商丘市大气颗粒物输送路径和潜在源区分析

许天峰

摘要 根据商丘市2017—2022年的PM2.5和PM10质量浓度数据分析了商丘市大气颗粒物污染特征；通过HYSPLIT模型、PSCF和CWT分析得出不同季节大气颗粒物的输送路径和潜在源区。研究表明，商丘市大气颗粒物质量浓度超标，冬季存在典型人为源气溶胶影响。商丘市大气颗粒物主要通过短距离的东北、偏东、西南、偏西轨迹输送，输送轨迹主要来源于商丘周边的大气边界层中，PM10同时受到长距离西北轨迹的影响。春季商丘市周边特别是以东地区是PM2.5的潜在源区，河南北部、山西南部和河北南部是PM10的潜在源区。秋季河南西部南部、湖北东北部、安徽南部是PM2.5的潜在源区，河南东南部和湖北东北部是PM10的潜在源区。冬季山东、江苏、河南南部是大气颗粒物的潜在源区，同时陕西东部北部也是PM10的潜在源区。

关键词 大气颗粒物；商丘市；PSCF；CWT

中图分类号：X513 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）09–0-03

研究表明，一个城市或地区的空气污染不仅受本地污染源的影响，还会受到其他城市或地区污染源输送的影响。近年来，许多学者通过HYSPLIT后向轨迹聚类分析、潜在源贡献因子分析法（PSCF）和浓度权重轨迹分析法（CWT）对不同地区大气污染物的输送路径和潜在源区进行了研究[1-3]。蒋琦清等[4]利用HYSPLIT模型聚类分析方法研究了气团远距离传输规律，进而分析其气溶胶输送路径；王琰玮等[5]应用HYSPLIT模型，基于MeteoInfo软件，通过潜在源贡献因子分析法（PSCF）和浓度权重轨迹分析法（CWT）对天津市PM2.5与O3污染的外来潜在源区和可能的污染传输途径进行研究；高兴艾等[6]利用后向轨迹聚类分析方法，结合轨迹密度分析法（TDA）、轨迹停留时间分析法（RTA）对吕梁市颗粒物输送通道进行了分析；熊健等[7]采用轨迹聚类、潜在源贡献因子分析法（PSCF）和浓度权重轨迹分析法（CWT）从年、季节等不同尺度分析了长沙地区PM2.5时空分布规律及其外来污染物输送源特征。但目前商丘地区未有针对大气污染物输送路径和潜在源区的研究。

使用统计方法分析了商丘市大气颗粒物质量浓度特征，应用HYSPLIT模型、潜在源贡献因子分析法（PSCF）和浓度权重轨迹分析法（CWT）等，将观测到的大气颗粒物质量浓度与气象信息相结合，具体研究商丘市大气颗粒物输送路径和潜在源区，探索不同输送路径和地区对商丘大气颗粒物的贡献，为商丘市区域大气污染防控治理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 资料来源

PM2.5和PM10质量浓度资料来源于全国空气质量实时发布平台，时间段为2017年1月1日00：00—2022年12月31日23：00。用于后向轨迹计算的气象资料来源于美国国家环境预报中心（NCEP）提供的全球资料同化系统（global data assimilation system，GDAS）数据，水平分辨率为1°×1°。

1.2 研究方法

主要利用融合HYSPLIT模式可执行文件和GIS功能的TrajStat软件进行后向轨迹计算、轨迹聚类分析、PSCF和CWT分析。

HYSPLIT模式具有處理多种物理过程、多种气象要素输入场和不同类型污染物排放源功能，被广泛应用于分析和计算大气污染物的输送路径、沉降模式和扩散轨迹。采用拉格朗日方法后向轨迹计算后向轨迹，可以直观了解气流或粒子的运动轨迹[8]。聚类分析是指根据气团轨迹的空间相似度，对所有轨迹进行分组聚类，依据欧氏距离算法总空间方差TSV的突变点确定聚类数，判断研究区域在不同时间段主导气流的方向和污染物的潜在来源。

TrajStat软件可以使用多种轨迹分析方法，从长期污染观测数据中识别污染物潜在源区和相对贡献，PSCF和CWT是基于气流轨迹的2种受体模型分析方法[9]。PSCF通过计算经过某网格单元的污染轨迹数和经过该网格所有轨迹数的比值，反映的是一种条件概率，用来描述每个区域（即网格单元）来源强度的概率分布场，CWT计算轨迹权重浓度，可给出所有潜在源区的贡献分布，为了减少轨迹较少区域的分析误差，引入权重函数，具体计算公式可参考。

2 结果与分析

2.1 商丘市大气颗粒物质量浓度特征

商丘市2017—2022年PM2.5和PM10年平均质量浓度分别为54.31、99.65 μg/m3，均高于《环境空气质量标准》大气颗粒物年平均二级标准值（PM2.5：35 μg/m3，PM10：70 μg/m3）。1月。PM2.5和PM10质量浓度最高，分别为108.94、151.27 μg/m3；8月PM2.5和PM10质量浓度最低，分别为25.77、51.83 μg/m3。根据指数法计算得出PM2.5和PM10质量浓度季平均二级标准分别为42、84 μg/m3。对比可知，除夏季外达标，其他季节PM2.5和PM10质量浓度均未达标，且冬季质量浓度最高，分别为91.25、129.52 μg/m3。

研究表明，PM2.5主要受人为源影响，PM10受人为源和自然源共同影响，当PM2.5/PM10<0.2时，存在明显沙尘天气过程，当PM2.5/PM10>0.6时，存在典型人为源气溶胶影响。PM2.5/PM10平均值为0.56，说明PM2.5质量浓度略高于PM2.5～10（粒径为2.5～10 μg的颗粒物），冬季PM2.5/PM10值为0.68，明显高于其他季节，说明商丘市冬季大气颗粒物污染存在典型人为源气溶胶影响。

2.2 输送路径

利用HYSPLIT模式计算2017年1月1日—2022年12月31日逐日4个时次（00：00、06：00、12：00、18：00，UTC）的72 h后向轨迹。将轨迹按春、夏、秋、冬4个季节分别进行轨迹聚类分析，依据欧氏距离算法将每个季节的后向轨迹均分为4类（图1）。

春季影响商丘的轨迹主要来自3号偏东轨迹，占比为31.02%，虽然3号轨迹源头来自黄海，但经过江苏北部，轨迹较短且气流速度较慢，有利于大气污染物的积聚输送，3号轨迹PM2.5质量浓度在4条轨迹中最高，为57.40 μg/m3；1号西北轨迹PM10质量浓度高于其他轨迹，为131.35 μg/m3，说明商丘市春季常受到西北方向的沙尘影响。

夏季影响商丘市的气流主要来源于海上清洁轨迹2号和3号，分别占比为33.70%和20.56%。受1号西北轨迹气流的影响较小，还受到4号偏南轨迹气流的影响，占比为36.55%。

秋季影响商丘市的气流主要来自3号偏东轨迹，气流从山东东部经黄海、江苏北部到达商丘市，与春季3号偏东轨迹相比，秋季轨迹长度较长且气流移速较快，故秋季3号偏东轨迹PM2.5和PM10质量浓度略低于春季。此外，4号偏西轨迹PM2.5质量浓度最高，为59.68 μg/m3，气流来自山西北部，经过河南中西部到达商丘市。与春季相同，秋季1号西北轨迹PM10质量浓度也高于其他轨迹，存在西北方向的沙尘影响。

冬季影响商丘市的气流主要来自3号东北轨迹，占比43.30%，轨迹较短，从河北经过山东到达商丘市，此外4号偏西轨迹同样较短，气流来源于河南西部、南部；从不同轨迹上的PM2.5和PM10质量浓度来看，3号和4号轨迹均高于其他轨迹，商丘市冬季大气颗粒物主要通过这2类轨迹到达商丘市。

从商丘市2017—2022年不同季节后向轨迹高度气压变化可以看出，不同季节的西北、偏北轨迹在垂直方向上均有较大跨度，且轨迹较长，气流移速较快，将气流从西伯利亚、外蒙古等距离较远的地区输送至商丘市。除夏季的3号东南轨迹外，偏东、偏西、西南轨迹均较短，轨迹源头高度为850 hPa左右，且随着气流向商丘移动，轨迹高度逐渐下降，气流在边界层输送，有利于颗粒污染物的积聚。结合之前对气流输送路径的分析，商丘市大气颗粒物主要来源于商丘周边省市的大气边界层（图2）。

将轨迹对应的PM2.5（PM10）质量浓度大于75 μg/m3（150 μg/m3）时划分为污染轨迹，否则为清洁轨迹。冬季PM2.5和PM10污染轨迹占比均远高于其他季节，分别为52.03%和29.71%；其次是秋季，占比分别为19.00%和13.10%；春季分别为14.72%和12.50%；夏季PM2.5和PM10污染轨迹占比最少，仅占2.22%和1.95%。

春季、秋季和冬季3号和4号轨迹中PM2.5污染轨迹占比均高于该季节其他轨迹，且对应的PM2.5污染轨迹质量浓度也较高；春季和秋季1号轨迹中PM2.5污染轨迹占比与该季节其他轨迹相比虽较少，但对应的PM2.5污染轨迹质量浓度高于其他轨迹。

春季、秋季和冬季2号轨迹中PM10污染轨迹占比均最低；1号轨迹中PM10污染轨迹质量浓度高于该季节其他轨迹，来自外蒙古的西北气流是商丘市PM10主要来源之一；春季PM10污染轨迹质量浓度为308.35 μg/m3，高于秋季和冬季各类轨迹，商丘市春季受西北方向的沙尘影响更为明显。

2.3 商丘市污染物潜在源区

从商丘市气流轨迹的聚类分析可以确定影响商丘市气流轨迹的大致方向和贡献，但无法准确反映具体大气颗粒物潜在源区的位置和贡献，潜在源区结合某一种大气污染物质量浓度进行分析，可以具体到特定的大气污染物，对细化大气污染物来源有一定的帮助。

基于2017—2022年后向轨迹和大气颗粒物质量浓度进行分析，探究商丘市不同季节大气颗粒物的潜在源区及其贡献，由于夏季大气污染轨迹占比较小，故不做考虑（图3）。

春季PM2.5PSCF高值区主要在山东南部—江苏北部、江苏南部—浙江北部—安徽南部和湖北东南部等商丘以东地区，主要沿着3号偏东轨迹进入商丘市；CWT高值区与PSCF类似，商丘市周边省市，特别是商丘市以东地区是商丘市春季PM2.5的主要潜在源区。春季PM10PSCF高值区与PM2.5存在明显的差异，主要在河南北部、山西南部和河北南部，CWT同样在上述地区有高值区，河南北部、山西南部和河北南部是商丘市春季PM10的主要潜在源区。

秋季PM2.5PSCF高值区主要在河南西部南部、湖北东北部、安徽南部，主要沿着4号偏西轨迹进入商丘市；CWT结果与PSCF类似；河南西部南部、湖北东北部、安徽南部是商丘市秋季PM2.5的主要潜在源区。秋季PM10PSCF高值区主要在河南东南部和湖北东北部，上述地区是商丘市秋季PM10的主要潜在源区。

冬季大氣颗粒物污染明显高于其他季节，PM2.5和PM10PSCF均在山东、江苏、河南南部等地有高值区，主要沿着偏东和西南轨迹进入商丘市；上述地区中山东西部CWT值高于其他地区，同时陕西东部北部也有PM10CWT高值区，沿着1号西北轨迹输送至商丘市，说明山东、江苏、河南南部尤其是山东西部是冬季商丘市大气颗粒物的主要潜在源区，同时陕西东部和北部也是冬季商丘市PM10的潜在源区之一。

3 结论

第一，商丘市PM2.5和PM10质量浓度均超过大气颗粒物年平均二级标准值；除夏季外，其他季节PM2.5和PM10质量浓度均未达标，冬季PM2.5和PM10质量浓度最高；冬季PM2.5/PM10值为0.68，明显高于其他季节，商丘市冬季大气颗粒物污染存在典型人为源气溶胶影响。

第二，根据不同季节后向轨迹聚类分析，气流主要通过短距离的东北、偏东、西南、偏西轨迹向商丘市输送大气颗粒物，这些轨迹垂直高度变化较小，气流在边界层中输送，有利于颗粒物的积聚，商丘市大气颗粒物输送轨迹主要来源于商丘周边省市的大气边界层。除了上述来源和输送轨迹，商丘市春季、秋季、冬季PM10同时受到长距离西北气流的影响，春季受西北方向的沙尘影响更为明显。

第三，商丘市夏季大气污染轨迹占比较小，不进行PSCF和CWT分析。分季节和颗粒物种类对商丘市大气颗粒物进行PSCF和CWT分析。商丘市周边省市，尤其是商丘市以东地区是商丘市春季PM2.5的主要潜在源区；河南北部、山西南部和河北南部是春季PM10的主要潜在源区。河南西部南部、湖北东北部、安徽南部是商丘市秋季PM2.5的主要潜在源区；河南东南部和湖北东北部是秋季PM10的主要潜在源区。山东、江苏、河南南部，特别是山东西部是冬季商丘市大气颗粒物的主要潜在源区，同时陕西东部和北部也是冬季PM10的潜在源区之一。

參考文献

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Analysis of the Transport Paths and Potential Source Areas of Atmospheric Particulate Matter in Shangqiu City

Xu Tian-feng （Shangqiu Meteorological Bureau， Shangqiu， Henan 476000）

Abstract This study analyzed the characteristics of atmospheric particulate pollution in Shangqiu City based on PM2.5 and PM10 mass concentration data from 2017 to 2022. Based on the HYSPLIT model， PSCF and CWT analysis were applied to obtain the transport paths and potential source characteristics of atmospheric particulate matter in different seasons.Research has shown that the mass concentration of atmospheric particulate matter in Shangqiu City exceed the standard， and there was a typical anthropogenic aerosol impact in winter. Atmospheric particulate matter is mainly transported through short distance northeast， easterly， southwest， and westerly trajectories. The transport trajectory mainly comes from the atmospheric boundary layer around Shangqiu， and PM10 is also affected by the long distance northwest trajectory. In spring， the surrounding areas of Shangqiu City， especially the eastern region， are potential sources of PM2.5， while northern Henan， southern Shanxi， and southern Hebei are potential sources of PM10. In autumn， the potential sources of PM2.5 are in the southern western part of Henan， northeastern part of Hubei， and southern part of Anhui， while the potential sources of PM10 are in the southeastern part of Henan and northeastern part of Hubei.In winter， Shandong， Jiangsu， and southern Henan are potential sources of atmospheric particulate matter， while the eastern and northern parts of Shaanxi are also potential sources of PM10.

Key words Atmospheric particulate matter; Shangqiu City; PSCF; CWT