氣相對多年和相對少年蘭州市春季PM10的平均質(zhì)量濃度作為判斷一條軌跡是否為污染軌跡的標(biāo)準(zhǔn)，即在沙塵天氣相對多年(相對少年)如果一條軌跡所對應(yīng)的蘭州市PM10質(zhì)量濃度大于沙塵天氣相對多年(相對少年)的平均質(zhì)量濃度，則認(rèn)為該條軌跡是污染軌跡;反之，則為清潔軌跡。

由于PSCF是一種條件概率，當(dāng)nij較小時，會有很大的不確定性。為了減小這種不確定性，不同研究者引入了權(quán)重函數(shù)Wij(Cheng et al.，1993;Hope et al.，1995;Polissar et al.，1999，2001;Xu and Akhtar，2010)，當(dāng)某一網(wǎng)格中的nij小于研究區(qū)內(nèi)每個網(wǎng)格內(nèi)平均軌跡端點數(shù)的3倍時(Polissar et al.，2001)，就要使用Wij來減小PSCF的不確定性。

本文選擇包含95%以上的軌跡所覆蓋的地理區(qū)域為研究區(qū)。以沙塵相對多年為例，研究區(qū)的范圍為(55～125°E，25～65°N)，同時把該區(qū)域分成11 200個0.5°×0.5°的小網(wǎng)格。該區(qū)域內(nèi)的所有軌跡點數(shù)是142 784個，因此每個網(wǎng)格點平均的軌跡端點數(shù)大約是13個，即當(dāng)nij約小于40的時候，就要通過使用權(quán)重函數(shù)來減小PSCF的不確定性。本文參考Y.Q.Wang et al.(2006)，使用以下權(quán)重函數(shù)

2.3 濃度權(quán)重軌跡分析法

PSCF反映的是一個網(wǎng)格中污染軌跡所占的比例，不能反映污染軌跡的污染程度，即軌跡所對應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度比平均質(zhì)量濃度究竟大多少。因此PSCF只能給出潛在源區(qū)的分布，不能給出不同源區(qū)貢獻的相對大小。為了彌補PSCF的這個不足，本文用濃度權(quán)重軌跡分析法(concentration-weighted trajectory method，CWT)(Seibert et al.，1994;Hsu et al.，2003)，計算了軌跡的權(quán)重濃度，以反映不同軌跡的污染程度。在CWT分析法中，每個網(wǎng)格點都有一個權(quán)重濃度，它可以通過計算經(jīng)過該網(wǎng)格的所有軌跡所對應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度的平均值來實現(xiàn)。計算方法如下

其中:Cij是網(wǎng)格ij上的平均權(quán)重濃度;l是軌跡;Cl是軌跡l經(jīng)過網(wǎng)格ij時對應(yīng)的蘭州市PM10質(zhì)量濃度;τijl是軌跡l在網(wǎng)格ij停留的時間(Seibert et al.，1994;Stohl，1996)。在PSCF分析法中所用的權(quán)重函數(shù)Wij也適用于CWT分析法，以減少nij值較小時所引起的不確定性。當(dāng)Cij值較大時，說明經(jīng)過網(wǎng)格ij的空氣團會造成蘭州市較高的PM10質(zhì)量濃度，該網(wǎng)格所對應(yīng)的區(qū)域是對蘭州市高質(zhì)量濃度PM10污染有貢獻的主要外來源區(qū)，經(jīng)過該網(wǎng)格的軌跡就是對蘭州市PM10污染有貢獻的主要輸送路徑。

3 結(jié)果與討論

3.1 蘭州市春季PM10污染特征

根據(jù)沙塵暴數(shù)據(jù)資料，統(tǒng)計得到了2001—2008年蘭州市春季沙塵天氣發(fā)生次數(shù)(表1)，并按這8 a春季沙塵天氣發(fā)生次數(shù)，將其分為沙塵天氣相對多年(2001、2002、2004和2006年)和相對少年(2003、2005、2007和2008年)。

表1 2001—2008年蘭州市春季沙塵天氣發(fā)生次數(shù)Table 1 Number of dust days in spring during 2001—2008

蘭州市沙塵天氣相對多年春季PM10平均質(zhì)量濃度為238.8 μg·m－3(圖1)，其中超過平均值的天數(shù)達138 d;沙塵天氣相對少年春季PM10平均質(zhì)量濃度為157.2 μg·m－3(圖2)，高于平均濃度的有123 d。沙塵天氣相對多年P(guān)M10平均質(zhì)量濃度比相對少年高出34%。沙塵天氣相對多年和相對少年日均PM10質(zhì)量濃度都超過了國家二級標(biāo)準(zhǔn)限值150 μg·m－3，超標(biāo)率分別為67.7%和38.0%，其中分別有13.9%(51 d)和3.5%(13 d)為Ⅴ級重污染。

3.2 平均后向軌跡特征

3.2.1 平均后向軌跡輸送路徑特征

沙塵天氣相對多年和相對少年分別得到7組(聚類1—7)和6組(聚類1—3、5—7)不同的后向軌跡。各組的平均軌跡分布如圖3所示。軌跡的路線和方向表示氣團在到達受點(蘭州市)以前所經(jīng)過的地區(qū)，根據(jù)其長短可以判斷氣團移動的速度，長的軌跡對應(yīng)快速移動的氣團，短的軌跡對應(yīng)移動緩慢的氣團。西和西北方向的軌跡比其他方向的軌跡長，表明來自西方和西北方向的氣團移動都比較快。

沙塵天氣相對多年的7組軌跡中，與聚類1對應(yīng)的氣團來源于青藏高原北部腹地，青海和新疆交界處的沙漠戈壁地帶，這組軌跡沿東南方向移動，途經(jīng)柴達木盆地，在甘肅與四川交界處向北到達蘭州。聚類2和聚類3對應(yīng)的氣團均來自新疆境內(nèi)。聚類2對應(yīng)的氣團來自新疆南部的塔里木盆地，途徑塔克拉瑪干沙漠腹地，向東經(jīng)青海北部的柴達木盆地到達蘭州。聚類3對應(yīng)的氣團來自新疆北部的準(zhǔn)噶爾盆地，這組氣團向東南方向移動，進入甘肅境內(nèi)后，沿著河西走廊，到達蘭州。聚類4和5對應(yīng)的氣團來自蒙古國境內(nèi)的沙漠戈壁地帶，前者自蒙古國的西南部，向東南移動經(jīng)內(nèi)蒙古西部巴丹吉林沙漠，到達蘭州;后者自蒙古國中部，向南移動到達內(nèi)蒙古中部地區(qū)，經(jīng)騰格里沙漠后轉(zhuǎn)向西南，最后到達蘭州。聚類6和7對應(yīng)的氣團分別來自黃土高原地區(qū)，以及四川、陜西、甘肅交界地帶。

圖1 蘭州市春季沙塵天氣相對多年P(guān)M10質(zhì)量濃度分布Fig.1 Daily mean PM10mass concentrations in Lanzhou in spring of 2001，2002，2004 and 2006

圖2 蘭州市春季沙塵天氣相對少年P(guān)M10質(zhì)量濃度分布Fig.2 Daily mean PM10mass concentrations in Lanzhou in spring of 2003，2005，2007 and 2008

圖3 蘭州市春季后向軌跡聚類分析a.沙塵天氣相對多年;b.沙塵天氣相對少年Fig.3 Cluster-mean back-trajectories arriving in Lanzhou in spring of(a)2001，2002，2004 and 2006，and(b)2003，2005，2007 and 2008

為了便于與沙塵天氣相對多年的聚類分析結(jié)果進行對比，沙塵天氣相對少年各軌跡組的聚類標(biāo)號取與沙塵天氣相對多年氣團來源與輸送路徑相似的軌跡組的聚類標(biāo)號。沙塵天氣相對少年的6組軌跡與沙塵天氣相對多年相比少了聚類4。沙塵天氣相對少年和相對多年相似的輸送路徑在總軌跡中所占比例、污染軌跡在各組中所占比例以及各組所對應(yīng)的蘭州市PM10質(zhì)量濃度都存在明顯的差別(表2、3)。在沙塵天氣相對少年，聚類1對應(yīng)的氣團來自塔里木盆地南緣，經(jīng)新疆和青海、西藏交界地帶向東輸送，橫跨青海省南部后轉(zhuǎn)向北到達蘭州。雖然相對少年聚類3對應(yīng)的氣團也來自新疆北部的準(zhǔn)格爾盆地，但該組軌跡在甘肅省境內(nèi)的輸送路徑有些差異，途經(jīng)甘肅與內(nèi)蒙古交界的沙漠戈壁地帶后到達蘭州。聚類5對應(yīng)的氣團，在沙塵天氣相對少年沒有經(jīng)過寧夏境內(nèi)，而是從內(nèi)蒙古進入甘肅后到達蘭州。與沙塵天氣相對多年相比，聚類6在相對少年對應(yīng)的軌跡移動路徑偏南。

3.2.2 污染軌跡特征

根據(jù)3.1節(jié)給出的沙塵天氣相對多年和相對少年P(guān)M10的平均質(zhì)量濃度以及每條后向軌跡所對應(yīng)的蘭州市PM10日均質(zhì)量濃度，將后向軌跡劃分為清潔軌跡和污染軌跡。當(dāng)某條后向軌跡所對應(yīng)的蘭州市PM10日均質(zhì)量濃度小于平均質(zhì)量濃度時，就將其定義為清潔軌跡;當(dāng)其對應(yīng)的蘭州市PM10日均質(zhì)量濃度大于平均質(zhì)量濃度時，就將其定義為污染軌跡。表2和表3分別給出了沙塵天氣相對多年和相對少年每組聚類軌跡的軌跡數(shù)、所占比例及其對應(yīng)的蘭州市PM10日均質(zhì)量濃度以及每組聚類中污染軌跡數(shù)、污染軌跡所占比例及其對應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度。

從表2可以看出，沙塵天氣相對多年每組聚類中軌跡數(shù)占總軌跡數(shù)的百分比變化幅度較大，從最小的5.9%(聚類1)到最大的33%(聚類2);每組聚類中污染軌跡所占百分比變化也較大，從最小的16.4%(聚類7)到最大的52.7%(聚類2)。與沙塵天氣相對多年相比，相對少年變化幅度要小一些，每組聚類中軌跡數(shù)占總軌跡數(shù)的百分比最小為10.9%(聚類1)，最大為23.6%(聚類2)，污染軌跡所占百分比最小為20.4%(聚類6)，最大為47.8%(聚類1)。

在沙塵天氣相對多年，聚類2包含的軌跡數(shù)最多，聚類3次之。聚類2和3對應(yīng)的平均PM10質(zhì)量濃度分別為287.7 μg·m－3和275.5 μg·m－3，均大于沙塵天氣相對多年的平均值(238.8 μg·m－3)。這兩組聚類所包含的污染軌跡最多，占各自組的50%以上，說明聚類2和3對應(yīng)的氣團在輸送路徑上會攜帶較多的顆粒物到蘭州，造成蘭州市春季高質(zhì)量濃度PM10污染。聚類2和3是沙塵天氣相對多年影響蘭州市春季PM10污染水平的重要輸送路徑，其中聚類2對應(yīng)著沙塵移動的西方路徑，是影響蘭州市春季PM10質(zhì)量濃度的主要輸送路徑。聚類3對應(yīng)著沙塵移動的西北路徑，是影響蘭州市春季PM10質(zhì)量濃度的次要輸送路徑。聚類1、5、6、7與聚類2和3相比包含的軌跡數(shù)量少，對應(yīng)的蘭州市PM10質(zhì)量濃度也低于沙塵天氣相對多年平均值，污染軌跡所占比例也小，是沙塵天氣相對多年相對清潔的氣團輸送路徑。劉曉東等(2004)利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析了我國29個大城市春季大氣PM10質(zhì)量濃度與塔克拉瑪干沙區(qū)及其周邊地區(qū)上空沙塵活動的相關(guān)性，結(jié)果表明，該區(qū)大氣沙塵活動的強弱與中國西北地區(qū)(西寧、蘭州、銀川和西安)大氣PM10含量高低有顯著的正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合軌跡輸送路徑及污染軌跡特征，本文的研究結(jié)果與之類似。

表2 沙塵天氣相對多年每組聚類的軌跡數(shù)、每組聚類中軌跡占總軌跡百分?jǐn)?shù)及其對應(yīng)的蘭州市日均PM10質(zhì)量濃度Table 2 Number of trajectories，percentage of trajectories and polluted trajectories in each cluster and corresponding daily mean PM10mass concentration in Lanzhou in spring of 2001，2002，2004 and 2006

表3 沙塵天氣相對少年每組聚類的軌跡數(shù)、每組聚類中軌跡占總軌跡百分?jǐn)?shù)及其對應(yīng)的蘭州市日均PM10質(zhì)量濃度Table 3 Number of trajectories，percentage of trajectories and polluted trajectories in each cluster and corresponding daily mean PM10mass concentration in Lanzhou in spring of 2003，2005，2007 and 2008

在沙塵天氣相對少年，聚類2所包含的軌跡數(shù)和污染軌跡數(shù)最多，對應(yīng)的PM10平均質(zhì)量濃度為177.1 μg·m－3，大于沙塵天氣相對少年的平均值(157.2 μg·m－3)，在348條軌跡中有44%的軌跡所對應(yīng)的蘭州市PM10質(zhì)量濃度值大于平均值，聚類2是沙塵天氣相對少年造成蘭州市春季PM10污染的主要輸送路徑。從軌跡數(shù)量上看，聚類3、5、7所包含的軌跡都大于250條，但從對應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度以及污染軌跡所占比例來看，聚類5是反項于聚類2的輸送路徑，聚類3是第三重要輸送路徑。聚類7所對應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度小于沙塵天氣相對少年的平均值，而且只有22.4%的軌跡為污染軌跡，不是沙塵天氣相對少年影響蘭州市春季PM10質(zhì)量濃度的主要輸送路徑。聚類1中雖然有47.8%的軌跡所對應(yīng)的PM10質(zhì)量濃度大于平均值，但由于其所包含軌跡數(shù)占總軌跡數(shù)比例小，因此也不是影響蘭州市春季PM10質(zhì)量濃度的主要輸送路徑。與聚類2、5、3相比，聚類1、6、7是沙塵天氣相對少年的清潔路徑軌跡。

3.3 潛在源區(qū)分布及其相對貢獻

圖4給出蘭州市春季沙塵天氣相對多年和相對少年P(guān)SCF計算結(jié)果。圖中顏色越深，表示PSCF值越大，該網(wǎng)格區(qū)域?qū)κ茳c蘭州市PM10質(zhì)量濃度影響越大。從圖4a可見，沙塵天氣相對多年的高PSCF區(qū)域主要集中在新疆、青海和甘肅三省境內(nèi)，即造成蘭州市高PM10質(zhì)量濃度的潛在源區(qū)在新疆南部的塔里木盆地、東部的吐魯番盆地、青海北部的柴達木盆地和甘肅的河西走廊。這些潛在源區(qū)的氣團主要沿著聚類2和3所在的軌跡通過遠距離輸送到達蘭州。從圖4b可以清楚地看到，沙塵天氣相對少年的高PSCF值主要分布在新疆南部的塔里木盆地、青海境內(nèi)的柴達木盆地、青海、四川和甘肅交界的草原退化地帶以及內(nèi)蒙古中部和西部的沙漠戈壁，氣團攜帶著這些源區(qū)的顆粒物沿著聚類1、2和5軌跡輸送到蘭州，影響蘭州市PM10質(zhì)量濃度。沙塵天氣相對少年的PSCF最大值比沙塵天氣相對多年小3%左右，出現(xiàn)大值的網(wǎng)格數(shù)量占相對多年的1/4，沙塵源區(qū)對蘭州市PM10的影響較沙塵天氣相對多年要小得多。

圖4 蘭州市春季潛在源貢獻因子(PSCF)分布(顏色越深表示潛在源區(qū)對受點蘭州市PM10質(zhì)量濃度的影響越大)a.沙塵天氣相對多年;b.沙塵天氣相對少年Fig.4 Contribution of potential source of PM10in Lanzhou in spring during(a)2001，2002，2004 and 2006，and(b)2003，2005，2007 and 2008(Darker colors indicate potential sources of greater influence)

濃度權(quán)重軌跡CWT分布(圖5)給出了潛在源區(qū)對受點蘭州市PM10質(zhì)量濃度貢獻的大小。在沙塵天氣相對多年(圖5a)，新疆的塔里木盆地和吐魯番盆地，青海、新疆和甘肅交界的沙漠地區(qū)，青海的柴達木盆地以及甘肅河西走廊對蘭州市日均PM10質(zhì)量濃度貢獻在250 μg·m－3以上;在沙塵天氣相對少年(圖5b)，新疆南部塔克拉瑪干沙漠、新疆東部戈壁沙漠、內(nèi)蒙古中部和西部的戈壁沙漠以及青海柴達木盆地對蘭州市日均PM10質(zhì)量濃度貢獻在150～200 μg·m－3。此外，在沙塵天氣相對多年和相對少年，都有極少部分戈壁沙漠地區(qū)的貢獻值在250 μg·m－3，這些地區(qū)位于內(nèi)蒙古以及蒙古中部。

以上兩種確定潛在源區(qū)的方法得到的結(jié)果不盡相同。與PSCF方法相比，CWT方法得到的潛在源區(qū)更加詳盡，而且可以清晰地看到不同貢獻程度源區(qū)的分布情況。對于沙塵天氣相對多年，除了對蘭州市PM10質(zhì)量濃度貢獻在250 μg·m－3以上的強潛在源區(qū)，還有PM10質(zhì)量濃度貢獻在150～250 μg·m－3的中等強度潛在源區(qū)，它主要分布在強潛在源區(qū)的周邊地區(qū)。與PSCF方法相比，CWT方法得到的貢獻源區(qū)比PSCF方法多了內(nèi)蒙古境內(nèi)的沙漠戈壁源區(qū)、黃土高原源區(qū)和四川東部以及四川與甘肅、陜西交界地帶源區(qū)。其中前兩個源區(qū)對蘭州的影響相對小一些，不是主要的潛在源區(qū)，第三個源區(qū)也稱為南方源區(qū)(Y.Q.Wang et al.，2006)，由于該區(qū)沒有沙塵源地，且在輸送路徑上有較好的地表植被覆蓋和較多的降水影響，對蘭州的貢獻較弱，所以不是主要的潛在源區(qū)，但該區(qū)域PM10質(zhì)量濃度貢獻在150 μg·m－3以上，主要是人為源的貢獻。同時黃土高原源區(qū)與南方源區(qū)，一年中大部分時間都處于蘭州市的下風(fēng)區(qū)，也無法將這兩個區(qū)域認(rèn)為是蘭州市PM10的外來潛在源區(qū)。對于沙塵天氣相對少年，也有類似的分布特征，分布在最強貢獻源區(qū)周邊的中等強度潛在源區(qū)的質(zhì)量濃度貢獻在100～150 μg·m－3，相對最強源區(qū)而言，中等強度的源區(qū)分布面積要廣泛得多。與PSCF分析結(jié)果相比，最強沙塵源區(qū)增加了騰格里沙漠源區(qū)。與圖4b中PSCF結(jié)果相比，圖5b最大的特征是中等強度的源區(qū)大大增多，包括古爾班通古特沙漠邊緣地區(qū)、甘肅西北部地區(qū)和青海北部地區(qū)以及內(nèi)蒙古境內(nèi)的沙漠戈壁地區(qū)。從圖5還可以看出，沙塵天氣相對多年最強外來沙塵源區(qū)與相對少年相比不僅貢獻大很多，而且分布范圍也廣，中等強度源區(qū)分布面積與沙塵天氣相對少年相比要小一些。

圖5 蘭州市春季濃度權(quán)重軌跡(CWT)分布(顏色越深代表潛在源區(qū)的貢獻越大)a.沙塵天氣相對多年;b.沙塵天氣相對少年Fig.5 Distribution of concentration-weighted trajectory method analysis in Lanzhou in spring during(a)2001，2002，2004 and 2006，and(b)2003，2005，2007 and 2008(Darker colors indicate potential sources of greater influence)

簡而言之，影響蘭州市春季大氣PM10質(zhì)量濃度的潛在源區(qū)分布在新疆塔里木盆地、吐魯番盆地、青海柴達木盆地、甘肅河西走廊、內(nèi)蒙古中部和西部的沙漠戈壁地區(qū)，這些潛在源區(qū)可以概括為西方源區(qū)、西北源區(qū)(主要是塔克拉瑪干沙漠及其周邊地區(qū))和北方源區(qū)(主要是戈壁沙漠地區(qū))。

西方源區(qū)主要分布在新疆塔里木盆地以及周邊地區(qū)。地面天氣環(huán)流分析發(fā)現(xiàn)，塔克拉瑪干沙漠地區(qū)的大氣沙塵主要是通過青藏高原東北緣的繞流以及翻越高原東北部柴達木盆地的偏西風(fēng)輸送到西北東部地區(qū)，進而影響到當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量的(劉曉東等，2004)。西北源區(qū)主要分布在吐魯番盆地，主要也是通過偏西風(fēng)進行輸送。北方源區(qū)主要分布在戈壁沙漠地區(qū)。該區(qū)高空受西伯利亞冷空氣、鋒區(qū)和急流的影響，地面受鋒面系統(tǒng)和蒙古高壓的控制，為該區(qū)沙塵天氣頻繁發(fā)生提供了有利條件，在西北風(fēng)的作用下向東南方向輸送(Sun et al.，2001)。潛在源區(qū)上空沙塵活動的強弱跟蘭州大氣PM10的輸送強弱密切相關(guān)。有關(guān)文獻表明東亞大槽向西移動，隨之氣壓場出現(xiàn)西高東低的壓力偶極子，增強了西北氣流，大氣變得異常干燥，最終導(dǎo)致沙塵天氣頻繁發(fā)生(Yu et al.，2010)，反之，沙塵天氣減少。從行星環(huán)流上來說，帶狀波結(jié)構(gòu)的改變(增多)會導(dǎo)致沙塵天氣頻繁發(fā)生，這一改變需要考慮氣候因子的影響(Gong et al.，2007)。對于大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)影響大氣PM10的輸送機制的研究，科研工作者大多集中在個例分析，目前許多結(jié)論仍然具有爭議，需要進一步的分析和研究。

4 結(jié)論

本文利用空氣質(zhì)點后向軌跡聚類分析，潛在源貢獻因子(PSCF)和濃度權(quán)重軌跡(CWT)方法，結(jié)合蘭州市逐日PM10平均質(zhì)量濃度，研究了不同輸送軌跡類型與蘭州市PM10質(zhì)量濃度之間的關(guān)系，得到了蘭州市春季氣團主要輸送軌跡以及影響蘭州市春季大氣PM10質(zhì)量濃度的潛在源區(qū)及其貢獻大小。結(jié)果表明:

1)在沙塵天氣相對多年，西方路徑和西北路徑發(fā)生的比例最高，對蘭州市春季PM10質(zhì)量濃度影響最大;在沙塵天氣相對少年，西方路徑發(fā)生的比例最高，對蘭州市春季PM10質(zhì)量濃度影響較大。西方路徑與西北路徑對應(yīng)的潛在源區(qū)分別為西方源區(qū)和西北源區(qū)。

2)對于沙塵天氣相對多年，影響蘭州市春季大氣PM10質(zhì)量濃度的西方源區(qū)和西北源區(qū)主要分布在新疆塔里木盆地和吐魯番盆地、新疆、青海和甘肅交界地帶以及甘肅河西走廊;對于沙塵天氣相對少年，其西方源區(qū)主要分布在新疆塔里木盆地和吐魯番盆地和新疆、青海、甘肅交界地帶。

3)對于沙塵天氣相對多年和相對少年，還存在著不同強度的中等貢獻源區(qū)，包括北方源區(qū)、南方源區(qū)和黃土高原源區(qū)，其中北方源區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古境內(nèi)的沙漠戈壁地區(qū)，南方源區(qū)主要分布在四川、甘肅、陜西交界地帶，黃土高原源區(qū)主要分布在陜西中部地區(qū)，前者是潛在源區(qū)，后兩者是非潛在源區(qū)。總體來說，影響蘭州市春季大氣PM10質(zhì)量濃度的潛在源區(qū)有3個，它們分別是西方源區(qū)、西北源區(qū)、北方源區(qū)。雖然沙塵天氣相對多年和相對少年存在著相似的潛在源區(qū)，但是其源區(qū)所對應(yīng)的輸送路徑存在差別，不同源區(qū)對蘭州市春季大氣PM10質(zhì)量濃度的貢獻也存在差異。

需要強調(diào)的是，本文主要針對2001—2008年蘭州市春季的情況進行了研究，對由沙塵天氣攜帶的外來顆粒物引起的高質(zhì)量濃度PM10所造成的蘭州市區(qū)空氣質(zhì)量降低有普遍適用性，但不適用于蘭州市其他季節(jié)。在以后的工作中，將對蘭州市其他季節(jié)尤其是冬季的潛在源區(qū)分布和輸送路徑進行研究，結(jié)合個例分析以及高精度數(shù)值模擬，為改善蘭州市空氣質(zhì)量和周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境提供更加詳盡的科學(xué)依據(jù)。

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