2015—2019年厦门岛PM2.5 污染特征及后向轨迹分析

巫晶晶，曾舒芬，龙美锟，王颂阳，林锦美，陈锦芳

(1.集美大学港口与海岸工程学院，福建 厦门 361021；2.厦门市绿色与智慧海岸工程重点实验室，福建 厦门 361021；3.福建省食品微生物与酶工程重点实验室，福建 厦门 361021)

0 引言

近年来，以细颗粒物为特征污染物的区域性大气环境问题日益突出[1]。对城市区域而言，空气污染治理必须了解其来源及产生的原因。城市空气污染物的累积除受当地人为、自然排放源及气候影响外，区域污染物的传输也是造成其累积的重要原因[2-3]。在污染物输送扩散方面，国内外学者运用后向轨迹模型(hybrid single particle lagrangian integrated trajectory model，HYSPLIT)开展了大量研究[4-5]。Yuan等[4]采用后向轨迹分析发现长三角地区港口主要气团为海洋气团、浙北内陆气团，以及山东和上海内陆海洋混合气团；田鹏山等[5]利用上述方法发现深圳市北部PM2.5主要来源于短距离输送的本地源。

以往的研究多针对某污染事件或季节性某污染物的浓度值进行后向轨迹分析，而对于较长时间尺度内较清洁区域的污染物输送研究则较少。厦门岛污染源排放较少，颗粒物污染较轻，但近年来个别月份仍出现较严重的区域性颗粒物污染问题，有研究[6]认为区域外的颗粒物季风传输可能是厦门岛污染的重要原因，也有研究[7]认为本地复杂地形与台湾海峡“狭管效应”叠加，导致复杂的传输和扩散条件，是造成厦门局地污染物累积的原因。而现阶段关于厦门岛污染物输送的研究甚少。

本文拟利用HYSPLIT后向轨迹模型，对2015—2019年厦门岛污染天数占比较高月份的大气输送路径进行聚类分析，结合该月份颗粒物污染浓度变化特征，揭示厦门岛PM2.5污染分布特征、输送路径及污染轨迹特征。这一方面可为后期深入研究厦门岛大气污染的传输机制奠定基础，另一方面也可为清洁区域特别是沿海宜居城市的大气污染治理、减排及联防联控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究使用的2015年1月—2019年12月厦门岛PM2.5质量浓度逐时观测资料来源于中国环境监测总站(http://www.cnemc.cn/)。厦门岛共有3个国控大气监测站，研究期内厦门岛内无工业区，建筑工地也较少，因此这三个站点的污染源主要为外来源、城市交通源及居民生活源。

后向轨迹使用的气象场数据来自美国环境预报中心提供的2015—2019年全球资料同化系统数据(ftp://gus.arlhq.noaa.gov./pub/archives/)，气象数据(温度、湿度、风速)来自美国国家气候数据中心(https://www.ncdc.noaa.gov/)，采用SPSS 26.0对PM2.5与气象要素进行Person相关性分析。

1.2 轨迹聚类分析

本研究运用TrajStat软件中的混合型单粒子拉格朗日综合轨迹模式(HYSPLIT-4 )，结合全球资料同化系统气象数据，计算每日到达厦门岛海拔高度 500 m 的72 h后向轨迹，时间间隔为3 h，并采用欧拉距离算法对后向轨迹[8]进行聚类，对每类轨迹对应的污染物浓度特征进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 厦门岛大气细颗粒物浓度分布及污染特征

根据厦门岛PM2.5逐日质量浓度资料对2015—2019年的年、季节和月质量浓度变化特征进行分析，结果如图1所示。

从图1a可知，2015—2019年厦门岛PM2.5年平均质量浓度分别为(29.59±13.22)、(28.00±16.01)、(26.98±13.83)、(22.75±11.20)和(24.08±11.58)μg/m3，大体呈下降趋势。这5年年均PM2.5质量浓度均低于《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中年平均二级限值(35 μg/m3)，达到《厦门岛2014～2020年空气质量限期达标规划》中PM2.5年均质量浓度的目标要求(34 μg/m3)[9]。这也与厦门岛对大气PM2.5污染积极进行治理及管理有关，例如厦门岛实施机动车污染精准减排、严格实施国六排放标准、启动了三轮“守护蓝天”的大气防治专项行动，并率先将大气污染联防联控从厦—漳—泉扩大至闽西南等。厦门岛PM2.5年平均质量浓度与同期的长三角和珠三角沿海城市相比较，低于长三角的扬州市[10]、安庆市[11]和舟山市[12](分别为55、53和(31.45±22.89)μg/m3)；也低于珠三角的韶关市[13]、佛山市[14]和珠海市[15](分别为43、37、31.0 μg/m3)，接近深圳市(29.8 μg/m3)[16]，说明厦门岛处于相对清洁的区域，可能有受到周边区域潜在污染源的影响。

由图1b展示的5年PM2.5季节和月份变化可见：2015—2019年厦门岛PM2.5月均质量浓度1—3月及12月相对较高，为31.68～35.86 μg/m3；6—8月相对较低，均在20 μg/m3以下。说明厦门岛大气细颗粒物质量浓度具有“U”形的“冬高夏低，春降秋升”的季节变化特点，这可能是受气象条件和潜在源两因素的协同影响。冬季厦门岛多受冷高压影响，大气层结稳定，易形成静稳条件，不利于污染物垂直输送和水平扩散；加上早晨及夜间近地面温度低，易形成逆温层，使近地面大气污染物累积；此外冬季正值北方采暖季节，受偏北风影响，北方污染物随之南移出现了区域性传输。春季厦门岛主要受西南暖湿气流影响，造成污染物不易扩散。夏、秋两季厦门岛多处于副热带高压及其边缘，盛行偏南风，气团主要来自清洁的海面，又降雨频发，有利于大气污染物的扩散和清除[17-19]。

由厦门市环境质量公报知，2015—2019年空气质量(AQI)为轻度污染的天数分别为2、4、3、5、9 d，首要污染物为PM2.5的天数占比分别为50%、75%、33.3%、20%、22%，因此PM2.5仍是厦门岛大气污染防治的主要对象。为明确这5年厦门岛PM2.5污染的月份，将统计得出的各月份PM2.5污染等级和频率分布特征示于图2。由图2可知，6月PM2.5达优(<35 μg/m3)天数频率最高，达100%；而1、2、3和11月，达优频率最低，轻度污染事件主要出现在这些月份。这与前述的年均、月均PM2.5质量浓度变化的趋势吻合。且2015年1月、2019年2月、2016—2018年3月和2016年11月均出现PM2.5日均质量浓度较大值(>90 μg/m3)。因此，后期的污染月份轨迹路线特征分析主要集中在这4个月，并称其为易污染月份。

2.2 厦门岛PM2.5 与气象要素的相关性分析

厦门岛2015—2019年PM2.5年质量浓度与气象要素之间的Person相关性分析(小时值)结果见表1。由表1可知，温度与PM2.5呈显著负相关。厦门属亚热带海洋性季风气候，受大气环流和台湾海峡地形的共同影响，具有夏无酷暑，冬无严寒的特点。为剔除季节性的影响，分别研究了易污染月(P，1、2、3、11月)及清洁月(C，6、7、8月)PM2.5和温度之间的关系(见表1)[7，17]。由表1可知，剔除季节影响后：温度与PM2.5二者之间无明显负相关关系，反而在部分月份存在弱正相关关系，说明高温有利于大气颗粒物的增多，使PM2.5质量浓度增加；易污染月湿度与PM2.5之间关系仍不显著，但是夏季湿度却与PM2.5存在一定负相关关系，可能与夏季水汽增大、细颗粒被包裹直至被雨水清除有关；2017—2019年污染月风速对PM2.5影响更显著，而夏季则不明显。

表1 2015—2019年厦门岛PM2.5 与气象要素之间相关性

已有研究[20]发现长江中下游地区冬季PM2.5与风速之间相关性较小，却与冬季北方污染物远距离输送有关，因为输送作用可以抵消风对污染物的稀释作用。厦门岛与之情况迥异，说明冬季远距离输送对厦门岛的影响明显弱于长江中下游地区。研究[19]发现，厦门岛春季受E、NEN、ESE方向的偏东风影响大，秋冬两季NNE、NE、ENE等偏北风占比较高，易于把北方城市的PM2.5等大气污染物输送过来，导致厦门岛污染月PM2.5浓度偏高。

2.3 后向轨迹聚类分布

2015—2019年易污染月的后向气团轨迹聚类分析结果见图3，影响易污染月中的气团轨迹，1、2月可分为3类，11月可分为4类，3月分为5类。

1月，轨迹类1占总轨迹数的54.19%，该类轨迹是1月的主导气团轨迹，具有短距离传输特征；来自偏北方向的轨迹类3主要受季节性东北风影响，占比为34.68%，传输距离较轨迹类1长；受北方寒流影响的西北向轨迹类2占比为11.13%，具有传输距离长、移动速度快的特点。

2月的3类气团轨迹与1月相似，省内短距离输送的轨迹类2和沿岸输送的轨迹类3的占比相对较高，分别占总轨迹数的37.53%和49.77%，为该月的主导输送气团；自西北向长距离输送的轨迹类1占总轨迹数的12.69%。

春季3月受暖流的影响，气团轨迹相对复杂。自西北方向(寒流)来的长距离气团轨迹类2占比明显下降，仅为8.39%。其他4类气团轨迹均为短距离输送，来自西北方向的短距离轨迹类1比重最大，为44.88%；其次为来自东北方向的轨迹类3和轨迹类4，分别占总轨迹数的11.49%和34.40%；来自福建东北部地区的轨迹类5对厦门岛只有轻微影响，约占0.84%。

秋季11月的4类轨迹与1月相似，其中来自东部的海洋气团轨迹类4占总轨迹数的41.01%，为主导轨迹，可能与此时厦门岛的主导风向为东北风及东风有关；其次为偏北方向的沿岸轨迹类3(受东北风影响)和省内短距离输送的轨迹类1，分别占总轨迹数的13.99%和36.23%；由于此时寒流较弱，长距离输送的轨迹类2占比相对冬季小，但与春季相当，为8.77%。

综上所述：5年易污染月气团轨迹多为短距离输送气团，即短距离输送是造成厦门岛1、2、3、11月空气污染的主要原因；并且，来自西北方向及偏北方向(沿岸移动)的长距离输送在冬季明显增加，加剧了厦门岛冬季的大气污染。整体而言，除了11月个别出现来自东北(偏东)方向的海洋气团外，污染月份的气团轨迹多来自西部和北部的大陆气团。

2.4 不同气流轨迹的污染特征分析

以《环境空气质量等级标准》中24 h PM2.5平均质量浓度二级标准(75 μg/m3)为阈值，来区分污染轨迹和清洁轨迹，并对污染月份各轨迹对应的PM2.5逐时质量浓度进行统计分析，探讨2015—2019年厦门岛易污染月份不同气流轨迹的污染特征。结果(见表2)发现，该阈值下各月污染轨迹占总轨迹的1.30%～2.82%；1月和2月的全部轨迹类均含有污染轨迹，且来自苏、浙和闽东北部地区的污染轨迹PM2.5质量浓度最高，分别达到(91.79±11.15)μg/m3和(100.81±31.68)μg/m3；3月的5类轨迹中有3类含污染轨迹，其中来自西北方向(赣、浙及闽东北部)方向的污染轨迹的PM2.5质量浓度最高，达(96.13±19.35)μg/m3；11月污染轨迹中有3类污染轨迹，来自赣、闽中西部地区的轨迹类中PM2.5质量浓度最高，达(97.01±16.94)μg/m3。由此可知，PM2.5阈值选取75 μg/m3时，质量浓度较高的污染轨迹主要来自浙、赣相邻省份以及本省的闽东北地区，尽管这些轨迹的占比数不大(1.10%～4.34%)，却是造成厦门岛大气轻度污染的主要贡献轨迹，应引起重视。

PM2.5阈值选择为75 μg/m3对厦门岛大气污染控制具有重要意义，但若要使厦门岛从较清洁地区向“清洁空气”目标前进，可采用24 h PM2.5平均质量浓度一级标准(35 μg/m3)为阈值进行分析(见表2)，此阈值下污染轨迹相对总轨迹的占比数明显增加，在17.24%～44.56%之间。1月，来自赣、闽北部地区的轨迹类1的轨迹数及污染轨迹数均最高，分别达1982条和803条(相对总轨迹数占比分别为54.18%和21.95%)，PM2.5质量浓度也最高，可达(54.24±15.62)μg/m3；来自苏浙和闽东北地区的轨迹类3，尽管该类轨迹的PM2.5质量浓度不高((48.78±11.30)μg/m3)，但其污染轨迹数达677条，分别占该类轨迹及当月总轨迹的53.35%和18.51%，说明该类轨迹发生污染的概率较高。2月，来自黄海海域经苏浙、闽东部到达厦门岛的轨迹类3的PM2.5质量浓度最高，为(51.43±17.86)μg/m3，其污染轨迹数(564条)占比也最高，占2月份总轨迹数的17.08%；来自浙、闽东北部的轨迹类2的PM2.5质量浓度相对较低((50.33±17.55)μg/m3)，但该类轨迹数及污染轨迹数仍较高，分别达1239条和305条，分别占总轨迹数的为37.52%和9.24%。春季3月各类轨迹中污染轨迹的PM2.5质量浓度范围为(44.99±4.61)～(53.44±13.44)μg/m3，其中来自川、鄂、湘、赣及闽中东部地区的轨迹类2的PM2.5质量浓度最高，其污染轨迹数仅144条，却占了该类轨迹的46.75%，说明该类轨迹发生污染的概率也很高；其次为来自赣、浙及闽东北部的轨迹类1，其PM2.5质量浓度为(51.82±16.29)μg/m3，该类轨迹数及污染轨迹数均较高，分别为1646条和1023条，分别占总轨迹数的44.89%和27.90%。秋季11月所有轨迹分类中，来自赣和闽中西部的轨迹类1的PM2.5质量浓度最高，达(56.05±22.58)μg/m3；污染轨迹数也最多，达243条，占期总轨迹数的6.88%。

综上所述，按现行空气等级质量标准，选择PM2.5阈值为75 μg/m3时，影响厦门岛的污染轨迹主要来自短距离输送的浙江、江西相邻两省及省内的闽东北部和闽中西部地区的污染源，这些区域的大气污染联防联控应受到重视。而厦门岛若要向“清洁”目标前进，24 h PM2.5阈值可选择为35 μg/m3，此时需要联防联控的区域范围将增大。除了上述区域外，冬季需要关注黄海海域、江苏和浙江较长距离输送的气团，该类气团轨迹到达时，厦门岛PM2.5质量浓度虽相对较低，但是污染轨迹数占比高；春季需关注来自四川、湖北、湖南、江西等西北方向较长距离输送的气团，该类气团轨迹使厦门岛PM2.5质量浓度升高，虽轨迹总数低但污染轨迹占比高(相对同类轨迹)，污染频率也高。

表2 污染月份各类轨迹占比及对应PM2.5 浓度值统计分析

3 结论

为促进厦门岛向“清洁空气”目标前进，对2015—2019年厦门岛空气质量影响较大的细颗粒物展开污染特征、污染月份的输送路径及污染轨迹特征分析，结果发现：1)厦门岛2015—2019年，PM2.5污染控制取得一定成效，其年平均质量浓度呈逐年下降趋势；其季节变化具有“冬高夏低，春降秋升”的特点，且月均高值多出现在1—3月及11月。2)剔除季节影响后，气象要素中温度、湿度对厦门岛PM2.5的影响均不显著，而风速对PM2.5具有较显著负相关关系，该现象在冬季尤为显著。3)厦门岛污染月的短距离气团输送是造成PM2.5污染的主要原因，来自西北及偏北方向的长距离气团输送加剧了冬季PM2.5污染。为了向“清洁”目标前进，选择35 μg/m3作为24 h PM2.5阈值对厦门岛大气污染联防联控更有意义。4)冬季污染潜在源区为闽东部沿海区域及浙、皖、赣、粤与闽交界区域，这些区域的大气污染联防联控应受到极大重视；而来自苏浙的较长距离气团输送因污染轨迹数占比高也应受到重视。春季污染潜在源区开始向西南方向移动，需关注来自川、赣、湘等方向较长距离输送的气团轨迹，轨迹总数虽低但污染频率高。