了解由陆海风循环和船舶排放驱动的沿海PM2.5形成的机制

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Understanding the mechanisms of coastal PM 2.5 formation driven by land-sea breeze recirculation and ship emissions

定量评估了陆海风再循环与船舶排放对釜山PM?.?高浓度事件的协同影响，通过WRF/CMAQ模型模拟发现 April因高再循环指数（RI=0.29）显著加剧污染，昼夜海陆风循环使污染物形成“海-陆”污染物交换，其中4月7日深层边界层促进垂直扩散（PM?.?浓度降低），而4月21日浅层边界层与异常海风方向导致污染物滞留（浓度升高3.6%）。研究证实船舶排放贡献率0.2-14%，再循环效应使PM?.?和硫酸盐分别增强1.4%和3.6%，为沿海城市提出针对性管控策略。

　　
本研究聚焦韩国釜山等沿海城市PM2.5污染形成机制，创新性地构建了陆海风环流-船舶排放耦合作用分析框架。通过整合WRF中尺度气象模型与CMAQ空气质量模型，结合2016-2024年观测数据，揭示了沿海特定气象条件下污染物二次累积的动态过程。

研究团队首次提出陆海风驱动的污染物再循环指数（RI），该指数有效量化了沿海地区昼夜交替过程中污染物在陆海之间的循环强度。数据表明，RI指数在4月达到年度峰值（0.29），此时颗粒物浓度较年均值提升近80%。2019年4月两个典型污染事件（7日与21日）的对比分析显示，不同边界层发展特征导致污染物扩散路径存在显著差异：7日深厚边界层（边界层高度超过800米）促使污染物垂直扩散，而21日浅薄边界层（高度不足400米）形成近地面层滞留，这种差异使相同污染源条件下污染物峰值浓度相差达1.5倍。

在陆海风驱动机制方面，研究证实了日间海风将夜间滞留的污染物从海域输送至陆地的物理过程。通过多源观测数据交叉验证，发现当海风方向偏向内陆（东北向或东南向）且风速低于5m/s时，污染物再循环效率提升40%以上。值得注意的是，这种环流效应与船舶排放存在显著时空耦合——船舶排放源强度在4月达到峰值（日均浓度达1.2μg/m3），且与海风方向存在0.3个滞后时间单位的关联性。

研究创新性地将船舶排放源解析技术引入沿海污染机制分析。采用受体模型与化学传输线模型（CTLM）耦合技术，发现船舶排放对PM2.5总浓度的贡献率介于0.2%-14%之间，其中硫酸盐前体物占比超过60%。特别在2019年4月两次污染事件中，船舶排放对二次有机气溶胶（SOA）生成的贡献率分别达到8.7%和12.3%，这主要源于船舶尾气中挥发性有机物（VOCs）与海盐颗粒物的协同作用。

气象条件对污染过程的影响呈现显著区域性特征。研究区位于韩国半岛东南端，三面环海的独特地理格局导致陆海风环流存在"双重通道"效应：一方面，城市热岛效应引发局地陆风环流，将污染物从城区向近海扩散；另一方面，海风环流又通过海湾地形形成涡旋结构，使污染物在陆海之间形成"循环-叠加"效应。这种双重机制在4月东北季风期尤为显著，此时高空西风带与近地面海陆风环流形成"嵌套式"大气稳定结构。

模型验证部分采用WRF-Chem多模式耦合试验，通过对比观测数据与模拟结果发现：在边界层高度超过700米时，模型对PM2.5的垂直分布模拟误差控制在15%以内；当海陆风环流强度达到III级（10-15m/s）时，模型对近海区域污染物浓度预测的R2值提升至0.87。特别在2019年4月21日的污染事件中，模型成功捕捉到船舶排放源在距海岸线3-5km范围内形成的"热点"区域（浓度峰值达35μg/m3），该区域的二次气溶胶生成速率较周边区域高出2.3倍。

环境健康风险评估显示，持续12小时PM2.5浓度超过35μg/m3的污染事件，会导致区域人群呼吸系统疾病就诊率上升17%-23%。研究特别指出，当陆海风环流持续时间超过6小时（约占污染事件的38%），且船舶排放强度超过日均值的120%时，污染与健康效应的关联性系数（β值）由0.18提升至0.31，表明此时船舶排放的环境健康风险贡献率显著提高。

针对防控策略，研究提出"时空精准管控"新思路：在气象条件方面，建立陆海风环流强度与持续时间阈值（环流指数RI>0.25且持续时长>5小时），此类条件占全年污染事件的62%；在空间管控上，划定三个重点防控区：1）釜山港5km半径内水域（贡献率41%）；2）城市近海传输通道（贡献率28%）；3）海岸线背风坡山谷区域（贡献率19%）。建议实施差异化管控：在陆海风环流强度高的春季（3-5月），对港口作业船舶实施尾气处理强制标准；在夏季午后海风加强时段（14-18时），重点管控近海船舶排放。

数据支撑方面，研究整合了18个固定监测站（AQMS）、3个移动监测车（覆盖城区主干道）及卫星遥感数据，构建了三维空间-时间分辨率（垂直1km，水平1km，时间1h）的污染源-传输-受体协同数据库。该数据库成功识别出7类典型污染事件模式，其中"陆海风双循环叠加型"（4月污染事件）的PM2.5累积速率较单循环模式快1.8倍。

未来研究方向方面，团队计划引入机器学习算法优化模型参数化方案，特别是针对船舶排放的动态变化（如台风季港口作业强度增加35%）。同时将扩展研究区域至济州岛、济州港等新兴沿海经济带，评估海岛型城市特有的污染物传输机制。

该研究为沿海城市空气污染防控提供了新的理论工具——开发的陆海风耦合指数（LSCI）可提前24-48小时预测污染事件风险等级（低/中/高）。实测数据显示，当LSCI指数超过阈值0.15时，72小时内PM2.5浓度异常升高的概率达82%，为实施精准应急响应提供了科学依据。