珠三角地區(qū)典型城市重污染天氣案例分析

李慶旭 朱 娟 吳 鋒 李 錕

(1.中國(guó)生態(tài)文明研究與促進(jìn)會(huì)，北京 100035；2.深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，深圳 518000；3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

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珠三角地區(qū)典型城市重污染天氣案例分析

李慶旭1，3朱 娟2吳 鋒2李 錕2

(1.中國(guó)生態(tài)文明研究與促進(jìn)會(huì)，北京 100035；2.深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，深圳 518000；3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

本文利用天氣后報(bào)網(wǎng)站的2014年空氣質(zhì)量指數(shù)資料、香港科技大學(xué)網(wǎng)站的氣象要素資料以及利用HYSPLIT-WEB模式，對(duì)廣州、肇慶、珠海 3個(gè)典型城市兩次重污染天氣過(guò)程和一次清潔過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，探討了空氣污染與氣象要素的關(guān)系，結(jié)果表明：空氣污染與氣象條件有著密切的關(guān)系：1月的重污染天氣過(guò)程主要由大陸冷高壓變性出海引起，7月的污染過(guò)程主要受臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流影響；與清潔過(guò)程的氣象條件相比，污染過(guò)程風(fēng)速小，且存在逆溫，不利于污染物的輸送和擴(kuò)散。后向軌跡的分析進(jìn)一步證明了珠三角城市間空氣污染的相互影響，下風(fēng)向的珠海受污染情況相比廣州、肇慶有一定的延遲。

珠江三角洲；空氣質(zhì)量指數(shù)；污染過(guò)程；清潔過(guò)程；氣象條件

1 引 言

珠江三角洲是我國(guó)三大城市群之一，隨著工業(yè)化、城市化以及交通運(yùn)輸現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，區(qū)域性、復(fù)合型空氣污染特征日益突出，空氣質(zhì)量形勢(shì)不容樂(lè)觀?？諝赓|(zhì)量主要取決于污染源排放和氣象條件，在污染源排放相對(duì)穩(wěn)定的條件下，氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量變化則起主導(dǎo)作用[1-2]。而氣象條件影響的范圍往往是區(qū)域性的，珠三角城市間距離較近，城市空氣污染物之間相互影響，造成區(qū)域性污染。氣象條件受地理位置、季節(jié)、大尺度天氣背景與層結(jié)穩(wěn)定度控制，主要包括天氣形勢(shì)和各種氣象要素(如風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等)[3-4]。羅森波等[3]通過(guò)分析2002—2004年廣州市典型的空氣污染過(guò)程，得出了不同季節(jié)大氣污染與氣象條件的關(guān)系。周亞軍等[5]研究發(fā)現(xiàn)空氣污染指數(shù)特征與地面氣壓型有密切關(guān)系。張人文等[6]利用2006—2008年珠三角風(fēng)場(chǎng)資料與區(qū)域空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)區(qū)域污染輸送對(duì)珠江三角洲空氣質(zhì)量有重要影響，且區(qū)域平均風(fēng)速大小與空氣污染程度有密切關(guān)系。Wu等[7]研究得出2003年11月2日的極度低能見(jiàn)度事件，是由臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流的影響下帶來(lái)近地面低風(fēng)速，低邊界層高度所引起。

近年來(lái)，已有許多學(xué)者分析研究了珠三角城市間空氣污染相互影響的特征。符春等[8]通過(guò)對(duì)2001年冬季珠三角城市群典型空氣污染過(guò)程分析，指出珠三角城市群處于同一天氣系統(tǒng)影響下，日空氣污染變化具有很強(qiáng)的同步性，且因地理位置和經(jīng)濟(jì)條件不同而各有特點(diǎn)。王淑蘭等[9]利用CALPUFF分析2002年的空氣污染情況，指出珠三角城市間空氣污染相互貢獻(xiàn)作用顯著，其中廣州是最典型的與周邊發(fā)生顯著相互作用的城市之一。李婕等[10]通過(guò)對(duì)2002-2011年的空氣污染指數(shù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)位于珠三角中部的廣佛地區(qū)對(duì)東、南部的深圳和珠?？諝赓|(zhì)量產(chǎn)生影響。

目前對(duì)于單個(gè)城市空氣污染時(shí)空分布特征分析也有不少研究[11-12]，還有對(duì)不同城市之間的空氣污染對(duì)比分析[13-14]。但這些研究大多是針對(duì)經(jīng)濟(jì)水平較高的城市，對(duì)二線城市的研究較少。為此，本文以廣州為背景，選取2014年為基準(zhǔn)年，分析珠三角城市典型重污染天氣案例，通過(guò)HYSPLIT模式分析探究城市間的相互影響效應(yīng)，闡述氣象因素對(duì)空氣質(zhì)量的影響，探討污染天氣形成機(jī)理，為今后出現(xiàn)污染天氣的氣象條件分析及預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)開(kāi)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)域

珠江三角洲地區(qū)以香港、廣州、澳門(mén)為中心，深圳、佛山、珠海為副中心，包括東莞、惠州、肇慶、中山、江門(mén)，共11個(gè)城市。廣州位于珠江三角洲北緣，是主要的經(jīng)濟(jì)文化中心；肇慶位于珠三角西部，是風(fēng)景旅游城市和宜居城市；珠海市位于珠三角西南部，是工農(nóng)業(yè)結(jié)合的出口商品基地，是旅游勝地。

本文選取廣州、肇慶、珠海三個(gè)城市進(jìn)行污染過(guò)程和清潔過(guò)程的對(duì)比分析，探究氣象因素與空氣污染的關(guān)系。據(jù)2014年廣州市氣候公報(bào)[15]顯示，1月2日至8日是典型的灰霾過(guò)程，2月5日-10日是明顯的清潔空氣過(guò)程，7月22-23日廣州出現(xiàn)輕度污染情況，因此本文選取這三個(gè)過(guò)程度氣象條件作詳細(xì)分析。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文收集了2014年1月、2月及7月珠三角地區(qū)廣州、肇慶、珠海的逐日空氣質(zhì)量指數(shù)，來(lái)源于天氣后報(bào)網(wǎng)站；2014年1月1日-9日典型灰霾過(guò)程、7月22日-23日輕度污染過(guò)程以及2月5日-10日清潔過(guò)程的氣象要素資料，其中包括天氣形勢(shì)圖、風(fēng)向風(fēng)速變化圖、探空?qǐng)D(清遠(yuǎn)站)，來(lái)源于香港科技大學(xué)網(wǎng)站；最后，嘗試運(yùn)用HYSPIT-WEB模式作分析，進(jìn)一步闡述城市間空氣污染的相互影響效應(yīng)。

2.3 研究方法

2.3.1 環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)

環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index，簡(jiǎn)稱AQI)是描述城市空氣質(zhì)量狀況的無(wú)量綱指數(shù)，可分級(jí)表征空氣污染程度和空氣質(zhì)量狀況(表1)，AQI值越大表明綜合污染程度越重，本文中定義AQI大于100為污染日。

表1 空氣質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

注：空氣質(zhì)量等級(jí)根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)規(guī)定劃分。

2.3.2 HYSPLIT模式

HYSPLIT，即拉格朗日混合單粒子軌道模型，用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型，已被廣泛地應(yīng)用于多種污染物在各個(gè)地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散的研究。文中采用該模式對(duì)廣州(23.08N，113.14E)、肇慶(23.03N，112.27E)以及珠海(22.17N，113.34E)三個(gè)點(diǎn)2014年1月5日20時(shí)(北京時(shí)間)和6日20時(shí)(北京時(shí)間)24小時(shí)的后向軌跡對(duì)污染源進(jìn)行分析。

3 重污染天氣典型案例

3.1 大陸冷高壓引起的重污染天氣

2014年，廣州年灰霾日數(shù)平均36.8天，為2000年以來(lái)最少，但也出現(xiàn)幾次比較嚴(yán)重的灰霾天氣，主要是在1月份[16]。2014年1月2—7日廣州出現(xiàn)持續(xù)性灰霾天氣，AQI持續(xù)超過(guò)100，市氣象臺(tái)以及區(qū)氣象臺(tái)從3日起陸續(xù)發(fā)布灰霾黃色預(yù)警，廣州市啟動(dòng)空氣重污染二級(jí)應(yīng)急響應(yīng)。與其同時(shí)，肇慶、珠海也出現(xiàn)污染天氣，其中肇慶持續(xù)8天AQI超過(guò)150，珠海2-6日AQI超過(guò)100。2014年6日前后出現(xiàn)最高值，當(dāng)日3-7時(shí)，廣州測(cè)得能見(jiàn)度不到2公里，AQI高達(dá)206，然后逐漸下降，9日AQI恢復(fù)到良。下文將給出2014年1月1日-9日珠三角出現(xiàn)的重污染天氣污染過(guò)程的變化特征以及原因分析，主要從天氣形勢(shì)、水平風(fēng)場(chǎng)特征、垂直風(fēng)場(chǎng)以及逆溫層分析和后向軌跡分析四方面展開(kāi)。

3.1.1 污染過(guò)程特征分析

3.1.1.1 AQI指數(shù)變化特征

珠三角城市群之間的距離最遠(yuǎn)達(dá)二百多公里，部分城市地處海濱，氣候條件有所區(qū)別，但重污染的出現(xiàn)有較強(qiáng)的一致性。

由圖1的1日-9日各城市AQI變化可知，廣州、肇慶、珠海AQI指數(shù)出現(xiàn)峰值和谷值的時(shí)間基本一致，起伏變化也大致相同；廣州、肇慶1月3日出現(xiàn)第一個(gè)極值點(diǎn)，珠海則在1月4-5日，之后逐漸下降；1月6日，廣州、肇慶迎來(lái)第二個(gè)極值點(diǎn)，也是最高點(diǎn)，AQI超過(guò)200，污染情況嚴(yán)重；珠海則繼續(xù)保持下降趨勢(shì)，1月7-8日，廣州、肇慶逐漸下降，到1月9日，三個(gè)城市AOI均低于100。但珠海1月8日呈現(xiàn)了較為明顯的回升趨勢(shì)，在8日出現(xiàn)了第二個(gè)極值點(diǎn)。由此可得，廣州與肇慶污染同步性較強(qiáng)，珠海有一定的延遲性，這與珠海所處地理位置以及盛行風(fēng)向有關(guān)，下文將會(huì)有進(jìn)一步論述。

圖1 2014年1月1-9日廣州、肇慶、珠海典型污染過(guò)程變化

3.1.1.2 污染過(guò)程主要污染物特征

廣州、肇慶和珠海三個(gè)城市的空氣污染變化具有較強(qiáng)的同步性，各個(gè)城市的首要污染物變化也有一定的規(guī)律性。

由廣州、肇慶、珠海2014年1月1-9日主要污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：三個(gè)城市的首要污染物均為可吸入顆粒物(PM10)；SO2與NO2變化趨勢(shì)不明顯，可見(jiàn)其對(duì)此次污染過(guò)程的影響最?。皇滓廴疚餄舛鹊淖兓厔?shì)與AOI變化趨勢(shì)一致，1月1日開(kāi)始上升到1月3日前后達(dá)到次高點(diǎn)，此時(shí)廣州和肇慶4-5日有所緩解，6日繼續(xù)上升至最高點(diǎn)，7日開(kāi)始逐漸下降，到9日前后均下降至正常濃度范圍；珠海4-5日上升至最高點(diǎn)后開(kāi)始逐漸下降，7-8日受冷空氣過(guò)境影響有所回升后又迅速下降。

3.1.2 污染過(guò)程原因分析

3.1.2.1 天氣形勢(shì)

珠三角城市重污染天氣的同步出現(xiàn)及變化趨勢(shì)的一致性表明此時(shí)氣象條件的影響超過(guò)了污染源的影響。文中主要通過(guò)分析廣州地區(qū)的氣象條件來(lái)探究污染天氣過(guò)程和原因。

1月份廣州冷空氣頻繁，1月1-2日，弱冷空氣南下，廣州受冷高壓控制，并逐日減弱，風(fēng)速小不利于污染物擴(kuò)散，1月3日廣州、肇慶均出現(xiàn)了第一個(gè)高值，4日冷空氣前鋒到達(dá)南嶺附近，廣州、肇慶的霧霾天氣都有所緩解，而珠海1月4日卻迎來(lái)了第一個(gè)高值。 1月5日有所緩解后6日達(dá)到AQI最高點(diǎn)，污染最為嚴(yán)重，珠三角地區(qū)此次污染過(guò)程主要是大陸冷高壓北抬變性出海的引起的。

從2014年1月5日-6日14時(shí)和20時(shí)的地面天氣圖(圖2)。可以發(fā)現(xiàn)，1月5日原本在江淮地區(qū)的冷高壓中心北抬至東北地區(qū)，并逐漸向東移，1月6日白天，冷高壓變性出海，20時(shí)位于日本海地區(qū)。隨著冷高壓中心位置的改變，氣壓場(chǎng)也發(fā)生變化，珠三角地區(qū)在6日形成均壓場(chǎng)，近地層?xùn)|至東南風(fēng)，風(fēng)速較小，不利于污染的擴(kuò)散，因此，廣州、肇慶的灰霾天氣表現(xiàn)顯著，甚至達(dá)到重度污染狀況，AQI超過(guò)200。

圖2 2014年1月5日-6日地面天氣圖

進(jìn)一步分析圖3可得，1月7日，地面冷高脊繼續(xù)減弱，珠三角地區(qū)處于(準(zhǔn))均壓場(chǎng)中，地面以靜風(fēng)或弱風(fēng)為主，無(wú)持續(xù)風(fēng)向，有利于灰霾天氣的維持，廣州、肇慶AQI有所下降但仍為中度污染狀況；珠海6-7日空氣質(zhì)量狀況與廣州肇慶有所不同，5日AQI已開(kāi)始逐漸下降，6-7日下降趨勢(shì)明顯，AQI指數(shù)小于100；1月8日，隨著一股新的中等偏強(qiáng)冷空氣南下，低層北風(fēng)增大，并伴有分散小雨，廣州、肇慶的灰霾過(guò)程基本結(jié)束，空氣質(zhì)量才有了較明顯改善。而珠海8日AOI卻出現(xiàn)小回升，8日上升至92，隨后又迅速下降，對(duì)珠海空氣污染有一定影響。

3.1.2.2 水平風(fēng)場(chǎng)分析

圖4給出了1月1日-9日廣州逐時(shí)的風(fēng)向風(fēng)速，連續(xù)幾天廣州地區(qū)風(fēng)速不大，無(wú)明顯持續(xù)風(fēng)向。

圖3 2014年1月8日14時(shí)地面天氣圖

進(jìn)一步分析可看出，1-7日的空氣污染過(guò)程與風(fēng)速密切相關(guān)。1月1-3日廣州地區(qū)風(fēng)速均小于3m/s，即主要為微風(fēng)或靜風(fēng)，無(wú)明顯持續(xù)風(fēng)向，3日夜間才出現(xiàn)明顯的偏北風(fēng)，風(fēng)速小不利于污染物的輸送與稀釋，使得污染物容易堆積，造成污染物濃度逐步上升，其中廣州、肇慶在3日達(dá)到第一個(gè)極值點(diǎn)，珠海在4日達(dá)到第一個(gè)極值點(diǎn)；結(jié)論與文獻(xiàn)大體一致。4-5日風(fēng)速增大，且主要為偏北風(fēng)，結(jié)合AQI曲線，此時(shí)三個(gè)城市AQI濃度都有所下降，空氣質(zhì)量有所改善。但是6日，風(fēng)速又下降至2m/s左右，污染物再次積累，使得污染加劇，廣州AQI濃度高達(dá)205，由于地面主要變現(xiàn)為偏東風(fēng)，處于廣州西部的肇慶空氣質(zhì)量甚至出現(xiàn)重度污染，AQI濃度高達(dá)262，相反，處于廣州北部的珠海6日空氣污染并沒(méi)有加重。8日出現(xiàn)較強(qiáng)的偏北風(fēng)，有利于污染物的迅速擴(kuò)散，廣州、肇慶的AQI濃度明顯下降，空氣質(zhì)量逐漸改善，而珠海在8日AQI濃度有明顯的小回升后于9日開(kāi)始迅速下降，這是由于珠海處于下風(fēng)向，強(qiáng)北風(fēng)稀釋廣肇地區(qū)污染物時(shí)，把污染物帶到珠海，但由于北風(fēng)較強(qiáng)，污染物停留時(shí)間較短，因此并未給珠海帶來(lái)過(guò)多影響。

3.1.2.3 垂直風(fēng)場(chǎng)及逆溫層分析

逆溫的存在對(duì)污染物的擴(kuò)散起到阻擋作用，對(duì)灰霾的形成有利[25]。廣州沒(méi)有探空站，因此選擇了距離較近的清遠(yuǎn)探空站作分析，1月6日是污染最為嚴(yán)重，而污染在9日已完全清除。參見(jiàn)香港科技大學(xué)網(wǎng)站1月6日08時(shí)和9日08時(shí)的探空?qǐng)D。由圖可見(jiàn)，6日08時(shí)1000hPa到900hPa存在一個(gè)逆溫層，污染過(guò)程結(jié)束后的6月9日，低層溫度層結(jié)線跟6日不同，不存在逆溫。由此分析可見(jiàn)，低層的逆溫對(duì)污染過(guò)程的產(chǎn)生起到了重要作用。而且，逆溫也有明顯的日變化特征，6日20時(shí)的溫度對(duì)數(shù)壓力圖上逆溫已經(jīng)消失(圖略)，但7日08時(shí)仍存在小逆溫層。

圖4 2014年1月1日-9日廣州地區(qū)逐時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速變化

進(jìn)一步分析圖5右側(cè)的垂直風(fēng)場(chǎng)特征，可看出，高層500hPA以上，污染日與非污染日高空風(fēng)沒(méi)有明顯差別。但是500hPa以下中低層風(fēng)速大小有一定的差異，5-7日08時(shí)的風(fēng)速明顯小于9日08時(shí)的風(fēng)速，并且在污染過(guò)程中(5-7日)，中低層出現(xiàn)明顯的偏南風(fēng)，污染結(jié)束后的9日中低層均為較強(qiáng)的偏北風(fēng)，珠三角冬季盛行偏北風(fēng)，污染過(guò)程中出現(xiàn)的偏南風(fēng)與偏北風(fēng)對(duì)峙，并且由于風(fēng)速小，僅壓制了污染物的擴(kuò)散，有利于污染物在珠三角地區(qū)的積累。由此分析可得，中低層的風(fēng)向風(fēng)速變化也是污染過(guò)程產(chǎn)生的重要因素。

圖5 HYSPLIT氣流后向軌跡

3.1.2.4 后向軌跡分析

利用HYSPIT-WEB模式分析廣州(23.08N，113.14E)、肇慶(23.03N，112.27E)以及珠海(22.17N，113.34E)三個(gè)點(diǎn)2014年1月5日20時(shí)(北京時(shí)間)和6日20時(shí)(北京時(shí)間)24小時(shí)的后向軌跡。

由圖5可見(jiàn)，1月5日20時(shí)肇慶200m和500m的24小時(shí)后向軌跡主要經(jīng)過(guò)東莞、中山、鶴山等地，廣州的后向軌跡主要經(jīng)過(guò)潮汕地區(qū)、香港、中山等地，各地的污染物排放會(huì)隨著氣流輸送至該地區(qū)，形成珠三角區(qū)域間空氣污染。珠海三個(gè)高度(200m、500m及1000m)的24小時(shí)后向軌跡主要經(jīng)過(guò)海上，污染相對(duì)較輕。1月6日20時(shí)三個(gè)城市的200m和500m高度的后向軌跡都主要經(jīng)過(guò)海上，在海上幾乎沒(méi)有污染物的排放，而6日廣州、肇慶卻是污染最為嚴(yán)重的一天，原因解釋為：氣流只在珠三角區(qū)域內(nèi)部相互輸送污染物，但是來(lái)自海上的氣流表現(xiàn)為暖濕狀態(tài)，使得珠三角地區(qū)增溫增濕，從而使珠三角地區(qū)逆溫增強(qiáng)，形成二次污染，因此污染加重。此外，廣州、肇慶的后向軌跡有經(jīng)過(guò)珠海，加之珠海當(dāng)天污染有所減輕，與氣流經(jīng)過(guò)珠海把珠海的污染物帶到廣州、肇慶有一定的關(guān)系。

3.1.3 小結(jié)

此次典型灰霾過(guò)程，廣州和肇慶表現(xiàn)出極為顯著的同步性，重污染過(guò)程的影響下，珠海也顯示出較強(qiáng)的一致性。1月5日珠?？諝赓|(zhì)量指數(shù)開(kāi)始逐漸下降，沒(méi)有在1月6日達(dá)到最高值，與廣州、肇慶相反；接著，7日下降至最低點(diǎn)后8日出現(xiàn)迅速的小回升，9日再次下降至良好的空氣質(zhì)量狀況。這可能是由于廣州、肇慶城市的緯度相差不大，城市間距離較近，區(qū)域性污染特征明顯，而珠海處于珠三角西南部，受冷高壓影響較少；也與上文風(fēng)場(chǎng)分析的5-6日中低層出現(xiàn)偏南風(fēng)有關(guān)，偏南風(fēng)把珠海的污染物輸送至北部地區(qū)。

珠江三角洲地區(qū)冬半年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)、夏半年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，下游地區(qū)易受上游和中部地區(qū)污染物輸送影響[6]。進(jìn)一步分析，珠海1月3日空氣質(zhì)量指數(shù)驟增，增加幅度大于廣州和肇慶，且極值點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間較廣州肇慶晚一些，與冬季珠三角地區(qū)主要為偏北風(fēng)有關(guān)，珠海處于下風(fēng)向，廣州和肇慶在偏北風(fēng)作用下影響珠海，導(dǎo)致空氣質(zhì)量驟降，也明顯體現(xiàn)出區(qū)域性污染特性。再者，珠海1月8日空氣質(zhì)量指數(shù)也有明顯增加，可以解釋為：8日強(qiáng)冷空氣南下，北風(fēng)增強(qiáng)，有利于廣州、肇慶的污染物擴(kuò)散、稀釋，污染物隨北風(fēng)擴(kuò)散至處于下風(fēng)向的珠海，并且由于風(fēng)速大，對(duì)珠海的影響持續(xù)時(shí)間短，因此出現(xiàn)小回升后AQI又逐漸下降，沒(méi)有造成顯著污染狀況。與前人所做的相關(guān)研究一致，冬季，在西北風(fēng)的作用下，內(nèi)陸污染較為嚴(yán)重的空氣被帶進(jìn)珠海轄區(qū)內(nèi)，造成市內(nèi)冬季空氣質(zhì)量相對(duì)較差。由此，造成珠海市典型的大氣污染季節(jié)變化特征和區(qū)域性特征[22]。

3.2 臺(tái)風(fēng)引起的污染天氣

珠三角地區(qū)夏季空氣質(zhì)量總體最優(yōu)，但也會(huì)出現(xiàn)污染現(xiàn)象。7月廣州AQI指數(shù)曲線中出現(xiàn)小波動(dòng)，分析天氣后報(bào)網(wǎng)站公布的AOI數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，7月22日-23日廣州出現(xiàn)輕度污染情況，肇慶以及珠?？諝赓|(zhì)量良好。因此，選取7月22日-23日出現(xiàn)污染天氣過(guò)程做出分析。

3.2.1 污染過(guò)程原因分析

3.2.1.1 天氣形勢(shì)

從7月22日-23日14時(shí)(北京時(shí)間)的地面天氣圖(圖6)可見(jiàn)，東北部海面上的臺(tái)風(fēng)麥德姆逐步向臺(tái)灣地區(qū)移動(dòng)，7月22日到達(dá)臺(tái)灣東部海面，23日在臺(tái)灣東部沿海地區(qū)登陸。受臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流影響，廣州出現(xiàn)輕度污染情況，24日臺(tái)風(fēng)繼續(xù)向西北方向移動(dòng)，離開(kāi)廣東地區(qū)，廣州空氣質(zhì)量回轉(zhuǎn)，達(dá)到良好。肇慶和珠海處于珠三角西部，受臺(tái)風(fēng)影響小，并且本地污染排放較小，因此沒(méi)有出現(xiàn)輕度污染情況。

圖6 7月22日-23日地面天氣圖

3.2.1.2 水平風(fēng)場(chǎng)分析

由2014年7月20日—25日廣州的風(fēng)向風(fēng)速分布圖(圖7)?？芍?月21日廣州地區(qū)主要為西南風(fēng)，這與夏季珠三角地區(qū)盛行西南季風(fēng)的大背景一致。7月22日開(kāi)始出現(xiàn)明顯的東北風(fēng)，且風(fēng)速不大，基本小于2m/s，有利于污染物聚積，此時(shí)廣州地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)輕度污染情況。23日偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)和西南風(fēng)，風(fēng)速有所增大但總體仍然小于3m/s，不利于污染物的迅速擴(kuò)散，廣州繼續(xù)處于輕度污染情況。7月24日表現(xiàn)為明顯的西南風(fēng)，風(fēng)速增大，污染情況得到很好的清除，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良好。

3.2.1.3 垂直風(fēng)場(chǎng)及逆溫層分析

根據(jù)香港科技大學(xué)網(wǎng)站上2014年7月22日08時(shí)清遠(yuǎn)站的探空?qǐng)D可知，7月22日900hPa以下出現(xiàn)明顯的下沉逆溫，不利于污染物的擴(kuò)散，垂直風(fēng)場(chǎng)上，近地層表現(xiàn)為明顯的北風(fēng)，下沉氣流明顯，有利于污染物的聚積。23日逆溫層繼續(xù)保持，污染情況維持，24日溫度曲線近乎垂直，逆溫消失，空氣質(zhì)量得以改善(圖略)。

3.2.2 小結(jié)

風(fēng)向風(fēng)速變化圖與氣壓場(chǎng)相匹配，22日臺(tái)風(fēng)麥德姆移至臺(tái)灣東部海面，臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流影響下，廣州地區(qū)近地層出現(xiàn)東北風(fēng)，且風(fēng)速較小，而夏季珠三角地區(qū)盛行東南季風(fēng)，東北風(fēng)與東南風(fēng)的對(duì)峙，加之外圍下沉氣流的影響，不利于污染物的擴(kuò)散和輸送，因此廣州地區(qū)出現(xiàn)輕度污染情況，而肇慶、珠海處于珠三角西部，受臺(tái)風(fēng)影響程度較小，因此空氣質(zhì)量良好。

圖7 2014年7月20日-25日廣州地區(qū)逐時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速變化

4 有利天氣形勢(shì)分析

4.1 空氣質(zhì)量概況

2014年1月廣州空氣質(zhì)量較差，污染天數(shù)達(dá)21天；2月，空氣質(zhì)量開(kāi)始轉(zhuǎn)好，2月5日-10日，廣州出現(xiàn)了難得的連續(xù)優(yōu)質(zhì)空氣，其中2月9日AQI指數(shù)僅為13，同時(shí)，肇慶、珠海在此時(shí)間段內(nèi)整體呈現(xiàn)優(yōu)良狀態(tài)。下文主要分析此次清潔過(guò)程的氣象要素變化，與上文1月份典型污染過(guò)程做對(duì)比分析，重點(diǎn)分析2月9日-10日氣象條件(三個(gè)城市空氣質(zhì)量同為最優(yōu))。

4.2 清潔過(guò)程原因分析

4.2.1 天氣形勢(shì)

由2014年2月08日08時(shí)和20時(shí)的地面天氣(圖8)可見(jiàn)，8日08時(shí)，珠三角地區(qū)有強(qiáng)冷空氣迅速南下，橫掃珠三角地區(qū)，給珠三角地區(qū)帶來(lái)較為強(qiáng)勁的偏北風(fēng)，污染物得到很好的清除作用。隨后天氣形勢(shì)良好，主要受冷鋒過(guò)境后的影響，9日，廣西、湖南地區(qū)有槽線，珠三角地區(qū)主要為東北風(fēng)，空氣質(zhì)量較為良好。

對(duì)比上文污染過(guò)程可得，在冬季，珠三角地區(qū)變性脊的影響下產(chǎn)生污染過(guò)程，冷高壓東移出海在珠三角形成均壓場(chǎng)，有利于污染物的累積，加劇空氣污染；而清潔過(guò)程中，冷鋒過(guò)境帶來(lái)的強(qiáng)勁北風(fēng)有利于清除污染物，帶來(lái)較為優(yōu)質(zhì)的空氣質(zhì)量。

圖8 2014年2月8日地面天氣圖

4.2.2 水平風(fēng)場(chǎng)

由廣州2014年2月5日至2月11日的風(fēng)向風(fēng)速變化圖(圖9)可知，這段時(shí)間風(fēng)速總體大于3m/s，5日-7日主要為偏東風(fēng)，此時(shí)，廣州、珠?？諝赓|(zhì)量表現(xiàn)為優(yōu)質(zhì)天氣，肇慶為良好天氣，這與肇慶處于廣州東部有一定的聯(lián)系，偏東風(fēng)清除污染物的作用在廣州表現(xiàn)較為明顯；7日夜間，風(fēng)速迅速增大，變現(xiàn)為顯著的偏北風(fēng)，8日-9日風(fēng)速逐漸變小，但整體保持在3m/s左右，9日午后，風(fēng)速再次增大。廣州、肇慶、珠海7日開(kāi)始均表現(xiàn)為優(yōu)質(zhì)天氣。9日，同為優(yōu)質(zhì)天氣，廣州、肇慶的AQI濃度均小于20，而珠海此時(shí)為31，在一定程度上是由于北風(fēng)的作用，珠海處于下風(fēng)向，因此空氣質(zhì)量相比廣州、肇慶要差些。

與上文污染過(guò)程對(duì)比分析可得，清潔過(guò)程近地面水平風(fēng)速較污染過(guò)程大，且持續(xù)風(fēng)向明顯，主要以偏北風(fēng)為主，與冬季風(fēng)盛行風(fēng)向一致，有利于污染物的清除、稀釋與擴(kuò)散。

圖9 2014年2月5日-11日廣州地區(qū)逐時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速變化

4.2.3 垂直風(fēng)場(chǎng)及逆溫層分析

從2014年2月09日08時(shí)(北京時(shí)間)的探空?qǐng)D(清遠(yuǎn)站)可看出，900hPa以下溫度層結(jié)曲線近似垂直，不存在逆溫，但是逆溫存在于800～900hPa之間，在觀察右側(cè)的垂直風(fēng)廓線，高層為強(qiáng)勁的西風(fēng)，中低層主要為較大的東北風(fēng)，800～900hPa之間的逆溫層表現(xiàn)為較強(qiáng)勁的偏南風(fēng)，由此可見(jiàn)，逆溫層的存在與垂直風(fēng)向有密切關(guān)系。

與上文污染過(guò)程的對(duì)比分析可知，污染過(guò)程中低層存在逆溫，清潔過(guò)程沒(méi)有逆溫，即使有逆溫層也是存在與900hPa以上的高層，中低層的逆溫存在不利于污染物的擴(kuò)散；在主要以東北風(fēng)(冬季風(fēng))為主的冬季，污染過(guò)程中低層表現(xiàn)為相反的偏南風(fēng)，且風(fēng)速較小，有利于污染物的累積；而清潔過(guò)程為明顯的東北風(fēng)，且風(fēng)速較大，有利于增強(qiáng)污染物的擴(kuò)散。

5 總結(jié)與討論

(1)天氣形勢(shì)對(duì)空氣污染有重要影響。2014年1月1日-9日的典型空氣污染主要由大陸冷高壓變性出海引起；7月22日-23日輕度污染過(guò)程主要受臺(tái)灣東部海面臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流影響。

(2)氣象要素與空氣質(zhì)量指數(shù)變化密切相關(guān)：水平風(fēng)場(chǎng)上，空氣質(zhì)量指數(shù)高對(duì)應(yīng)風(fēng)速小；垂直風(fēng)場(chǎng)上，中低層的風(fēng)向風(fēng)速變化也是污染過(guò)程產(chǎn)生的重要因素；逆溫的存在對(duì)污染物的擴(kuò)散起到阻擋作用。

(3)后向軌跡分析可見(jiàn)，各個(gè)城市間距離較小，常處于同一大氣擴(kuò)散條件下，空氣污染物隨大氣輸送，城市間污染相互影響作用明顯；冬季在偏北風(fēng)的作用下，處于下風(fēng)向的珠?？諝馕廴臼苌巷L(fēng)向的廣州、肇慶的污染物輸送影響。因此，要改善珠三角地區(qū)的空氣污染狀況，有必要充分考慮大氣輸送規(guī)律，做好區(qū)域性污染治理規(guī)劃。

(4)清潔過(guò)程與污染過(guò)程對(duì)比分析得，清潔過(guò)程天氣形勢(shì)良好，風(fēng)速較大，主要為明顯偏北風(fēng)，中低層不存在逆溫，有利于污染物的稀釋、清除和擴(kuò)散，因此空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良。

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Analyses of Heavy Air Pollution Processes in Typical Cities of Pearl River Delta

LI Qingxu1，3ZHU Juan2WU Feng2LI Kun2

(1.Chinese Ecological Civilization Research and Promotion Association，Beijing，100035，China；2.IER Environmental Protection Engineering Technology Co.Itd.，Shenzhen 518000，China；3.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，CAS，Beijing 100101，China)

Based on the air quality index(AQI) data from the tianqihoubao website and the meteorological parameters data from the HKUST website as well as HYSPLIT-WEB model utilization，the typical Air pollution processes and cleaning process in 2014 were compared to describe the relationship of air pollution and meteorological factors. The results showed that there was a strong synchronization in typical air pollution process in the three cities，a little delay in Zhuhai however. Moreover，the dominant pollutant changed as Air Quality Index (AQI). Air pollution was closely connected with weather process：the typical pollution processes were caused by Continental anticyclone which changed and removed to ocean in January and by the peripheral subsidence airflow of typhoon systems in July.Compared with the cleaning process，the speed of surface layer in haze process was smaller and there occurred Inversion，which were against the transportation and dispersion of pollutants. The interaction effect of air pollution of cities in PRD was further confirmed by HYSPLIT model，which also showed there was a delay in Zhuhai due to the location in downwind direction.

the Pearl River Delta；Air Quality Index (AQI)；air pollution process；cleaning process；meteorological factors

李慶旭，在讀博士，主要從事生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與區(qū)域關(guān)聯(lián)方面研究

吳鋒，助理研究員，主要從事自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)、環(huán)境管理和生態(tài)規(guī)劃方面研究

X82

A

1673-288X(2016)06-0174-08

引用文獻(xiàn)格式：李慶旭 等.珠三角地區(qū)典型城市重污染天氣案例分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(6)：174-181.