梧州市典型月份细颗粒物污染特性及来源分析

黄建翔，杨俊超

（1.梧州市环境保护科学技术中心，广西 梧州 543002；2.广西壮族自治区环境保护科学研究院，广西 南宁 530022）

梧州市位于广西壮族自治区东部，是广西东大门，是西江航道上的重要枢纽。从2020年全市生产总值（GDP）来看，梧州市2020年GDP达1 081.34亿元，成为广西第九个千亿以上城市。但梧州市大气环境质量却相对较差，2020年8月，梧州市环境空气综合指数在全区排名倒数第二。其中大气首要污染物以细颗粒物（PM2.5）为主，其浓度值在区14个地级市中的PM2.5的排名为第12，而PM10浓度值排名为末位，总体来说梧州市空气质量相对较差。一个城市的大气污染除了受到本地排放影响外，还可能受到区域传输的影响［1-3］，为综合分析梧州市大气污染情况，本文通过对8月份的离线膜采样分析、站点在线数据分析及污染源传输分析等方法查找梧州市环境空气质量下降的原因，以期为梧州市大气污染防治工作提供技术支持。

1 数据来源和分析方法

1.1 监测采样点位布设

梧州市是国家环境空气监测网络成员，目前梧州市设有4个国家级空气质量自动监测点（附图1），分别是市十一中测点、逸夫小学测点、龙新测点、龙圩测点。4个测点在空间上跨越城东、城中、城西和城南的广大城市建成区，覆盖面积广，基本可以较全面地代表梧州市的空气环境质量水平。

图1 监测点位示意图

1.2 数据来源

本研究中环境空气质量数据由梧州生态环境监测中心提供，该数据经严格的质量控制措施后上报至国家环保部门，数据来源科学可靠。膜采样分析数据是利用手工监测手段，在梧州市建成区的现有4个空气自动监测站点采集环境空气中PM2.5样品，并对PM2.5样品中的有机碳/无机碳和无机元素进行化学组分分析。后向轨迹模式采用的气象资料为NCEP（美国国家环境预报中心）提供的全球资料同化系统（GDAS）数据。

1.3 数据分析方法

使用在线监测数据，建立特征雷达图形，能够直观和快速地展现大气污染特征在时间序列和空间上发生的变化特征，解析出监测期间梧州市的污染类型；OC和EC的浓度分析采用美国沙漠研究所的DRI 2015多波段热/光碳分析仪进行分析，得到采样期间梧州市碳组分分析；利用后向轨迹（Hysplit）聚类、潜在源贡献（PSCF）、浓度权重轨迹（CWT）三种气象模式逐步进行定量模拟梧州市周边潜在源对梧州市环境空气质量的影响。

2 结果与分析

2.1 梧州市城区2020年8月份污染物变化特征

2020年8月1日至31日期间，梧州市优级天数有22天，良级天数有8天，轻度污染天数有1天，共计31天，优良率为96.8%。其中以PM10为首要污染物的天数有1天，以O3为首要污染物的天数有7天，超标污染物主要有O3，超标天数为1天。其中，8月1日～21日梧州市空气质量较好，有20天为优，1天良（8月9日，AQI为51），8月22日～31日空气质量相对较差，仅有2天空气质量为优，且出现了一天臭氧污染（8月30日）。如图2所示。

图2 2020年8月份年梧州市空气质量占比分布图

2.2 梧州市城区2020年8月份污染类型分析

通过对常规监测数据进行归一化处理，设计特征雷达图直接表现大气污染在时间序列或空间上发生的变化特征[1]。如图3所示，当特定时间或站点污染物特征值（线条4）处于污染物特征值上下限之间时（线条2、线条3），可认为污染特征未发生明显变化；当特定时间或站点污染物特征值（线条4）中一个或多个污染因子超出污染物特征值上下限时（线条2、线条3），可认为污染特征与历史平均或区域平均相比发生了显著变化。

图3 特征雷达图（示例）

如图4所示，将梧州市8月份各项污染物浓度导入特征雷达模型中，得到钢铁型污染类型和二次型污染类型天数最多，均为7天，出现钢铁型污染类型时，PM2.5浓度相对较低，这也表征着钢铁型污染类型是梧州市的背景污染类型。而出现二次型污染类型时，PM2.5浓度相对较高，特别是出现PM2.5浓度大于35微克/立方米的5天均为二次型污染类型。可见二次颗粒物生成是梧州市细颗粒物污染的主要原因。除此之外，扬尘型污染类型的天数有6天，PM2.5平均浓度相对较低，但PM10平均浓度较高。

图4 梧州市2020年8月份PM2.5日变化及污染类型图

2.3 梧州市城区2020年8月份污染物组分溯源分析

研究表明，OC1是生物质燃烧样品中丰富的碳组分，OC3、OC4是扬尘中丰富的碳组分，OC2是燃煤样品中最丰富的碳组分，而EC1是汽油车尾气中丰富的碳组分，EC2和EC3是柴油车尾气中最丰富的碳组分。由表1可知，梧州市PM2.5中碳组分丰度（质量浓度）排序分别为：OC2>OC3>EC1>OC4，OC占比高于EC。表明梧州市大气PM2.5中碳气溶胶以OC为主，主要来源于燃煤排放、扬尘、汽油车尾气的污染。

表1 梧州市PM2.5中碳成分的丰度

2.4 梧州市城区大气颗粒物受外来输送影响分析

2.4.1 后向轨迹及聚类分析

以梧州市城区为目标城市、2020年8月1日～2020年8月31日为模拟时段共31天、每日00:00～23:00（UTC）为后推起始时间，模拟每日气流移动的48 h后向轨迹，模拟高度为近地面500 m。对各轨迹其进行聚类分析，再根据每类气流轨迹所代表的典型空间类型，可将2020年8月份梧州市气流轨迹方向分为5类（见图5）。梧州市建成区2020年8月各类轨迹区域中轨迹4占全年气流轨迹总数的比例最大，占全月的42.55%；余下依次是轨迹，占全月的20.08%；轨迹3，占全月的18.73%；轨迹1，占全月的13.21%；轨迹5，占全月的5.39%（详见表2）。

表2 梧州市2020年8月份后向轨迹分析

图5 梧州市2020年8月份后向轨迹聚类图

梧州市2020年8月份后向轨迹聚类分析结果，对各类轨迹对应的颗粒物浓度的算术平均值进行统计分析，由表3所示，轨迹3出现的频率虽然仅占全月的18.73%，但对应的ρ（PM2.5）平均值最高，为31 μg/m3。而来自轨迹1所对应的ρ（PM2.5）平均值最低。

2.4.2 污染气流潜在源分析

为对梧州市建成区大气污染源传输源进行研究［2-3］，对梧州市大气污染物PM2.5开展污染潜在源分析。将HYSPLIT计算的气流轨迹所覆盖的区域网格化，网格大小为0.25°×0.25°，PM2.5标准值设为空气质量二级标准。得到对梧州市8月份产生污染的区域图（图6）。从图中可知梧州市大气污染物中PM2.5污染较为突出，PCSF值大于0.5的区域较多，表明超过一半气流经过这些区域时，梧州市PM2.5浓度大于空气质量二级标准。PM2.5PSCF大于0.5的区域分布在梧州市东北部的贺州、湖南及南部的玉林、肇庆等地。

图6 梧州市PM2.5潜在源贡献分布

2.4.3 浓度权重轨迹分析

由于PSCF分析方法是计算一个网格中污染轨迹所占比例，反映网格对于受点污染的影响潜势，半定量给出网格对于受点污染物浓度的贡献，并未定量给出轨迹所对应的浓度，不能反映潜在源区的污染程度，因此，我们采用CWT计算潜在源区气流轨迹权重浓度[4]。通过对影响梧州市大气污染物浓度值大小的潜在源区进行模拟，其结果见图7。

图7 梧州市PM2.5浓度权重轨迹分布

由图7可看出，梧州市浓度贡献较大的地区主要集中在梧州市东北部和南部地区。东北部的湖南的株洲、郴州及贺州等地有较多工业企业。在生产过程中排放较多的颗粒物；南部的玉林、肇庆等地正处于城市化大建设阶段，道路扬尘及工地扬尘大量排放颗粒物。2020年8月份梧州市大部分气流不是来自这些地区，但经过这些区域的气流会把这些颗粒物汇聚到梧州市区，使梧州出现颗粒物污染和臭氧污染。与PSCF相比，CWT模拟的潜在源区范围比PSCF大，且对潜在源区污染物浓度定量化的模拟也更加便于对研究区污染物潜在源区的分析。

3 结论

（1）梧州市2020年1～8月份细颗粒物（PM2.5）、环境空气质量综合指数和优良天数比例三项指标虽然较2020年同期有所改善，但在全区的排名下降较为明显。

（2）梧州市8月份出现钢铁型污染类型和二次型污染类型天数最多，均为7天。当出现钢铁型污染类型时，PM2.5浓度相对较低，表征着钢铁型污染类型是梧州市的背景污染类型。而出现二次型污染类型时，PM2.5浓度相对较高。可见二次颗粒物生成是梧州市细颗粒物污染的主要原因。

（3）梧州市PM2.5中碳气溶胶丰度（质量浓度）排序分别为：OC2>OC3>EC1>OC4，表明梧州市大气PM2.5中碳气溶胶主要来源于燃煤排放、扬尘、汽油车尾气的污染。

（4）梧州市大气污染物的PSCF分析和CWT分析可知，对梧州市颗粒物污染物浓度贡献较大的是东北部和南部地区，虽然2020年8月份梧州市大部分气流不是来自这些地区，但经过这些区域的气流会把这些污染物汇聚到梧州市区，容易对梧州市产生影响。