2015—2019年廈門島PM2.5 污染特征及后向軌跡分析

巫晶晶，曾舒芬，龍美錕，王頌陽，林錦美，陳錦芳

(1.集美大學港口與海岸工程學院，福建 廈門 361021；2.廈門市綠色與智慧海岸工程重點實驗室，福建 廈門 361021；3.福建省食品微生物與酶工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

0 引言

近年來，以細顆粒物為特征污染物的區域性大氣環境問題日益突出[1]。對城市區域而言，空氣污染治理必須了解其來源及產生的原因。城市空氣污染物的累積除受當地人為、自然排放源及氣候影響外，區域污染物的傳輸也是造成其累積的重要原因[2-3]。在污染物輸送擴散方面，國內外學者運用后向軌跡模型(hybrid single particle lagrangian integrated trajectory model，HYSPLIT)開展了大量研究[4-5]。Yuan等[4]采用后向軌跡分析發現長三角地區港口主要氣團為海洋氣團、浙北內陸氣團，以及山東和上海內陸海洋混合氣團；田鵬山等[5]利用上述方法發現深圳市北部PM2.5主要來源于短距離輸送的本地源。

以往的研究多針對某污染事件或季節性某污染物的濃度值進行后向軌跡分析，而對于較長時間尺度內較清潔區域的污染物輸送研究則較少。廈門島污染源排放較少，顆粒物污染較輕，但近年來個別月份仍出現較嚴重的區域性顆粒物污染問題，有研究[6]認為區域外的顆粒物季風傳輸可能是廈門島污染的重要原因，也有研究[7]認為本地復雜地形與臺灣海峽“狹管效應”疊加，導致復雜的傳輸和擴散條件，是造成廈門局地污染物累積的原因。而現階段關于廈門島污染物輸送的研究甚少。

本文擬利用HYSPLIT后向軌跡模型，對2015—2019年廈門島污染天數占比較高月份的大氣輸送路徑進行聚類分析，結合該月份顆粒物污染濃度變化特征，揭示廈門島PM2.5污染分布特征、輸送路徑及污染軌跡特征。這一方面可為后期深入研究廈門島大氣污染的傳輸機制奠定基礎，另一方面也可為清潔區域特別是沿海宜居城市的大氣污染治理、減排及聯防聯控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究使用的2015年1月—2019年12月廈門島PM2.5質量濃度逐時觀測資料來源于中國環境監測總站(http://www.cnemc.cn/)。廈門島共有3個國控大氣監測站，研究期內廈門島內無工業區，建筑工地也較少，因此這三個站點的污染源主要為外來源、城市交通源及居民生活源。

后向軌跡使用的氣象場數據來自美國環境預報中心提供的2015—2019年全球資料同化系統數據(ftp://gus.arlhq.noaa.gov./pub/archives/)，氣象數據(溫度、濕度、風速)來自美國國家氣候數據中心(https://www.ncdc.noaa.gov/)，采用SPSS 26.0對PM2.5與氣象要素進行Person相關性分析。

1.2 軌跡聚類分析

本研究運用TrajStat軟件中的混合型單粒子拉格朗日綜合軌跡模式(HYSPLIT-4 )，結合全球資料同化系統氣象數據，計算每日到達廈門島海拔高度 500 m 的72 h后向軌跡，時間間隔為3 h，并采用歐拉距離算法對后向軌跡[8]進行聚類，對每類軌跡對應的污染物濃度特征進行統計分析。

2 結果與討論

2.1 廈門島大氣細顆粒物濃度分布及污染特征

根據廈門島PM2.5逐日質量濃度資料對2015—2019年的年、季節和月質量濃度變化特征進行分析，結果如圖1所示。

從圖1a可知，2015—2019年廈門島PM2.5年平均質量濃度分別為(29.59±13.22)、(28.00±16.01)、(26.98±13.83)、(22.75±11.20)和(24.08±11.58)μg/m3，大體呈下降趨勢。這5年年均PM2.5質量濃度均低于《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)中年平均二級限值(35 μg/m3)，達到《廈門島2014～2020年空氣質量限期達標規劃》中PM2.5年均質量濃度的目標要求(34 μg/m3)[9]。這也與廈門島對大氣PM2.5污染積極進行治理及管理有關，例如廈門島實施機動車污染精準減排、嚴格實施國六排放標準、啟動了三輪“守護藍天”的大氣防治專項行動，并率先將大氣污染聯防聯控從廈—漳—泉擴大至閩西南等。廈門島PM2.5年平均質量濃度與同期的長三角和珠三角沿海城市相比較，低于長三角的揚州市[10]、安慶市[11]和舟山市[12](分別為55、53和(31.45±22.89)μg/m3)；也低于珠三角的韶關市[13]、佛山市[14]和珠海市[15](分別為43、37、31.0 μg/m3)，接近深圳市(29.8 μg/m3)[16]，說明廈門島處于相對清潔的區域，可能有受到周邊區域潛在污染源的影響。

由圖1b展示的5年PM2.5季節和月份變化可見：2015—2019年廈門島PM2.5月均質量濃度1—3月及12月相對較高，為31.68～35.86 μg/m3；6—8月相對較低，均在20 μg/m3以下。說明廈門島大氣細顆粒物質量濃度具有“U”形的“冬高夏低，春降秋升”的季節變化特點，這可能是受氣象條件和潛在源兩因素的協同影響。冬季廈門島多受冷高壓影響，大氣層結穩定，易形成靜穩條件，不利于污染物垂直輸送和水平擴散；加上早晨及夜間近地面溫度低，易形成逆溫層，使近地面大氣污染物累積；此外冬季正值北方采暖季節，受偏北風影響，北方污染物隨之南移出現了區域性傳輸。春季廈門島主要受西南暖濕氣流影響，造成污染物不易擴散。夏、秋兩季廈門島多處于副熱帶高壓及其邊緣，盛行偏南風，氣團主要來自清潔的海面，又降雨頻發，有利于大氣污染物的擴散和清除[17-19]。

由廈門市環境質量公報知，2015—2019年空氣質量(AQI)為輕度污染的天數分別為2、4、3、5、9 d，首要污染物為PM2.5的天數占比分別為50%、75%、33.3%、20%、22%，因此PM2.5仍是廈門島大氣污染防治的主要對象。為明確這5年廈門島PM2.5污染的月份，將統計得出的各月份PM2.5污染等級和頻率分布特征示于圖2。由圖2可知，6月PM2.5達優(<35 μg/m3)天數頻率最高，達100%；而1、2、3和11月，達優頻率最低，輕度污染事件主要出現在這些月份。這與前述的年均、月均PM2.5質量濃度變化的趨勢吻合。且2015年1月、2019年2月、2016—2018年3月和2016年11月均出現PM2.5日均質量濃度較大值(>90 μg/m3)。因此，后期的污染月份軌跡路線特征分析主要集中在這4個月，并稱其為易污染月份。

2.2 廈門島PM2.5 與氣象要素的相關性分析

廈門島2015—2019年PM2.5年質量濃度與氣象要素之間的Person相關性分析(小時值)結果見表1。由表1可知，溫度與PM2.5呈顯著負相關。廈門屬亞熱帶海洋性季風氣候，受大氣環流和臺灣海峽地形的共同影響，具有夏無酷暑，冬無嚴寒的特點。為剔除季節性的影響，分別研究了易污染月(P，1、2、3、11月)及清潔月(C，6、7、8月)PM2.5和溫度之間的關系(見表1)[7，17]。由表1可知，剔除季節影響后：溫度與PM2.5二者之間無明顯負相關關系，反而在部分月份存在弱正相關關系，說明高溫有利于大氣顆粒物的增多，使PM2.5質量濃度增加；易污染月濕度與PM2.5之間關系仍不顯著，但是夏季濕度卻與PM2.5存在一定負相關關系，可能與夏季水汽增大、細顆粒被包裹直至被雨水清除有關；2017—2019年污染月風速對PM2.5影響更顯著，而夏季則不明顯。

表1 2015—2019年廈門島PM2.5 與氣象要素之間相關性

已有研究[20]發現長江中下游地區冬季PM2.5與風速之間相關性較小，卻與冬季北方污染物遠距離輸送有關，因為輸送作用可以抵消風對污染物的稀釋作用。廈門島與之情況迥異，說明冬季遠距離輸送對廈門島的影響明顯弱于長江中下游地區。研究[19]發現，廈門島春季受E、NEN、ESE方向的偏東風影響大，秋冬兩季NNE、NE、ENE等偏北風占比較高，易于把北方城市的PM2.5等大氣污染物輸送過來，導致廈門島污染月PM2.5濃度偏高。

2.3 后向軌跡聚類分布

2015—2019年易污染月的后向氣團軌跡聚類分析結果見圖3，影響易污染月中的氣團軌跡，1、2月可分為3類，11月可分為4類，3月分為5類。

1月，軌跡類1占總軌跡數的54.19%，該類軌跡是1月的主導氣團軌跡，具有短距離傳輸特征；來自偏北方向的軌跡類3主要受季節性東北風影響，占比為34.68%，傳輸距離較軌跡類1長；受北方寒流影響的西北向軌跡類2占比為11.13%，具有傳輸距離長、移動速度快的特點。

2月的3類氣團軌跡與1月相似，省內短距離輸送的軌跡類2和沿岸輸送的軌跡類3的占比相對較高，分別占總軌跡數的37.53%和49.77%，為該月的主導輸送氣團；自西北向長距離輸送的軌跡類1占總軌跡數的12.69%。

春季3月受暖流的影響，氣團軌跡相對復雜。自西北方向(寒流)來的長距離氣團軌跡類2占比明顯下降，僅為8.39%。其他4類氣團軌跡均為短距離輸送，來自西北方向的短距離軌跡類1比重最大，為44.88%；其次為來自東北方向的軌跡類3和軌跡類4，分別占總軌跡數的11.49%和34.40%；來自福建東北部地區的軌跡類5對廈門島只有輕微影響，約占0.84%。

秋季11月的4類軌跡與1月相似，其中來自東部的海洋氣團軌跡類4占總軌跡數的41.01%，為主導軌跡，可能與此時廈門島的主導風向為東北風及東風有關；其次為偏北方向的沿岸軌跡類3(受東北風影響)和省內短距離輸送的軌跡類1，分別占總軌跡數的13.99%和36.23%；由于此時寒流較弱，長距離輸送的軌跡類2占比相對冬季小，但與春季相當，為8.77%。

綜上所述：5年易污染月氣團軌跡多為短距離輸送氣團，即短距離輸送是造成廈門島1、2、3、11月空氣污染的主要原因；并且，來自西北方向及偏北方向(沿岸移動)的長距離輸送在冬季明顯增加，加劇了廈門島冬季的大氣污染。整體而言，除了11月個別出現來自東北(偏東)方向的海洋氣團外，污染月份的氣團軌跡多來自西部和北部的大陸氣團。

2.4 不同氣流軌跡的污染特征分析

以《環境空氣質量等級標準》中24 h PM2.5平均質量濃度二級標準(75 μg/m3)為閾值，來區分污染軌跡和清潔軌跡，并對污染月份各軌跡對應的PM2.5逐時質量濃度進行統計分析，探討2015—2019年廈門島易污染月份不同氣流軌跡的污染特征。結果(見表2)發現，該閾值下各月污染軌跡占總軌跡的1.30%～2.82%；1月和2月的全部軌跡類均含有污染軌跡，且來自蘇、浙和閩東北部地區的污染軌跡PM2.5質量濃度最高，分別達到(91.79±11.15)μg/m3和(100.81±31.68)μg/m3；3月的5類軌跡中有3類含污染軌跡，其中來自西北方向(贛、浙及閩東北部)方向的污染軌跡的PM2.5質量濃度最高，達(96.13±19.35)μg/m3；11月污染軌跡中有3類污染軌跡，來自贛、閩中西部地區的軌跡類中PM2.5質量濃度最高，達(97.01±16.94)μg/m3。由此可知，PM2.5閾值選取75 μg/m3時，質量濃度較高的污染軌跡主要來自浙、贛相鄰省份以及本省的閩東北地區，盡管這些軌跡的占比數不大(1.10%～4.34%)，卻是造成廈門島大氣輕度污染的主要貢獻軌跡，應引起重視。

PM2.5閾值選擇為75 μg/m3對廈門島大氣污染控制具有重要意義，但若要使廈門島從較清潔地區向“清潔空氣”目標前進，可采用24 h PM2.5平均質量濃度一級標準(35 μg/m3)為閾值進行分析(見表2)，此閾值下污染軌跡相對總軌跡的占比數明顯增加，在17.24%～44.56%之間。1月，來自贛、閩北部地區的軌跡類1的軌跡數及污染軌跡數均最高，分別達1982條和803條(相對總軌跡數占比分別為54.18%和21.95%)，PM2.5質量濃度也最高，可達(54.24±15.62)μg/m3；來自蘇浙和閩東北地區的軌跡類3，盡管該類軌跡的PM2.5質量濃度不高((48.78±11.30)μg/m3)，但其污染軌跡數達677條，分別占該類軌跡及當月總軌跡的53.35%和18.51%，說明該類軌跡發生污染的概率較高。2月，來自黃海海域經蘇浙、閩東部到達廈門島的軌跡類3的PM2.5質量濃度最高，為(51.43±17.86)μg/m3，其污染軌跡數(564條)占比也最高，占2月份總軌跡數的17.08%；來自浙、閩東北部的軌跡類2的PM2.5質量濃度相對較低((50.33±17.55)μg/m3)，但該類軌跡數及污染軌跡數仍較高，分別達1239條和305條，分別占總軌跡數的為37.52%和9.24%。春季3月各類軌跡中污染軌跡的PM2.5質量濃度范圍為(44.99±4.61)～(53.44±13.44)μg/m3，其中來自川、鄂、湘、贛及閩中東部地區的軌跡類2的PM2.5質量濃度最高，其污染軌跡數僅144條，卻占了該類軌跡的46.75%，說明該類軌跡發生污染的概率也很高；其次為來自贛、浙及閩東北部的軌跡類1，其PM2.5質量濃度為(51.82±16.29)μg/m3，該類軌跡數及污染軌跡數均較高，分別為1646條和1023條，分別占總軌跡數的44.89%和27.90%。秋季11月所有軌跡分類中，來自贛和閩中西部的軌跡類1的PM2.5質量濃度最高，達(56.05±22.58)μg/m3；污染軌跡數也最多，達243條，占期總軌跡數的6.88%。

綜上所述，按現行空氣等級質量標準，選擇PM2.5閾值為75 μg/m3時，影響廈門島的污染軌跡主要來自短距離輸送的浙江、江西相鄰兩省及省內的閩東北部和閩中西部地區的污染源，這些區域的大氣污染聯防聯控應受到重視。而廈門島若要向“清潔”目標前進，24 h PM2.5閾值可選擇為35 μg/m3，此時需要聯防聯控的區域范圍將增大。除了上述區域外，冬季需要關注黃海海域、江蘇和浙江較長距離輸送的氣團，該類氣團軌跡到達時，廈門島PM2.5質量濃度雖相對較低，但是污染軌跡數占比高；春季需關注來自四川、湖北、湖南、江西等西北方向較長距離輸送的氣團，該類氣團軌跡使廈門島PM2.5質量濃度升高，雖軌跡總數低但污染軌跡占比高(相對同類軌跡)，污染頻率也高。

表2 污染月份各類軌跡占比及對應PM2.5 濃度值統計分析

3 結論

為促進廈門島向“清潔空氣”目標前進，對2015—2019年廈門島空氣質量影響較大的細顆粒物展開污染特征、污染月份的輸送路徑及污染軌跡特征分析，結果發現：1)廈門島2015—2019年，PM2.5污染控制取得一定成效，其年平均質量濃度呈逐年下降趨勢；其季節變化具有“冬高夏低，春降秋升”的特點，且月均高值多出現在1—3月及11月。2)剔除季節影響后，氣象要素中溫度、濕度對廈門島PM2.5的影響均不顯著，而風速對PM2.5具有較顯著負相關關系，該現象在冬季尤為顯著。3)廈門島污染月的短距離氣團輸送是造成PM2.5污染的主要原因，來自西北及偏北方向的長距離氣團輸送加劇了冬季PM2.5污染。為了向“清潔”目標前進，選擇35 μg/m3作為24 h PM2.5閾值對廈門島大氣污染聯防聯控更有意義。4)冬季污染潛在源區為閩東部沿海區域及浙、皖、贛、粵與閩交界區域，這些區域的大氣污染聯防聯控應受到極大重視；而來自蘇浙的較長距離氣團輸送因污染軌跡數占比高也應受到重視。春季污染潛在源區開始向西南方向移動，需關注來自川、贛、湘等方向較長距離輸送的氣團軌跡，軌跡總數雖低但污染頻率高。