武威 單鐵良

(1.漯河市氣象局，河南 漯河 462300； 2.漯河市霧霾監(jiān)測(cè)預(yù)警工程技術(shù)研究中心，河南 漯河 462300)

引言

近年來，隨著城市化快速發(fā)展，重污染天氣已成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，尤其冬半年受東亞大槽槽后影響和青藏高原地形“背風(fēng)坡”作用，中國中東部處于顯著下沉氣流區(qū)，氣象條件整體偏差，不利于大氣污染擴(kuò)散和清除；同時(shí)秋冬季也是中國北方的集中供暖期，較高的污染源排放導(dǎo)致大氣污染問題更為突出[1-3]。已有研究表明，重污染天氣不僅與本地排放源及不利的氣象條件有關(guān)[4-6]，外源污染物傳輸也是造成重污染天氣的關(guān)鍵因素[7-8]；王茜[9]利用后向軌跡分析了上海各季節(jié)不同類型氣流軌跡變化特征以及對(duì)污染物濃度的影響；Wen等[10]利用CAMx模式源解析得出，細(xì)顆粒物PM2.5外來區(qū)域輸送比例明顯較高；花叢等[11]通過氣團(tuán)軌跡聚類總結(jié)出北京、天津等大城市污染輸送特征，提出并改進(jìn)了重污染傳輸指數(shù)?；诰垲愜壽E結(jié)果分析污染物輸送路徑和潛在污染源區(qū)，能夠?qū)Ρ镜匚廴咀龀鼍C合判斷[12-13]。王愛平等[14]對(duì)不同天氣下的黃山頂污染物源區(qū)進(jìn)行分析，得出潛在源區(qū)主要為人口密集工業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)。黃乾等[15]研究得出，南京北郊污染物源區(qū)主要位于河北南部和山東西部，北路的平流輸送是形成重污染的重要路徑。

不同的地理位置或地形條件重污染傳輸特征不同，因此區(qū)域輸送具有典型的差異性和地域性。上述研究多集中于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，對(duì)于河南則缺乏典型污染輸送路徑和潛在污染源區(qū)分析，其研究主要側(cè)重于重污染時(shí)空分布特征[16-17]、典型污染環(huán)流形勢(shì)及與氣象要素相關(guān)性分析等[18-19]，且大多是針對(duì)一次典型個(gè)例進(jìn)行探討[20-21]。從氣象條件統(tǒng)計(jì)分析，冬半年漯河大氣靜穩(wěn)，邊界層高度較低，垂直擴(kuò)散能力較差；弱風(fēng)比例高達(dá)67.5%，對(duì)污染物水平擴(kuò)散不利；相對(duì)濕度達(dá)70%以上，有利于污染物吸濕增長(zhǎng)。其次漯河位于河南中部，處于伏牛山東麓和淮北平原交錯(cuò)地帶，特殊的地理位置為重污染防治帶來挑戰(zhàn)；同時(shí)秋冬季也是蒙古高壓南下和冷空氣頻繁活動(dòng)季節(jié)，漯河近地層盛行偏北風(fēng)，因此在氣象、位置、傳輸?shù)榷喾N因素耦合下，漯河是河南省顯著高污染區(qū)，有必要加強(qiáng)對(duì)其重污染源區(qū)傳輸特征的研究。本文針對(duì)2015—2019年秋冬季漯河重污染特征，采用后向軌跡聚類對(duì)污染氣團(tuán)輸送路徑分類研究，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和天氣學(xué)方法分析漯河重污染天氣輸送特征及其成因，結(jié)合一次典型個(gè)例剖析，以加深對(duì)區(qū)域污染傳輸?shù)恼J(rèn)知，為大氣污染防治科學(xué)研判及聯(lián)防聯(lián)控提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

所用的2015—2019年秋冬季(11月至次年2月)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)和PM2.5、PM10等污染物濃度數(shù)據(jù)來自河南省環(huán)保廳，選取漯河四個(gè)國控點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，取其平均值代表漯河整體空氣質(zhì)量。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局的常規(guī)探空和地面觀測(cè)資料，全球大氣同化系統(tǒng)(GDAS)數(shù)據(jù)用來研究氣團(tuán)軌跡，NCEP數(shù)據(jù)(空間分辨率為1°×1°、時(shí)間分辨率6 h)用來分析重污染天氣的環(huán)流背景和計(jì)算相關(guān)動(dòng)力、熱力條件；ERA5數(shù)據(jù)(空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 h)用來分析邊界層高度。

1.2 研究方法

HYSPLIT4模式是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型，在研究污染物后向軌跡中應(yīng)用較廣[9,22]。本文通過HYSPLIT模式計(jì)算追蹤氣團(tuán)后向軌跡，后向模擬時(shí)長(zhǎng)為48 h。

聚類分析是一種利用多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)大量數(shù)據(jù)集合分組方法。根據(jù)氣團(tuán)移動(dòng)特征對(duì)軌跡分組分類，能夠清晰直觀分析不同氣團(tuán)組的來源、移向和輸送距離等。本文利用Meteinfo軟件對(duì)追蹤的所有氣團(tuán)軌跡進(jìn)行聚類，軌跡間距離采用角度聚類法計(jì)算。

潛在源區(qū)貢獻(xiàn)法(PSCF,potential source contribution function)和濃度權(quán)重軌跡分析法(CWT,concentration weighted trajectory)能夠較好地對(duì)可能的污染源區(qū)進(jìn)行分析[23]。PSCF是一種基于條件概率函數(shù)發(fā)展而來，根據(jù)氣團(tuán)后向軌跡和污染物要素來定性判斷污染的可能源區(qū)分布。它將研究區(qū)域劃分i×j個(gè)網(wǎng)格，對(duì)污染物要素設(shè)定閾值，當(dāng)軌跡上污染物濃度大于該閾值時(shí)，則認(rèn)定為污染軌跡，其經(jīng)過網(wǎng)格i×j上污染軌跡端點(diǎn)數(shù)為mij，網(wǎng)格內(nèi)總軌跡端點(diǎn)數(shù)為nij，并引入經(jīng)驗(yàn)權(quán)重系數(shù)W(ni,j)對(duì)其進(jìn)行誤差訂正，其具體計(jì)算如下式

(1)

CWT則是一種計(jì)算潛在源區(qū)氣團(tuán)軌跡的權(quán)重濃度，表征不同軌跡的污染程度，能夠定量分析和判斷污染貢獻(xiàn)的濃度，其表達(dá)式為

(2)

式(2)中,l為軌跡；M為軌跡總數(shù)；Cl為軌跡l上的污染物濃度；τijl為軌跡l在網(wǎng)格上滯留時(shí)間。其經(jīng)驗(yàn)權(quán)重系數(shù)W(nij)與PSCF公式中的權(quán)重系數(shù)相同。本文在追溯重污染潛在源區(qū)時(shí)，將研究區(qū)域(30°—50°N、100°—130°E)劃分為0.25×0.25網(wǎng)格。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)，將AQI>200作為重污染天氣的研究閾值。

2 結(jié)果分析

2.1 秋冬季重污染概況

對(duì)2015—2019年秋冬季漯河空氣質(zhì)量及首要污染物統(tǒng)計(jì)分析，漯河平均空氣質(zhì)量?jī)?yōu)和良等級(jí)(AQI≤100)比例為34.28%，輕度污染(100200)占19.86%，其中中度以上污染中首要污染物為PM2.5比例高達(dá)79.12%，說明影響漯河污染的首要污染物以細(xì)顆粒物PM2.5為主。進(jìn)一步分析漯河2015—2019年秋冬季重污染特征(圖1)發(fā)現(xiàn)，重度以上污染天氣頻率近5 a比例分別為19.02%、25.50%、26.78%、38.53%和20.10%，漯河重污染天氣頻繁多發(fā)，從2015年到2018年增加了一倍。

圖1 2015年(a)、2016年(b) 、2017年(c) 、2018年(d) 和2019年(e)秋冬季漯河空氣質(zhì)量頻數(shù)變化

本文將小時(shí)AQI>200且維持在12 h以上的過程定義為一次重污染過程，其中小時(shí)AQI>200且維持1 h以上的第一個(gè)時(shí)次定為過程開始，當(dāng)小時(shí)AQI下降到200以下的時(shí)次定為過程結(jié)束。以此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2015—2019年秋冬季漯河重污染個(gè)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共出現(xiàn)66次重污染過程，累積時(shí)長(zhǎng)3121 h。如表1所示，2015—2018年秋冬季重污染過程由12次增加到15次，累積時(shí)長(zhǎng)由647 h增加到770 h，秋冬季重污染過程發(fā)生頻次高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染程度重；AQI、PM2.5質(zhì)量濃度年變化有不太顯著的下降趨勢(shì)，PM10質(zhì)量濃度下降趨勢(shì)明顯(圖2)。2020年1—2月可能受新冠疫情影響，使得2019年秋冬季多項(xiàng)指標(biāo)較低。PM2.5/PM10值在2015—2016年略有下降，2017年后上升明顯，2019年(疫情對(duì)PM2.5與PM10的比值影響不大)增加至0.88，說明漯河重污染天氣逐漸以細(xì)顆粒物PM2.5污染為主。

表1 2015—2019年秋冬季漯河重污染過程特征統(tǒng)計(jì)

圖2 2015—2019年秋冬季漯河重污染期間AQI(a)、PM2.5(b)和PM10(c)逐年變化

靜穩(wěn)條件上，2015—2019年各年秋冬季平均靜穩(wěn)指數(shù)在8.5上下波動(dòng)，年際差異小，靜穩(wěn)指數(shù)>10的占比在30%—50%之間波動(dòng)，均無顯著變化趨勢(shì)，2018—2019年污染程度下降可能得益于政府在冬半年實(shí)行的一系列污染管控減排措施以及新冠疫情影響，尤其是對(duì)PM10的防控更為有效。相較于PM10，對(duì)復(fù)雜的細(xì)顆粒物PM2.5的排放管控更困難，亟需加強(qiáng)有針對(duì)性的排放管控、區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控和污染治理轉(zhuǎn)型的應(yīng)對(duì)措施。

2.2 秋冬季重污染輸送特征

對(duì)2015—2019年秋冬季漯河逐6 h后向軌跡統(tǒng)計(jì)分析，總共2408條氣團(tuán)軌跡，軌跡時(shí)長(zhǎng)48 h，時(shí)間分辨率為1 h。圖3a為氣團(tuán)在500 m高度上的聚類結(jié)果(圖中五星為漯河位置)，可知漯河6條典型氣團(tuán)路徑。聚類1為西北路徑，經(jīng)內(nèi)蒙古到達(dá)河套地區(qū)南下至汾渭平原進(jìn)入漯河，包含739條氣團(tuán)軌跡，占所有軌跡30.69%；聚類2為東北路徑，氣團(tuán)由山東沿東北路南下，占10.92%；聚類3為西南路徑，從湖北北部進(jìn)入河南，占15.78%；聚類4為偏東路徑，起源于京津冀地區(qū)由偏東回流引起，比例為16.36%；聚類5為西北轉(zhuǎn)東北路徑，經(jīng)河套地區(qū)到達(dá)華北南部后折向西南，從河南東北部影響漯河，比例達(dá)10.76%；聚類6為東南路徑，氣團(tuán)從安徽輸送到本地，占15.49%。進(jìn)一步分析各聚類軌跡路徑下AQI箱線分布(圖3b)，表2為其統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從表2可知，聚類2中AQI整體分布值較高，平均AQI為167.91，75%分位數(shù)為233，重污染概率高達(dá)43.7%以上，為6類氣團(tuán)軌跡中重污染輸送的最主要路徑，重污染貢獻(xiàn)也最大。聚類6、5兩條軌跡平均AQI分別為166.75、148.27，75%分位數(shù)分別為213、198，也達(dá)到或接近重污染標(biāo)準(zhǔn)，重污染軌跡概率為25.4%和24.7%。聚類4軌跡中AQI均值和中位數(shù)與聚類5基本持平，但重污染概率略低；聚類1、3的AQI整體分布值明顯偏低，重污染概率僅為15.9%、18.6%，對(duì)重污染天氣貢獻(xiàn)不高。

表2 氣團(tuán)聚類統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3 2015—2019年秋冬季漯河500 m上后向軌跡聚類分析(a)、不同聚類軌跡AQI箱線分布(b)、聚類軌跡高度—時(shí)間變化(c)以及各聚類軌跡邊界層高度(d)箱線圖

圖3c和圖3d分別為不同聚類軌跡的垂直高度—時(shí)間變化和邊界層高度統(tǒng)計(jì)，聚類2、6軌跡長(zhǎng)度短，氣團(tuán)移速緩慢，有利于污染物積累；追蹤到前48 h氣團(tuán)高度在900 hPa以下，近24 h始終在950 hPa附近緩慢移動(dòng)，結(jié)合上述分析可知，東北路近距離邊界層的氣團(tuán)輸送有利于污染發(fā)展，重污染貢獻(xiàn)明顯較高。聚類4類似，說明偏東路徑輸送對(duì)本地重污染也有一定作用。聚類1軌跡路徑長(zhǎng)，追蹤初始?xì)鈭F(tuán)高度在700 hPa 以上，主要為遠(yuǎn)距離西北路徑下沉沉降輸送，氣團(tuán)移速較快，有利于污染物擴(kuò)散，該路徑重污染軌跡概率偏低；聚類3追蹤高度在850 hPa上，近24 h氣團(tuán)高度下降至邊界層內(nèi)傳輸，但對(duì)應(yīng)AQI均值較低，說明西南路徑近距離低高度傳輸對(duì)漯河重污染影響不大。聚類5軌跡比較特殊，整體路徑長(zhǎng)、追蹤前48 h的高度高，但氣團(tuán)轉(zhuǎn)向河南后無論是從水平輸送方向還是近12 h內(nèi)氣團(tuán)垂直變化，均與聚類2軌跡一致，表現(xiàn)出東北路近距離近地層輸送特征，并且重污染軌跡AQI均值高達(dá)288.67，為6類軌跡中均值最高，表明該路徑對(duì)漯河重污染天氣有一定的影響。

軌跡聚類分析只能判斷影響氣團(tuán)輸送路徑及其污染比例，卻無法定量反映出重污染潛在源區(qū)的分布[7,24]，故對(duì)漯河可能的重污染潛在源區(qū)進(jìn)行研究。漯河AQI潛在源區(qū)PSCF分析如圖4a所示，顏色越深，PSCF值越大，則對(duì)漯河重污染AQI輸送概率越高，一般來說，PSCF>0.4為重污染的重要潛在源區(qū)，從中可知，潛在源區(qū)具有來源復(fù)雜、范圍廣、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，河南東北部PSCF達(dá)到0.4以上，局部高達(dá)0.6，成為漯河重要的污染潛在源區(qū)；其次豫南局部達(dá)到0.4以上，也是漯河的污染潛在源區(qū)之一。CWT結(jié)果(圖4b)與PSCF結(jié)果基本類似，但范圍更大，河南中東部對(duì)漯河AQI權(quán)重濃度貢獻(xiàn)在160以上，其中河南東北部局部貢獻(xiàn)超過180，為貢獻(xiàn)最高的潛在源區(qū)。結(jié)合上述聚類軌跡可知，高污染潛在區(qū)主要與東北路對(duì)應(yīng)較好，當(dāng)氣團(tuán)沿這些軌跡經(jīng)過上述源區(qū)時(shí)，容易攜帶上高濃度污染物導(dǎo)致重污染發(fā)展。

圖4 2015—2019年秋冬季漯河AQI潛在源區(qū)貢獻(xiàn)分析(a)與濃度權(quán)重軌跡分析(b)

利用2015—2019年秋冬季地面風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)重污染風(fēng)玫瑰圖(圖5a)可知，偏北風(fēng)為其主導(dǎo)風(fēng)，其中北風(fēng)風(fēng)頻高達(dá)15%，其次是西北北風(fēng)(12%)和東北北風(fēng)(9%)，其他風(fēng)向上的風(fēng)頻較小，約0.5%以下。圖5b為重度污染以上時(shí)AQI風(fēng)玫瑰圖，圓圈半徑表示風(fēng)速。當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速小于1 m·s-1時(shí)，AQI高值區(qū)出現(xiàn)頻數(shù)最多且分布在任何風(fēng)向上，說明在靜風(fēng)或弱風(fēng)下本地污染物難以擴(kuò)散，不斷積累造成濃度較高；當(dāng)風(fēng)速在1—2 m·s-1時(shí)，偏北方向上的AQI大值區(qū)明顯增多；當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增加至2—4 m·s-1時(shí)，偏北風(fēng)方向下高濃度AQI頻數(shù)較大，尤其是偏北至東東北方向，說明重污染時(shí)段來自東北部的污染傳輸作用較強(qiáng)，這也印證了上文分析的“東北路徑氣團(tuán)軌跡對(duì)漯河重污染貢獻(xiàn)最大”“東北部的外源污染輸送極有利于重污染發(fā)展”等結(jié)論。

圖5 2015—2019年秋冬季漯河重污染天氣下風(fēng)玫瑰圖(a)與AQI風(fēng)玫瑰圖(b)

2.3 典型重污染個(gè)例分析

2.3.1 過程污染實(shí)況

2018年1月14—20日漯河重污染天氣持續(xù)140 h，其中16—17日、18—19日達(dá)到嚴(yán)重污染并維持近49 h，本次過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染程度重、影響范圍廣，具有明顯的典型性和代表性。圖6為本次過程AQI與風(fēng)向、風(fēng)速、相對(duì)濕度及邊界層高度變化，14日20時(shí)風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，風(fēng)速在1 m·s-1以下，相對(duì)濕度上升到80%以上，邊界層高度降到0.5 km以下，AQI達(dá)到207，即漯河出現(xiàn)重污染；之后污染物濃度雖小幅度震蕩，但仍在重污染范圍中。16日午后風(fēng)速明顯增強(qiáng)，相對(duì)濕度降到60%以下，邊界層高度升到1.5 km，污染略有下降。16日15時(shí)以后，風(fēng)場(chǎng)再次轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，風(fēng)速急速下降至2 m·s-1，相對(duì)濕度迅速上升到80%以上，邊界層高度急劇下降到0.2 km以下，漯河達(dá)到嚴(yán)重污染。夜間偏北風(fēng)維持在1 m·s-1以下，相對(duì)濕度維持在95%以上，邊界層高度維持在0.1 km以下，重污染持續(xù)發(fā)展。17日白天濕度下降，邊界層高度升至1.0 km以上，污染物濃度有所降低。17日下午到夜里，偏南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，風(fēng)速達(dá)2 m·s-1左右，濕度升至90%以上，邊界層高度下降至0.3 km以下，并維持到18日上午，AQI再次緩慢上升，18日11時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重污染極值并持續(xù)到19日；此后風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，相對(duì)濕度顯著下降，邊界層高度升高，污染逐漸減弱。

圖6 2018年1月14—20日漯河AQI(a)、風(fēng)向風(fēng)速(b)、相對(duì)濕度(c)和邊界層高度(d)演變

2.3.2 天氣形勢(shì)分析

2018年1月14—15日500 hPa中國中東部平直西風(fēng)環(huán)流維持，靜穩(wěn)形勢(shì)穩(wěn)定，有利于重污染天氣形成。15—16日夜間上游高空槽過境，環(huán)流經(jīng)向度加大，河南轉(zhuǎn)受槽后西北氣流影響；17日14時(shí)至18日08時(shí)中東部再次轉(zhuǎn)為靜穩(wěn)緯向型，有利于污染物積累。地面形勢(shì)上，河南穩(wěn)定維持在高壓前部均壓場(chǎng)中，水平擴(kuò)散條件差。16日02時(shí)河套西部高壓東移，偏北風(fēng)增大將上游污染物向本地輸送，而河南中東部氣壓梯度小，風(fēng)場(chǎng)較弱，污染物難以繼續(xù)向下游擴(kuò)散，漯河污染輻合加強(qiáng)。16日20時(shí)河南轉(zhuǎn)為高壓后部均壓場(chǎng)，風(fēng)場(chǎng)為靜風(fēng)。受上游污染輸送與本地污染累積共同影響，漯河重污染天氣加劇發(fā)展，形成嚴(yán)重污染并達(dá)到污染峰值。17日08時(shí)內(nèi)蒙古中西部有一1030 hPa冷高壓逐漸東移南下，14時(shí)高壓前側(cè)氣壓密集帶移至河南中西部，西北路冷空氣南下推動(dòng)本地污染物向下游擴(kuò)散，污染物迅速下降，重污染有所緩解。18日08時(shí)河南位于西北—東南向的變性高壓脊中，偏北風(fēng)先增大后減小產(chǎn)生停滯效應(yīng)，污染物大量積累導(dǎo)致再次出現(xiàn)高峰，隨后19—20日河南轉(zhuǎn)入均壓場(chǎng)控制，天氣形勢(shì)趨于靜穩(wěn)，重污染天氣維持。

2.3.3 區(qū)域輸送分析

對(duì)本次持續(xù)性重污染天氣中進(jìn)行氣團(tuán)后向軌跡統(tǒng)計(jì)聚類，并根據(jù)上述潛在源貢獻(xiàn)法和濃度權(quán)重軌跡兩種方法對(duì)此次可能污染源區(qū)進(jìn)行分析(圖略)。本次持續(xù)重污染過程中氣團(tuán)共有4條聚類軌跡：西北路徑、東北路徑、西南路徑和西南路徑。結(jié)合本次潛在源區(qū)PSCF分布來看，高潛在源區(qū)(PSCF≥ 0.7)主要位于漯河的北部或東北部，并且與近距離東北路徑基本對(duì)應(yīng)一致；CWT方法分析表明，漯河?xùn)|北地區(qū)對(duì)本次重污染的權(quán)重貢獻(xiàn)高達(dá)200以上，體現(xiàn)出顯著強(qiáng)潛在源中心區(qū)，與聚類后的東北路徑吻合，這也印證了“東北路徑下污染輸送最有利于漯河重污染發(fā)展”的結(jié)論。

進(jìn)一步利用HYSPLIT模式對(duì)過程期間兩次污染高峰時(shí)次進(jìn)行追蹤分析。圖7a為2018年1月16日20時(shí)漯河48 h氣團(tuán)后向軌跡。500 m高度上主要為偏北氣流，氣團(tuán)先是近地面水平小范圍順時(shí)針打轉(zhuǎn)，垂直向上至1000 m，15日20時(shí)轉(zhuǎn)西北氣流下沉至500 m附近，16日02時(shí)氣團(tuán)隨偏北氣流向漯河移動(dòng)，氣團(tuán)高度保持不變；100 m上氣團(tuán)起源于河南東北部，受偏東氣流沿近地面運(yùn)動(dòng)，15日20時(shí)到達(dá)河南中西部113°E附近，隨后轉(zhuǎn)向偏東運(yùn)動(dòng)，6 h后氣團(tuán)也轉(zhuǎn)偏北路徑南下至漯河，高度先是緩慢上升至500 m后又下降至100 m附近。18日14時(shí)氣團(tuán)后向軌跡(圖7b)，500 m上氣團(tuán)從漯河西南部沿西南氣流北上，24 h后移至河南北部，高度略有波動(dòng)。隨后該氣團(tuán)沿東北氣流一直南下，高度幾乎不變。100 m高度上氣團(tuán)移動(dòng)軌跡與上述500 m類似，先隨西南氣流北上再沿東北路徑南下；不同的是100 m氣團(tuán)起源于漯河北部近地層，其路徑相比500 m軌跡偏北偏西，高度幾乎始終位于近地面。圖7c為2018年1月15—18日區(qū)域范圍(33°—36°N、112°—116°E)平均垂直運(yùn)動(dòng)，15日08時(shí)中低層整層為上升區(qū)，近地層速度隨高度增強(qiáng)，上升速度中心(-0.28 Pa·s-1)出現(xiàn)在800—750 hPa之間。15日上午950 hPa高度以下上升運(yùn)動(dòng)逐漸減小，15日14時(shí)轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動(dòng)，20時(shí)后下沉速度(0.12 Pa·s-1)達(dá)到最大；900 hPa以上上升速度由于較大，到15日20時(shí)左右才轉(zhuǎn)為下沉氣流。16日08時(shí)900 hPa上出現(xiàn)上升運(yùn)動(dòng)中心(-0.12 Pa·s-1)，950 hPa上升速度維持在-0.04 Pa·s-1以下；16日14時(shí)至18日20時(shí)900 hPa高度以下一直為下沉區(qū)，速度維持在0.04—0.08 Pa·s-1，對(duì)應(yīng)上述氣團(tuán)軌跡垂直變化。結(jié)合該區(qū)域平均假相當(dāng)位溫(θse)與風(fēng)場(chǎng)垂直演變(圖7d)可知，θse隨高度增加，大氣層結(jié)穩(wěn)定，尤其17日20時(shí)后θse從1000 hPa到900 hPa上由8 ℃迅速增加到14 ℃，風(fēng)場(chǎng)上為偏北風(fēng)，近地面穩(wěn)定層顯著。綜上所述，兩次嚴(yán)重污染來臨前，氣團(tuán)軌跡均屬聚類2型東北路，經(jīng)過東北部最高的污染潛在源區(qū)向漯河輸送。不同點(diǎn)在于，第一次嚴(yán)重污染峰值來臨前，氣團(tuán)水平軌跡長(zhǎng)，上升和下沉運(yùn)動(dòng)稍明顯，在區(qū)域輸送和垂直混合沉降作用下達(dá)到嚴(yán)重污染峰值；第二次嚴(yán)重污染峰值前的氣團(tuán)主要為往返性、徘徊的短距離近地層運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定層結(jié)顯著，伴隨微弱下沉運(yùn)動(dòng)，有利于污染物不斷堆積形成嚴(yán)重污染峰值。

圖7 2018年1月16日20時(shí)(a)、18日14時(shí)(b)漯河48 h后向軌跡以及15—18日區(qū)域(33°—36°N、112°—116°E)平均垂直運(yùn)動(dòng)(c)、假相當(dāng)位溫(d)與風(fēng)場(chǎng)高度—時(shí)間變化

圖8為兩次污染峰值期間AQI與地面風(fēng)場(chǎng)演變，從圖8可知，16日08時(shí)(圖8a)河南大部分地區(qū)出現(xiàn)重污染，豫北達(dá)到嚴(yán)重污染；風(fēng)場(chǎng)上河南北中部地區(qū)以偏北風(fēng)為主，風(fēng)速達(dá)2—4 m·s-1，有利于污染物向南擴(kuò)散；而中南部主要為弱風(fēng)或靜風(fēng)，導(dǎo)致污染傳輸至漯河附近時(shí)停滯不前。14時(shí)河南北中部高污染區(qū)明顯南壓(圖8b)，漯河上游鄭州、許昌等地AQI分別增長(zhǎng)至421、477，達(dá)到嚴(yán)重污染；此時(shí)偏北風(fēng)明顯增強(qiáng)，區(qū)域輸送進(jìn)一步加強(qiáng)，這與上述后向軌跡分析一致。到16日20時(shí)(圖8c)河南中部出現(xiàn)嚴(yán)重污染，漯河AQI由14時(shí)299迅速上升至404，中部地區(qū)偏北風(fēng)減弱至2 m·s-1，中東部甚至出現(xiàn)靜風(fēng)，導(dǎo)致污染物難以繼續(xù)向南擴(kuò)散，漯河污染加重。17日午后受上游高壓東移影響，西北路冷空氣南下，大氣擴(kuò)散能力增強(qiáng)，污染有所減弱。17日20時(shí)后受高壓脊控制，風(fēng)力減弱，河南北部偏北風(fēng)將豫北高污染物向南輸送，中東部偏東風(fēng)將豫東高污染物向西傳輸，導(dǎo)致12 h后河南中部地區(qū)污染加劇，漯河AQI增長(zhǎng)近一倍(圖8d和圖8e)，到18日14時(shí)(圖8f)漯河附近以偏北風(fēng)、東北風(fēng)和偏東風(fēng)形成弱輻合，而漯河西部為偏南風(fēng)或東南風(fēng)，有利于北部及東部等地污染物向漯河傳輸而不利于本地產(chǎn)生的污染物清除，導(dǎo)致污染峰值再次發(fā)展。

圖8 2018年1月16日08時(shí)(a)、14時(shí)(b) 、20時(shí)(c) 、17日20時(shí)(d) 、18日08時(shí)(e) 、14時(shí)(f) AQI與地面風(fēng)場(chǎng)

3 結(jié)論與討論

(1) 2015—2019年秋冬季漯河重污染過程發(fā)生頻次高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染程度重。PM10質(zhì)量濃度整體下降趨勢(shì)明顯，AQI、PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)穩(wěn)定，PM2.5/PM10比值逐年遞增，說明漯河重污染過程逐漸以細(xì)顆粒物PM2.5重污染為主，需要更有針對(duì)性的治理措施。

(2) 秋冬季漯河主要有6種典型氣團(tuán)輸送路徑，東北路、偏東路軌跡長(zhǎng)度短、移速慢且高度低，該路徑下AQI均值、百分位數(shù)以及重污染概率明顯較高，說明北路或東路近距離近地層輸送是主要的重污染通道。西北路遠(yuǎn)距離下沉沉降輸送和西南軌跡近距離輸送下的AQI均值及重污染概率較低，表明兩者對(duì)漯河重污染貢獻(xiàn)不高。

(3) 漯河重污染的潛在源區(qū)來源復(fù)雜、范圍廣、強(qiáng)度大，河南中東部尤其是東北部源區(qū)高值中心顯著，是最重要的污染潛在源區(qū)。上述潛在源高值區(qū)對(duì)應(yīng)東北路氣團(tuán)軌跡，當(dāng)氣團(tuán)經(jīng)過這些高污染潛在區(qū)時(shí)，較高的外源污染輸送更容易造成重污染天氣發(fā)展。地面風(fēng)場(chǎng)較好地證實(shí)這一點(diǎn)，偏北風(fēng)是其重污染主導(dǎo)風(fēng)，2—4 m·s-1之間北到東北風(fēng)風(fēng)頻明顯較高，表明來自東北部的污染傳輸作用較強(qiáng)。

(4) 2018年1月14—20日連續(xù)性重污染天氣中，兩次污染氣團(tuán)均為近距離東北路徑，經(jīng)過東北部高污染潛在區(qū)。第一次嚴(yán)重污染前，偏北路徑水平軌跡長(zhǎng)，垂直上、下運(yùn)動(dòng)稍明顯，在區(qū)域輸送和垂直混合沉降下達(dá)到污染峰值；第二次嚴(yán)重污染前的氣團(tuán)主要表現(xiàn)為往返性、徘徊的短距離運(yùn)動(dòng)，近地層穩(wěn)定性顯著，下沉運(yùn)動(dòng)微弱，利于污染物不斷堆積形成嚴(yán)重污染峰值。兩次跨區(qū)域輸送表明北路或東北路近地層輸送是此次漯河AQI峰值維持發(fā)展的重要原因。

本文利用后向軌跡對(duì)氣團(tuán)路徑分類研究，歸納總結(jié)出漯河重污染輸送特征及關(guān)鍵潛在源區(qū)，對(duì)于大氣污染防治及聯(lián)防聯(lián)控有重要意義。然而，對(duì)于外源傳輸貢獻(xiàn)率如上游地區(qū)輸送的污染通量等對(duì)漯河重污染的影響需要結(jié)合準(zhǔn)確的排放源區(qū)域分布及數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證。