中山市2013年污染天氣形勢和氣象要素特征分析

王文丁，陳煥盛，姚雪峰，鄭海濤，晏平仲，吳文威，徐迅宇，黃嘉璐，王自發(fā)

1.中國科學院大氣物理研究所，大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室，北京 100029

2.中國科學院大學地球科學學院，北京 100049

3.中山市環(huán)境監(jiān)測站，廣東 中山 528400

4.中山市環(huán)境保護局，廣東 中山 528400

中山市2013年污染天氣形勢和氣象要素特征分析

王文丁1，2，陳煥盛1，姚雪峰1，2，鄭海濤1，2，晏平仲1，吳文威3，徐迅宇3，黃嘉璐4，王自發(fā)1

1.中國科學院大氣物理研究所，大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室，北京 100029

2.中國科學院大學地球科學學院，北京 100049

3.中山市環(huán)境監(jiān)測站，廣東 中山 528400

4.中山市環(huán)境保護局，廣東 中山 528400

利用2013年中山市空氣質量監(jiān)測資料、氣象觀測資料、韓國氣象廳天氣圖資料和WRF數值模式模擬分析了中山市全年大氣污染的基本特征,總結了易于造成大氣污染的典型天氣形勢和氣象要素條件。結果表明：2013年中山市空氣污染主要發(fā)生在秋季和冬季，首要污染物類型為PM2.5和O3,全年共發(fā)生12次持續(xù)污染事件；當中山市位于我國大陸冷高壓底部(冷鋒前部)副熱帶高壓脊線北部或臺風外圍地區(qū)時有利于污染發(fā)生；中山市的弱(風速1～2 m/s)偏北風或偏東風、合適的相對濕度(40%～60%)和溫度(秋季20～25 ℃，冬季10～15 ℃)均可能造成秋冬季的大氣污染，而高溫(大于30 ℃)是造成夏季大氣污染的主要原因。1月PM2.5重污染期間的WRF數值模擬結果表明：此次PM2.5污染是小風(風速小于2 m/s)、地面增暖(增溫2 ℃)、增濕(增濕5%以上)綜合作用的結果，而大風(風速大于4 m/s)的強擴散作用對PM2.5的清除效果顯著。

空氣污染；天氣形勢；氣象要素；中山

中山市位于我國華南珠江三角洲經濟發(fā)達地區(qū)。近20年來，隨著當地經濟快速發(fā)展，空氣污染問題日益突出[1-2]。謝付瑩等[3]研究指出，當大氣污染前體物排放量穩(wěn)定時，決定大氣污染發(fā)生的關鍵因素主要是氣象條件。中山市依山傍海，地理位置特殊，一旦遭遇持續(xù)的不利氣象條件，空氣污染物便會不斷積累，進而導致當地空氣質量迅速變差[4]。關于天氣形勢和氣象要素對大氣污染的影響，國內外已有學者做過較多研究。CHEN等[5]研究指出，天氣尺度氣壓系統(tǒng)及其轉變與大氣污染關系密切；TAI等[6]研究發(fā)現(xiàn)，溫度、相對濕度、降水等氣象要素的日變化對于PM2.5日均濃度變化有重要影響，尤其是靜穩(wěn)天氣下，局地PM2.5日均濃度將升高；JEONG等[7]的研究表明，東亞空氣質量與大氣混合層高度密切相關，過去10年夏季混合層加深使東亞地區(qū)PM2.5前體物濃度減少了4%，而冬季混合層降低使東亞地區(qū)PM2.5前體物濃度增加了7%。

近年來，針對珠三角地區(qū)大氣污染天氣形勢和污染氣象要素特征所開展的研究也較多。ZHENG等[8-9]的研究均表明，受東北氣流和沿海東南氣流的共同影響，珠三角地區(qū)高濃度污染過程時有發(fā)生；李穎敏等[10]通過對2008年秋季易造成珠三角地區(qū)污染的天氣環(huán)流形勢進行了總結分類，將其劃分為冷鋒前部型、高壓底部型、高壓脊控制型3類；余緯等[11]對2009年11月25日珠三角地區(qū)重污染過程的研究表明，強冷空氣東移出海變性為強暖高壓是造成此次區(qū)域污染的主要天氣系統(tǒng)；吳蒙等[12-13]的研究均表明，風是影響珠三角地區(qū)空氣質量最主要的氣象要素，區(qū)域霾天氣過程與該區(qū)域內靜小風過程關系密切，而清潔過程常與強平流輸送有關。這些研究多是基于大尺度天氣形勢的定性分析，且研究區(qū)域多為整個珠三角地區(qū)，而針對中小城市尺度的污染氣象條件定量分析較少。因此，本文采用2013年中山市空氣質量自動監(jiān)測資料以及同期氣象自動觀測資料、韓國氣象廳天氣圖資料，結合WRF中尺度數值模式模擬結果，在定性分析大尺度天氣形勢的基礎上，給出了易造成中山市局地污染的風速、風向、氣溫、相對濕度特征值，以期為華南地區(qū)開展局地污染監(jiān)測預警業(yè)務提供參考依據。

1 中山市空氣質量概況與污染個例篩選

空氣質量指數(AQI)既能全面反映區(qū)域內各種大氣污染物的濃度水平，還能確定首要大氣污染物類型。因此，基于中山市區(qū)4個自動環(huán)境監(jiān)測站(華柏園、張溪、長江水庫、紫馬嶺公園) 6項基本污染物(SO2、CO、O3、NO2、PM10、PM2.5)濃度，計算該市AQI，從而確定首要污染物類型，并據此分析2013年中山市空氣質量狀況。

1.1 中山市空氣質量概況

依據《環(huán)境空氣質量指數(AQI)技術規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)[14]，將環(huán)境空氣質量劃分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴重污染6個等級，同時還依據《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095—2012)[15]將AQI達到輕度污染(AQI>100)時定義為大氣污染物濃度超標，將AQI達優(yōu)、良(AQI≤100)時定義為空氣質量達標。統(tǒng)計結果表明，中山市2013年1—12月共104 d大氣污染物濃度超標，超標天數占全年的28%。圖1給出2013年中山市四季各等級空氣質量天數分布，該市春、夏季空氣質量以優(yōu)和良居多，這2個季節(jié)空氣質量達標率分別為88%和93%；秋、冬季出現(xiàn)空氣污染的天數較春、夏季明顯增多，這2個季節(jié)空氣質量達標率分別為53%和51%；該市全年未出現(xiàn)嚴重空氣污染日。圖2給出2013年中山市各季節(jié)大氣污染物濃度超標時首要污染物類型對應的天數，全年主要污染物為PM2.5和O3，在所有污染事件中出現(xiàn)的比例分別占60%和33%，NO2污染偶有發(fā)生，出現(xiàn)比例占7%；PM2.5污染全年均有出現(xiàn)，冬季天數最多，秋季次之；O3污染除冬季外，其他季節(jié)均有出現(xiàn)，秋季最多。NO2污染僅在春、冬季少量出現(xiàn)。

圖1 2013年中山市各等級空氣質量天數分布

圖2 2013年中山市空氣質量超標時各首要污染物類型對應的天數

1.2 中山市持續(xù)污染個例篩選

為揭示中山市空氣污染天氣形勢和氣象要素特征，篩選該市2013年持續(xù)性污染個例。當AQI連續(xù)3 d超過100時，定義為一次持續(xù)污染個例。據此標準，該市2013年共有12次持續(xù)污染個例(表1)。其中，1月10—24日受PM2.5污染持續(xù)時間最長，達15 d，最高污染等級達到重度污染，屬于一次典型重污染過程。

2 造成中山市污染的典型天氣形勢

基于持續(xù)性污染個例，利用韓國氣象局每日02：00、05：00、08：00、11：00、14：00、17：00、20：00、23：00(北京時間)天氣圖資料，分析中山市持續(xù)性污染發(fā)生時對應的地面、850 hPa、500 hPa天氣形勢，提煉各層次有利于持續(xù)性污染發(fā)生的典型天氣形勢。

表1 2013年中山市持續(xù)性污染個例篩選結果及其對應的天氣形勢

注：污染等級3、4、5分別對應輕度污染、中度污染、重度污染；SⅠ、SⅡ、SⅢ、SⅣ分別表示大陸高壓底部影響型、弱槽弱脊東移影響型、副熱帶高壓脊線影響型和臺風邊緣影響型，LⅠ、LⅡ分別表示帶狀高壓影響型和臺風邊緣下沉氣流影響型，MⅠ、MⅡ、MⅢ分別表示平直西風影響型、槽后西北氣流影響型、副熱帶高壓控制型，非典型指無法歸為上述類型的天氣形勢。

2.1 有利于持續(xù)性污染發(fā)生的地面天氣形勢

有利于中山市持續(xù)性污染發(fā)生的典型地面天氣形勢有如下4種類型(見圖3)。

1)大陸高壓底部影響型(SⅠ)。蒙古高壓強盛時，不斷分裂出弱高壓南下到達我國中部地區(qū)，中心氣壓1 025～1 035 hPa；而后，高壓經由我國東部沿海或福建沿海地區(qū)入海。中山市位于高壓底部，盛行弱偏東風或偏北風(風速小于4 m/s)，華北和華東地區(qū)的污染物隨之被輸送至中山市并在此積累。這種地面天氣形勢最有利于造成中山市持續(xù)性污染(表1)。

2) 弱槽弱脊東移影響型(SⅡ)。受地面弱槽弱脊東移影響，中山市風向多變，風速小于2 m/s，地面天氣形勢穩(wěn)定，不利于污染物擴散。在具體某次持續(xù)性污染過程中，此型地面天氣形勢多與SⅠ型交替出現(xiàn)。

3) 副熱帶高壓脊線影響型(SⅢ)。隨著春季西太平洋副熱帶高壓逐漸加強，其北側邊緣延伸至我國華南以北地區(qū)，中山市位于副高脊線附近。受其影響，該地區(qū)風速小于2 m/s，天氣形勢穩(wěn)定。這種地面天氣形勢多造成春秋季持續(xù)性O3污染[16]。

4) 臺風邊緣影響型(SⅣ)。當中山市位于臺風邊緣時，地面風向為偏東風或偏北風，風速一般小于4 m/s。臺風外圍下沉氣流有利于大氣更趨穩(wěn)定[17]，使大氣污染物在該地區(qū)累積。

2.2 有利于持續(xù)性污染發(fā)生的850 hPa天氣形勢

當有大規(guī)模污染事件發(fā)生時，污染物累積一般發(fā)生在近地層。因此，850 hPa溫壓場配置將直接影響近地面污染物累積、增長和輸送。分析2013年中山市12次持續(xù)性污染個例，得到以下2種最有利于該市持續(xù)性污染發(fā)生的850 hPa天氣形勢(圖4)。

圖3 有利于中山市持續(xù)性污染發(fā)生的地面天氣形勢

圖4 有利于中山市持續(xù)性污染發(fā)生的850 hPa天氣形勢

1) 帶狀高壓影響型(LⅠ)。秋、冬季我國西北地區(qū)常有弱高壓向東南方向延伸至西太平洋地區(qū)，中山市受這一帶狀高壓控制，天氣形勢較穩(wěn)定。另外，這一高壓系統(tǒng)常與冷鋒過程相聯(lián)系。當中山市位于冷鋒前部時，鋒前暖區(qū)增溫易在中低層形成逆溫，使污染物在中低層累積。此型天氣形勢與地面大陸高壓型(SⅠ)配合，成為造成中山市持續(xù)性污染最常見的天氣形勢(表1)。

2) 臺風邊緣下沉氣流影響型(LⅡ)。臺風是大氣中的深厚系統(tǒng)，當有臺風靠近中山市時，從地面到850 hPa均會受到臺風外圍下沉氣流影響，使整個中低層大氣趨于穩(wěn)定，污染物擴散條件變差。

2.3 有利于持續(xù)性污染發(fā)生的500 hPa天氣形勢

500 hPa位于對流層中層，其天氣形勢變化雖不會直接導致地面污染加重或減輕，但500 hPa天氣形勢穩(wěn)定與否對低層天氣系統(tǒng)維持與發(fā)展具有重要影響，而低層環(huán)境條件與污染是否持續(xù)關系密切。有利于中山市持續(xù)性污染發(fā)生的500 hPa天氣形勢有如下3種類型(圖5)：

1) 平直西風影響型(MⅠ)。MⅠ型多出現(xiàn)在冬季，西風帶無明顯波動，中山上空盛行西風，天氣形勢較穩(wěn)定。

2) 槽后西北氣流影響型(MⅡ)。高空槽后對應的低層有下沉氣流，易形成靜穩(wěn)天氣，當高層有暖中心時，若對應低層也有暖平流，則極易形成持續(xù)的深厚污染天氣。

3) 副熱帶高壓控制型(MⅢ)。多發(fā)生在夏季或秋季，受副高影響，中山市上空天氣形勢穩(wěn)定，風速較小。

圖5 有利于中山市持續(xù)性污染發(fā)生的500 hPa天氣形勢

3 污染氣象要素特征

天氣圖分析結果表明，地面典型污染天氣形勢下對應的氣象要素特征主要表現(xiàn)為風速較小，但氣溫、相對濕度對大氣污染的影響通過天氣圖分析難以識別。因此，為了確定各氣象要素對大氣污染的指示意義，選取中山東區(qū)長江水庫監(jiān)測站(空氣質量對照站，受污染物排放變化影響較小)計算該站全年日均相對濕度、氣溫和風向風速，結合該站的AQI，統(tǒng)計各季發(fā)生污染時上述氣象要素特征值(見圖6)。

由各季節(jié)不同相對濕度范圍發(fā)生污染的概率統(tǒng)計結果可知[圖6(a)]，各季節(jié)相對濕度低于40%時均無污染發(fā)生；秋、冬季相對濕度為40%～60%時發(fā)生污染的概率最大，春、夏季相對濕度為60%～80%時發(fā)生污染的概率最大，各季在相對濕度大于80%時發(fā)生污染的概率均不大，這可能和降水的濕清除過程有關。

由各季節(jié)不同氣溫范圍發(fā)生污染的概率統(tǒng)計結果可知[圖6(b)]，春季在各氣溫段發(fā)生污染的概率均不大。夏季氣溫高于30 ℃發(fā)生污染的概率達到60%，這可能與夏季高溫時臭氧污染有關[18]。秋季氣溫在20～25 ℃時發(fā)生污染的概率最大，超過50%。冬季氣溫在10～15 ℃時發(fā)生污染的概率最大，超過50%。

由各季不同風速、風向范圍發(fā)生污染的概率統(tǒng)計結果可知[圖6(c)、圖6(d)]，春、夏季在不同風速風向范圍發(fā)生污染的概率均較小。秋、冬季發(fā)生污染頻率最高的風速為1～2 m/s，風向主要為偏北風和偏東風。各季節(jié)在風速大于4 m/s時均無污染發(fā)生。這說明，就中山市而言，靜穩(wěn)氣象條件是污染發(fā)生的一個關鍵因素，而具備弱風速時，外來污染物輸送可能也是污染發(fā)生的一個重要條件[19-20]。

4 典型污染個例氣象條件模擬分析

2013年中山市大氣污染主要發(fā)生在冬季，且首要污染物類型為PM2.5(圖1)，這類持續(xù)污染過程不僅受到大尺度環(huán)流背景影響，還與中山市局地氣象條件有關?；谶@一特點，采用嵌套網格數值模式不僅可反映大尺度天氣形勢特征，還能針對局地氣象條件進行精細化模擬。因此，挑選2013年1月10—24日這一典型污染個例，利用WRF中尺度數值模式對PM2.5濃度最高時段中山市及其周邊地區(qū)氣象要素進行模擬研究。

圖6 長江水庫站不同氣象要素條件下發(fā)生污染的概率

4.1 PM2.5濃度時空變化特征

挑選中山市小欖、張溪、紫馬嶺、三鄉(xiāng)4個監(jiān)測站的監(jiān)測數據分析PM2.5小時濃度均值演變特征。其中，張溪、紫馬嶺監(jiān)測站位于市區(qū)，小欖監(jiān)測站位于該市北郊，三鄉(xiāng)監(jiān)測站位于該市南郊。

從各監(jiān)測站逐時平均PM2.5濃度變化看(圖7)，這次污染過程是由多個持續(xù)時間較短而污染物濃度較高的污染時段組成，每個時段間隔不到1 d。整個污染事件中污染物濃度的最高峰出現(xiàn)在21日00：00至25日00：00時，除三鄉(xiāng)外，其余3個監(jiān)測站在此期間均有至少1 d的PM2.5濃度達到重度污染，25日00：00時之后各監(jiān)測站PM2.5濃度迅速降低。從空間分布上看，在這次污染過程中市區(qū)站污染物濃度高于市郊站，北部站污染物濃度高于南部站。另外，在21—25日由北向南從小欖站開始，張溪、紫馬嶺、三鄉(xiāng)PM2.5濃度依次達到峰值，由此可初步推斷，這一重污染過程可能是由北向南發(fā)生的。

4.2 WRF模式設置及驗證

WRF模擬時段為北京時間2013年1月20日00：00至25日23：00時。采用蘭伯特投影，設置4層雙向嵌套區(qū)域。第一層(d1)為東亞地區(qū)(格點數88×77)，第二層(d2)覆蓋中國南部地區(qū)(格點數93×75)，第三層(d3)區(qū)域為廣東省(格點數102×84)，第四層(d4)區(qū)域包括整個珠江三角洲地區(qū)(格點數123×108)。4層嵌套區(qū)域水平空間分辨分別為81、27、9、3 km。外層選擇較大的區(qū)域可保證長期模擬過程中內層區(qū)域具有較為合理的側邊界條件，并可充分考慮大尺度天氣系統(tǒng)對珠三角地區(qū)的影響。

在中山市的不同氣象監(jiān)測站處，將WRF模擬的2 m氣溫、地面相對濕度、10 m風速與觀測值對比后發(fā)現(xiàn)，其相關系數(r)均大于0.50，標準化平均偏差(NMB)為-70%～70%，WRF模擬結果能代表真實的氣象條件。

4.3 WRF模擬結果分析

從WRF模擬的中山市重度污染期間東亞地區(qū)(d1)地面風場、溫度場上可見(圖8)：1月20—25日，我國華南沿海地區(qū)風場由弱偏東風轉為較強偏北風；我國中部至華南地區(qū)有等溫線密集區(qū)形成并逐漸南移入海，當珠三角地區(qū)風場轉為偏北風時有較強的冷平流輸送，表明有冷鋒過境?？梢?，數值模式模擬的大尺度天氣形勢與天氣圖分析結果相近(表1)。另外，數值模式能給出地面溫度場分布，相比地面天氣圖能更全面地反映地面天氣形勢特征。

圖7 2013年1月9—26日小欖、張溪、紫馬嶺、三鄉(xiāng)逐時平均PM2.5濃度變化

黑色圓點為中山市位置；箭頭為風場，單位m/s；黑色等值線為氣溫，單位℃。

對中山市局地(d4)氣象場的模擬結果表明(圖9)，該地區(qū)風場由弱偏東風轉為較強的偏北風。1月20—22日，當中山市位于冷鋒前部時，氣溫增高約2 ℃，相對濕度增加5%以上，并有暖濕中心維持。這期間高溫高濕氣象條件為顆粒物吸濕增長和化學反應創(chuàng)造了有利條件[21]；同時，弱偏北風有利于將中山北部的高濃度污染物(圖7)向南輸送，因此中山市PM2.5濃度在1月22日達到最大值。1月22—25日，由于冷鋒過境，中山市風速增大至4 m/s，氣溫和相對濕度顯著降低，局地擴散條件好轉，中山地區(qū)PM2.5污染隨之減輕。

5 結論

1) 中山市2013年秋季和冬季空氣質量較差，春季和夏季較好。秋季以PM2.5和O3為首要污染物類型；冬季主要以PM2.5為首要污染物類型。2013年1次持續(xù)性重污染出現(xiàn)在1月10—24日，首要污染物類型為PM2.5。

黑色圓點為中山市位置；箭頭為風場，單位m/s；陰影為相對濕度，單位%；黑色等值線為氣溫，單位℃。

2) 2013年造成中山市污染最為常見的地面和低層天氣形勢：秋、冬季我國中部大陸有冷高壓形成，其前緣常有冷鋒，中山市位于高壓底部，冷鋒前部。此外，當中山市位于臺風邊緣地區(qū)或副高脊線北側時也有利于產生持續(xù)性污染。中層500 hPa平直西風氣流、槽后西北氣流以及穩(wěn)定的副熱帶高壓使污染得以維持。

3) 中山市秋、冬季，當吹1～2 m/s的偏北風或偏東風，相對濕度為40%～60%，有利于觸發(fā)污染事件。秋季日均氣溫20～25 ℃最有利于觸發(fā)污染；冬季日均氣溫10～15 ℃最有利于觸發(fā)污染；高溫(日均氣溫大于30 ℃)是觸發(fā)夏季污染的關鍵因素。

4) 2013年1月21—24日PM2.5重污染過程是由北向南發(fā)生的。WRF數值模擬結果顯示，在冷鋒到達前，地面弱風(風速小于2 m/s)、增暖(增溫2 ℃)、增濕(增濕5%以上)時，PM2.5濃度上升。隨著冷鋒過境，地面偏北風顯著增大，溫度和濕度顯著降低，PM2.5濃度迅速降低，污染過程隨之結束。

天氣形勢變化以及關鍵氣象要素(相對濕度、氣溫、風場)改變對空氣質量變化具有一定的指示意義，可為空氣質量監(jiān)測預警提供參考依據。本文僅結合了污染物濃度監(jiān)測數據和氣象觀測及模擬結果分析中山市污染氣象特征，對氣象條件對污染物濃度的空間分布特征和來源影響涉及有限，今后可考慮進一步利用空氣質量數值模式進行深入研究。

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A Study of the Meteorological Conditions and Synoptic Factors in Pollution Episodes of Zhongshan during 2013

WANG Wending1,2, CHENG Huansheng1, YAO Xuefeng1,2， ZHENG Haitao1,2， YAN Pingzhong1， WU Wenwei3， XU Xunyu3， HUANG Jialu4, WANG Zifa1

1.State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry (LAPC), Institute of Atmospheric Physics (IAP)，Chinese Academy of Sciences (CAS)，Beijing 100029，China

2.College of Earth Science,University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

3.Zhongshan Environmental Monitoring Station, Zhongshan 528400, China

4.Zhongshan Environmental Protection Bureau, Zhongshan 528400, China

Using the air quality monitoring data and meteorological data in Zhongshan, weather chart from Korea Meteorological Administration (KMA) and Weather Research and Forecasting Model (WRF), the characteristics of air pollution in Zhongshan during 2013 are analyzed, types of synoptic factors which are helpful to accumulation of pollutants are summarized, and the typical meteorological conditions during pollution episodes are studied. Results indicate that: Air pollution in Zhongshan during 2013 mostly occurred in fall and winter, whose primary pollutants are Particulate Matter with particle size below 2.5 μm (PM2.5) and ozone. 12 persistent pollution cases happened in 2013. When Zhongshan locates in the bottom of East Asian continental high pressure (in the edge of cold front), in the northern edge of subtropical high, or in the edge of typhoon, it’s beneficial for air pollution. The weakness (wind speed less than 2 m/s) of northern or eastern wind field, proper relative humidity (40%-60%) or temperature (20-25 ℃ in fall,10-15 ℃ in winter) are all possible causes for accumulation of air pollutants in fall and winter. High temperature(more than 30 ℃) is critical for air pollution in summer. WRF simulation for severe PM2.5pollution occurred in January indicates that:the comprehensive effect of weak wind (wind speed less than 2 m/s), increasing temperature (2 ℃ warmer) and increasing relative humidity(5% wetter) results in this pollution case. Strong wind (wind speed more than 4 m/s) results in the dissipation of PM2.5pollution.

air pollution;meteorological condition;synoptic factors;Zhongshan

2014-12-23;

2015-04-22

中國科學院先導 B 類專項(XDB05030200)；國家科技支撐計劃項目(2014BAC21B02)；國家自然科學基金資助項目(41405119)

王文丁(1991-)，男，湖北武漢人，碩士。

X823

A

1002-6002(2016)01- 0044- 09