西寧市主要污染物特征及其來源解析

李京梅，王 鏡，盛嘉譽

(1.西寧市氣象局，青海 西寧 810016；2.青海省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,青海 西寧 810001)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展、城市化進程的加快，以及汽車保有量的增加，有害氣體排量增多，在不利的天氣條件下，污染天氣過程時有出現(xiàn)。同時空氣質(zhì)量的優(yōu)劣程度能夠體現(xiàn)一個地區(qū)或城市的軟實力和競爭力[1]?？諝赓|(zhì)量已經(jīng)成為政府和公眾普遍關(guān)注的問題。氣象、環(huán)境工作者對我國中東部地區(qū)污染多發(fā)地的空氣質(zhì)量問題開展了大量研究。其中王劍[2]等對滄州市環(huán)境空氣質(zhì)量狀況進行研究，張建忠[3]等對京津冀的重污染過程的氣象要素進行分析，黃勇[4]等針對氣候變化對安徽省大氣污染擴散能力的影響開展了大量工作，呂瑞鶴[5]等對承德市臭氧污染特征及其與氣象因子的相關(guān)性進行了相關(guān)研究。但針對高原空氣質(zhì)量的研究較少。西寧市地處青藏高原東北部，是高原上規(guī)模最大的省會城市，2015至2020年，西寧市空氣質(zhì)量連續(xù)6a位居西北省會城市第一。西寧市委市政府一貫堅持“綠色發(fā)展，生態(tài)優(yōu)先”的堅定理念，對生態(tài)環(huán)境保護、空氣污染防治工作高度重視，了解西寧市空氣主要污染物特征及其來源很有必要。

1 資料和方法

1.1 資料

環(huán)境資料選取中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺提供的2014年1月1日至2020年12月31日西寧市大氣污染物日數(shù)據(jù)(其中PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO為24h平均濃度、O3為8h滑動平均濃度)。后向軌跡的氣象再分析資料為NOAA的全球同化系統(tǒng)(GDAS)數(shù)據(jù)，水平分辨率為1°×1°，PM10小時濃度資料來源于青海省顆粒物預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2 方法

利用對比分析方法，對西寧市的主要污染物特征進行分析。利用Meteoinfo的插件TrajStat軌跡模式對主要污染物進行后向軌跡聚類分析，探究西寧市主要污染物潛在來源，并分析不同來源區(qū)域?qū)ξ廴疚餄舛鹊呢暙I比重。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要污染物選取

對照各項污染物的分級濃度限值，以PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2、CO的實測濃度值分別計算得出空氣質(zhì)量分指數(shù)，從中選擇最大值確定為AQI，當(dāng)AQI大于50時將此污染物確定為當(dāng)日首要污染物。

2.1.1 首要污染物累計出現(xiàn)次數(shù)

由2014-2020年西寧市首要污染物出現(xiàn)頻次表(表1)可知，6種污染物中，SO2從未作為首要污染物出現(xiàn)。CO出現(xiàn)頻次較少，2014-2017共計出現(xiàn)6次，2018-2020年未出現(xiàn)，且6次均未達到污染級別。NO2出現(xiàn)頻次呈增長態(tài)勢，7年中共計出現(xiàn)116次，濃度均較低，除2018年12月18日、2020年11月14日達到輕度污染，其余日空氣質(zhì)量均為良，未達到污染級別。7a中PM2.5作為首要污染物累積出現(xiàn)548次，年出現(xiàn)次數(shù)從2014年的173次降至2018年的42次，2019、2020年又有所增加，2015-2020年平均出現(xiàn)次數(shù)較2014年大幅下降，這與西寧市近年來加大大氣污染治理力度，持續(xù)開展南北山綠化工程，植被綠化面積不斷擴大，有密切關(guān)系。O3作為首要污染物出現(xiàn)次數(shù)有較大變化，2014年未出現(xiàn)，2015-2016年出現(xiàn)日數(shù)接近，2017年開始呈波動增長態(tài)勢，增加趨勢明顯，2019、2020年出現(xiàn)次數(shù)超過PM10。PM10年出現(xiàn)頻次變化呈先上升后回落的趨勢，于2016年達到215次峰值后，于2017年開始明顯下降。PM10作為首要污染物7年共計出現(xiàn)1090次，出現(xiàn)頻率達47.5%，為6種污染物中最高。

表1 2014-2020年西寧市首要污染物出現(xiàn)頻次

2.1.2中度及以上污染天氣首要污染物出現(xiàn)頻次

通過對2014-2020年西寧市逐日空氣質(zhì)量AQI指數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)7年中西寧空氣質(zhì)量Ⅰ級(優(yōu))的總天數(shù)為282d，Ⅱ級(良)為1864d，空氣質(zhì)量達標率在83.9%(空氣質(zhì)量指數(shù)為Ⅰ級和Ⅱ級)，Ⅲ級(輕度污染)為353d，Ⅳ級(中度污染)、Ⅴ級(重度污染)和Ⅵ級(嚴重污染)分別為36d、8d、19d。達到中度污染及其以上級別的63d中，SO2、CO、NO2從未作為首要污染物出現(xiàn)，PM10、PM2.5、O3作為首要污染物分別出現(xiàn)47次、15次、1次，PM10作為首要污染物出現(xiàn)頻率高達74.6%。

分析發(fā)現(xiàn)PM10無論是作為首要污染物的累計出現(xiàn)頻次，還是中度及其以上污染級別天氣中其作為首要污染物出現(xiàn)的頻次，均遠遠高于其他污染物，可以確定PM10是西寧市最主要的污染物。

2.2 主要污染物特征分析

2.2.1 年平均濃度變化

分析2014-2020年西寧市PM10年平均濃度變化(圖2)發(fā)現(xiàn)，PM10在此期間內(nèi)明顯的波動下降趨勢，2014年平均濃度最高達116μg·m-3，2015年略有下降，2016年再次回升，2017年開始下降，并均于2018年達到最低濃度63μg·m-3，2019、2020年維持在65μg·m-3。由此可以發(fā)現(xiàn)，隨著大氣環(huán)境污染綜合治理工作的深入開展，顆粒物PM10污染已得到有效的改善。

2.2.2 月平均濃度變化

從2014-2020年西寧市PM10月平均濃度變化(圖3)趨勢可以發(fā)現(xiàn)，PM10濃度曲線大致呈V形分布，冬半年明顯大于夏半年，并于8月達到最低，且濃度曲線在3月和11月分別存在一個峰值，這與春秋季節(jié)冷空氣活動頻繁，風(fēng)力相對較大，有利于上游沙源地起沙并向西寧地區(qū)輸送有密切關(guān)系。

2.2.3 中度及以上污染日數(shù)月分布

分析7a中西寧市PM10為首要污染物的中度及以上污染級別天氣日數(shù)(圖4)，發(fā)現(xiàn)污染日分布冬春季最多，秋季次之，夏季最少，其中春季的3、4月為PM10污染日數(shù)集中時段，7a中3月累計出現(xiàn)13日，4月出現(xiàn)14日。春秋季同樣冷空氣活動頻繁，風(fēng)力較大，但PM10污染日數(shù)春季遠遠多于秋季，究其原因春季我國西北開始升溫，地表基本無積雪覆蓋，土壤逐漸解凍，地表土質(zhì)干燥疏松，但植物尚未開始大范圍復(fù)蘇，裸露地表為沙塵天氣的產(chǎn)生提供了有利的沙源條件。而進入秋季，前期植被覆蓋基礎(chǔ)條件好，不利于沙原地起沙，從而導(dǎo)致秋季PM10中度及其以上級別的污染日數(shù)明顯少于春季。

2.3 主要污染物來源解析

后向軌跡方法被廣泛應(yīng)用于跟蹤氣流所攜帶的粒子或氣體的移動方向,在分析污染物來源方面具有優(yōu)越性。在確定PM10是西寧市最主要的污染物后，利用后向軌跡方法計算西寧市PM10的來源。

一般污染物來源分析多選取重要天氣過程或目標時段進行分析。此處選取7a中PM10作為首要污染物出現(xiàn)時間最長，污染強度最大的一個月進行后向軌跡分析。

2018年4月中，西寧市僅3d空氣質(zhì)量為優(yōu)，其余27d中，空氣質(zhì)量良21d，輕度污染1d、中度污染2d、嚴重污染3d，其中PM10作為首要污染物出現(xiàn)20次，達到污染級別的6d，首要污染物均為PM10。選取該月為目標，利用后向軌跡方法，結(jié)合西寧市PM10的小時濃度數(shù)據(jù)計算2018年4月以西寧為起始點的24h后向軌跡，并通過軌跡聚類方法分析不同來源區(qū)域?qū)ξ鲗嶱M10濃度的影響(圖5)。

結(jié)果表明：來自南疆盆地的PM10占總量的43.61%(其中西北路占比26.25%、西路占比17.36%)，來自柴達木盆地的PM10占比22.22%，二者在對西寧PM10貢獻中占主導(dǎo)地位。其中來自南疆盆地的污染物分別經(jīng)西路和西北路影響西寧，其西路(占比17.36%)與來自海西柴達木盆地(22.22%)的污染物匯合增強，它們雖污染潛在貢獻源區(qū)不同，但常同時影響，使得西路貢獻率占比達39.58%，對西寧地區(qū)貢獻最為顯著；由甘肅中部經(jīng)湟水谷地自東向西倒灌進入西寧地區(qū)污染物路徑對西寧地區(qū)也有較明顯的貢獻。另外來自甘肅西北部、青海南部及境外哈薩克斯坦、蒙古的PM10輸送也對西寧PM10濃度有一定貢獻。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

通過對西寧市大氣污染物濃度日數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得出以下結(jié)論：

①PM10作為首要污染物年出現(xiàn)頻次最高、中度及其以上級別的污染天氣中出現(xiàn)頻率最高，確定PM10是西寧市最主要的污染物。

②PM10年平均濃度呈波動下降趨勢，月平均濃度曲線大致呈V形分布，冬半年大于夏半年，且在3月和11月分別存在一個峰值。

③PM10為首要污染物的中度及其以上級別污染天氣日數(shù)分布以冬春季最多，秋季次之，夏季最少，其中春季的3、4月為PM10污染日數(shù)的集中時段。

④來自南疆盆地和柴達木盆地的PM10在對西寧PM10貢獻中占主導(dǎo)地位，其次來自甘肅中部經(jīng)湟水谷地倒灌進入西寧地區(qū)的污染物路徑也有較明顯的貢獻，另外來自甘肅西北部、青海南部及境外哈薩克斯坦、蒙古的PM10輸送也對西寧PM10濃度有一定影響。

3.2 討論

日?？梢姷纳硥m路徑是指地面沙塵的路徑，受高原地形影響，沙塵地面路徑常分兩路影響西寧：一路是來自南疆盆地的沙塵經(jīng)阿爾金山口進入海西與柴達木盆地的沙源合并，經(jīng)地面西風(fēng)輸送直接影響西寧；另一路則是來自南疆盆地及其以西以北的沙塵由河西走廊經(jīng)東部湟水河谷倒灌進入西寧，且根據(jù)經(jīng)驗后者居多，但解析結(jié)果卻與此不太一致,需要進一步驗證。

經(jīng)過翻閱多篇相關(guān)文獻[6-9]，發(fā)現(xiàn)其實遠距離的沙塵輸送的主要途徑是高空西風(fēng)的輸送，但由于高空觀測并不像地面觀測那樣有此類要素的觀測記錄，所以在天氣圖上難以直觀的展示高空沙塵的移動路徑。研究表明沙塵天氣發(fā)生的條件是沙源、強風(fēng)和不穩(wěn)定大氣層結(jié)。如果說沙源是沙塵天氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，那強風(fēng)是沙塵天氣的動力來源，而不穩(wěn)定大氣層結(jié)是沙塵天氣的重要熱力條件，由此產(chǎn)生的上升運動將沙源地的沙塵粒子帶入高空，隨高空風(fēng)水平輸送，當(dāng)遇到下沉運動時，則迅速把高空高濃度的沙塵顆粒向邊界層比較薄的層次里輸送，從而造成地面顆粒物濃度的急劇上升，形成此地的沙塵天氣。而造成西寧地區(qū)沙塵天氣的主要沙源位于西寧以西或西北地區(qū)，當(dāng)沙源地起沙后，被上升運動帶入高空，經(jīng)由高層西風(fēng)輸送，當(dāng)西寧有下沉氣流影響時，沙塵被輸送至西寧。所以才有來源解析中看到的，沙塵路徑以西路貢獻最為顯著，同時它也可以自西北向東南翻越祁連山，直接影響西寧。所以，以上解析結(jié)果是可信的。