广州地区大气污染物输送通道的特征

王世强，黎伟标，邓雪娇，*，邓 涛，李 菲，谭浩波（.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东省区域数值天气预报重点实验室，广东 广州 50080；.中山大学环境科学与工程学院，广东 广州 5075；3.珠海市气象局，广东 珠海 59000）

广州地区大气污染物输送通道的特征

王世强1，2，3，黎伟标2，邓雪娇1，2*，邓 涛1，李 菲1，谭浩波1（1.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东省区域数值天气预报重点实验室，广东 广州 510080；2.中山大学环境科学与工程学院，广东 广州 510275；3.珠海市气象局，广东 珠海 519000）

运用NCEP的GDAS全球气象要素资料与HYSPLIT后向轨迹模式，计算广州地区2010～2012年逐日72h后向轨迹，利用聚类分析方法，分析了广州地区污染物输送通道垂直特征， 计算不同输送通道下广州市颗粒物浓度日均值，同时分析污染物在输送过程中跨越边界层的特征.结果表明：广州地区近地面污染物输送通道可以分为局地、东北路、北路、西北路、东路、南路，不同输送路径对应的PM2.5浓度存在显著差异.局地与东北路输送时，PM2.5浓度最大，北路次之，东路较小，南路输送时最小.西北路输送时，PM10中粗粒子比重明显增加.影响广州地区主要为湖南东南部、江西中部及东南沿海，超过1000m高度的轨迹数所占百分比为16.1%，而低于500m高度的轨迹数所占百分比为 73.1%，近地面污染物的输送主要发生在边界层内部.

大气污染物输送通道；后向轨迹；聚类分析；广州地区

目前我国大气污染呈现区域性污染特征［1-3］.有效的污染控制不仅需要详细了解污染物排放源，更需要了解空气中污染物的转化和输送过程.在短时间内污染物排放相对稳定的情况下，研究污染物的输送过程显得尤为重要.从本地区长时间、大量的后向轨迹（到达本地区的空气微团的运动轨迹）中可以了解到本地区主要的大气输送过程，确定该地区污染物输送的通道，有助于了解其他地区对本地区空气质量变化的影响［4-10］.

近年来，国内外关于污染物输送进行了许多研究.苏福庆等［11］在对北京市外来污染物的研究中，引入了“输送通道”的概念，指出影响北京的时间和空间稳定的风带即输送通道，而后讨论了华北地区边界层污染物的汇聚系统［12］.王艳等［13］的研究表明，影响长三角地区低层大气的输送气流主要来源于蒙古、华北或东北地区，另外， 西南方向也是比较重要的输送途径.王芳等［14］的研究表明，广州市大气污染较重时段主要受特殊气象条件和珠江三角洲地区污染物排放的影响.Hafner等［15］分析了不同时间长度的轨迹簇对美国西部三个国家公园的PM2.5和降水的预测能力.Hernandez-Ceballos等［16］研究了不同层次的输送对伊比利亚半岛地区垂直温度和湿度的影响.王茜［17］利用轨迹模式研究上海大气污染的输送来源，结果表明冬、春和秋季，较易受到来自西北、西南等区域的大陆性气流影响，夏季主要受较清洁的海洋性气流影响.上述研究多从单层输送角度揭示其他区域对本区域的影响，对输送气流轨迹的垂直结构特征缺乏深入认识.本文利用后向轨迹以及聚类分析方法，统计分析2010～2012年广州市72h后向轨迹，了解广州地区污染物输送轨迹的垂直结构特征，分析近地面污染物输送通道对于广州空气质量的影响，以及在输送过程中气团轨迹在边界层穿越交换的位置特征.

1 资料和方法

1.1 资料来源

后向轨迹模式采用由NCEP为研究空气轨迹和大气扩散而同化模拟的GDAS气象资料，空间分辨率为1°×1°，时间分辨为3h（00：00，06：00，12：00，18：00为同化资料，03：00、09：00、15：00、21：00为模式预报），垂直方向采用气压坐标，有23层，其中500hPa以下有12层.气象要素资料有地表气象要素资料（29种），主要有地表气压、10m风速、2m相对湿度等，垂直层要素（6种）有位势高度、温度、水平风速（U、V）、压力垂直速度、相对湿度.资料下载地址：ftp：//arlftp.arlhq.noaa. gov/pub/archives/gdas1.

使用广州番禺大气成分观测站的颗粒物浓度数据、地面风速、相对湿度和降水资料代表广州市地面空气状况.

1.2 模式和研究方法

为了解污染物随气流的运动轨迹，使用美国海洋与大气研究中心（NOAA）和空气资源实验室ARL（Air Resources Laboratory）联合开发的混合单粒子拉格朗日积分传输、扩散模式HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model），该模式可以直观地了解大气中气团和粒子运动的轨迹，广泛应用于大气污染物输送研究［18］.模式平流计算中的气团运动轨迹是气团被风输送时移动位置的时间综合.

气团的输送是通过气块初始位置P（t）和它第一猜值位置P＇（t+Δt）的三维速率向量的平均计算得到的.速率向量进行线性时间和空间内插.

第一猜值位置为：

最终位置为：

其中： Δt为时间步长，要求Umax （grid-units/ min）Δt （min） ＜0.75 （grid-units），Umax为最大风速，grid-units为格距.以下各时间步长依此类推，气团的轨迹就为气团在空间和时间上的位置矢量的积分［19］.

在轨迹的计算过程中存在着一定的误差，而且大量的轨迹也不利于分析和研究，有必要对大量轨迹进行统计分类，确定特定区域的污染物输送通道.在一个地区的后向轨迹群中，大量的轨迹具有相似的路径，形成区域中的不同方向的污染物输送通道.聚类分析是一种多元统计方法，将相似速度和来向的轨迹进行合并，代表一个特定的污染物输送通道，广泛地应用于大气污染输送研究［20-21］.通过分析不同污染物输送通道对一个地区污染物浓度的影响，评估不同区域对本地区污染的贡献.本文所采用的聚类方法为系统聚类方法中的Ward's最小方差法［22］.

Ward's方法基本思路是先将n个样本各自归为一类，然后每次减小一类，每减小一类其离差平方和就要增大，选择使整个类内的平方和增大最小的两类合并，直至样本归为一类.应用该方法最后得到的N类分组组合后，统计的各点的距离方差总和比其他任意分为N类的距离方差总和要小.系统聚类方法可以给出所有可能的分类，最终得到每个聚类数最优组合，但究竟分为几类较难确定，还必须人为决定［23］.

2 结果和讨论

2.1 不同高度输送通道特征

为了解广州地区不同高度污染物的输送通道特征，以广州番禺大气成分观测站（22.93°N，113.32°E）为后向轨迹终点，计算2010～2012年逐日00：00（UTC）的72h后向轨迹（共1092条），依据轨迹的输送特征（来向、速度、位置），聚类为不同的轨迹簇，代表不同高度层污染物输送通道.72h后向轨迹可以较好地反应污染物跨区域输送的特征.轨迹终点高度10m代表近地面高度，500m代表边界层中部高度，1500m代表边界层顶高度，3000m代表自由大气高度.同时，对不同季节近地面高度的各类输送通道对地面颗粒物浓度以及气团在输送过程中的交换作用进行分析.为方便讨论分析，以不同轨迹簇的来向对输送通道进行命名，同时用F、N分别表示远、近程输送，对在本地缓慢移动打转的轨迹定义为局地输送（L）.

不同高度污染物输送通道如图1所示，在不同高度，不同来向输送频率的差异很大，不是所有来向输送都出现，如在10m高度的西路输送和3000m高度的东北路输送都未出现.

图1 广州地区大气污染物输送通道垂直结构Fig.1 The vertical structures of air pollutant transport channel in Guangzhou

北路输送从底层到高层，轨迹频数由39%减少至15%.在1500m高度以下，分为近、远两支.近支输送主要来自江西、湖南、湖北等地区，远支主要来自华北和西北地区.在3000m高度，受西风带系统影响，北路输送演化为偏北局地输送，轨迹集中在广东省北部地区附近，呈半圆型路径.北路输送主要代表北方气流携带污染物输送至广州地区，由于广东北部山脉的阻挡绕流作用，在边界层内，北路输送集中经过广东北部的112°E～116°E区域.

东北路输送主要在边界层内出现，随高度增加频率减少.主要来自浙江、福建东侧沿海地区，途径台湾海峡，进入珠三角地区.

东路输送从底层到高层，轨迹频数短暂增加后减少.近支主要来自广东东侧近海及台湾岛附近海域，远支主要源自西太平洋海域，横跨南海东北部，经过珠三角东南部到达广州地区上空.

南路输送轨迹频数稳定在25%左右，随高度增加，逐渐受西风影响，由偏东南路径变为偏西南路径.主要来自南海及中南半岛南部地区.

西路输送从底层到高层，轨迹频数逐渐增加.在10m高度没有独立的轨迹簇出现，在500m和1500m高度出现西路局地输送（12%、16%），主要来自广西地区，缓慢移动至广州地区.在3000m高度，由于西风带作用，轨迹集中在纬度圈附近.

2.2 广州地区近地面不同输送通道对应的污染物浓度

受不同季节气象条件的影响，不同季节期间广州地区颗粒物浓度不同.为定量描述不同输送通道出现时段广州地区颗粒物浓度，分别对春夏秋冬四季逐日00：00近地面（10m）的72h后向轨迹进行聚类分析，确定不同季节污染物输送通道，计算不同输送通道下广州地区的颗粒物浓度.

根据清华大学制作的2010年我国PM2.5年排放总量分布（图2，分辨率为0.25°），从我国PM2.5排放量来看，我国华北、华东地区排放量最大，区域污染特征最为明显，范围最广，大部分地区达到100t/（a.格点）以上，其次为东北地区、成都重庆地区和广东地区排放量在50t/（a.格点）以上.华南地区主要排放源在珠三角地区，排放量在300t/（a.格点）以上，福建浙江沿海地区、江西北部、湖南东部排放量都很大.结合排放源区域分布以及输送通道，可以分析污染物的来源及输送状况.

图2 2010年中国大陆PM2.5年源排放分布Fig.2 Spatial distribution of PM2.5emissions in China Mainland

由图3与表1可见，春季，受北方冷空气以及东北季风影响，地面盛行北风与东北风.来自湖南、江西交界处的北路近支输送和来自东南沿海的东北路输送、东路近支输送对应PM10平均值较高，在70μg/m左右.由于北路远支输送一般对应风速较大，同时对应较多降水，颗粒物浓度相对较低.南路输送为清洁的海上空气输送，对应颗粒物浓度最低.夏季，受东亚季风系统与东风带影响，地面盛行西南风与东风，大气层结相对不稳定，有利于对流发生发展与边界层的混合作用，地面颗粒物浓度相对于其他季节较低.对于南路输送，正南路输送颗粒物浓度最低，降水最多，输送路径越接近陆地，颗粒物浓度越大.局地输送时，污染物易于堆积，不利扩散，此时浓度最大.秋季，由夏季风转为冬季风，广州地区风向逐渐转为以偏北风为主.此时，东北路输送时污染物浓度最大，北路近支和局地输送次之.东路远支和南路输送时，由于气团以清洁空气为主，浓度最低.冬季，受冬季风系统影响，广州地区盛行偏北风和北风.当输送路径为西北路时，PM10颗粒物浓度最大，在110μg/m左右，同时PM2.5与PM10的比值为56%，远低于其他输送通道的75%左右.广州地区细粒子比例一般较大［24］，很少出现粗粒子占PM10将近一半的情况［25］.说明当气团来自西北地区时，粗颗粒物比例显著提高.东北路输送和局地输送次之.

从季节来看：冬、春和秋季，广州地区容易受到大陆性气流以及沿东南海岸线气流的影响，这些地区人为排放较大，造成较高的PM10浓度，且北路输送的粗颗粒物比例大于东路输送.夏季主要来自海洋的清洁气流，颗粒物浓度较小［26］.

图3 广州地区不同季节近地面（10m）污染物输送通道（标注点间隔为12h）Fig.3 Pollutant transport channels（10m） in different seasons at Guangzhou region

从输送通道分类来看：局地输送时，气团在区域内部缓慢徘徊，不利于污染物扩散，造成较高的PM10浓度；东北路输送时，气流将沿海岸线工业带的污染物带至广州地区，PM10浓度较高，影响大于北路输送；北路近支源自江西省北部，途径江西中部进入广州地区，主要污染物来自江西地区的排放，远支源自华东华北地区，为我国污染物排放量巨大的地区，但由于风速较大，输送路途较远，颗粒物大多数已经沉降，两者PM10浓度相差不大，同时相对湿度较低，浓度小于局地输送和东北路输送；当输送路径为西北路时，源地为西北地区，颗粒物直径较大，PM2.5与PM10比值较小；东路远支输送时，途径陆地和近海距离较短，PM10浓度较小；南路输送时，由于源自海洋地区，空气清洁，PM10浓度最低.

表1 广州地区不同季节近地面（10m）污染物输送通道对应的地面PM浓度Table 1 The surface PM concentrations corresponding pollutant transport channels （10m） in different seasons at Guangzhou region

2.3 污染物来源分析

为研究广州地区污染物输送通道的近地面输送特征，计算2010～2012年3年每日4个时次（00：00、06：00、12：00、18：00）10m高度的72h后向轨迹（共4380条，每小时1个轨迹点），将轨迹点分布在0.5°×0.5°的网格点中，考察轨迹点分布特征.

为研究污染物在输送过程中边界层和自由大气的交换过程，将所得后向轨迹分为3类：A、轨迹高度未超过500m高度的轨迹，代表气团在输送过程中只在边界层下层；B、轨迹高度高于500m高度，未超过1000m高度的轨迹，代表气团在输送过程中只在边界层中上和低层交换，并确定气流进入500m高度的位置；C、轨迹高度曾超过1000m高度的轨迹，代表气团在输送过程中自由大气与边界层气团交换，并确定气团进入1000m高度（边界层高度）的位置.

由图4可见，影响广州地区较大的区域为湖南中部、江西大部分地区以及浙江福建沿海地区.低于500m高度的轨迹数占总数的73.1%，主要为北路、南路的大部分和东北路的一部分；高于500m低于1000m高度的轨迹数占总数的10.8%，主要为北路和东北路的小部分，气团进入500m高度位置主要在广东与江西交界处以及东南沿海海域；高于1000m高度的轨迹数占总数的16.1%左右，主要为北路远支和东北路的小部分，气团进入边界层的位置在广东东部、江西中部、东南沿海地区，由于气团来自边界层外，输送距离较远，轨迹点分散于我国大部分地区.

地形对于低层地面的气流输送具有显著的影响.广东与江西湖南交界南岭山脉、与福建交界的武夷山脉，对北路和东路的气流有阻挡和绕流作用；台湾海峡特殊的地形，以及福建沿海丘陵地带和广东东部莲花山脉与台湾的中央山脉构成了一个深而长的“走廊”，导致台湾海峡的“狭管”效应十分显著，使得东北路沿海岸线输送相对集中；南部为南海，南路气流可以畅通无阻的到达广州地区；西部为东北-西南走向的云开大山，且广东位于低纬度地区，低层西向气流较少，因此西路输送较少.

通过对广州地区的污染物输送通道分析可知，影响广州地区污染物输送主要为：北路，途径湖南东部、江西中西部地区，由广东东北部到达广州地区，大部分为边界层内部污染物输送；东北路，途径浙江福建沿海地区，沿东南海岸线输送，一半左右从边界层外部进入边界层；南路，源自海洋地区，基本在边界层以内输送.

图4 广州地区10m高度全年后向轨迹点分布Fig.4 The track points distribution at 10m in Guangzhou

由于GDAS资料时空分辨率偏低，对轨迹计算精确度有一定的影响，本文对于不同输送通道对广州地区颗粒物浓度的影响主要为定性分析，在未来的工作中，将利用高分辨率精细化中尺度气象模式结合污染源与化学模式和轨迹模式，得到较精细的气象场资料和污染源排放情况，定量分析区域间空气质量的相互影响.

3 结论

3.1 广州地区垂直方向污染物输送通道可分为六类：北路、东北路、东路、南路、西路、局地输送.随高度增加，不同输送频率变化不同：北路逐渐减少，至高层与局地输送合并；东北路逐渐较少，最终消失；东路先增加，后减少；南路基本不变；西路在500m高度以局地输送形式出现，并逐渐增加；局地输送在不同高度与其他支路输送合并.

3.2 受季风气候影响，广州地区近地面污染物输送具有明显的季节特征，秋冬季以北路近支为主，春季以东路近支为主，夏季以南路为主.局地输送和途径东南沿海的东北路输送时，PM2.5浓度最大，途径湖南、江西的北路近支输送次之，来自南海的南路输送最小，西北路输送时，粗颗粒物所占比重明显增加.

3.3 影响广州地区主要区域为湖南东南部、江西中部及东南沿海地区.到达地面的轨迹中83.9%在边界层内部，气团进入边界层的位置集中在在广东东部、江西中部、东南沿海地区.

［1］毛节泰，张军华，王美华.中国大气气溶胶研究综述 ［J］. 气象学报， 2002，60：625-634.

［2］吴 兑.近十年中国灰霾天气研究综述 ［J］. 环境科学学报，2012（2）：257-269.

［3］张远航.谈珠三角空气污染 ［J］. 环境， 2008，6：72-73.

［4］张远航，邵可声，唐孝炎.中国城市光化学烟雾污染研究 ［J］. 北京大学学报， 1998，34：392-400.

［5］张保安，钱公望.中国灰霾历史渊源和现状分析 ［J］.环境与可持续发展， 2007，1：56-58.

［6］Smith M， SkjØth C A， Myszkowska D， et al. Long-range transport of Ambrosia pollen to Poland ［J］. Agric For Meteorol，2008，148：1402-1411.

［7］赵 恒，王体健，江 飞，等.利用后向轨迹模式研究TRACE-P期间香港大气污染物的来源 ［J］. 热带气象学报， 2009，25（2）：181-186.

［8］Shan W， Yin Y， Lu H， et al. A meteorological analysis ofozone episodes using HYSPLIT model and surface data ［J］. Atmos Res，2009，93：767-776.

［9］李 洪，杨小明.灰霾的形成及其危害探讨 ［J］. 科技资讯，2012，25：141-143.

［10］王郭臣，王 珏，信玉洁，等.天津PM10和NO2输送路径及潜在源区研究 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（12）：3009-3016.

［11］苏福庆，高庆先，张志刚，等.北京边界层外来污染物输送通道［J］. 环境科学研究， 2004，17（1）：26-30.

［12］苏福庆，任阵海，高庆先，等.北京及华北平原边界层大气中污染物的汇聚系统_边界层输送汇 ［J］. 环境科学研究， 2004，17（1）：21-25.

［13］王 艳，柴发合，王永红，等.长江三角洲地区大气污染物输送规律研究 ［J］. 环境科学， 2008，29（5）：1430-1435.

［14］王 芳，陈东升，程水源，等.基于气流轨迹聚类的大气污染输送影响 ［J］. 环境科学研究， 2009，22（6）：637-642.

［15］Hafner W D. Analysis of rainfall and fine aerosol data using clustered trajectory analysis for National Park sites in the Western US ［J］. Atmospheric Environment， 2007，41：3071-3081.

［16］Hernandez-Ceballos M A.Vertical behaviour and meteorological properties of air masses in the southwest of the Iberian Peninsula（1997-2007） ［J］. Meteorol AtmosPhys， 2013，119：163-175.

［17］王 茜.利用轨迹模式研究上海大气污染的输送来源 ［J］. 环境科学研究， 2013，26（4）：358-364.

［18］Yu S C， Mathur T， Kang D W， et al. A study of the ozone formation by ensemble backtrajectories-process analysis using the Eta-CMAQ forecast model over the northeastern US during the 2004 ICARTT period ［J］. Atmos. Environ.， 2009，43：355-363.

［19］Draxler R R， Hess G D. Description of the Hysplit_4modeling system ［Z］. via noaa arl website， 1997：9.

［20］Brankov E， STrivikrama. A tajectory-clustering-correlation methodology for examining the long-range transport of air pollutants ［J］. Atmos. Environ.， 1998，32：1525-1534.

［21］Dorling S R， T D Davies. Cluster-Analysis-A Technique for Estimating the Synoptic Meteorological Controls on Air and Precipitation Chemistry-Method and Applications ［M］. Atmospheric Environment PartA-General Topics 26，14，1992：2575-2581.

［22］方开泰.聚类分析 ［M］. 北京：地质出版社， 1982：60-69.

［23］Draxler R R， Stunder B， Rolph G， et al.HYSPLIT_4User's Guide，via NOAA ARL website ［Z］. 2009：90-92.

［24］邓 涛，吴 兑，邓雪娇，等.珠江三角洲一次典型复合型污染过程的模拟研究 ［J］. 中国环境科学， 2012（2）：193-199.

［25］吴 兑，吴 晟，李 菲，等.粗粒子气溶胶远距离输送造成华南严重空气污染的分析 ［J］. 中国环境科学， 2011，31（4）：540-545.

［26］邓雪娇，黄 健，吴 兑，等.深圳地区典型污染过程分析 ［J］. 中国环境科学， 2006，26（Suppl.）：7-11.

Characteristics of air pollutant transport channels in Guangzhou region.

WANG Shi-qiang1，2，3， LEE Wei-biao2，DENG Xue-jiao1，2*， DENG Tao1， LI Fei1， TAN Hao-bo1（1.Guangdong key Laboratory on Regional Numerical Weather Prediction， Institute of Tropical and Marine Meteorology， China Meteorological Administration， Guangzhou 510080，China；2.School of Environmental Science and Engineering， Sun Yat-sen University， Guangzhou 510275， China；3.Zhuhai Meteorological Bureau， Zhuhai 519000， China）. China Environmental Science， 2015，35（10）：2883～2890

Based on the GDAS global meteorological data of NCEP and HYSPLIT model， 72-hour backward trajectories of air flows arriving at Guangzhou were calculated from 2010 to 2012. By using cluster analysis， the vertical structures of pollutant transport channels and the corresponding pollutant concentrations at different channels in Guangzhou were analyzed. Besides， the characteristics of transport trajectories crossing the boundary layer were also discussed in this paper. The results revealed that the pollutant transport channels near the ground （10m） in Guangzhou could be divided into six types， the local， the northeasterly， the northerly， the northwesterly， the easterly and the southerly， respectively. The PM2.5concentrations varied a lot among different channels. In particular， The PM2.5concentrations reached the maximum when local and northeasterly channels dominated， followed by northerly and easterly channels， while southerly channel ranked last. In addition， the ratio of coarse particles in PM10increased obviously in northwesterly channel. The air pollutants arriving at Guangzhou were mainly affected by the southeastern of Hunan province， the central of Jiangxi province and the southeastern of coastal regions. The percentages of trajectories over 1000m were 16.1% while below 500m were 73.1%， concluding that the regional transport of pollutants to the ground level mainly occurred in the boundary layer.

air pollutant transport channel；backward trajectory；cluster analysis；Guangzhou region

X51

A

1000-6923（2015）10-2883-08

王世强（1989-），男，河南省平顶山人，工程师，硕士，主要研究方向为大气环境和气候变化.发表论文1篇.

2015-01-20

国家自然科学基金（41475105）；科技部公益性（气象）行业项目（GYHY201306042）；国家科技支撑计划（2014BAC16B06）；国家“973”项目（2011CB403403）；广东省科技计划项目（2010A030200012，2011A032100006，2012A061400012）；广东省气象局科技创新团队计划（201103）

* 责任作者， 研究员， dxj@grmc.gov.cn