重污染天气下西安市PM2.5 来源分析

胡苇杭，张 洁，吴柳莹，强逸凡，冯 哲，黄光球

(西安建筑科技大学管理学院 陕西西安710055)

0 引 言

近些年随着西安经济的高速发展，西安化石燃料的消耗快速增长，导致西安空气质量一度十分糟糕。2013 年以来，西安市贯彻落实国务院《大气污染防治行动计划》，并于2018 年出台“铁腕治霾·保卫蓝天”三年行动方案。2018 年，西安市全年共获蓝天215 d。2019 年，西安市全年共获蓝天225 d，退出全国168 个重点城市后20 位，蓝天日数相较于2017 年增长30%，但是依然面临着PM2.5污染形势严峻和O3污染日益凸显的双重压力。一座城市的大气污染不仅受当地人为因素的影响，有研究证明，PM2.5容易形成输入性污染，所以对于关联区域PM2.5相互扩散传播的研究，有利于大气污染的联防联控，让人们认识到打破行政区域限制治理大气污染是未来的趋势，有利于更好地执行“一市一策”。

近年来，大量学者对于PM2.5来源进行了研究。孟丽红[1]采用气溶胶激光雷达和HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory)模式对2018 年8 月1 日至2 日发生在天津市夏季的一次重度污染过程进行研究；黄光球等[2]利用HYSPLIT模式与潜在源贡献函数模型(PSCF)和浓度加权轨迹法(CWT)对西安市全年的PM2.5潜在源分布特征进行研究，得出西安市冬季PM2.5和PM10浓度值显著高于夏季，利用皮尔逊相关性对污染物与气象因素分析，大气颗粒污染物浓度变化与平均气温、降水量、风速呈负相关；孙婷婷等[3]研究了2018 年春节期间京津翼地区的污染全过程，使用HYSPLIT 模式并结合气象条件来分析整个外部输送过程，确定了集中燃放烟花爆竹对于环境的确切影响。陈慕白等[5]、王晓军等[6]、任娇等[7]、董德明等[8]分别对郑州市、烟台市、太原市、长春市的PM2.5来源与污染物特征进行分析。鉴于针对西安市重污染天气的PM2.5来源的研究较少，本文采用HYSPLIT 模式对2019 年西安市冬季重污染天气的污染情况和输送情况与夏季的污染情况进行对比分析，研究了西安市PM2.5的输送路径与潜在来源。

1 资料与方法

1.1 资料来源

西安市2019 年的PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3的历史数据均来自真气网，后向轨迹天气数据来自美国国家环境预报中心(NCEP)提供的对应时间段的全球资料同化系统数据，气象要素包括水平与垂直风速、温度、气压、相对湿度、降水等。网址为ftp：//arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/ archives。

1.2 后向轨迹模型

本文采用HYSPLIT 模式模型的后向轨迹模拟。该模型用于计算空气微团轨迹和大气污染物的扩散。该模型假设污染物在轨迹中每个质点都受风力影响，轨迹是质点的空间位置对时间的积分，每个质点的速度由插值法获得，下一时刻质点位置则根据前一时刻质点的平均速度和预测质点的平均速度的平均值与运动时间的乘积获得，具体公式如下：

其中，P(t)为t 时刻质点的位置，P (t+Δt )为下一时刻的预测位置，v ( P, t )为某一位置、时间点的风速信息。后向轨迹模型主要分析某一地点的高水平污染与另一地点的空气污染之间的输送关系，最终确定西安市与关联区域的空气污染输送关系。

2 结果与讨论

2.1 污染情况

根据西安市大气污染资料，图1 展示了2019 年各月污染物变化，其中秋冬季为一年中PM10、PM2.5污染物浓度最高的季节，夏季的主要污染物为O3。

2019 全年空气质量指数 AQI 平均值为99.916 7，PM2.5全年平均值为54.583 3，PM10的全年平均值为94.333 3，O3的全年平均值为99.916 7。全年有4 个月达到了轻度污染，1 月份达到了中度污染，其中13 d 达到了重度污染。

图1 2019年西安市各月污染物平均浓度变化特征(μg/m3)Fig.1 Variation characteristics of monthly average concentration of pollutants in Xi’an City in 2019(μg/m3)

2.2 后向轨迹模型与分析

基于表 1 ～4 数据并利用 NCEP 的数据，HYSPLIT 软件生成后向轨迹模拟集合，这种多轨迹方案是由于中心轨迹的不确定性，增加HYSPLIT 后向轨迹的可信任度所选择的方案。

表1 春季污染最严重的一周污染情况(μg/m3)Tab.1 Most polluted week in spring(μg/m3)

表2 夏季污染最严重的一周污染情况(μg/m3)Tab.2 Most polluted week in summer(μg/m3)

如图2 所示，西安市春季污染最严重一周的污染物与图3 所示的夏季污染物输送情况相似，都是主要以长距离输送为主，主要由甘肃南部与四川输入西安。如图3 所示，西安市夏季污染最严重一周的污染物主要由短距离输送为主，属于本地运输，主要由陕西境内输送，由铜川与渭南输入西安。如图4 所示，西安市秋季污染物最严重的一周污染物主要由长距离运输为主，与春季相似，主要的污染物来自于甘肃南部，其余的污染物主要由陕西境内输送，来自铜川与渭南。如图5 所示，西安市冬季污染最严重一周的污染物主要以长距离输送为主，主要是从西安的西北部长距离输送进入西安，次要是从西安的西南部输送进入。

表3 秋季污染最严重的一周污染情况(μg/m3)Tab.3 Most polluted week in autumn(μg/m3)

表4 冬季污染最严重的一周污染情况(μg/m3)Tab.4 Most polluted week in winter(μg/m3)

图2 春季后向轨迹模拟Fig.2 Simulation of backward trajectory in spring

图3 夏季后向轨迹模拟Fig.3 Simulation of backward trajectory in summer

图4 秋季后向轨迹模拟Fig.4 Simulation of backward trajectory in autumn

图5 冬季后向轨迹模拟Fig.5 Simulation of backward trajectory in winter

3 结 论

在贯彻落实“铁腕治霾·保卫蓝天”行动方针的同时，也要清楚地认识到，西安的大气污染不只是源于自身，还与外部输送有很大的关系。在治理大气污染时既要抓住主要矛盾——PM2.5的治理，还要防范夏季O3污染物的起势。因此，要加强大气污染的联防联控，加强关联区域大气污染治理的联系，打破行政区域限制。在紧抓本省大气污染治理的前提下，与关联区域积极合作沟通，共同做好关联区域的大气污染防治，最终将西安市建设成生态环境新城市。