福州市污染日的外來霧霾污染影響

福州市氣象局　李　巖　林　凌　楊開甲

福州市污染日的外來霧霾污染影響

福州市氣象局李巖林凌楊開甲

利用氣象資料、空氣質(zhì)量監(jiān)測資料及后向軌跡方法，對2008年～2012年福州市污染日的天氣形勢及氣流來向軌跡進(jìn)行分析，研究表明：福州污染日的霧霾污染外來影響主要有兩個來向，一是長江三角洲地區(qū)，二是福建中南沿海；長江三角洲地區(qū)污染物排放源區(qū)是福州的一個主要外來污染源；大陸東岸海岸線到臺灣海峽是福州外來霧霾污染物的輸送主要通道；污染日出現(xiàn)的主要天氣型中高壓脊型與變性冷高壓底部或后部最易輸送長江三角洲地區(qū)大氣污染物到福州。

外來影響 霧霾 天氣形勢 輸送通道 福州市污染日

隨著我國城市化和工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，我國的大氣污染特別是灰霾污染出現(xiàn)了區(qū)域性污染的特征［1］，各區(qū)域間空氣污染相互影響日益嚴(yán)重。區(qū)域間空氣污染與天氣過程有著密切關(guān)系。由于天氣系統(tǒng)的多樣性及其尺度影響的跨地理區(qū)域的特性，一個區(qū)域或一個城市群的污染及其污染物的排放，有可能造成跨區(qū)域的影響［1］。除天氣氣候因素以外，區(qū)域性灰霾污染的成因，既有污染物排放增加的原因（如機(jī)動車的增加），也與污染源的區(qū)域化分布和污染物的中長距離輸送，以及山脈和地形的限制性因素有關(guān)［2］。

福州與我國霧霾污染的三大重點(diǎn)地區(qū)（即京津冀地區(qū)、長江三角洲地區(qū)和珠江三角洲地區(qū)）、兩大重點(diǎn)地區(qū)毗鄰。本文利用天氣圖分析、大氣探測、氣象站觀測、氣流的后向軌跡等資料， 對福州污染過程的幾個主要天氣型下區(qū)域外來霧霾污染影響進(jìn)行了解析。

1　資料與方法

城市空氣質(zhì)量資料取自2008年～2012年福州環(huán)境監(jiān)測站的大氣污染物觀測資料，主要分析對象為PM10、SO2和NO2等。城市空氣質(zhì)量的每日監(jiān)測結(jié)果空氣污染指數(shù)（Air Pollution Index， API）取自每日福州國控監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。根據(jù)環(huán)境保護(hù)部2008年發(fā)布的《城市空氣質(zhì)量日報和預(yù)報技術(shù)規(guī)定》API＞100為污染日，API＞300為重污染日。2008年～2012年福州市大氣污染日共41天，重污染日共2天。

氣象資料選取2008年～2012年福州大氣污染日地面氣象要素，08時、20時海平面氣壓場和850hPa、500hPa高度圖及氣象探空資料。為便于統(tǒng)計分析，本文選取天氣圖中20°～35° N、110°～125°E為關(guān)鍵區(qū)。

本研究用氣流后向軌跡資料分析氣流來源。資料來源于HYSPLIT-4軌跡模式系統(tǒng)（Draxle R R，et al.，1988）。它是由美國國家海洋大氣局（NO-AA）開發(fā)的供質(zhì)點(diǎn)軌跡、擴(kuò)散及沉降分析用的綜合模式系統(tǒng)。該模式是Eulerian-Lagrangian混合型的擴(kuò)散模式，其平流和擴(kuò)散計算采用Lagrangian法，通常用來跟蹤氣流所攜帶的粒子或氣體移動方向，可以實時預(yù)報風(fēng)場形勢。HYSPLIT-4軌跡模式模擬采用NCEP GDAS全球1°×l°氣象資料作為背景初始場，該資料是應(yīng)用全球中期預(yù)報譜模式（MRF）同化多種觀測資料和預(yù)報結(jié)果，水平分辨率為191km，垂直方向從1000～50hPa分為12個等壓面層，時間間隔為6h。本次研究計算后向軌跡的主要輸入?yún)?shù)是開始時間為各日早8時（北京時），向后延至72小時。起始點(diǎn)福州的經(jīng)緯度為（26.07N，119.28E），距離地面高度設(shè)為三層分別為10m、100m和500m。

選用Micaps資料中逐日08時海平面天氣圖、500hPa及850hPa高度場圖，根據(jù)海平面天氣圖上高壓和低壓系統(tǒng)配置情況，國內(nèi)學(xué)者對影響福州污染日主要天氣型的研究［3］，各地面天氣類型出現(xiàn)的頻率，再根據(jù)氣流的后向軌跡資料，分析出福州所受外來影響及氣流來向、福州污染過程外來大氣污染物輸送通道、輸送路徑演變規(guī)律及配置的天氣型分布特性。

2　福州污染日的幾個主要天氣型下區(qū)域外來灰霾污染影響

2.1大陸高壓脊型

高空偏西風(fēng)引導(dǎo)下的大陸高壓脊是造成福州地區(qū)污染日多發(fā)的天氣型，也是引導(dǎo)長江三角洲地區(qū)霧霾污染福州市最多的天氣型。其天氣背景的特點(diǎn)是500hPa高度場關(guān)鍵區(qū)為偏西風(fēng)控制，無明顯的冷平流，850hPa高度場關(guān)鍵區(qū)等高線稀疏，沒有明顯的天氣系統(tǒng)。在海平面氣壓場關(guān)鍵區(qū)，陸地受大陸高壓脊控制，福建省位于高壓前部。統(tǒng)計分析福州污染日與周邊霧霾天氣地區(qū)，發(fā)現(xiàn)福州出現(xiàn)污染日前48小時內(nèi)，70%長江三角洲地區(qū)出現(xiàn)霧霾污染天氣。這類天氣型氣流的后向軌跡圖分析：70%福州的氣流來自長江三角洲地區(qū)，沿著大陸東部海岸線，經(jīng)臺灣海峽吹到閩江口，順著閩江抵達(dá)福州。2010年11月9日08時72小時后向軌跡圖（見圖1）顯示，到達(dá)福州的10m、100m、500m氣流均來自于其上游的長江三角洲地區(qū)，地面風(fēng)場也是由東北方向吹向福州地區(qū)，同時，地面天氣圖上長江三角洲地區(qū)11月7日、8日發(fā)生大面積的霧霾天氣。10%福州的氣流來自長江三角洲地區(qū)，沿著大陸東部海岸線，經(jīng)臺灣海峽吹到福建沿海中南部，再折向北抵達(dá)福州。以上說明長江三角洲地區(qū)霧霾天氣與福州的污染日有內(nèi)在聯(lián)系與同步性。10%是氣流局地繞旋型（見圖2），這多發(fā)生在福建地區(qū)近地層風(fēng)向亂，風(fēng)向忽偏東南忽西北搖擺不定；風(fēng)速小，地面和低空風(fēng)速不超過2米/秒，有時地面出現(xiàn)靜風(fēng)；有逆溫層存在，低層大氣層結(jié)穩(wěn)定，是靜穩(wěn)大氣，不利于污染的擴(kuò)散和稀釋，大氣污染物易積聚，大氣污染多為自生。5%大陸高壓脊控制前期，氣流來自福建中南沿海霧霾污染的地區(qū)，另外5%500m氣流來自廣東東部東南方向進(jìn)入江西后折向偏西進(jìn)入福建。

圖1　2010年11月9日08時72小時后向軌跡圖

圖2　2012年4月3日08時72小時后向軌跡圖

2.2變性冷高壓前部

高空500hPa 華南為寬闊的西風(fēng)帶，環(huán)流平直，氣流多為偏西氣流，地面冷高壓從偏西路徑南下逐漸減弱變性，在西南成為變性冷高壓，受高空氣流引導(dǎo)繼續(xù)南壓東移，從長江流域入海。變性冷高壓前部的霧霾天氣帶也隨著變性冷高壓南下東移而南下東移。從氣流的后向軌跡圖可見：60%氣流沿著大陸東部海岸線先西北后東北，引導(dǎo)長江三角洲地區(qū)大氣霧霾污染物或流向大海的大氣霧霾污染物南下污染福州，如圖3。其中20%氣團(tuán)勢力較強(qiáng)，入海位置偏南，500m氣流軌跡開始于江西霧霾天氣地區(qū)向東吹到福州，經(jīng)過山地凈化，帶來少量西部大氣霧霾污染物。40%的氣流沿海岸線先西北后東北，引導(dǎo)從長江三角洲地區(qū)流向大海的大氣霧霾污染物經(jīng)臺灣海峽到福建中部，后由于南風(fēng)增大，風(fēng)向折向北流向福州，污染福州，如圖4所示。

圖3　2008年3月26日08時72小時后向軌跡圖

圖4　2011年6月1日08時72小時后向軌跡圖

2.3高壓底部或高壓后部

500hPa高度場華南為西南氣流控制， 高壓底部指海平面高壓中心在關(guān)鍵區(qū)以北的陸地上且等壓線稀疏，或沒有明顯的閉合高壓中心，福州處高壓底部偏東氣流影響。高壓后部是指高壓中心在35°N以南入海，福州處于其后部， 氣壓場呈現(xiàn)東高西低或東南高西北低的狀況，福州處高壓后部偏南氣流影響。當(dāng)高壓主體位于福州北部、北高南低，氣流經(jīng)過長江三角洲霧霾污染地區(qū)污染后，氣流沿大陸東岸海岸線南下，污染福州約占70%。氣流先經(jīng)過長江三角洲霧霾污染地區(qū)污染后南下進(jìn)入臺灣海峽，然后隨著高壓主體繼續(xù)東移，福建沿海風(fēng)向轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，氣流折向偏北經(jīng)福建中南部沿海到達(dá)福州，約占15%。福州位于高壓西南，福建沿海吹東南風(fēng)，福州大氣污染多為自生，霧霾污染外來影響方向為福建中南部沿海，約占15%，見圖5。

圖5　2011年4月15日08時72小時后向軌跡圖

2.4地面倒槽型

該天氣背景是500hPa高度場華南為西南氣流控制，850hPa高度場福州處在弱高壓的西側(cè)，地面華西有一從南向北伸的低壓倒槽，福建省受倒槽南側(cè)的西南偏南氣流控制。從氣流的后向軌跡圖可見：在地面倒槽型形成初期，隨著地面高壓從長江流域入海，地面華西低壓從南向北延伸形成地面倒槽。地面高壓東移入海，冷空氣經(jīng)長江三角洲霧霾污染的地區(qū)沿大陸東岸海岸線南下，帶來長江三角洲霧霾污染，污染福州大氣約占37%；大約有37%地面倒槽形成發(fā)展過程中，福州低層風(fēng)向由東北方向轉(zhuǎn)為倒槽南側(cè)的西南偏南氣流控制，氣流的后向軌跡是先從長江三角洲霧霾污染地區(qū)污染南下進(jìn)入臺灣海峽，到達(dá)福建中南沿海折向北上影響福州；還有大約26%地面倒槽在形成后，受倒槽南側(cè)的西南偏南氣流影響，低層10m、100m氣流來自福建中南沿海霧霾污染的地區(qū)，如圖6。其中12% 500m高的氣流先經(jīng)珠江三角洲霧霾污染的地區(qū)東南方向進(jìn)入江西（此時一般江西下雨）后再轉(zhuǎn)向偏西進(jìn)入福建到達(dá)福州，經(jīng)過雨水與山脈凈化，也會帶來了少量珠江三角洲霧霾污染物，但出現(xiàn)的概率小。

圖6　2008年5月9日08時72小時后向軌跡圖

2.5鋒前暖區(qū)型、弱冷鋒過鏡、低渦等

幾種污染日出現(xiàn)機(jī)會較少的天氣型，如鋒前暖區(qū)型、弱冷鋒過境、低渦等，10m、100m氣流多在福州上空局地繞旋，福州大氣污染大部分屬自生。外來污染物影響，視地面主導(dǎo)風(fēng)向而變，長江三角洲霧霾地區(qū)及福建中南部沿海霧霾污染影響機(jī)會均等。這幾類天氣型500m大部分氣流來自福建中南沿海。

3　討論

東亞地區(qū)存在大范圍區(qū)域性同步污染現(xiàn)象，這種區(qū)域性污染是由于各類交替出現(xiàn)的弱風(fēng)場、均壓場及天氣型對污染物持續(xù)累積造成的［4］。大范圍污染物的輸送和輻合匯聚等是造成地區(qū)污染指數(shù)突增的原因之一。在福州發(fā)生污染日的前日、當(dāng)日，長江三角洲地區(qū)及福建中南部沿海常常發(fā)生霧霾污染過程，這表明福州市與長江三角洲和福建中南部沿海的霧霾污染存在一定聯(lián)系。表1為2008年～2012年福州污染日空氣污染過程污染物來源方向統(tǒng)計。表1顯示：福州市43天污染日中，低空氣流方向來自東北方（沿大陸東岸海岸線南下）的天數(shù)最多，為35天，占總污染天數(shù)的82%。其中，包括來自東北方的天數(shù)為26天，先來自東北方后從福建中南部沿海轉(zhuǎn)向北上的天數(shù)為9天；氣流方向來自福建中南部沿海北上的天數(shù)為4天，占總污染天數(shù)的9.4%。500m從廣東珠江三角洲地區(qū)繞到江西進(jìn)入福建到福州的2天，此時江西多下雨，氣流經(jīng)雨水洗涮與山脈自凈。

在大氣風(fēng)溫濕特定條件下，通常污染物以城市煙羽的形式被傳播到下風(fēng)方， 煙羽范圍可以向下游輸送數(shù)百公里遠(yuǎn)。通過以上統(tǒng)計分析，福州霧霾污染的主要外來影響有兩個方向，一是來自長江三角洲地區(qū)，二是來自福建中南沿海地區(qū)。由于全省地勢以北北東—南南西為軸線，由西北向東南漸次下降，形成二起二伏的態(tài)勢，山脈海拔高度1000米上下，福建森林覆蓋率高，青山連綿，云霧縹緲，古木參天；藤蔓纏繞，溪水潺潺，擁有豐富的植物物種，對大氣污染吸收與自凈能力極強(qiáng)。低層弱冷空氣攜帶污染物跨越福建山脈，從西邊東移過來，重污染福州大氣的機(jī)會比較少。福州位于西風(fēng)帶，而污染日大多發(fā)生于冬季、秋季，西北風(fēng)盛行。東亞季風(fēng)盛行對長江三角洲地區(qū)污染物的中尺度傳輸有非常重要的影響，是污染物向華南傳輸?shù)闹饕獧C(jī)制［6］。長江三角洲地區(qū)是我市的一個主要外來污染源，而珠江三角洲地區(qū)位于西南，污染物從低層直接傳輸污染福州的機(jī)會較少。

表1　2008年～2012年福州污染日空氣污染過程污染物來源方向統(tǒng)計

受大陸東岸獨(dú)特的地形與臺灣海峽影響，以及氣壓場的控制，福州的外來大氣污染物輸送過程存在一個明顯通道：大陸東岸海岸線到臺灣海峽。長江三角洲地區(qū)大氣霧霾污染物沿大陸東岸海岸線南下到臺灣海峽侵入福州，而福建中南沿海地區(qū)大氣霧霾污染物沿臺灣海峽侵入福州。

統(tǒng)計污染大氣的主要天氣型與外來霧霾污染影響關(guān)系顯示：高壓脊型、變性冷高壓底部或后部、地面倒槽、變性冷高壓東移、低渦、鋒面等天氣型，都能遠(yuǎn)距離輸送長江三角洲地區(qū)大氣污染物到福州，導(dǎo)致福州污染過程加劇。大部分天氣型都能隨天氣形勢的變化，由北向南輸送污染物轉(zhuǎn)變?yōu)橛赡舷虮陛斔臀廴疚?。其?0%高壓脊型、71%變性冷高壓底部或后部、37%地面倒槽、60%變性冷高壓東移等天氣型控制下，霧霾污染的主要外來影響來自長江三角洲地區(qū)；37%地面倒槽、大約34%低渦及鋒面、14%變性冷高壓底部或后部， 10%高壓脊型等天氣型控制下，霧霾的外來影響先來自長江三角洲地區(qū)，后轉(zhuǎn)來自福建中南部沿海；14%變性冷高壓底部或后部、12%地面倒槽等天氣型控制下，霧霾的主要外來影響來自福建中南部。

4　結(jié)論

（1）受地理與天氣型控制，福州大氣污染與周邊污染物排放源有關(guān)，福州大氣污染過程加重的重要因素之一是周邊污染物的輸入。福州污染日的大氣污染物外來影響主要有兩個來向，一是長江三角洲地區(qū)，二是福建中南沿海。長江三角洲地區(qū)霧霾污染是福州的一個主要外來污染源。

（2）值得指出的是，霧霾污染主要發(fā)生在大氣邊界層中，一個區(qū)域?qū)α硪粎^(qū)域造成影響，必須有一條輸送通道。本文的分析表明，大陸東岸海岸線到臺灣海峽是福州外來大氣污染物的主要輸送通道。

（3）福州地區(qū)受獨(dú)特的地形和大陸東岸中低緯度氣候的影響，輸送長江三角洲地區(qū)霧霾污染物影響福州空氣質(zhì)量的主要天氣型有高壓脊型、變性冷高壓底部或后部、變性冷高壓東移、地面倒槽等。其中大陸高壓脊型影響天數(shù)最多。輸送福建中南沿海霧霾污染物影響福州空氣質(zhì)量的主要天氣型有地面倒槽、低渦、鋒面等。隨天氣形勢的變化，污染物外來影響來向也會變化。

（4）區(qū)域大氣污染與天氣過程有著密切關(guān)系，存在大范圍區(qū)域性同步污染現(xiàn)象， 污染帶常表現(xiàn)為隨天氣系統(tǒng)移動和演變同步移動和演變，提前捕捉污染帶變化、推移方向，對福州預(yù)測、預(yù)防大氣污染有重大意義。

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