基于后向轨迹的秋冬季漯河重污染输送及典型个例分析
2022-08-03武威单铁良
武威 单铁良
(1.漯河市气象局，河南 漯河 462300； 2.漯河市雾霾监测预警工程技术研究中心，河南 漯河 462300)
引言
近年来，随着城市化快速发展，重污染天气已成为社会关注的热点，尤其冬半年受东亚大槽槽后影响和青藏高原地形“背风坡”作用，中国中东部处于显著下沉气流区，气象条件整体偏差，不利于大气污染扩散和清除；同时秋冬季也是中国北方的集中供暖期，较高的污染源排放导致大气污染问题更为突出[1-3]。已有研究表明，重污染天气不仅与本地排放源及不利的气象条件有关[4-6]，外源污染物传输也是造成重污染天气的关键因素[7-8]；王茜[9]利用后向轨迹分析了上海各季节不同类型气流轨迹变化特征以及对污染物浓度的影响；Wen等[10]利用CAMx模式源解析得出，细颗粒物PM2.5外来区域输送比例明显较高；花丛等[11]通过气团轨迹聚类总结出北京、天津等大城市污染输送特征，提出并改进了重污染传输指数。基于聚类轨迹结果分析污染物输送路径和潜在污染源区，能够对本地污染做出综合判断[12-13]。王爱平等[14]对不同天气下的黄山顶污染物源区进行分析，得出潜在源区主要为人口密集工业发达的地区。黄乾等[15]研究得出，南京北郊污染物源区主要位于河北南部和山东西部，北路的平流输送是形成重污染的重要路径。
不同的地理位置或地形条件重污染传输特征不同，因此区域输送具有典型的差异性和地域性。上述研究多集中于经济发达地区，对于河南则缺乏典型污染输送路径和潜在污染源区分析，其研究主要侧重于重污染时空分布特征[16-17]、典型污染环流形势及与气象要素相关性分析等[18-19]，且大多是针对一次典型个例进行探讨[20-21]。从气象条件统计分析，冬半年漯河大气静稳，边界层高度较低，垂直扩散能力较差；弱风比例高达67.5%，对污染物水平扩散不利；相对湿度达70%以上，有利于污染物吸湿增长。其次漯河位于河南中部，处于伏牛山东麓和淮北平原交错地带，特殊的地理位置为重污染防治带来挑战；同时秋冬季也是蒙古高压南下和冷空气频繁活动季节，漯河近地层盛行偏北风，因此在气象、位置、传输等多种因素耦合下，漯河是河南省显著高污染区，有必要加强对其重污染源区传输特征的研究。本文针对2015—2019年秋冬季漯河重污染特征，采用后向轨迹聚类对污染气团输送路径分类研究，利用数理统计和天气学方法分析漯河重污染天气输送特征及其成因，结合一次典型个例剖析，以加深对区域污染传输的认知，为大气污染防治科学研判及联防联控提供参考依据。
1 资料与方法
1.1 资料来源
所用的2015—2019年秋冬季(11月至次年2月)空气质量指数(AQI)和PM2.5、PM10等污染物浓度数据来自河南省环保厅，选取漯河四个国控点监测数据，取其平均值代表漯河整体空气质量。气象数据来源于中国气象局的常规探空和地面观测资料，全球大气同化系统(GDAS)数据用来研究气团轨迹，NCEP数据(空间分辨率为1°×1°、时间分辨率6 h)用来分析重污染天气的环流背景和计算相关动力、热力条件；ERA5数据(空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h)用来分析边界层高度。
1.2 研究方法
HYSPLIT4模式是由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)和澳大利亚气象局联合研发的一种用于计算分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型，在研究污染物后向轨迹中应用较广[9,22]。本文通过HYSPLIT模式计算追踪气团后向轨迹，后向模拟时长为48 h。
聚类分析是一种利用多元统计技术对大量数据集合分组方法。根据气团移动特征对轨迹分组分类，能够清晰直观分析不同气团组的来源、移向和输送距离等。本文利用Meteinfo软件对追踪的所有气团轨迹进行聚类，轨迹间距离采用角度聚类法计算。
潜在源区贡献法(PSCF,potential source contribution function)和浓度权重轨迹分析法(CWT,concentration weighted trajectory)能够较好地对可能的污染源区进行分析[23]。PSCF是一种基于条件概率函数发展而来，根据气团后向轨迹和污染物要素来定性判断污染的可能源区分布。它将研究区域划分i×j个网格，对污染物要素设定阈值，当轨迹上污染物浓度大于该阈值时，则认定为污染轨迹，其经过网格i×j上污染轨迹端点数为mij，网格内总轨迹端点数为nij，并引入经验权重系数W(ni,j)对其进行误差订正，其具体计算如下式
(1)
CWT则是一种计算潜在源区气团轨迹的权重浓度，表征不同轨迹的污染程度，能够定量分析和判断污染贡献的浓度，其表达式为
(2)
式(2)中,l为轨迹；M为轨迹总数；Cl为轨迹l上的污染物浓度；τijl为轨迹l在网格上滞留时间。其经验权重系数W(nij)与PSCF公式中的权重系数相同。本文在追溯重污染潜在源区时，将研究区域(30°—50°N、100°—130°E)划分为0.25×0.25网格。根据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)，将AQI>200作为重污染天气的研究阈值。
2 结果分析
2.1 秋冬季重污染概况
对2015—2019年秋冬季漯河空气质量及首要污染物统计分析，漯河平均空气质量优和良等级(AQI≤100)比例为34.28%，轻度污染(100
图1 2015年(a)、2016年(b) 、2017年(c) 、2018年(d) 和2019年(e)秋冬季漯河空气质量频数变化
本文将小时AQI>200且维持在12 h以上的过程定义为一次重污染过程，其中小时AQI>200且维持1 h以上的第一个时次定为过程开始，当小时AQI下降到200以下的时次定为过程结束。以此标准对2015—2019年秋冬季漯河重污染个例进行统计，共出现66次重污染过程，累积时长3121 h。如表1所示，2015—2018年秋冬季重污染过程由12次增加到15次，累积时长由647 h增加到770 h，秋冬季重污染过程发生频次高、持续时间长、污染程度重；AQI、PM2.5质量浓度年变化有不太显著的下降趋势，PM10质量浓度下降趋势明显(图2)。2020年1—2月可能受新冠疫情影响，使得2019年秋冬季多项指标较低。PM2.5/PM10值在2015—2016年略有下降，2017年后上升明显，2019年(疫情对PM2.5与PM10的比值影响不大)增加至0.88，说明漯河重污染天气逐渐以细颗粒物PM2.5污染为主。
表1 2015—2019年秋冬季漯河重污染过程特征统计
图2 2015—2019年秋冬季漯河重污染期间AQI(a)、PM2.5(b)和PM10(c)逐年变化
静稳条件上，2015—2019年各年秋冬季平均静稳指数在8.5上下波动，年际差异小，静稳指数>10的占比在30%—50%之间波动，均无显著变化趋势，2018—2019年污染程度下降可能得益于政府在冬半年实行的一系列污染管控减排措施以及新冠疫情影响，尤其是对PM10的防控更为有效。相较于PM10，对复杂的细颗粒物PM2.5的排放管控更困难，亟需加强有针对性的排放管控、区域联防联控和污染治理转型的应对措施。
2.2 秋冬季重污染输送特征
对2015—2019年秋冬季漯河逐6 h后向轨迹统计分析，总共2408条气团轨迹，轨迹时长48 h，时间分辨率为1 h。图3a为气团在500 m高度上的聚类结果(图中五星为漯河位置)，可知漯河6条典型气团路径。聚类1为西北路径，经内蒙古到达河套地区南下至汾渭平原进入漯河，包含739条气团轨迹，占所有轨迹30.69%；聚类2为东北路径，气团由山东沿东北路南下，占10.92%；聚类3为西南路径，从湖北北部进入河南，占15.78%；聚类4为偏东路径，起源于京津冀地区由偏东回流引起，比例为16.36%；聚类5为西北转东北路径，经河套地区到达华北南部后折向西南，从河南东北部影响漯河，比例达10.76%；聚类6为东南路径，气团从安徽输送到本地，占15.49%。进一步分析各聚类轨迹路径下AQI箱线分布(图3b)，表2为其统计结果，从表2可知，聚类2中AQI整体分布值较高，平均AQI为167.91，75%分位数为233，重污染概率高达43.7%以上，为6类气团轨迹中重污染输送的最主要路径，重污染贡献也最大。聚类6、5两条轨迹平均AQI分别为166.75、148.27，75%分位数分别为213、198，也达到或接近重污染标准，重污染轨迹概率为25.4%和24.7%。聚类4轨迹中AQI均值和中位数与聚类5基本持平，但重污染概率略低；聚类1、3的AQI整体分布值明显偏低，重污染概率仅为15.9%、18.6%，对重污染天气贡献不高。
表2 气团聚类统计结果
图3 2015—2019年秋冬季漯河500 m上后向轨迹聚类分析(a)、不同聚类轨迹AQI箱线分布(b)、聚类轨迹高度—时间变化(c)以及各聚类轨迹边界层高度(d)箱线图
图3c和图3d分别为不同聚类轨迹的垂直高度—时间变化和边界层高度统计，聚类2、6轨迹长度短，气团移速缓慢，有利于污染物积累；追踪到前48 h气团高度在900 hPa以下，近24 h始终在950 hPa附近缓慢移动，结合上述分析可知，东北路近距离边界层的气团输送有利于污染发展，重污染贡献明显较高。聚类4类似，说明偏东路径输送对本地重污染也有一定作用。聚类1轨迹路径长，追踪初始气团高度在700 hPa 以上，主要为远距离西北路径下沉沉降输送，气团移速较快，有利于污染物扩散，该路径重污染轨迹概率偏低；聚类3追踪高度在850 hPa上，近24 h气团高度下降至边界层内传输，但对应AQI均值较低，说明西南路径近距离低高度传输对漯河重污染影响不大。聚类5轨迹比较特殊，整体路径长、追踪前48 h的高度高，但气团转向河南后无论是从水平输送方向还是近12 h内气团垂直变化，均与聚类2轨迹一致，表现出东北路近距离近地层输送特征，并且重污染轨迹AQI均值高达288.67，为6类轨迹中均值最高，表明该路径对漯河重污染天气有一定的影响。
轨迹聚类分析只能判断影响气团输送路径及其污染比例，却无法定量反映出重污染潜在源区的分布[7,24]，故对漯河可能的重污染潜在源区进行研究。漯河AQI潜在源区PSCF分析如图4a所示，颜色越深，PSCF值越大，则对漯河重污染AQI输送概率越高，一般来说，PSCF>0.4为重污染的重要潜在源区，从中可知，潜在源区具有来源复杂、范围广、强度大等特点，河南东北部PSCF达到0.4以上，局部高达0.6，成为漯河重要的污染潜在源区；其次豫南局部达到0.4以上，也是漯河的污染潜在源区之一。CWT结果(图4b)与PSCF结果基本类似，但范围更大，河南中东部对漯河AQI权重浓度贡献在160以上，其中河南东北部局部贡献超过180，为贡献最高的潜在源区。结合上述聚类轨迹可知，高污染潜在区主要与东北路对应较好，当气团沿这些轨迹经过上述源区时，容易携带上高浓度污染物导致重污染发展。
图4 2015—2019年秋冬季漯河AQI潜在源区贡献分析(a)与浓度权重轨迹分析(b)
利用2015—2019年秋冬季地面风场统计重污染风玫瑰图(图5a)可知，偏北风为其主导风，其中北风风频高达15%，其次是西北北风(12%)和东北北风(9%)，其他风向上的风频较小，约0.5%以下。图5b为重度污染以上时AQI风玫瑰图，圆圈半径表示风速。当地面风速小于1 m·s-1时，AQI高值区出现频数最多且分布在任何风向上，说明在静风或弱风下本地污染物难以扩散，不断积累造成浓度较高；当风速在1—2 m·s-1时，偏北方向上的AQI大值区明显增多；当风速进一步增加至2—4 m·s-1时，偏北风方向下高浓度AQI频数较大，尤其是偏北至东东北方向，说明重污染时段来自东北部的污染传输作用较强，这也印证了上文分析的“东北路径气团轨迹对漯河重污染贡献最大”“东北部的外源污染输送极有利于重污染发展”等结论。
图5 2015—2019年秋冬季漯河重污染天气下风玫瑰图(a)与AQI风玫瑰图(b)
2.3 典型重污染个例分析
2.3.1 过程污染实况
2018年1月14—20日漯河重污染天气持续140 h，其中16—17日、18—19日达到严重污染并维持近49 h，本次过程持续时间长、污染程度重、影响范围广，具有明显的典型性和代表性。图6为本次过程AQI与风向、风速、相对湿度及边界层高度变化，14日20时风向逐渐转为偏北风，风速在1 m·s-1以下，相对湿度上升到80%以上，边界层高度降到0.5 km以下，AQI达到207，即漯河出现重污染；之后污染物浓度虽小幅度震荡，但仍在重污染范围中。16日午后风速明显增强，相对湿度降到60%以下，边界层高度升到1.5 km，污染略有下降。16日15时以后，风场再次转为偏北风，风速急速下降至2 m·s-1，相对湿度迅速上升到80%以上，边界层高度急剧下降到0.2 km以下，漯河达到严重污染。夜间偏北风维持在1 m·s-1以下，相对湿度维持在95%以上，边界层高度维持在0.1 km以下，重污染持续发展。17日白天湿度下降，边界层高度升至1.0 km以上，污染物浓度有所降低。17日下午到夜里，偏南风逐渐转为偏北风，风速达2 m·s-1左右，湿度升至90%以上，边界层高度下降至0.3 km以下，并维持到18日上午，AQI再次缓慢上升，18日11时出现严重污染极值并持续到19日；此后风场转为偏南风，相对湿度显著下降，边界层高度升高，污染逐渐减弱。
图6 2018年1月14—20日漯河AQI(a)、风向风速(b)、相对湿度(c)和边界层高度(d)演变
2.3.2 天气形势分析
2018年1月14—15日500 hPa中国中东部平直西风环流维持，静稳形势稳定，有利于重污染天气形成。15—16日夜间上游高空槽过境，环流经向度加大，河南转受槽后西北气流影响；17日14时至18日08时中东部再次转为静稳纬向型，有利于污染物积累。地面形势上，河南稳定维持在高压前部均压场中，水平扩散条件差。16日02时河套西部高压东移，偏北风增大将上游污染物向本地输送，而河南中东部气压梯度小，风场较弱，污染物难以继续向下游扩散，漯河污染辐合加强。16日20时河南转为高压后部均压场，风场为静风。受上游污染输送与本地污染累积共同影响，漯河重污染天气加剧发展，形成严重污染并达到污染峰值。17日08时内蒙古中西部有一1030 hPa冷高压逐渐东移南下，14时高压前侧气压密集带移至河南中西部，西北路冷空气南下推动本地污染物向下游扩散，污染物迅速下降，重污染有所缓解。18日08时河南位于西北—东南向的变性高压脊中，偏北风先增大后减小产生停滞效应，污染物大量积累导致再次出现高峰，随后19—20日河南转入均压场控制，天气形势趋于静稳，重污染天气维持。
2.3.3 区域输送分析
对本次持续性重污染天气中进行气团后向轨迹统计聚类，并根据上述潜在源贡献法和浓度权重轨迹两种方法对此次可能污染源区进行分析(图略)。本次持续重污染过程中气团共有4条聚类轨迹：西北路径、东北路径、西南路径和西南路径。结合本次潜在源区PSCF分布来看，高潜在源区(PSCF≥ 0.7)主要位于漯河的北部或东北部，并且与近距离东北路径基本对应一致；CWT方法分析表明，漯河东北地区对本次重污染的权重贡献高达200以上，体现出显著强潜在源中心区，与聚类后的东北路径吻合，这也印证了“东北路径下污染输送最有利于漯河重污染发展”的结论。
进一步利用HYSPLIT模式对过程期间两次污染高峰时次进行追踪分析。图7a为2018年1月16日20时漯河48 h气团后向轨迹。500 m高度上主要为偏北气流，气团先是近地面水平小范围顺时针打转，垂直向上至1000 m，15日20时转西北气流下沉至500 m附近，16日02时气团随偏北气流向漯河移动，气团高度保持不变；100 m上气团起源于河南东北部，受偏东气流沿近地面运动，15日20时到达河南中西部113°E附近，随后转向偏东运动，6 h后气团也转偏北路径南下至漯河，高度先是缓慢上升至500 m后又下降至100 m附近。18日14时气团后向轨迹(图7b)，500 m上气团从漯河西南部沿西南气流北上，24 h后移至河南北部，高度略有波动。随后该气团沿东北气流一直南下，高度几乎不变。100 m高度上气团移动轨迹与上述500 m类似，先随西南气流北上再沿东北路径南下；不同的是100 m气团起源于漯河北部近地层，其路径相比500 m轨迹偏北偏西，高度几乎始终位于近地面。图7c为2018年1月15—18日区域范围(33°—36°N、112°—116°E)平均垂直运动，15日08时中低层整层为上升区，近地层速度随高度增强，上升速度中心(-0.28 Pa·s-1)出现在800—750 hPa之间。15日上午950 hPa高度以下上升运动逐渐减小，15日14时转为下沉运动，20时后下沉速度(0.12 Pa·s-1)达到最大；900 hPa以上上升速度由于较大，到15日20时左右才转为下沉气流。16日08时900 hPa上出现上升运动中心(-0.12 Pa·s-1)，950 hPa上升速度维持在-0.04 Pa·s-1以下；16日14时至18日20时900 hPa高度以下一直为下沉区，速度维持在0.04—0.08 Pa·s-1，对应上述气团轨迹垂直变化。结合该区域平均假相当位温(θse)与风场垂直演变(图7d)可知，θse随高度增加，大气层结稳定，尤其17日20时后θse从1000 hPa到900 hPa上由8 ℃迅速增加到14 ℃，风场上为偏北风，近地面稳定层显著。综上所述，两次严重污染来临前，气团轨迹均属聚类2型东北路，经过东北部最高的污染潜在源区向漯河输送。不同点在于，第一次严重污染峰值来临前，气团水平轨迹长，上升和下沉运动稍明显，在区域输送和垂直混合沉降作用下达到严重污染峰值；第二次严重污染峰值前的气团主要为往返性、徘徊的短距离近地层运动，稳定层结显著，伴随微弱下沉运动，有利于污染物不断堆积形成严重污染峰值。
图7 2018年1月16日20时(a)、18日14时(b)漯河48 h后向轨迹以及15—18日区域(33°—36°N、112°—116°E)平均垂直运动(c)、假相当位温(d)与风场高度—时间变化
图8为两次污染峰值期间AQI与地面风场演变，从图8可知，16日08时(图8a)河南大部分地区出现重污染，豫北达到严重污染；风场上河南北中部地区以偏北风为主，风速达2—4 m·s-1，有利于污染物向南扩散；而中南部主要为弱风或静风，导致污染传输至漯河附近时停滞不前。14时河南北中部高污染区明显南压(图8b)，漯河上游郑州、许昌等地AQI分别增长至421、477，达到严重污染；此时偏北风明显增强，区域输送进一步加强，这与上述后向轨迹分析一致。到16日20时(图8c)河南中部出现严重污染，漯河AQI由14时299迅速上升至404，中部地区偏北风减弱至2 m·s-1，中东部甚至出现静风，导致污染物难以继续向南扩散，漯河污染加重。17日午后受上游高压东移影响，西北路冷空气南下，大气扩散能力增强，污染有所减弱。17日20时后受高压脊控制，风力减弱，河南北部偏北风将豫北高污染物向南输送，中东部偏东风将豫东高污染物向西传输，导致12 h后河南中部地区污染加剧，漯河AQI增长近一倍(图8d和图8e)，到18日14时(图8f)漯河附近以偏北风、东北风和偏东风形成弱辐合，而漯河西部为偏南风或东南风，有利于北部及东部等地污染物向漯河传输而不利于本地产生的污染物清除，导致污染峰值再次发展。
图8 2018年1月16日08时(a)、14时(b) 、20时(c) 、17日20时(d) 、18日08时(e) 、14时(f) AQI与地面风场
3 结论与讨论
(1) 2015—2019年秋冬季漯河重污染过程发生频次高、持续时间长、污染程度重。PM10质量浓度整体下降趋势明显，AQI、PM2.5质量浓度变化趋势稳定，PM2.5/PM10比值逐年递增，说明漯河重污染过程逐渐以细颗粒物PM2.5重污染为主，需要更有针对性的治理措施。
(2) 秋冬季漯河主要有6种典型气团输送路径，东北路、偏东路轨迹长度短、移速慢且高度低，该路径下AQI均值、百分位数以及重污染概率明显较高，说明北路或东路近距离近地层输送是主要的重污染通道。西北路远距离下沉沉降输送和西南轨迹近距离输送下的AQI均值及重污染概率较低，表明两者对漯河重污染贡献不高。
(3) 漯河重污染的潜在源区来源复杂、范围广、强度大，河南中东部尤其是东北部源区高值中心显著，是最重要的污染潜在源区。上述潜在源高值区对应东北路气团轨迹，当气团经过这些高污染潜在区时，较高的外源污染输送更容易造成重污染天气发展。地面风场较好地证实这一点，偏北风是其重污染主导风，2—4 m·s-1之间北到东北风风频明显较高，表明来自东北部的污染传输作用较强。
(4) 2018年1月14—20日连续性重污染天气中，两次污染气团均为近距离东北路径，经过东北部高污染潜在区。第一次严重污染前，偏北路径水平轨迹长，垂直上、下运动稍明显，在区域输送和垂直混合沉降下达到污染峰值；第二次严重污染前的气团主要表现为往返性、徘徊的短距离运动，近地层稳定性显著，下沉运动微弱，利于污染物不断堆积形成严重污染峰值。两次跨区域输送表明北路或东北路近地层输送是此次漯河AQI峰值维持发展的重要原因。
本文利用后向轨迹对气团路径分类研究，归纳总结出漯河重污染输送特征及关键潜在源区，对于大气污染防治及联防联控有重要意义。然而，对于外源传输贡献率如上游地区输送的污染通量等对漯河重污染的影响需要结合准确的排放源区域分布及数值模拟进行计算和验证。
