劉婉莉，閆世明，王 雁，李冬梅，賀鈺清，張倩倩

（1.運(yùn)城市氣象局，山西 運(yùn)城 044000；2.山西省氣象科學(xué)研究所，山西 太原 030002；3.忻州市氣象局，山西 忻州 034000）

近年來，重污染天氣頻發(fā)，公眾健康受到嚴(yán)重影響[1]，特別是汾渭平原污染問題非常嚴(yán)重，已納入國務(wù)院環(huán)境重點治理區(qū)域[2]。地處汾渭平原中心區(qū)域的運(yùn)城盆地，西鄰黃河，位于呂梁山末端和中條山脈之間，海拔高度在330～360 m，由于其特殊地形，秋冬季重污染天氣問題尤為嚴(yán)重。根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的全國城市空氣質(zhì)量狀況月報，169 個城市按照空氣質(zhì)量綜合指數(shù)評價排名顯示（2018 年6月開始），運(yùn)城市2018 年11—12 月及2019 年秋冬季排名在倒數(shù)第2～倒數(shù)第24，空氣污染較嚴(yán)重[3]。重污染具有明顯的區(qū)域性特征，大氣污染既和本地排放源有關(guān)，也受外來污染物傳輸影響[4]。很多學(xué)者都對此進(jìn)行了研究[5-13]，陳朝暉等[14]得出華北區(qū)域大氣污染主要為西南路徑傳輸；蘇福慶等[15-16]分析認(rèn)為北京市污染物輸入通道來自邊界層西南氣流、東南氣流和偏東氣流；太原秋冬季污染物主要通道來自西南方向，重要潛在源區(qū)位于陜西省關(guān)中地區(qū)和山西省西南部[17]。近年來汾渭平原大氣污染問題受到很多關(guān)注，汾渭平原大氣顆粒物存在自甘南地區(qū)向東傳輸?shù)钠髀窂胶脱靥猩絺鬏數(shù)钠珫|北路徑[2]。上述研究多側(cè)重于工業(yè)發(fā)達(dá)城市，對以農(nóng)為主城市的污染源尚無涉及。不同地理位置污染物的輸送擴(kuò)散規(guī)律不同[18-21]，本文以運(yùn)城盆地為例，對污染嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)城市進(jìn)行污染物傳輸通道和源區(qū)研究，以期為大氣污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象數(shù)據(jù)來源于2017 年1 月—2019 年12 月NCEP 每日4 個時次的數(shù)據(jù)（00、06、12 和18 時），用于天氣形勢分析和后向軌跡計算。運(yùn)城無探空站，最近探空站西安站位于運(yùn)城西南約200 km，使用西安探空資料可以反映運(yùn)城上空大氣層結(jié)情況；環(huán)境資料來源于山西省運(yùn)城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心的2017—2019 年秋冬季逐日污染物資料（PM2.5、PM10、SO2、O3）和逐時PM2.5濃度資料。依據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量GB 3095-2012[22]和HJ 633-2012[23]，將空氣質(zhì)量按空氣質(zhì)量指數(shù)AQI分為6 級，其中AQI在201～300 為大氣重度污染，＞300 為嚴(yán)重污染。

1.2 方法

采用HYSPLIT4 后向模式計算山西運(yùn)城2017年1 月—2019 年12 月秋冬季的后向軌跡，該模式多用在大氣傳輸研究中[24]。本文的后向軌跡計算初始高度取為300 m，后向運(yùn)行時間為72 h，間隔1 h；采用二分K均值法[7]進(jìn)行聚類分析，用潛在源貢獻(xiàn)因子分析法（PSCF）[17，25]和濃度權(quán)重軌跡分析法（CWT）[17，26-27]識別污染潛在源區(qū)。PSCF 是基于氣流軌跡分析來識別可能源區(qū)[17，25]，本研究通過將氣團(tuán)運(yùn)動軌跡和PM2.5污染物濃度值結(jié)合給出潛在的污染排放源位置。CWT[17，26-27]是一種計算潛在源區(qū)氣流軌跡權(quán)重濃度，反映不同軌跡的污染程度的方法，能定量給出每個網(wǎng)格的平均權(quán)重濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)城市秋冬季大氣污染特征

根據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[22，23]，對2017—2019 年運(yùn)城環(huán)境監(jiān)測資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)運(yùn)城秋冬季重度污染天氣主要集中在1—2 月和11—12 月（表1）。其中1 月最多，重度污染在9～12 d，累計污染日數(shù)達(dá)到31 d；12 月次之，為2～10 d，累計污染日為20 d。本文重點研究此時段污染物傳輸特點，以下秋冬季均指這4 個月。

表1 2017—2019 年運(yùn)城秋冬季各月重度污染天數(shù)/d

2017—2019年秋冬季運(yùn)城主要污染物濃度平均值見表2。根據(jù)HJ 633-2012[23]，得出運(yùn)城秋冬季主要污染物為PM2.5和PM10，表明污染以顆粒物為主，其中PM2.5比PM10污染更嚴(yán)重。2017—2019 年秋冬季SO2濃度明顯下降，說明政府燃煤治理成效明顯，而顆粒物濃度變化不大，表明大氣污染治理尤其顆粒物污染治理仍任重道遠(yuǎn)。

表2 2017—2019 年秋冬季運(yùn)城主要污染物平均濃度/（ug/m3）

圖1 給出了2017—2019 年運(yùn)城秋冬季首要污染物占比情況，可見在運(yùn)城的秋冬季，顆粒物為首要污染物的天數(shù)占絕對主導(dǎo)地位（≥97%），其中PM2.5為首要污染物的天數(shù)占比非常顯著，達(dá)70%以上，其次為PM10（≥12.5%）。

圖1 2017—2019 年秋冬季各首要污染物占比情況

2.2 近地面風(fēng)場對PM2.5 濃度的影響

圖2 顯示了運(yùn)城市2017—2019 年秋冬季近地面風(fēng)場和空氣質(zhì)量的關(guān)系。由圖2a 可知，偏東風(fēng)（ENE 和E）出現(xiàn)頻率最高（合計達(dá)21.6%），出現(xiàn)污染頻率也較高；東南風(fēng)（SSE 和SE）次之（15.5%）。這是由于近地層氣流受運(yùn)城盆地東南部中條山脈的阻擋，在運(yùn)城盆地形成折返，導(dǎo)致PM2.5聚集，濃度升高，表明運(yùn)城市特殊地形對污染影響顯著。由圖2b可知，在不同風(fēng)速、風(fēng)向下PM2.5濃度差異顯著。靜風(fēng)或風(fēng)速＜2 m·s-1時，PM2.5濃度值較高，同時在弱西北風(fēng)時有PM2.5濃度大值中心，表明靜風(fēng)天氣易造成運(yùn)城PM2.5濃度積累，弱西北風(fēng)易導(dǎo)致重污染，同時還說明運(yùn)城的污染受到本地源影響很大；風(fēng)速為2～4 m·s-1時，東北風(fēng)和西南風(fēng)時的PM2.5濃度均高于其他風(fēng)向，說明弱東北風(fēng)和西南風(fēng)也能引起PM2.5濃度上升，表明區(qū)域傳輸過程對運(yùn)城PM2.5濃度存在明顯影響；當(dāng)西北風(fēng)向下且風(fēng)速＞2 m·s-1時，PM2.5濃度小，說明地面西北風(fēng)風(fēng)速＞2 m·s-1時有利于污染物清除。上述分析可知，運(yùn)城秋冬季近地層盛行偏東風(fēng)（ENE 和E），對應(yīng)污染頻率和PM2.5濃度較高，微（靜）風(fēng)天氣易造成運(yùn)城PM2.5濃度積累；西北風(fēng)風(fēng)速＞2 m·s-1時有利于污染物清除。

圖2 2017—2019 年運(yùn)城市風(fēng)頻（a）及風(fēng)向風(fēng)速（b）與PM2.5 濃度關(guān)系（單位：μg·m-3）

2.3 運(yùn)城市秋冬季PM2.5 輸送路徑

運(yùn)城秋冬季首要污染物為PM2.5，利用2017—2019 年秋冬季PM2.5的逐時資料，采用后向軌跡模式計算了到達(dá)運(yùn)城（35.0°N，111.0°E）的2017—2019 年秋冬季PM2.5的逐時后向軌跡，后向軌跡計算初始高度取300 m，運(yùn)行時間為72 h，間隔1 h；軌跡聚類分析采用二分K值法，得到了運(yùn)城市秋冬季PM2.5典型的5 類輸送軌跡（圖3）。軌跡路線和方向表示氣團(tuán)在到達(dá)計算點（運(yùn)城市）所經(jīng)過的區(qū)域，軌跡長短可判斷氣團(tuán)移速，長軌跡對應(yīng)快速移動的氣團(tuán)，短軌跡對應(yīng)移動緩慢氣團(tuán)[12]。由圖3 可知，5 類輸送軌跡中，西北軌跡（第3、4 類）占60.08%，偏西軌跡（第5 類）占16.61%，西南軌跡（第2 類）占12.06%，偏東方向軌跡（第1 類）占11.25%。其中第3 類軌跡沿西北路徑，氣團(tuán)自新疆北部、內(nèi)蒙西部、寧夏北部經(jīng)陜西北中部影響到運(yùn)城，此類占比最大（53.53%）；其次為第5 類軌跡（偏西方向），占比16.61%，粒子經(jīng)新疆南部、青海、甘肅南部等地經(jīng)陜西的關(guān)中地區(qū)到達(dá)運(yùn)城。這兩類軌跡都經(jīng)過西北沙漠、戈壁以及黃土高原地區(qū)，在大風(fēng)作用下，沿途攜帶大量粒子影響運(yùn)城。由于受秦嶺阻擋，氣流沿秦嶺北側(cè)向東傳輸，與李雁宇等[2]研究結(jié)論一致。第2 類軌跡（12.06%）沿西南方向，顆粒物經(jīng)四川盆地東部、陜西南部翻越秦嶺傳輸?shù)竭\(yùn)城盆地，此類路徑污染主要發(fā)生在中低層受西南氣流影響下，暖濕氣流輸送有利于顆粒物的形成。第1、4 類軌跡屬于回流性質(zhì)，第1 類軌跡沿偏東路徑，粒子由河南北部向偏西方向經(jīng)過三門峽傳輸?shù)竭\(yùn)城，占比較少（11.25%）；第4 類軌跡經(jīng)內(nèi)蒙古西北部、山西中北部移動到山西東南部，受太行山脈阻擋，在山西、河北、河南三省交界處折返，經(jīng)鄭州影響運(yùn)城，此類軌跡占比最小（6.55%）。偏東路徑比例較小與運(yùn)城東部和南部受太行山余脈和中條山屏障影響，冬季偏東氣流較少有關(guān)。

圖3 運(yùn)城2017—2019 年秋冬季PM2.5 軌跡輸送

分析5 種類型軌跡對應(yīng)的PM10濃度及PM2.5/PM10濃度值（表3），發(fā)現(xiàn)第3 類軌跡PM2.5/PM10值最低，第4、5 類軌跡次之。一般PM2.5/PM10＜0.5，能夠指示比較強(qiáng)的沙塵輸送特征，但是第3～5 類軌跡PM2.5/PM10濃度值均＞0.5，說明這3 類軌跡起源雖然是沙塵源區(qū)，但其路徑經(jīng)過的區(qū)域仍有人為污染的特征（PM2.5的濃度也較高）。例如軌跡5 雖然起源于沙漠、戈壁等地區(qū)，但也同樣經(jīng)過甘肅和陜西等地的一些人口較為密集、人類生產(chǎn)活動較為活躍的城市，說明這些區(qū)域的人為污染也對運(yùn)城市的PM2.5產(chǎn)生較大的影響；而第1、2 類軌跡PM2.5/PM10值高，說明軌跡1 和軌跡2 以區(qū)域污染輸送為特征。

表3 運(yùn)城市秋冬季5 種聚類軌跡顆粒物（PM2.5、PM10）濃度及平均移動速度

第3 類軌跡（西北方向）是外來污染物輸送到運(yùn)城的主要軌跡（占比最高），其次為第5 類軌跡（PM2.5平均濃度最高），第2 類軌跡（PM10和PM2.5平均濃度均為次高）也是影響運(yùn)城重污染的主要路徑。秋冬季運(yùn)城市出現(xiàn)污染時，來自西北或偏西方向的沙漠、戈壁及黃土高原地區(qū)的顆粒物遠(yuǎn)距離快速輸送對運(yùn)城顆粒物貢獻(xiàn)大，但這些地區(qū)的人為污染同樣對運(yùn)城有一定影響；其次為西南方向，自四川盆地北部，經(jīng)陜西南部到運(yùn)城盆地。

圖4 為運(yùn)城市秋冬季PM2.55 類軌跡的垂直分布。5 類軌跡中，第5 類長距離軌跡（偏西方向）傳輸高度最高，達(dá)2.5 km；第3 類長距離軌跡（西北方向）傳輸高度在2.0 km 以上，傳輸過程呈現(xiàn)緩慢下沉的特點，說明這兩類氣團(tuán)都是快速向下游輸送，接近目標(biāo)城市迅速下沉；第2 類軌跡（西南方向）的氣團(tuán)運(yùn)動速度和傳輸高度均明顯低于第3、4 類和第5類軌跡，軌跡高度基本在1.0～1.5 km，高度較低，軌跡較短，屬于近距離傳輸，在傳輸中具有先緩慢上升后快速下降的特點；第1 類軌跡傳輸距離最短，垂直方向傳輸高度在5 類軌跡中高度最低，在0.5～1.0 km，接近目標(biāo)有突然下降的特點，軌跡短，高度低，污染物愈容易向下游傳輸[17]，因此第1 類軌跡對運(yùn)城污染有一定影響。可見，影響運(yùn)城PM2.5濃度的傳輸軌跡主要為第1、2、3 類和第5 類軌跡，其中第3 類、5類軌跡屬于遠(yuǎn)距離傳輸，且傳輸高度高，而第1、2 類軌跡屬于近距離傳輸，傳輸高度低。

圖4 運(yùn)城市秋冬季PM2.5 5 類聚類軌跡垂直分布

在各聚類軌跡下運(yùn)城PM2.5等級分布情況見表4。第5 類軌跡下重度污染以上出現(xiàn)幾率最高，占比37.1%；其次為第2 類軌跡，出現(xiàn)重度以上污染比重為34.2%，且其嚴(yán)重污染占比最高，為9.7%；第3 類軌跡下出現(xiàn)重度污染以上占比18.9%；第4 類軌跡優(yōu)良天數(shù)占比最多，達(dá)到50.2%；第1 類軌跡良到輕度污染占比達(dá)60.9%。表明第5 類、第2 類軌跡下容易發(fā)生重度污染天氣，其中第5 類軌跡重度污染占比最多，說明第5 類、第2 類軌跡雖然出現(xiàn)概率較小，但只要一出現(xiàn)就容易發(fā)生重度污染和嚴(yán)重污染；第4 類、第1 類軌跡輕度污染以下比重大，屬于清潔軌跡。綜上可知，第5 類軌跡（偏西方向）和第2 類軌跡（西南方向）出現(xiàn)重污染和嚴(yán)重污染概率大，其次為第3 類軌跡（西北方向），為運(yùn)城主要的重污染傳輸路徑。

表4 運(yùn)城市各聚類軌跡下PM2.5 不同等級發(fā)生時所占的比重/%

2.4 主要的重污染傳輸軌跡天氣形勢

對主要的重污染傳輸軌跡天氣形勢進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，第3 類軌跡（西北方向）和第5 類軌跡（偏西方向）導(dǎo)致重污染對應(yīng)的天氣形勢為：500 hPa 高度場中高緯地區(qū)主要為兩槽一脊（圖5a），貝加爾湖地區(qū)為高壓脊，形成阻高，阻擋極地冷空氣南下，運(yùn)城受脊前西北氣流影響；700 hPa（圖5b）處于脊前西北氣流；850 hPa 溫度場高原東部到河套地區(qū)受暖脊控制；地面氣壓場一般為高壓前底部型（圖5c）或均壓場型，運(yùn)城風(fēng)力很小。因為運(yùn)城無探空站，使用最近的西安站探空來反映運(yùn)城上空大氣層結(jié)情況（圖5d）。近地層925、700 hPa 附近存在逆溫層，大氣層結(jié)穩(wěn)定，風(fēng)力小，不利于西北或偏西方向傳輸?shù)奈廴疚飻U(kuò)散，導(dǎo)致運(yùn)城出現(xiàn)重污染天氣。

圖5 2017 年12 月4 日08 時500 hPa 高度場（a）、700 hPa 高度場（b）、地面氣壓場（c）及西安探空（d）（實心圓點為運(yùn)城位置）

第2 類軌跡（西南方向）對應(yīng)重污染天氣形勢為：500 hPa 高度場上受緯向環(huán)流影響，河套地區(qū)一般為平直偏西氣流（圖6a）；700 hPa（圖6b）和850 hPa運(yùn)城處于槽前西南氣流；地面氣壓場一般對應(yīng)為高壓前底部（圖6c）、底部或均壓場。探空圖上（圖6d），925 和700 hPa 附近都存在逆溫層，穩(wěn)定的大氣層結(jié)不利于污染物顆粒擴(kuò)散，此種形勢天氣一般為陰到多云。當(dāng)500～700 hPa 高度場上運(yùn)城處于槽前西南氣流時，850 hPa 受槽前西南或偏南氣流影響時，地面氣壓場一般對應(yīng)為高壓底后部時，對應(yīng)為陰雨天氣，此類個例出現(xiàn)較少。

圖6 2017 年1 月26 日08 時500 hPa 高度場（a）、700 hPa 高度場（b）、地面氣壓場（c）和西安探空（d）（實心圓點為運(yùn)城位置）

2.5 PM2.5 潛在源區(qū)

本文采用潛在源貢獻(xiàn)因子分析法（PSCF）和濃度權(quán)重軌跡分析法（CWT）來分析潛在污染來源和貢獻(xiàn)大小。用PM2.5濃度資料，基于2017—2019 年秋冬季的后向軌跡來進(jìn)行PSCF計算，以期得到運(yùn)城市大氣污染的潛在源。運(yùn)城市秋冬季污染的PM2.5潛在源區(qū)貢獻(xiàn)計算結(jié)果如圖7，PSCF的值越大，顏色越深，表明該網(wǎng)格對運(yùn)城市PM2.5的影響越大。

對運(yùn)城市PM2.5影響較大即PSCF高值區(qū)（潛在貢獻(xiàn)0.8 以上）主要位于西南部包括四川東部、陜西南部片區(qū)，其次位于西北部包括新疆東南、甘肅的東南部地區(qū)等區(qū)域（圖7）。西南部潛在源區(qū)的氣團(tuán)通過第2 類軌跡進(jìn)行近距離輸送，經(jīng)四川東部、陜西南部、關(guān)中地區(qū)等區(qū)域影響運(yùn)城。西北潛在源區(qū)的氣團(tuán)主要沿著第5 類軌跡通過遠(yuǎn)距離沿秦嶺經(jīng)關(guān)中地區(qū)快速輸送到運(yùn)城。山西東南部氣團(tuán)經(jīng)河南西北部通過第1 類軌跡近距離輸送的潛在貢獻(xiàn)也在0.7 左右。另外西北地區(qū)貢獻(xiàn)在0.6～0.7 的潛在源區(qū)主要通過第3 類軌跡遠(yuǎn)距離輸送影響運(yùn)城，雖然該潛在源區(qū)出現(xiàn)污染的概率較小，但經(jīng)過該區(qū)域的軌跡幾率很大（53.53%），因此其對運(yùn)城的污染傳輸?shù)挠绊懖豢奢p視。

圖7 運(yùn)城市秋冬季潛在源區(qū)貢獻(xiàn)分析

基于PM2.5濃度，運(yùn)用CWT分析可以進(jìn)一步確定潛在源區(qū)的權(quán)重濃度，CWT的計算結(jié)果見圖8。CWT值越大，表示該網(wǎng)格區(qū)域?qū)\(yùn)城PM2.5質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)越大，將CWT＞120 μg·m-3的區(qū)域定義為主要貢獻(xiàn)區(qū)。由圖8 可知，對運(yùn)城PM2.5值貢獻(xiàn)超過150 μg·m-3的區(qū)域主要是甘肅東南部、陜西南部及河南東南部等地。對運(yùn)城PM2.5貢獻(xiàn)超過120 μg·m-3的地區(qū)是新疆東南部、甘肅中部和東南部、陜西中南部、四川東部、重慶北部及河南東南部等地區(qū)。上述區(qū)域?qū)\(yùn)城市秋冬季PM2.5的貢獻(xiàn)均在120 μg·m-3以上，是重要的潛在源區(qū)[17]。

圖8 運(yùn)城市秋冬季濃度權(quán)重軌跡分析（黑色實心圓點為運(yùn)城位置）

通過對運(yùn)城秋冬季PM2.5的輸送路徑結(jié)合潛在源區(qū)分析得出，運(yùn)城大氣污染物PM2.5潛在源區(qū)主要位于陜西南部、四川東部地區(qū)，通過西南方向（第2類軌跡）近距離區(qū)域傳輸；其次位于西北地區(qū)包括新疆東南、甘肅的東南部等地區(qū)，主要通過偏西路徑（第5 類軌跡）遠(yuǎn)距離快速輸送到運(yùn)城，對運(yùn)城的PM2.5貢獻(xiàn)很大，是導(dǎo)致運(yùn)城秋冬季重度污染的重要原因之一；再次西北地區(qū)貢獻(xiàn)在0.6～0.7 的潛在源區(qū)通過第3 類軌跡遠(yuǎn)距離輸送也對運(yùn)城影響較大，說明運(yùn)城秋冬季PM2.5的濃度除了受來自汾渭平原西南部的顆粒物區(qū)域輸送影響，還受來自偏西或西北方向新疆、甘肅的遠(yuǎn)距離顆粒物傳輸?shù)挠绊憽Ｒ恍＜襕17，28-29]對西安、鄭州和太原重污染的傳輸軌跡和潛在源區(qū)進(jìn)行研究，認(rèn)為山西南部也是西安、鄭州和太原重污染過程污染物輸送的來源地之一。說明運(yùn)城作為汾渭平原的中心地區(qū)，汾渭平原周邊的污染物對其影響是相互的，所以不僅要加強(qiáng)區(qū)域間聯(lián)防聯(lián)控，還要加大西北防護(hù)林建設(shè)，才能有效提高大氣污染治理成效，改善大氣質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1）運(yùn)城重污染天氣主要集中在每年的1—2 月和11—12 月，PM2.5為運(yùn)城秋冬季首要污染物。偏東風(fēng)對應(yīng)污染頻率較高，靜風(fēng)時PM2.5濃度較高，弱偏東風(fēng)和西南風(fēng)也會引起PM2.5濃度升高。秋冬季西北、偏西軌跡和西南軌跡是外來污染物輸送運(yùn)城的主要軌跡，其中偏西和西南軌跡上容易出現(xiàn)重度污染和嚴(yán)重污染。

（2）重污染主要傳輸路徑對應(yīng)的天氣形勢為：500 hPa 高度場上一般為兩槽一脊或平直偏西氣流，地面氣壓場對應(yīng)高壓前底部或均壓場；在700～850 hPa 高度場，西北和偏西軌跡對應(yīng)脊前西北氣流影響，而西南軌跡對應(yīng)槽前西南氣流。探空圖上在925 和700 hPa 附近都存在逆溫層，近地層大氣層結(jié)穩(wěn)定不利于污染物擴(kuò)散。

（3）運(yùn)城污染的潛在源區(qū)主要位于陜西南部、四川東部地區(qū)和新疆東南、甘肅的東南部等地區(qū)，分別通過西南方向路徑進(jìn)行近距離區(qū)域傳輸和通過偏西或西北路徑遠(yuǎn)距離傳輸。建立汾渭平原及周邊區(qū)域聯(lián)防、聯(lián)控機(jī)制和西北防護(hù)林防沙、固沙建設(shè)對運(yùn)城污染防控十分必要。