邢台沙河市冬季大气污染特征与潜在源区分析

引言

邢台沙河市位于河北省南部，地处太行山东麓，长期以来面临较为严峻的大气污染问题。冬季由于不利的气象条件、采暖排放增加以及地形影响，大气污染尤为突出。本文基于沙河市冬季大气污染监测数据，分析其主要污染特征，并结合后向轨迹模型与潜在源贡献因子方法，探讨污染物的潜在源区，以期为区域大气污染联防联控提供科学依据。

一、研究区概况与数据来源

沙河市隶属于河北省邢台市，地势西高东低，西部为太行山山地，东部为华北平原，这种地形条件易导致污染物在山前堆积。本研究选取沙河市2022—2023年冬季（12月至次年2月）的大气污染监测数据，包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3的逐小时浓度，以及同期气象观测数据（风速、风向、温度、相对湿度等）。采用全球数据同化系统气象场资料驱动HYSPLIT后向轨迹模型，结合TrajStat软件进行潜在源区分析。

二、冬季大气污染特征

1. 污染物浓度水平

监测结果表明，沙河市冬季PM2.5平均浓度为93.5 μg/m³，PM10为156.2 μg/m³，均超过国家环境空气质量二级标准。SO2和NO2日均浓度分别为22.4 μg/m³和46.8 μg/m³，CO日均浓度为1.6 mg/m³。PM2.5/PM10比值介于0.5—0.7之间，表明细颗粒物污染较为突出。

2. 时间变化特征

冬季污染物浓度呈现显著的月初和月末峰值，1月份污染最为严重。日变化方面，PM2.5和PM10浓度在夜间至清晨较高，午后降至最低，与边界层高度变化及人为活动排放密切相关。NO2浓度在早晚高峰时段出现峰值，反映机动车排放的影响；SO2浓度则相对平稳，但采暖期明显升高。

3. 气象条件影响

沙河市冬季主要受西北风和东北风控制，但风速普遍较低，不利于污染物扩散。静稳天气频率高，逆温层出现频繁，相对湿度偏高，有利于气溶胶吸湿增长和二次转化。当风速低于2 m/s、相对湿度高于60%时，PM2.5浓度常超过150 μg/m³。

三、潜在源区分析

1. 后向轨迹聚类分析

利用HYSPLIT模型计算沙河市冬季逐时气团后向轨迹，并结合聚类分析将轨迹分为4类。结果显示，影响沙河市冬季污染的主要气团路径为：①西北路径（来自内蒙古、山西），占比35%，对应清洁气团，污染物浓度较低；②偏北路径（河北北部），占比25%，可带来一定污染物输送；③偏东路径（山东、渤海），占比20%，湿度大，易形成二次颗粒物；④本地及周边短距离路径，占比20%，污染物浓度最高，尤其在南风或偏南风条件下，沙河市与邢台市区、邯郸等地形成污染带。

2. 潜在源贡献因子（PSCF）与浓度权重轨迹（CWT）

PSCF和CWT分析表明，沙河市冬季PM2.5的潜在源区主要集中在两个区域：一是本地及邻近的邢台市区、邯郸北部，贡献率高达40%—60%；二是沿太行山东麓的河北省中南部（石家庄、衡水）以及山西省东南部（阳泉、长治）的输送通道。CWT高值区与PSCF结果一致，尤其在偏南风情况下，来自邯郸、安阳方向的污染气团对沙河市PM2.5浓度贡献显著。山东中西部（聊城、德州）也是潜在的SO2和NO2源区。

3. 重污染过程解析

以一次典型重污染过程（2023年1月5—10日）为例，在弱气压场控制下，近地面风速低于1.5 m/s，伴随逆温层，沙河市PM2.5浓度持续攀升至200 μg/m³以上。后向轨迹显示，污染气团主要来自河北南部和河南北部，携带大量工业排放和居民采暖排放，在太行山前堆积并发生二次反应。PSCF网格中高值区集中在沙河市以南50—150 km范围内，证实了本地累积与区域输送的共同作用。