宁波秋冬季空气污染变化特征及污染物后向轨迹分析*

俞科爱 徐宏辉 黄旋旋 丁烨毅 郭建民 朱纯阳 胡 晓

(1.宁波市气象台，浙江 宁波 315012；2.浙江省气象科学研究所，浙江 杭州 310008；3.宁波市气象服务中心，浙江 宁波 315012；4.镇海区气象局，浙江 宁波 315200)

环境气象

宁波秋冬季空气污染变化特征及污染物后向轨迹分析*

俞科爱1徐宏辉2黄旋旋3丁烨毅1郭建民1朱纯阳4胡 晓4

(1.宁波市气象台，浙江 宁波 315012；2.浙江省气象科学研究所，浙江 杭州 310008；3.宁波市气象服务中心，浙江 宁波 315012；4.镇海区气象局，浙江 宁波 315200)

统计分析2012—2013年宁波空气质量及污染物浓度，得出秋冬季宁波市空气质量最差，AQI均值92，首要污染物主要为PM2.5、SO2、PM10，其中，PM10、PM2.5的浓度超过了国家二级标准。2013年空气质量下降、污染程度明显加重主要表现为秋冬季空气污染加重。应用HYSPILT4模式计算输送轨迹并聚类分析，表明大气污染是可以通过中远距离输送影响到下风向的地区；外来污染源对宁波空气质量影响明显。宁波秋季轨迹比较复杂，共有7条轨迹，主要来自津京冀、黄海南部、浙江西南地区和东海，共占72%；冬季有4条轨迹，主要来自浙北和津京冀，共占81%。由此可见，宁波空气污染受其特定的地理环境和大气环流背景影响，存在远、近不同距离的污染物输送问题，西北方向的输送轨迹对宁波空气质量有明显影响，其AQI、PM2.5、PM10、NO2、SO2平均浓度分别可达104、72.9 μg·m-3、122.8 μg·m-3、54.1 μg·m-3、37.8 μg·m-3，远高于其它轨迹。特别是秋季来自京津冀、黄海南部以及冬季来自浙江北部、山西河北的轨迹，造成宁波重度或严重污染的重要原因之一。在重污染天气预报预警中，预报员需要密切关注PM2.5浓度变化。大气污染的防治除政府相关部门继续进行能源结构调整、交通源排放控制外，还需要更大范围区域乃至全国的协作才能从根本上改善城市的空气质量。

AQI；污染浓度；后向轨迹

0 引 言

随着国民经济飞速发展，居民生活水平不断提高，城市空气质量对公众身体健康和生活质量的影响受到越来越多的关注。空气中的污染物,除本地人为和自然因素产生外，在一定条件下,还可以通过大气输送与扩散等过程到达接受体[1-3],其输送与扩散的范围小至几百米,大至区域、洲际乃至全球性各种不同尺度,因此关注一个城市的大气环境,不仅要考虑局地的影响,还要考虑周边区域的影响。研究表明我国的大气环境质量已呈现大区域特征[4-8],赵恒等[9]分析了到达香港的 6 类典型气团中，来自大陆的气团占47.5%，局地输送性气团占 34.6%，海洋性气团占18.7%，污染性气体在大陆性气团的影响下平均质量浓度明显高于其他气团；北京大气污染外来源研究表明北京周边地区对北京地区的大气污染有相当影响[10-14]，Shan等[15]发现济南臭氧高值可能与京津地区和长三角地区污染性气体的远程输送有密切的联系；长三角地区大气污染也存在中远距离传输问题[16-18]。

宁波是长三角地区经济增速、城市化进程和能源消耗快的城市之一，能源消耗带来大量气体污染物，大气环境问题日益显现。秋冬季空气质量明显转差，污染加重，所以了解秋冬季空气污染的变化特征、追踪大气污染外来源显得尤其重要，对政府实行控制污染物排放、实施环境问题的应对措施甚至是控制周边源影响决策等具有实际指导意义,也是宁波经济可持续发展过程中急需要解决的环境问题之一，更是本文试图探讨的核心问题。

1 数据来源及处理方法

1.1 数据来源

2012—2013年空气质量指数AQI、污染物浓度数据来自于宁波市环保局宁波城区8个国控站的逐日监测数据。气象资料来源于美国国家环保中心(National Centers for Environmental Prediction,NECP)的全球再分析数据,其水平分辨率为2.5°×2.5°的日数据。

1.2 处理方法

1)美国、韩国、日本等发达国家都是用AQI(Air Quality Index)来评价当地的空气质量。本文所指的空气质量是指宁波新六区(海曙、江东、江北、鄞州、镇海、北仑)AQI。根据空气质量指数AQI技术规定(试行)(HJ633-2012)标准，AQI分6级，即0～50、51～100、101～150、151～200、201～300、>300，分别对应空气质量等级优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染；当一天首要污染物出现两种污染物时，则这两种污染物均列入统计。

2)采用HYSPLIT-4方法来研究大气污染物传输路径。HYSPLIT-4模式是由美国国家海洋和大气局(NOAA)等开发的供质点轨迹、扩散及沉降分析用的综合模式系统。该模式是Eulerian-Lagrangian混合型的扩散模式，其平流和扩散计算采用Lagrang-ian法,通常用来跟踪气流所携带的粒子或气体移动方向。采用地形σ坐标，水平网格与输入的气象场相同，垂直方向分为28层，将气象要素线性内插到各σ层上[19]。该模式已被广泛应用于大气污染物输送研究[20-21]，聚类分析根据气团水平移动速度和方向对大量轨迹进行分组，分组原则是达到组间差异极大、组内差异极小，该方法可用于估计大气污染物的潜在源区的不同输送态势分类[22-23]。

2 空气质量特征

2.1 空气质量指数AQI

2012—2013年宁波秋冬季(9—12月和1—2月)AQI均值为92，明显高于春夏季66和年均值79，25%～75%的日均AQI在55～93。2013年空气质量比2012明显转差，年均AQI升高到83(2012年为75)，主要表现就在于秋冬季的差别，2013年秋冬季AQI由2012年86上升到97，并且首次出现3天最高等级的6级严重污染天气。统计2012—2013年各类空气质量等级发生在秋冬季节的百分率，图1为可见，所有中度及以上污染等级空气质量出现在秋冬季节的百分比为100%；轻度污染空气日数出现在秋冬季节的占66.7%，空气等级为良日数占50%，优质空气的日数仅占10%，由此可见，秋冬季是宁波中度及以上空气污染的高发期。

上述AQI季节分布特征与其所处的大气环境密切相关。秋冬季东部沿海地区受大陆高压控制，大气层结和天气形势稳定，加上偏北的主导风，容易携带内陆不洁的空气等影响所致，而春夏季空气湍流、对流天气明显增多，加上偏南或东南的主导风，携带的是来自海洋洁净空气，气象条件比较有利污染物的扩散、稀释。

图1 2012—2013年宁波秋冬季各等级空气质量统计表

2.2 首要污染物

AQI计入首要污染物监测项目共有6种：二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、可吸入颗粒物(PM10)、一氧化碳(CO)、细颗粒物(PM2.5)、臭氧(O3)。宁波出现首要污染物年均为291 d，其中秋冬季为162 d，首要污染物主要为PM2.5、SO2、PM10，分别占总数的54.3%、16.7%和15.7%，AQI在300以上的首要污染物无一例外均是PM2.5；所以，在重污染天气预报预警中密切关注PM2.5浓度变化显得十分关键。

2.3 污染物浓度

表1为宁波秋冬季与年均SO2、NO2、O3、CO、PM10、PM2.56类污染物平均浓度，除O3外，秋冬季浓度均高于年均值，也高于国家标准(GB3095—2012)，其中，SO2和NO2浓度高于国家一级标准年均值，PM10、PM2.5的浓度明显偏高，超过了国家二级标准。SO2主要来自于煤、石油等化石燃料以及工业的大量含硫物质的燃烧， 其浓度与政府全面落实SO2排放总量削减目标责任制、加大扬尘污染控制行动以及一系列对工业污染排放实行严格控制措施相关。由于，目前宁波仍然处于经济迅猛发展、人口日益集中、城市明显扩大的时期，宁波市国民经济和社会发展统计公报显示，2013年宁波虽然第一产业增加值比2012年下降1.2%，但是2013年宁波的生产总值已达7128.9亿元，比2012年增长8.1%，而且，与空气质量密切相关的港口生产、交通运输、建筑业等继续明显增长，特别是2013年汽车保有量已增长到近214万辆。燃料消耗量急剧增导致人为原因造成的颗粒物污染日趋严重，政府相关部门仍然需要注意调整能源结构、控制交通源排放等。

表1 2012—2013年宁波6类污染物浓度统计表 μg.m-3

2.4 污染物轨迹来源

应用美国NOAA研制的HYSPILT4模式，进行大气污染物的潜在源区的不同输送态势分类，由于，各季影响天气系统不同，故按季节根据气团水平移动速度和方向进行分组聚类。考虑到边界层内的扩散混和，轨迹起始点设在海拔1 km，即对应于边界层中上部；起点为宁波市(29.8°N，121.5°E)。为了更客观准确描细述细颗粒物的传输路径，聚类分析时秋冬季中去除了日均AQI≤50的日期作为大气污染物轨迹来源的研究对象，共计327条轨迹。宁波1 km上空秋冬季节前36 h污染物输送轨迹见图2，主要表现如下。

秋季(9—11月)轨迹比较复杂，来自各个方向都有，共有7条轨迹，来自津京冀和东北方向海上路径最多，分别占20%；其次是浙江西南地区，占17%；以及东南方向海上路径，占15%。冬季(12月、1—2月)有4条轨迹，主要西北方向的短中距离轨迹，来自浙北的占42%；津京冀经江苏、上海的占39%。与冬季相比，秋季污染轨迹还有来自海上的偏东轨迹。另外，前36 h的远距离输送的垂直高度一般是在2～3 km，中短距离一般在1～1.5 km。HYSPLIT-4模式后向轨迹分析表明，宁波空气污染受其特定的地理环境和大气环流背景影响，存在远、近不同距离的污染物输送问题，也由此可见，某一地区的大气污染是可以通过中远距离输送影响到下风向的地区。

图2 宁波市秋(左)、冬(右)季的后向气流平均轨迹分类图

2.5 不同轨迹的污染物浓度

秋冬季不同轨迹对宁波污染影响差异比较明显。表2为剔除了出现频率低于10%且没有造成中度以上污染(空气质量等级为4～6级)后的秋冬季影响宁波空气质量的10条主要轨迹的污染物浓度、空气质量的统计表。可见，对宁波空气质量影响较为明显的污染物输送轨迹主要表现为：秋季，来自内蒙古、京津冀、黄海南部、安徽西部的中远距离轨迹；冬季，来自蒙古、山西河北的远距离轨迹以及浙北局地源，此类轨迹能见度不到10 km。秋冬季来自浙北、安徽西部的近距离输送以及山西河北、内蒙的远距离输送，PM2.5浓度均高于70 μg·m-3，最大为84.7 μg·m-3；PM10浓度最高的是来自蒙古的远距离轨迹，为144.5 μg·m-3；NO2浓度在冬季容易升高。预报员需要特别关注秋季来自安徽西部的易导致高浓度的轨迹，最高62.8 μg·m-3；SO2浓度最高的是冬季来自蒙古的远距离输送轨迹，达53.0 μg·m-3。

表2 宁波不同季节主要后向轨迹的空气污染浓度、空气质量统计表

综上所述，秋冬季来自西北方向的输送轨迹无论距离远近，对宁波空气质量、污染物浓度均有明显影响，统计分析上述7条西北方向输送轨迹，平均AQI以及PM2.5、PM10、NO2、SO2浓度分别可达104、72.9 μg·m-3、122.8、54.1、37.8 μg·m-3，其它轨迹平均值为76、48.5 μg·m-3、76.3、42.4、19.7 μg·m-3。宁波重度到严重污染的输送轨迹是秋季来自京津冀、黄海南部以及冬季来自浙江北部、山西河北的轨迹，这也意味着秋冬季节西北方向外来污染物的输入是造成宁波地区重污染的重要原因之一。

3 结 语

1)秋冬季是宁波空气质量最差季节，轻度污染占该级年总数的66.7%，中度及以上污染等级均出现在该两季节，AQI均值92，首要污染物主要为PM2.5、SO2、PM10，共占总数85.7%；秋冬季的空气质量基本能代表年度空气质量特征，2013年空气质量下降、污染程度明显加重主要表现为秋冬季空气污染加重。这与秋冬季宁波受大陆高压控制，大气层结和天气形势稳定，加上偏北的主导风，易携带内陆不洁空气等原因密切相关。在重污染天气预报预警中，需要密切关注PM2.5浓度变化。

2)宁波秋冬季SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5这5类污染物平均浓度均高于年均值和国家标准(GB3095—2012)，特别是PM10、PM2.5的浓度超过了国家二级标准。经济仍处于迅猛发展的宁波而言，政府相关部门仍然需要注意调整能源结构、控制交通源排放等，尤其是宁波港口工业发达、海洋经济突出，污染物浓度变化更依赖于政府宏观调控政策。

3)宁波前36 h的污染物输送秋季轨迹比较复杂，共有7条轨迹，主要来自津京冀和东北方向海上路径最多，其次是来自浙江西南地区和海上路径，这3类轨迹共占52%。冬季有4条轨迹，主要来自浙北和津京冀，共占81%。由此可见，某一地区的大气污染是可以通过中远距离输送影响到下风向的地区。

4)宁波空气污染受其特定的地理环境和大气环流背景影响，存在远、近不同距离的污染物输送问题。西北方向的输送轨迹对宁波空气质量有明显影响，该方向的平均AQI、各污染物浓度远高于其它方向，特别是秋季来自京津冀、黄海南部以及冬季来自浙江北部、山西河北的轨迹，是造成宁波重度或严重污染的重要原因之一。

5)对城市空气质量的趋势预测，既要考虑本地污染源及大气扩散条件，还要考虑外来污染源的输入以及天气系统演变导致的大气扩散条件和输送条件的变化。因此，防治大气污染已不是某一地区的工作,只有全国乃至更大范围区域的协作才能从根本上改善城市的空气质量。

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2014-10-11

“公益性行业(气象)科研专项” (GYHY201206011); “宁波市科技计划项目”(2013C51013)