株洲市大气污染物浓度的输送特征及潜在源区分析

肖童觉，杨云芸，金红红，张 琴

(1湖南省生态环境监测中心，长沙 410014；2.湖南省气象台，长沙 410118；3.国家环境保护重金属污染监测重点实验室，长沙 410019)

前 言

株洲与长沙、湘潭互邻组成长株潭城市群，当前，大气环境质量已成为制约城市群可持续发展的重要因素[1]。2007年，长株潭批准为“资源节约型、环境友好型”的两型社会试验区，而株洲位于长株潭城市群的中心位置[2],市域总体地势呈东南高、西北低。作为典型的工业城市，株洲市大气污染问题一直存在。根据湖南省生态环境厅发布的生态环境公报，株洲市综合指数排名已经连续4年成为湖南省倒数前3名，空气质量相对较差。

一个城市的大气污染不仅受当地人为因素的影响，还与区域间污染物互相输送扩散有关[3-4]。目前，关于湖南省城市大气污染物潜在源分析的研究较为鲜见，本文对2019年株洲市的大气污染情况和气象条件进行综合分析，探讨株洲市不同气团来源的化学特征，以及6项大气污染物的潜在来源分析，以期为株洲市空气质量改善措施提供科学的理论依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

株洲市2019年PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3的数据来自株洲市国控空气自动监测站小时质量浓度数据。后向轨迹模式采用的气象资料来源于美国国家环境预报中心(NCEP)提供的同时段GDAS数据，数据分辨率为1°×1°，垂直方向分23层,气象要素包括温度、气压、相对湿度、水平和垂直风速等，该数据6h记录一次，分别为0时、6时、12时和18时。

1.2 研究方法

对株洲市7个城市空气质量自动监测点(点位分布见图1)的六项污染物数据进行整理，利用气流运动轨迹聚类分析(HYSPLIT)[5]、潜在源贡献因子法(PSCF)以及浓度权重轨迹分析法(CWT)，以株洲市城中心位置点为模拟研究点，经纬度为113.1517E，27.8358N。因GDAS数据为格林尼治标准时间，故采用北京时区GMT+8，分别计算每日2时、8时、14时和20时到达该位置点高度为300m的48h后向气流轨迹，甄别各项大气污染物的来源及不同潜在源区贡献程度。

图1 株洲市7个国控自动空气监测点位分布图

2 结果与讨论

2.1 株洲市大气污染特征

2019年湖南省14个城市环境空气质量综合指数总体排名中株洲位居13位。株洲市城区空气质量指数(AQI)范围为19～264，优良天数280天，空气优良率为76.7%。其中优79天、良201天、轻度污染66天、中度污染11天、重度污染8天、严重污染0天。城区空气质量超标天数中(AQI>100)，首要污染物为细颗粒物、臭氧，分别有47天、38天。夏季空气质量明显优于冬季。从各项污染物对空气质量的影响程度来看，PM2.5影响最大且夏季O3影响最大，其次是PM10、NO2，而SO2、CO影响相对较小。对2019年株洲市各项污染物的小时数据变化趋势作图分析可以发现，NO2与SO2的日均值变化趋势较为一致，NO2、PM2.5和PM10与O3的变化趋势呈负相关性。(见图2)

图2 2019年株洲市大气污染物浓度变化趋势

2.2 后向轨迹分析

2.2.1 后向轨迹分析结果

为探讨株洲市大气污染物的可能来源，分析大气输送对株洲市各大气污染物浓度的影响，利用HYSPLIT模式和NCEP气象再分析资料，计算在2019年1月1日至2019年12月31日期间每日0时、6时、12时和18时达到株洲市中心城区的气流轨迹，共获得1460条48h后向气流轨迹数据。

从图3可以看出，株洲市的影响气流主要有来自东北和西南方向大陆的气流，部分来自东南的沿海气流，此外还有部分轨迹来自于我国西北地区。

图3 2019年株洲市48h后向气流轨迹分析

2.2.2 年度后向轨迹聚类分析

考虑不同气流轨迹对株洲市六项大气污染物的影响，利用HYSPLIT模式的Clustering功能对1 460条气流轨迹进行聚类分析，得到抵达株洲市的4类不同气流轨迹，每一条轨迹对应一组相应时刻株洲市7个监测点位测得的大气污染物平均小时浓度，将同一类气流轨迹对应的大气污染物浓度计算算术平均值，得到不同轨迹簇所对应的平均浓度。该浓度即可反映不同类型的气团的污染特征。由图4和下表可以看出，1类气团来自于偏东北方向，占总轨迹数的58%，四个季节分布较为平均。该气团起始于江西省与湖北省交界处，起始高度为616 m，平均运行高度为398.9 m，运行速度慢，平均运行速度约为5.3km/h，与人行走速度相近。途径江西省修水县、铜鼓县，湖南省浏阳市等区域。气流运行海拔低，速度慢，有利于夹带沿途地面污染物至株洲市。因此1类气团SO2、NO2、CO和PM10浓度为4类轨迹中最高，其他二项污染物浓度也很高。

图4 2019年株洲市48h后向气流轨迹聚类分析

表 2019年株洲市各类轨迹大气污染物浓度统计分析结果

2类气团同样来自于偏东北方向，占总轨迹数的30%，主要分布在秋冬季节，占2类轨迹数的65.3%。该气团起始于河南省商丘市，起始高度为589 m，平均运行高度为373.3 m，平均运行速度约为16km/h。途径安徽毫州市、阜阳市，湖北武汉市，湖南岳阳市、长沙市，最终抵达株洲市。该气团特征为对应的SO2浓度最低，PM2.5浓度最高，且PM2.5浓度占PM10浓度的比率最高，可以说明秋冬季节来自东北的低空气流几乎未夹带SO2到达株洲，可见沿途的燃煤管控成效明显。而秋冬季的株洲市PM2.5受东北气流传输有一定的影响。

3类气团来自于西北方向，占总轨迹数的2%。气团主要分布在春秋季节，占3类轨迹数的75%。该气团起始于阿拉善沙漠，起始高度为2 570 m，平均运行高度为1 097.4 m，平均运行速度约为40 km/h。是4类轨迹中运行速度最快、高度最高的一类轨迹。途径山西省、河南省和湖北省。该气团反应的化学特征为O3和CO浓度最低，PM10浓度高，PM2.5浓度占PM10浓度的比率最低。可以反应该类气团夹带部分沙尘快速抵达株洲市。

4类气团来自于偏西南方向，占总轨迹数的9%，主要分布在春夏季节，占4类轨迹数的90.6%。该气团起始于广东省云浮巿，起始高度为451 m，平均运行高度为399.9 m，平均运行速度约为12 km/h。途径肇庆市、清远市、郴州市和衡阳市。该气团反应的化学特征为O3浓度最高，NO2、PM2.5和PM10浓度最低。

2.3 污染气流潜在源分析

基于后向轨迹分布特征，通过PSCF计算得到株洲市2019年各污染物的WPSCF值分布特征[6～8](图5)，结果发现SO2的第一类区域潜在源区，为株洲邻近城市和广西省中部、湖南省东南部位，其WPSCF值>0.8，说明这些区域是最重要的污染源区。第二类为小区域潜在源区位于湖南的怀化、吉首地区，其WPSCF值>0.5，此区域虽然范围小，对SO2排放相对较多。第三类为远距离输送潜在源区，主要在河南、安徽地区，主要是冬季冷空气南下。NO2的第一类主要贡献源区在江西省中部位置，以及湖南省怀化、贵州省铜仁地区，其WPSCF>0.8，第二类源区为湖南省传输通道城市，主要分布在岳阳、长株潭区域，WPSCF>0.5。CO的第一类区域潜在源分布较为广泛，呈发散型，主要为湖南省益阳和娄底交界区域、湖南省东南部、广西省南部和广东省东北部。第二类源区为输送通道上游，从湖北省东部一直往南延伸。第三类分布范围最广，湖北、河南、广西、广东、安徽等均有较少输送。O3的第一类位于湖南中部、江西东部、广东中南部、安徽北部等，第二类位于湖南中南部地区和安徽省南部，第三类覆盖范围较广，位于陕西、河南、山东等地。说明臭氧受远距离区域性输送明显。颗粒物(PM2.5、 PM10)的第一类区域潜在源位于江西北部和湖北中东部，主要是冬季冷空气南下带来的污染，第二类位于株洲本地及衡阳地区，第三类位于河南、陕西、安徽等地，可能与该地区冬季烧煤取暖有关。

图5 2019年株洲市6项大气污染物WPSCF分析结果

2.4 浓度权重轨迹分析

PSCF 只能定性分析外来输送的潜在源区位置，不能对相同WPSCF 值网格进行源强区分，而CWT 是通过求取研究时段内经过单个网格的全部轨迹对应样品浓度的平均值(CWT值) 来实现，定量分析外来输送的浓度贡献水平[9]。图6为株洲市各大气污染物WCWT值分布，对比PSCF法，更容易区分高浓度贡献的潜在源区。由图可知，SO2和CO较大值是主要是湖南东部区域以及来自江西省西部大范围区域，广东南部、广西交界处和湖北东部地区小范围区域等，这些地区对株洲SO2和CO贡献分别在9 ug/m3和0.9ug/m3以上，此外湖北中部、河南和安徽南部也有一定贡献。NO2、O3最大值主要集中在江西东北部地区、株洲本地及岳阳、益阳地区，贡献分别在53 ug/m3和94 ug/m3以上，此外，NO2湖南东部、湖北东部和江西贡献在37 ug/m3以上，O3较大值分布更为广泛，湖南省南部、广东省、江西省、安徽省、江苏省均有输送。颗粒物(PM2.5、 PM10)最大值主要在株洲以北的长沙、岳阳，湖北中东部、江西西北部地区，贡献在80ug/m3以上，南部输送较少，主要是秋台风西行北上时的偏东南风从福建输入。

图6 2019年株洲市6项大气污染物的WCWT分析结果

3 结 论

3.1 2019年株洲市空气质量优良天数比例为76.7%，首要污染物以PM2.5和O3为主。夏季空气质量明显优于冬季，冬季以细颗粒物影响最大，夏季以臭氧影响最大。

3.2 2019年株洲后向气流轨迹聚类分析结果表明，来自偏东北方向邻近省湖北、江西区域短距离的气流轨迹占比例最高，低空低速且途径人口密集区，对SO2、NO2、PM2.5、PM10和O3均有较大的影响，该类气团数据污染性气团。来自偏东北方向的河南、河北等东北区域的气流轨迹占比次之，该类气团对应的PM2.5/PM10比率最高，且主要分布在秋冬季，说明该类气团对PM2.5有一定的输送。来自西北远距离输送的气流轨迹占比最少，运行起始高度最高，移动速度最快，输送距离最远，对PM10污染影响最大。来自偏西南方向的广东地区气流运行高度、速度、距离与来自偏东北方向河南、河北区域的接近，对O3浓度影响最大。

3.3 PSCF和CWT分析结果表明：株洲SO2、CO、NO2气态污染物质量浓度受湘东、湘东南以及邻近省份赣东、赣中、粤东、粤北等区域影响较大。PM2.5和PM10质量浓度受区域影响更显著，以东北、偏东北方向的区域输送对PM2.5质量浓度的贡献率较高。O3高浓度贡献区分布在赣东、皖中、苏西、粤南地区，跨区域远距离输送明显。