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镇江市四季 PM2. 5 污染特征与潜在源区分析

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  • 标签:PM2. 5 ; 污染特征; 后向轨迹; 聚类分析; 潜在源区; 镇江
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利用 2017 年 3 月 1 日—2018 年 2 月 28 日镇江市环境监测站提供的逐时数据,对镇江市 PM2. 5污染特征进行分
析,并结合 HYSPLIT-后向轨迹模型,综合运用轨迹聚类及 PSCF、CWT 分析方法,计算了不同季节影响镇江城区 PM2. 5
的主要气流输送路径及镇江市 PM2. 5的主要潜在源区。结果表明: 镇江市 PM2. 5浓度季节分布特征明显,冬季 PM2. 5浓
度最高,夏季最低。四季 PM2. 5浓?#28909;?#21464;化均呈两峰一谷型分?#36857;?#19988;夜间普遍高于白天,周末高于工作日。四季 PM2. 5
浓度与 NO2、CO 相关系数较高,表明工业排放与交通源可能是镇江市 PM2. 5的主要来源。镇江地区气流输送存在显著
的季节变化特征: 春季西北偏西及东北方向气流轨迹占主要优势; 夏季气流主要来自东北、东南及西南方向; 秋季以东
北及偏东气流为主; 冬季西北气流轨迹?#23395;?#23545;优势。镇江四季 PM2. 5浓度受本地及周边城市的?#20540;?#27745;染输送影响较
大,主要潜在源区集中分布在江苏本地及其周边的山东、安徽、浙江、上海等地。春、夏、秋季这些地区对镇江 PM2. 5浓
度贡献值基本为 35 ~ 75 μg /m
3
; 冬季该贡献值较大,均在 75 μg /m
3
以上,最高值可达到 150 μg /m
3
以上; 同时,冬季受
北方污染输送影响,河北、京津冀等地也是主要潜在源区,贡献值为 35 ~ 75 μg /m
3
关键词: PM2. 5 ; 污染特征; 后向轨迹; 聚类分析; 潜在源区; 镇江
DOI: 10. 13205 /j.hjgc.201906024
ANALYSIS ON SEASONAL DIFFERENCES OF POLLUTION CHARACTERISTICS AND
POTENTIAL SOURCES OF PM2. 5 OF ZHENJIANG
QIU Jian
1
,HUO Yu-ling
1
,WAN Xue-ping
2
,WANG Xiu-jun
2
,SHENG Shi-jie
2
,SHA Dan-dan
2
,ZHAO Xue-ting
2
,YANG Xue
3
( 1. Zhenjiang Environmental Monitoring Center Station,Zhenjiang 212000,China; 2. Wuxi CAS Photonics Co.,Ltd,
Wuxi 214135,China; 3. Jiangsu Environmental Monitoring Center Station,Nanjing 210036,China)
Abstract: Based on the hourly data provided by Zhenjiang Environmental Monitoring Station from March 1st,2017 to February
28th,2018,the pollution characteristics of PM2. 5 in Zhenjiang were analyzed. HYSPLIT backward trajectory model,trajectory
clustering and PSCF and CWT analysis methods were used to analyze the main airflow transport paths and the main potential
source regions affecting PM2. 5 concentration in urban area of Zhenjiang,and their contributions were calculated. The results
showed that: the seasonal distribution characteristics of PM2. 5 concentration in Zhenjiang were significant: PM2. 5 concentration
was the highest in winter and the lowest in summer; the diurnal variation of PM2. 5 concentration in four seasons was in
distribution of two peaks and one valley,and PM2. 5 concentration in nighttime was generally higher than that in daytime,
meanwhile the PM2. 5 concentration at weekends was higher than that on weekdays; the correlation coefficient of PM2. 5
concentration with NO2 and CO in four seasons was higher,indicating that industrial emissions and traffic sources were
probably the main sources of PM2. 5 in Zhenjiang; the air flow had significant characteristics of seasonal variations in Zhenjiang:
the air flow mainly came from west-northwest and northeast direction in spring,the northeast,southeast and southwest air flow
tracks dominated in summer,the northeast and east-northwest air flow tracks dominated in autumn,and the northwest air flow
track dominated in winter; the concentration of PM2. 5 in Zhenjiang was greatly affected by pollution transportation of local and
surrounding cities in all year; Jiangsu,Shandong,Anhui,Zhejiang and Shanghai contributed greatly to PM2. 5 in Zhenjiang,
between 35 and 75 μg /m
3
in spring,summer and autumn,and more than 75 μg /m
3
in winter,as high as over 150 μg /m
3
,环 境 工 程 第 37 卷
meanwhile,Zhenjiang was affected by northern pollution transportation in winter,and Beijing,Tianjin and Hebei were also the
main potential source areas of PM2. 5in Zhenjiang,with contribution values in range of 35~75 μg/m
3
Keywords: PM2. 5 ; pollution characteristics; backward trajectory; cluster analysis; potential source region; Zhenjiang
0 引 言
随着工农业发展、城市化及大量化石燃?#31995;?#20351;
用,我国大气污染问题愈加突出,尤其是细粒子 PM2. 5
对人类健康和空气质量均存在较大影响,已成为当前
众多学者关注的热点
[1-5]
。有研究表明,本地源排放
与区域间的污染物输送都会对城市细粒子污染产生
影响
[6-9]
,而区域间污染物传输特征可通过 HYSPLIT-
后向 轨 迹 模 型、PSCF-潜在源贡献因子分析法与
CWT-浓?#28909;?#37325;轨迹分析法等进行研究
[10-13]
。任传斌
[13]
通过 HYSPLIT 模型,结合 PSCF 与 CWT 分析方
法,?#21592;本?#22478;区 PM2. 5主要潜在源区进行分析,发现北
京城区细粒子污染受山东与冀?#31995;?#21306;域污染物输送
影响较大; 葛跃等
[14]
利用 HYSPLIT 模型对苏锡常地
区 PM2. 5的输送路径及潜在源区进行分析,发现冬季
苏锡常地区 PM2. 5主要受山东、浙江等地污染物输送
影响较大,而春、夏、秋季的污染物贡献主要来?#36816;?#38177;
常本地及周边城市。
本文基于 2017 年 3 月 1 日—2018 年 2 月 28 日
镇江市 4 个国控点常规?#38382;?#30340;逐时数据,在对镇江细
粒子污染特征综合分析的基础上,结合 HYSPLIT 后
向轨迹模型,综合运用轨迹聚类及 PSCF、CWT 分析
方法,揭示不同季节影响镇江城区的 PM2. 5的主要输
送路径及镇江市 PM2. 5的主要潜在源区,该研究结果
将有助于更全面地了解镇江城区 PM2. 5的来源,对于
?#34892;?#25511;制镇江市区 PM2. 5污染及开展区域联合防?#25105;?
有参考价值。
1 材料与方法
1. 1 研究时段及数据来源
本文研究时段为 2017 年 3 月 1 日—2018 年 2 月
28 日,其中 2017 年 3 月 1 日—5 月 31 日为春季; 6 月
1 日—8 月 31 日为夏季; 9 月 1 日—11 月 30 日为秋
季; 12 月 1 日—2018 年 2 月 28 日为冬季。PM2. 5质
量浓度数据为镇江市区丹徒区监测站( 119°26'E,32°
8'N) 、润州区疾控?#34892;?#31449;( 119°26'E,32°12'N) 、京口
区职教?#34892;?#31449;( 119° 29' E,32° 13' N) 、新区办事处站
( 119°41'E,32°11'N) 4 个国控点的 PM2. 5逐小时质量
浓?#26579;?#20540;,监测数据可以全面反映镇江市区大气污染
特点。计算气流轨迹的气象资料则来源于美国国家
环境预报?#34892;? NCEP) 的再分析资料。
1. 2 HYSPLIT-后向轨迹模型
HYSPLIT 模型是一种用于计算气团轨迹以及模
拟气团扩散和沉积的专业模型
[13,15-17]
,在分析研究大
气污染物输送和扩散中具有广泛的适用性。为了研
究不同季节镇江气流轨迹差异,模拟再现研究时?#25991;?
镇江大气整体的来源方向,本研究使用 HYSPLIT 模
型对四季影响镇江的主要气流进行轨迹聚类分析,模
拟高度设置为 500 m,时间为 48 h,选取每日 00 时、
06 时、12 时和 18 时( UTC) 进行分析。
1. 3 PSCF-潜在源贡献因子分析法
PSCF 算法是将气团轨迹与某要素值( 本文指
PM2. 5浓度,下同) 结合,基于条件概率函数计算来判
断污染源可能方位的方法
[17-19]
。其中 PSCF 函数定
义为途经某一区域的气团到达观测点时其对应的某
要素值超过设定阈值的条件概率
[11,17-18]
。将研究区
域网格化,设定一个阈值赋给研究要素,当轨迹对应
的要素值高于阈值时,判定该轨迹为污染轨迹
[11]
,某
一网格( i,j ) 内的污染轨迹端点数 mij 与经过该网格
的总轨迹端点数 nij 的比值?#27425;?#35813;网格内的 PSCF 值,
即 PSCFnij = mij / nij。 PSCF 值的大小代表该网格点对
观测点的 PM2. 5浓度贡献的大小,PSCF 值较高的网格
区?#27425;?#35813;要素的主要潜在源区
[11]
PSCF 作为条件概率函数存在一定误差,误差大
小受网格与采样点距离影响,距 离 越 大,误 差 越
[11,18]
。当网格内气流滞留时间较短( nij 值较小,
小于研究区内每个网格的平均轨迹端点数的 3 倍)
时,PSCF 值会有很大的不?#33539;?#24615;
[11,13,18]
,需引入权重
函数 W( nij) 对其进行区间化赋权和降误差处理。
W( nij) 定义如下:
W( nij) =
1. 00, 3nave < nij
0. 70, 1. 5nave < nij ≤ 3nave
0. 4, nave < nij ≤ 1. 5nave
0. 17, nij ≤ nave
?
?
?
??
??
( 1)
WPSCFnij = PSCFnij × W( nij) ( 2)
与 PSCF 值大小的判定一致,高 WPSCFnij 值所
对应的网格区就是 PM2. 5的主要潜在源区,经过该源
区的轨迹可以认为是对研究区域 PM2. 5
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