楊 紅，謝海燕，鮑昱璇，張凱歡，李新琪

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站，烏魯木齊 830052)

前 言

PM10是空氣動力學(xué)直徑≤10μm的顆粒物，PM2.5是指大氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5μm的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物，由于大氣顆粒物對氣候環(huán)境和人體健康都具有一定的危害，因此越來越受人們的關(guān)注[1～3]。阿克蘇地區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠西北邊緣，平均年沙塵天氣日數(shù)超過150天，是新疆乃至全國沙塵暴天氣的高發(fā)區(qū)之一[4]。沙塵天氣發(fā)生時，沙粒卷入空中使空氣中的顆粒物濃度迅速增加，大氣能見度也瞬間降低，空氣質(zhì)量指數(shù)隨之增大，對大氣環(huán)境質(zhì)量造成最直接的影響[5]，此外，沙塵暴不僅含有從源區(qū)產(chǎn)生的沙塵，沿途也會攜帶大量的污染顆粒物，進(jìn)而傳輸?shù)匠鞘袇^(qū)域，影響其大氣環(huán)境[6]。目前已有不少學(xué)者對阿克蘇市的大氣顆粒物展開研究，買合吐木汗·艾合買提[7]研究了阿克蘇市的環(huán)境空氣質(zhì)量及變化趨勢，得出PM10是阿克蘇市環(huán)境空氣的首要污染物且春季濃度最高，影響其濃度的主要自然因素為沙塵天氣；楊虎等[8]分析了PM10與氣象要素的關(guān)系，指出PM10濃度與風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系，且造成阿克蘇市沙塵天氣污染源有本地型、外來型以及二者共同影響型；苗云閣[9]分析了阿克蘇沙塵期與非沙塵期PM10和PM2.5的組分特征，得出阿克蘇沙塵期的離子濃度與非沙塵期基本一致，且風(fēng)沙天地殼元素會對當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量造成影響。某一地區(qū)的大氣污染不僅與本地排放源有關(guān)，還會受區(qū)域輸送的影響[10-11]，上述研究主要針對大氣顆粒物的濃度和組分特征及影響因素，而對大氣顆粒物的來源及傳輸?shù)确矫娴难芯勘容^缺乏。后向軌跡模型、潛在源貢獻(xiàn)分析(PSCF)和濃度權(quán)重分析(CWT)是研究污染空間輸送特征的有效手段之一，已被廣泛應(yīng)用于污染物的來源與輸送[12～14]。

阿克蘇市處于塔克拉瑪干沙漠邊緣，易受周邊戈壁沙漠影響，目前對阿克蘇市大氣顆粒物污染區(qū)域傳輸影響的綜合系統(tǒng)研究鮮見報道。本文以阿克蘇市沙塵多發(fā)的春季作為研究對象，分析阿克蘇市PM10和PM2.5的污染特征，并結(jié)合氣象資料(風(fēng)速、溫度、相對濕度和氣壓)分析氣象條件對大氣顆粒物的影響，利用后向軌跡聚類、潛在源貢獻(xiàn)因子和濃度權(quán)重軌跡等分析方法，綜合分析阿克蘇市春季PM10和PM2.5的主要輸送路徑及潛在源區(qū)，以期為阿克蘇市大氣環(huán)境管理提供有效的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選擇阿克蘇市國控空氣質(zhì)量自動監(jiān)測點，2020年3月至5月PM10和PM2.5的日均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來自中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺(https: //www. aqistudy. cn)。該監(jiān)測點位于阿克蘇市平原區(qū)，為城市評價點，可以反映阿克蘇市城區(qū)的空氣質(zhì)量整體狀況及變化趨勢。圖1為阿克蘇市大氣監(jiān)測點圖，圖2為阿克蘇市地理位置示意圖。

后向軌跡模型所需的氣象數(shù)據(jù)為美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)氣象數(shù)據(jù)(ftp: //arlftp.arlhq.noaa. gov/pub/archives/gdas1)。風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓和降水量等氣象資料取自中國氣象局(https://www.weather.cma.cn)。

圖1 阿克蘇市大氣監(jiān)測點Fig.1 Schematic diagram of air monitoring points in Aksu

圖2 阿克蘇市地理位置示意圖Fig.2 The location of Aksu in XinJiang

1.2 研究方法

1.2.1 后向軌跡聚類分析

聚類分析法是根據(jù)指標(biāo)樣本的相似性和親疏程度，用數(shù)學(xué)方法將其分型劃類，得到反應(yīng)群體之間親疏程度的系統(tǒng)的方法[15]，后向軌跡聚類分析則是根據(jù)氣團(tuán)軌跡的傳輸速度和方向，對到達(dá)研究區(qū)域的所有氣團(tuán)軌跡進(jìn)行分類，以判斷研究區(qū)在分析時間段內(nèi)的主要氣團(tuán)來源方向和傳輸距離[16]。根據(jù)軌跡線路的長短可推斷氣流移動的速度，軌跡越長，移動速度越快；軌跡越短，移動速度越慢[17]，就越容易聚集地面的污染物質(zhì)。本文利用MeteoInfo軟件及TrajStat插件中的聚類方法，利用歐氏距離算法，對到達(dá)阿克蘇市的氣流軌跡進(jìn)行聚類，從而得到2020年阿克蘇市春季不同輸送氣流類型，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合污染物濃度數(shù)據(jù)對春季各類氣流的污染特征進(jìn)行統(tǒng)計分析。

1.2.2 潛在源貢獻(xiàn)因子(PSCF)分析法

潛在源貢獻(xiàn)因子分析法又稱為滯留時間分析法，是一種基于氣流軌跡識別潛在污染源區(qū)的方法[18]，該方法基于后向軌跡模型所計算的后向軌跡在空間中的停留時間，利用污染軌跡與所有軌跡在途經(jīng)區(qū)域所停留時間的比值，來表征每個區(qū)域?qū)κ茳c地區(qū)的污染貢獻(xiàn)[19]。該方法需要對污染因子設(shè)定閾值，本研究將選取PM10和PM2.5的日均濃度二級標(biāo)準(zhǔn)限值作為閾值，當(dāng)經(jīng)過某網(wǎng)格的氣團(tuán)軌跡對應(yīng)的顆粒物濃度高于設(shè)定閾值時則認(rèn)為該軌跡為污染軌跡。PSCF值是所選研究區(qū)域經(jīng)過網(wǎng)格ij的污染軌跡數(shù)(mij)與經(jīng)過該網(wǎng)格上所有軌跡數(shù)(nij)的比值，即：

(1)

PSCF值越大，顏色越深，表示該網(wǎng)格中污染軌跡比例越高，PSCF高值所對應(yīng)的網(wǎng)格區(qū)是影響阿克蘇市大氣顆粒物的主要潛在源區(qū)。

由于PSCF是一種條件概率，當(dāng)各網(wǎng)格內(nèi)氣流停留時間較少時，即當(dāng)nij值較小時，PSCF值會出現(xiàn)較大波動從而增大不確定性，使計算結(jié)果出現(xiàn)偏差，因此，相關(guān)學(xué)者引入經(jīng)驗權(quán)重函數(shù)Wij來盡可能減小誤差[20-21]。即：

WPSCF=Wij×PSCF

(2)

文中將權(quán)重函數(shù)Wij具體設(shè)定為：

(3)

1.2.3 濃度權(quán)重軌跡(CWT)分析法

由于PSCF分析法只能反映每個網(wǎng)格中污染軌跡所占比例，無法確定污染軌跡的污染程度，而CWT則可通過計算潛在源區(qū)的氣流軌跡濃度權(quán)重，來定量分析研究區(qū)外來輸送的濃度貢獻(xiàn)水平[22-23]。計算公式如下:

(4)

式中：Cij為網(wǎng)格ij的平均權(quán)重濃度；l為氣流軌跡；M為軌跡總數(shù)；Cij是軌跡l經(jīng)過網(wǎng)格ij時對應(yīng)的污染物質(zhì)量濃度；τijl是軌跡l在網(wǎng)格ij上滯留的時間。在CWT分析法中通常也引入權(quán)重函數(shù)Wij以減少nij值較小時引起的不確定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 春季顆粒物濃度變化特征

研究期間，春季PM10和PM2.5的平均濃度分別為406.74 μg/m3和101.78 μg/m3，均超出了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)日均二級標(biāo)準(zhǔn)限值。圖3展示了2020年阿克蘇市春季顆粒物

圖3 阿克蘇市2020年春季顆粒物的日均濃度變化Fig.3 Daily average concentration of atmospheric particulate matter in Aksu during the Spring of 2020

質(zhì)量濃度的逐日變化，PM10的日均濃度范圍為52～2 414 μg/m3，最高值高達(dá)(GB 3095—2012)二級標(biāo)準(zhǔn)(150 μg/m3)的16.1倍，有68.5%的天數(shù)超過了PM10的日均二級標(biāo)準(zhǔn)限值；PM2.5的日均濃度范圍為16～556 μg/m，最高值高達(dá)GB 3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)(75 μg/m3)的7.4倍，有39.1%的天數(shù)超過了PM2.5的日均二級標(biāo)準(zhǔn)限值。研究期間春季PM10和PM2.5日均濃度在3月份超標(biāo)率最高。以上數(shù)據(jù)表明，阿克蘇市春季顆粒物污染問題仍然嚴(yán)峻，春季PM10超標(biāo)問題比較突出。 對2020年顆粒物日均濃度與氣象因子之間的相關(guān)分析見表1。統(tǒng)計結(jié)果顯示，除相對濕度外，其它氣象因子對顆粒物的影響都比較小。春季PM10和PM2.5與濕度均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，阿克蘇春季降水量少，使得大氣濕度低，大氣濕度低時不利于顆粒物的吸濕沉降[24]，大氣中顆粒物濃度顯著增高。溫度和氣壓與PM10的相關(guān)性較弱，與PM2.5無顯著相關(guān)性。風(fēng)速與PM10和PM2.5均無顯著相關(guān)性，春季因受沙塵影響，天氣長期表現(xiàn)為浮塵狀態(tài)，因此風(fēng)速對顆粒物的作用不明顯。

表1 2020年阿克蘇市春季污染物與氣象參 數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)Tab.1 Pearson correlation coefficient between pollutants and meteorological parameters in Aksu during the spring of 2020

2.2 聚類分析

為了解區(qū)域傳輸對阿克蘇市春季大氣顆粒物的影響，本研究將阿克蘇市兩個環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站藝術(shù)中心(41.15°N，80.27°E)和電視臺(41.16°N，80.29°E)作為目標(biāo)點，利用MeteoInfo軟件及TrajStat插件進(jìn)行36h的后向氣團(tuán)軌跡模擬，模擬高度為500m，該高度能夠準(zhǔn)確反映邊界層平均流場特征。每天以00:00、06:00、12:00、18:00為后向軌跡模擬起始時間，對各軌跡進(jìn)行聚類分析(圖4)，并結(jié)合PM10和PM2.5的平均質(zhì)量濃度，分析不同軌跡氣流對污染物濃度的影響(表2)。

圖4 阿克蘇市藝術(shù)中心和電視臺2020年春季后向軌跡聚類分析結(jié)果Fig.4 Results for back-trajectory clusters in Aksu Art Center and TV Station during the Spring of 2020

表2 各軌跡占比和對應(yīng)的污染物平均濃度Tab.2 Ratio and mean concentration of the pollution of each trajectory to Aksu

續(xù)表2

阿克蘇市藝術(shù)中心春季氣流軌跡主要以東南和西南方向的輸送為主，其中來自喀什北部的氣流軌跡2占總軌跡數(shù)比例最高，為29.35%，其次是來自阿克蘇地區(qū)東南部的氣流軌跡5，占比為27.45%，再次為來自東部巴音郭楞地區(qū)的氣流軌跡1，占比為20.38%。來自東北方向的氣流3對應(yīng)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度最高，分別為636.33 μg/m3和163.55μg/m3，該軌跡源于吐魯番地區(qū)，途經(jīng)巴音郭楞到達(dá)本地，其次是來自東部的氣流1，對應(yīng)的PM10和PM2.5分別為452.03 μg/m3和105.65 μg/m3，來自西南方向的氣流2對應(yīng)的污染物濃度也較高，對應(yīng)的PM10和PM2.5分別為394.02 μg/m3和100.3 μg/m3。軌跡2和軌跡5呈現(xiàn)出相對較短的氣流軌跡，表明區(qū)域氣象條件穩(wěn)定，氣團(tuán)移動緩慢，有利于大氣顆粒物的累積。

阿克蘇市電視臺春季氣流軌跡主要表現(xiàn)為東南和西南方向，其中來自和田北部的氣流軌跡2為主要聚類，占比達(dá)到27.17%，其次是來自阿克蘇地區(qū)東南部的氣流軌跡1，占比為22.01%，再次為阿克蘇本地的氣流軌跡5，占比為19.29%。軌跡污染物質(zhì)量濃度最高的是東北方向的氣流3，對應(yīng)的PM10和PM2.5分別為622.98 μg/m3和162.90μg/m3，該軌跡源于吐魯番地區(qū)，途經(jīng)巴音郭楞到達(dá)本地，其次是偏東路徑氣流1，對應(yīng)的PM10和PM2.5分別為467.11μg/m3和113.22μg/m3，再次為偏西南方向的氣流2，對應(yīng)的PM10和PM2.5分別為426.24 μg/m3和111.71 μg/m3。

綜上所述，阿克蘇市藝術(shù)中心和電視臺春季氣流輸送主要來自東南和西南路徑，而且其對應(yīng)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度在所有聚類組中也較高，偏東氣流軌跡占比雖然較低，但對應(yīng)的顆粒物濃度最高，故而也是阿克蘇市顆粒物來源的一條重要輸送路徑。出現(xiàn)概率和污染程度較高的軌跡都途經(jīng)干旱、半干旱的戈壁和沙漠地區(qū)，易攜帶大量的沙塵顆粒，輸送至阿克蘇市，致使本地顆粒物濃度增高。藝術(shù)中心和電視臺的6條軌跡對應(yīng)的PM2.5與PM10比值均比較小，說明氣流帶來了較多的粗顆粒物。

2.3 潛在源分析

為了進(jìn)一步對阿克蘇市春季大氣顆粒物可能來源進(jìn)行研究，本文進(jìn)行了污染物潛在源分析，將計算的氣團(tuán)軌跡區(qū)域網(wǎng)格化，網(wǎng)格大小設(shè)置為0.5°×0.5°，PM10標(biāo)準(zhǔn)值為國家二級日均濃度限值150 μg/m3，PM2.5標(biāo)準(zhǔn)值為國家二級日均濃度限值75 μg/m3，WPSCF值越大，表明該地區(qū)對阿克蘇市大氣污染物的濃度貢獻(xiàn)比例越高，計算結(jié)果見圖5和圖6，2020年阿克蘇市藝術(shù)中心和電視臺春季PM10潛在源分布基本一致，WPSCF高值區(qū)主要集

圖5 阿克蘇市藝術(shù)中心和電視臺春季PM10的PSCF分析結(jié)果Fig.5 PSCF analysis of PM10 in Art Center and TV Station of Aksu during spring

圖6 阿克蘇市藝術(shù)中心和電視臺春季PM2.5的PSCF分析結(jié)果Fig.6 PSCF analysis of PM2.5 in Art Center and TV Station of Aksu during spring

中在阿克蘇本地及周邊地區(qū)，包括：阿克蘇南部和巴音郭楞地區(qū)，其PM10的WPSCF貢獻(xiàn)因子在0.7以上。藝術(shù)中心和電視臺春季PM2.5潛在源貢獻(xiàn)因子變化趨勢也較一致，主要潛在源區(qū)分布在巴音郭楞地區(qū)，PM2.5的WPSCF貢獻(xiàn)因子在0.5以上。

總體來看，阿克蘇市春季PM10和PM2.5主要潛在源區(qū)主要集中在阿克蘇南部和巴音郭楞北部等地區(qū)，這些潛在源區(qū)氣候干旱，降水量少，植被覆蓋度低，且靠近塔克拉瑪干沙漠，易受沙塵天氣影響，導(dǎo)致其顆粒物濃度增高，且沿著東部方向和南部方向的氣流路徑影響阿克蘇市。

2.4 濃度權(quán)重分析

由于WPSCF只能反映污染軌跡通過某一區(qū)域的概率，而濃度權(quán)重軌跡分析法(CWT)能夠確定該區(qū)域?qū)ρ芯繀^(qū)污染物濃度的貢獻(xiàn)水平，因此，本文計算了2020年阿克蘇市春季PM10和PM2.5濃度權(quán)重軌跡CWT。WCWT值越高，說明這些區(qū)域?qū)Π⒖颂K市的PM10和PM2.5濃度有較大的貢獻(xiàn)，是影響阿克蘇市春季大氣顆粒物的強(qiáng)潛在源區(qū)。如圖7和圖8所示，阿克蘇市藝術(shù)中心和電視臺的濃度權(quán)重分析與潛在源貢獻(xiàn)模擬結(jié)果類似，PM10和PM2.5的濃度權(quán)重分析也基本一致。藝術(shù)中心和電視臺的WCWT值較高的區(qū)域均位于巴音郭楞北部，其對PM10的日均濃度貢獻(xiàn)值大于900 μg/m3，對PM2.5的日均濃度貢獻(xiàn)值大于200 μg/m3。2020年春季阿克蘇市盛行偏東風(fēng)，因此帶來了阿克蘇東部周邊地區(qū)較多的顆粒物。

圖7 阿克蘇市藝術(shù)中心和電視臺春季PM10的CWT分析結(jié)果Fig.7 CWT analysis of PM10 in Art Center and TV Station of Aksu during spring

圖8 阿克蘇市藝術(shù)中心和電視臺春季PM2.5的CWT分析結(jié)果Fig.8 CWT analysis of PM2.5 in Art Center and TV Station of Aksu during spring

劉尊馳[25]分析了南疆北部庫車的氣流傳輸路徑，發(fā)現(xiàn)庫車春季氣流主要有南疆內(nèi)部及南部沙漠傳輸路徑。艾克代·沙拉木[26]分析了阿圖什沙塵氣溶膠的來源，發(fā)現(xiàn)阿圖什春季TSP與PM10主要來自周邊塔里木盆地。艾沙江·艾力等[14]對和田西北部的墨玉縣城PM10和PM2.5的輸送路徑及潛在來源進(jìn)行分析，結(jié)果表明，其主要潛在源區(qū)分布在塔克拉瑪干沙漠周圍地區(qū)。對比其他研究結(jié)果，位于新疆南部的阿克蘇市大氣顆粒物同樣來自周邊戈壁沙漠地區(qū)，這進(jìn)一步說明塔克拉瑪干沙漠周邊地區(qū)春季顆粒物濃度主要受沙漠沙塵的影響。阿克蘇地勢北高南低，西部和北部有眾多山峰，東部和南部是浩瀚無垠的塔克拉瑪干沙漠，春季東灌冷空氣攜帶沙塵集聚在阿克蘇市上空，且高空風(fēng)速相對較小，導(dǎo)致沙塵顆粒易在空中懸浮停留，獨特的地形條件加上不利的大氣擴(kuò)散條件，導(dǎo)致阿克蘇市春季顆粒物污染較嚴(yán)重?？偠灾趯Ρ疚乃R別的顆粒物污染源區(qū)予以重點關(guān)注的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)與其它受沙塵影響的周邊區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控和協(xié)同治理才能有效控制春季顆粒物污染。

3 結(jié) 論

3.1 阿克蘇市2020年春季PM10和PM2.5的平均濃度分別為406.74 μg/m3和101.78 μg/m3，其中PM10日均值超標(biāo)率為68.5%，PM2.5的日均值超標(biāo)率為39.1%，春季PM10超標(biāo)問題突出。

3.2 經(jīng)過聚類分析，西南路徑、東南路徑是影響阿克蘇市2020年春季空氣質(zhì)量主要的輸送氣團(tuán)；來自東部的軌跡占比雖少，但對應(yīng)的PM10和PM2.5的平均濃度最高，因此也是一條影響阿克蘇市春季顆粒物污染的重要輸送路徑。

3.3 阿克蘇市春季大氣顆粒物WPSCF和WCWT的結(jié)果分布類似，阿克蘇南部和巴音郭楞北部等地區(qū)是大氣顆粒物的主要潛在源區(qū)，其中高濃度貢獻(xiàn)潛在源區(qū)主要分布在巴音郭楞北部，表明春季阿克蘇市大氣顆粒物污染受偏東區(qū)域顆粒物傳輸?shù)挠绊戄^為嚴(yán)重，研究成果為確定阿克蘇市顆粒物污染潛在貢獻(xiàn)源區(qū)以及區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控提供參考。