珠三角干季海陸風(fēng)特征及其對空氣質(zhì)量影響的觀測

吳 蒙,羅 云,吳 兌,范紹佳(1.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510275；2.佛山市氣象局,廣東 佛山 528000；3.佛山市龍卷風(fēng)研究中心,廣東 佛山 528000；4.暨南大學(xué)大氣環(huán)境安全與污染控制研究所,廣東 廣州 510632)

珠三角干季海陸風(fēng)特征及其對空氣質(zhì)量影響的觀測

吳 蒙1,2,3,羅 云2,3,吳 兌1,4*,范紹佳1*(1.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510275；2.佛山市氣象局,廣東 佛山 528000；3.佛山市龍卷風(fēng)研究中心,廣東 佛山 528000；4.暨南大學(xué)大氣環(huán)境安全與污染控制研究所,廣東 廣州 510632)

通過2004年10月在珠江三角洲(以下簡稱“珠三角”)開展大氣邊界層觀測試驗(yàn)得到的垂直風(fēng)溫資料和逐時P M2.5濃度資料,利用局地環(huán)流指數(shù)(RF)等方法研究了珠三角海陸風(fēng)特征及其對空氣質(zhì)量的影響.結(jié)果表明：局地環(huán)流指數(shù)是表征局地大氣輸送能力的有效指標(biāo);冷暖氣團(tuán)對峙導(dǎo)致珠三角污染日背景風(fēng)場較弱,沿海海陸風(fēng)活動活躍,空氣質(zhì)量指數(shù)與 RF系數(shù)相關(guān)性頗高,珠三角沿海 100～400m處RF系數(shù)值主要分布在0.5～0.8之間;在海陸風(fēng)影響下低層風(fēng)場的有效輸送能力較弱,不利于污染物的輸送擴(kuò)散.而隨著冷空氣全面控制珠三角,垂直風(fēng)場RF系數(shù)值高達(dá)0.9以上,海陸風(fēng)難以發(fā)展,風(fēng)場輸送能力強(qiáng),能夠持續(xù)的將污染物輸送出去.觀測發(fā)現(xiàn)沿海觀測點(diǎn)試驗(yàn)期間海陸風(fēng)發(fā)生頻率約為 47.8%,其中 72.7%的海陸風(fēng)日出現(xiàn)了污染天氣,海陸風(fēng)日地面風(fēng)向呈現(xiàn)出明顯的隨時間順時針偏轉(zhuǎn)特征,海風(fēng)約從16：00時開始出現(xiàn),并在20：00達(dá)到最大影響高度約為600～800m.夜間海風(fēng)將污染物輸送回內(nèi)陸觀測點(diǎn),導(dǎo)致內(nèi)陸PM2.5濃度在19：00～21：00時出現(xiàn)濃度峰值,呈現(xiàn)出明顯的雙峰結(jié)構(gòu).

海陸風(fēng)；局地回流指數(shù)；空氣質(zhì)量；珠三角

海陸風(fēng)是由于一日內(nèi)海陸非絕熱加熱不均勻造成的局地次級環(huán)流,是一種典型地形誘發(fā)的中尺度現(xiàn)象,是沿海地區(qū)大氣邊界層研究的重要內(nèi)容[1].海陸風(fēng)環(huán)流與大氣環(huán)境的污染密切相關(guān),對大氣中污染物的稀釋擴(kuò)散行為有重要的意義,因此沿海地區(qū)海陸風(fēng)環(huán)流及其對大氣擴(kuò)散的影響一直是國內(nèi)外污染氣象學(xué)家關(guān)注的重要領(lǐng)域

[2-3].國內(nèi)外很多研究表明在沿海地區(qū)海陸風(fēng)對空氣質(zhì)量有著重要的影響,特別是夜間向岸的海風(fēng)會直接影響污染物的輸送,進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)陸地區(qū)空氣質(zhì)量的惡化[4-5].美國和歐洲的一些研究基于大量觀測試驗(yàn)證實(shí)海陸風(fēng)會導(dǎo)致陸地大氣邊界層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,尤其是夜間海風(fēng)深入內(nèi)陸使得貼地逆溫強(qiáng)度減弱,不利于穩(wěn)定邊界層的發(fā)展[6-9].Bridget等[10]觀測發(fā)現(xiàn)夜間海風(fēng)深入內(nèi)陸形成熱內(nèi)邊界層,并且伴隨著較弱的風(fēng)速,大氣擴(kuò)散能力被減弱.Luria等[11]研究表明向岸的海風(fēng)會將沿海地區(qū)排放的污染物輸送到內(nèi)陸地區(qū),其他地區(qū)的觀測研究也確認(rèn)了這一現(xiàn)象[12-14].在我國關(guān)于海陸風(fēng)的研究也開展的較多,在環(huán)渤海地區(qū)的研究表明海陸風(fēng)活動頗為顯著造成了污染物交叉輸送[15-16].珠江三角洲地區(qū)(珠三角地區(qū))關(guān)于海陸風(fēng)的研究主要采用的是地面常規(guī)觀測資料和數(shù)值模式模擬方法[17-18],張立鳳等[19]統(tǒng)計(jì)表明海陸風(fēng)是珠江口常見的天氣現(xiàn)象,尤其是冬季頻率較高,而且珠江口東岸海風(fēng)強(qiáng)度要大于西岸,陳訓(xùn)來等[20]利用數(shù)值發(fā)現(xiàn)在海風(fēng)維持的情況下,海風(fēng)與離岸型背景風(fēng)方向相反,造成海風(fēng)較小,致使整個珠江三角洲地區(qū)空氣質(zhì)量較差[21-23].隨著城市的快速發(fā)展,熱島效應(yīng)也對海陸風(fēng)產(chǎn)生較大的影響,研究表明熱島效應(yīng)會導(dǎo)致海風(fēng)強(qiáng)度增大,陸風(fēng)出現(xiàn)時間更晚[24-26].熱島環(huán)流與海陸風(fēng)環(huán)流的交匯,會導(dǎo)致出現(xiàn)氣流輻合,風(fēng)速減弱,不利于污染物的擴(kuò)散[27].

珠三角地區(qū)是我國三大城市群之一,正處于城市化、工業(yè)化快速發(fā)展時期,是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展快、經(jīng)濟(jì)總量大、綜合實(shí)力強(qiáng)的地區(qū)之一.由于區(qū)域資源和能源消耗量過大,多種大氣污染物高強(qiáng)度集中排放,大氣環(huán)境問題突出.空氣質(zhì)量惡化所引起的大氣環(huán)境問題對廣大人民群眾的生產(chǎn)、生活活動造成極大的危害,珠三角多數(shù)城市所面臨的大氣污染形勢非常嚴(yán)峻.現(xiàn)有研究多利用地面觀測資料探討了地面風(fēng)場對污染物輸送的影響,受數(shù)據(jù)資料所限難以從垂直方向上分析與空氣質(zhì)量有關(guān)的海陸風(fēng)局地環(huán)流特征,特別是結(jié)合垂直風(fēng)溫特征的研究,因此針對珠三角海陸風(fēng)對空氣質(zhì)量的影響方面還是有很多工作需要進(jìn)一步去做的.本研究主要從兩個方面開展工作：從實(shí)際探空的角度分析珠三角海陸風(fēng)的特征和海陸風(fēng)對空氣質(zhì)量的影響,海陸風(fēng)影響下的污染機(jī)理,為后續(xù)研究提供參考.

1 資料與方法

1.1 資料

本研究主要采用的是2004年10月珠三角干季觀測試驗(yàn)(PRIDE-PRD2004)得到的垂直探空數(shù)據(jù)(圖1),該實(shí)驗(yàn)主要目的是研究珠三角南北向大氣邊界層風(fēng)溫結(jié)構(gòu),其中新墾站(Xinken)是沿海觀測點(diǎn),而番禺站(Panyu)是內(nèi)陸觀測點(diǎn).地面溫度資料采用的觀測試驗(yàn)期間安裝在新墾觀測點(diǎn)的自動氣象站采集到的逐時溫度數(shù)據(jù),以及廣州地面氣象站(站號：59287)觀測得到的逐時溫度數(shù)據(jù).空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)除了相應(yīng)的API數(shù)據(jù)之外,還采用了 PRIDE-PRD2004期間新墾和番禺同步觀測得到的逐時 PM2.5濃度資料,研究中將API＞100的一天作為一個污染日.

圖1 2004年10月邊界層觀測試驗(yàn)觀測點(diǎn)分布Fig.1 Theobservation stations of the ABL campaign during Oct 2004

珠三角地區(qū)機(jī)場眾多,空域繁忙,航線覆蓋

面積廣,航空管制非常嚴(yán)格,為了保證基本的航空安全需求,邊界層野外觀測試驗(yàn)采用雙經(jīng)緯儀基線小球測風(fēng)和低空探空.實(shí)際觀測發(fā)現(xiàn),雙經(jīng)緯儀基線小球測風(fēng)和低空探空操作便捷,穩(wěn)定可靠,抗干擾性好,所采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度能夠滿足研究需要,是一種適合珠三角大氣邊界層觀測的探測手段.邊界層觀測試驗(yàn)所使用的探空儀為北京大學(xué)地球物理系工廠生產(chǎn)的溫度單要素探空儀,經(jīng)緯儀和探空儀在出廠前都經(jīng)過了嚴(yán)格的標(biāo)定,在觀測時,探空氣球升速約為 100m/min,測風(fēng)讀數(shù)間隔為 30s,溫度探空數(shù)據(jù)采集間隔為5s.

1.2 方法

局地回流指數(shù)RF系數(shù)(Recirculation factor)是 Allwine等[28]提出的用來反映風(fēng)場的運(yùn)動特征,特別是用來描述風(fēng)場的通風(fēng)能力、停滯氣流和潛在回流特征的無量綱指數(shù),其認(rèn)為局地回流是指污染物起初被風(fēng)場輸送出去,但是在隨后時刻又被輸送回來的現(xiàn)象(圖 2(a)),因此在受海陸風(fēng)影響區(qū)域有著較好的應(yīng)用.如圖2(b)所示,在某一段時間內(nèi),風(fēng)場可能累積運(yùn)動距離為 l,但是其實(shí)際有效運(yùn)動距離僅為h,因此可以得到R系數(shù)為h與l之比,用以表征風(fēng)場的有效輸送能力,其計(jì)算公式如下：

式中：i為相應(yīng)的數(shù)據(jù)時刻;is為起始時刻;ie為終止時刻; 為平均數(shù)據(jù)時間間隔;ui為水平風(fēng)速的南北分量;vi為水平風(fēng)速的東西分量.實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)RF接近1時,代表的是平直穩(wěn)定的輸送;當(dāng)RF接近0時,代表著幾乎沒有有效輸送(圖2(c)).

圖2 局地回流指數(shù)計(jì)算示意Fig.2 The diagrammatic sketch of calculatingrecirculation factor

2 結(jié)果分析

2.1 觀測試驗(yàn)期間天氣概況

圖3 2004年10月觀測試驗(yàn)期間廣州站逐時溫度和風(fēng)速Fig.3 The hourly temperature and wind speed during the observations of October 2004 in Guangzhou station

PRIDE-PRD2004試驗(yàn)期間,珠三角共經(jīng)歷多次弱冷空氣過程(圖 3(a)),尤其是在冷氣團(tuán)影響前的回暖期時,冷暖氣團(tuán)的交匯導(dǎo)致珠三角地面風(fēng)速顯著減弱(圖 3(b)),較弱的地面風(fēng)場會形成氣流停滯區(qū),不利于污染物的輸送擴(kuò)散,進(jìn)而促使了空氣質(zhì)量的惡化.而且在冷氣團(tuán)影響期間,珠三角受大陸冷高壓控制,地面形勢穩(wěn)定,冷暖氣團(tuán)交匯使得背景風(fēng)場較弱,有利于海陸風(fēng)的發(fā)展.

觀測試驗(yàn)期間新墾觀測點(diǎn) API值相對較高(圖 3(a)),污染較為嚴(yán)重,期間共觀測到兩次較為嚴(yán)重的污染過程,分別為10～17日和29～31日,污染日共計(jì) 11d.利用新墾觀測試驗(yàn)得到的風(fēng)廓線資料,同時結(jié)合番禺和新墾的逐時溫度資料,統(tǒng)計(jì)

發(fā)現(xiàn)新墾觀測點(diǎn)在觀測試驗(yàn)期間共觀測到11個海陸風(fēng)日,約占總觀測日數(shù)的47.8%,其中有8個海陸風(fēng)日出現(xiàn)在污染日,約占觀測到海陸風(fēng)日數(shù)的72.7%,尤其是在10～17日較為嚴(yán)重的污染過程期間,海陸風(fēng)非?；钴S.

2.2 珠三角沿海局地回流指數(shù)特征

圖4為新墾觀測站點(diǎn)污染日與非污染日的RF廓線分布.從圖4可以看出,新墾污染日近地層平均 RF系數(shù)較小,不足0.8,隨著高度逐漸增加,在1000m左右RF已經(jīng)接近1,污染日RF各高度極小值差別較大,400m處RF極小值甚至小于 0.2;新墾非污染日RF系數(shù)相對穩(wěn)定,近地層大于 0.9,并且極小值也顯著大于污染日.珠三角處于冷空氣前暖期控制時,冷暖氣團(tuán)的交匯造成背景風(fēng)場大幅減弱,有利于海陸風(fēng)局地環(huán)流的發(fā)展,RF系數(shù)特征進(jìn)一步證明了新墾污染日海陸風(fēng)局地環(huán)流發(fā)展活躍,對空氣質(zhì)量有著不可忽視的影響.

圖4 新墾觀測站點(diǎn)(a)污染日與(b)非污染日RF廓線Fig.4 The RF profiles of (a) pollution days and (b) non-pollution days of Xinken

表1 新墾觀測試驗(yàn)期間API與RF值的相關(guān)系數(shù)Table 1 The correlation indexbetween API and RFs ofXinken during the campaigns.

圖5 新墾逐日API與100m和900m處RF值Fig.5 The daily API and the RFs of 100m and 900m at Xinken

表1為新墾觀測點(diǎn)API與RF值相關(guān)系數(shù)特征.新墾觀測點(diǎn)RF值與API的相關(guān)性隨高度增加逐漸遞減,在低層相關(guān)性較好,尤其400m以下均通過了顯著性檢驗(yàn),而這個高度恰恰是海陸風(fēng)發(fā)展最活躍的氣層,這說明海陸風(fēng)對低層大氣擴(kuò)散能力影響顯著.

通過以上分析,圖5給出的是新墾逐日API和100m與900m出RF值變化情況.100m處RF值(RF100)與 900m處 RF值(RF900)差異非常明顯,RF900隨時間變化較小,基本上維持在0.9左右.而RF100則變化劇烈,當(dāng)RF100減小的時候,API逐漸增大,當(dāng)RF100與RF900較為接近的時候,API逐漸減小.受海陸風(fēng)活動強(qiáng)弱的影響,污染日新墾

RF100多數(shù)分布在 0.5～0.8之間,垂直風(fēng)場的有效輸送能力明顯減弱.

綜上所述,在干季冷暖氣團(tuán)對峙形成的較弱的背景風(fēng)場有利于珠三角沿海海陸風(fēng)局地環(huán)流的發(fā)展.污染日與非污染日的 RF系數(shù)特征,特別是400m高度以下的R系數(shù)差異顯著,表明海陸風(fēng)局地環(huán)流對珠三角空氣質(zhì)量有著重要的影響.非污染日局地環(huán)流影響較弱,垂直風(fēng)場較為穩(wěn)定,大氣輸送能力強(qiáng),能夠持續(xù)有效地將污染物輸送出去,而污染日海陸風(fēng)局地環(huán)流活躍,大氣擴(kuò)散能力較差,有利于污染日的累積.

2.3 珠三角海陸風(fēng)特征

通過對新墾風(fēng)廓線和RF值特征的分析,可知海陸風(fēng)對珠三角空氣質(zhì)量的影響不容忽視,因此研究珠三角海陸風(fēng)發(fā)展特征具有重要的意義.圖6為新墾觀測點(diǎn)海陸風(fēng)日 100m處各時刻風(fēng)矢量變化情況.從圖6可以看出,06：00風(fēng)矢量主要為東北偏北偏北風(fēng),10：00逐漸轉(zhuǎn)為東北偏東風(fēng),而且受陸風(fēng)影響風(fēng)速顯著減小.18：00起受海風(fēng)影響,風(fēng)向由東南偏北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為東南偏南風(fēng),風(fēng)速也呈現(xiàn)出增大的特征.風(fēng)向總體隨時間由 06：00～23：00順時針旋轉(zhuǎn)了約 160°,與海陸風(fēng)影響時風(fēng)向隨時間順時針旋轉(zhuǎn)的理論規(guī)律是相符的[29].

圖6 新墾海陸風(fēng)日100m高度處風(fēng)矢量變化Fig.6 The variation of wind vectors on 100m of sea-land breezes days at Xinken.

海陸溫差是形成海陸風(fēng)的最基本的熱力條件,圖7為海陸風(fēng)日廣州與新墾溫度日變化情況,由于新墾位于珠江口沿海,受海洋影響較大,可在一定程度上反映海洋溫度變化,廣州則位于內(nèi)陸,可一定程度上反映陸地溫度變化.從中可以看出,07：00后隨著太陽輻射增強(qiáng),廣州與新墾溫度均在逐漸增加,而且兩個觀測站溫度差別不大;午后15：00起,廣州溫度已明顯高于新墾,并且溫差持續(xù)增大至2.5℃,隨著午后海陸溫差的增大,滿足了出現(xiàn)海風(fēng)的熱力條件;00：00～06：00溫差則逐漸減小,其中部分原因是新墾受海風(fēng)影響較大,降溫較慢.此外,圖7中廣州與新墾的溫差能夠持續(xù)存在于整個夜間,這與廣州站臨近城區(qū)熱島效應(yīng)較強(qiáng)有關(guān).

圖7 海陸風(fēng)日廣州與新墾逐時溫度Fig.7 The hourly temperature of sea-land breezes days at Guangzhou and Xinken station.

圖 8為新墾海陸風(fēng)日平均風(fēng)廓線情況和不同高度風(fēng)向頻率分布情況.從圖8可以清晰的看到,從 16：00～17：00起在海風(fēng)的影響下,風(fēng)向逐漸開始偏轉(zhuǎn)為東南偏南風(fēng),而且海風(fēng)的影響高度也隨時間逐漸增大,在 22：00～23：00時左右達(dá)到最大高度約為 600m.新墾陸風(fēng)的影響相對較弱,但是也可以發(fā)現(xiàn)10：00～14：00的風(fēng)速要略小于白天其他時刻.在近地層 300m下存在兩個高頻率風(fēng)向分布區(qū),分別是東北風(fēng)和東南偏南風(fēng).東南偏南風(fēng)是海風(fēng)出現(xiàn)時的主導(dǎo)風(fēng)向,而東北風(fēng)則是非海風(fēng)時刻的主導(dǎo)風(fēng)向.

綜合以上分析可知,污染日珠三角沿海海陸風(fēng)出現(xiàn)頻率相對較高,海陸風(fēng)對珠三角空氣質(zhì)量有著重要的影響.在海陸風(fēng)日,新墾地面風(fēng)場呈現(xiàn)出顯著的隨時間順時針偏轉(zhuǎn)的特征,海陸風(fēng)溫差較大滿足出現(xiàn)海陸風(fēng)的熱力條件.新墾海風(fēng)發(fā)展較為顯著,約在 16：00～17：00逐漸出現(xiàn),風(fēng)向也逐漸開始偏轉(zhuǎn)為東南偏南風(fēng),而且海風(fēng)的影響高度

也隨時間逐漸增大,在 22：00～23：00左右達(dá)到最大高度約為600m.

圖8 新墾海陸風(fēng)日(a)垂直風(fēng)場和(b)風(fēng)向頻率分布Fig.8 The wind profiles (a) and frequency of wind directions (b) of sea-land breezes days at Xinken station

2.4 珠三角海陸風(fēng)對空氣質(zhì)量的影響

為了更加清晰的分析新墾海陸風(fēng)特征,選取2004年10月13～16日的作為海陸風(fēng)的典型個例進(jìn)行研究,該觀測時間段內(nèi)珠三角出現(xiàn)嚴(yán)重的污染天氣過程.圖9(a)為2004年10月13～16日新墾的逐時溫度變化情況,可以看到13～16日新墾溫度的最大值一般出現(xiàn)在 14：00.由于海風(fēng)吹來的較冷的冷空氣使得午后降溫更加迅速,從而導(dǎo)致峰值前的溫度增高趨勢與峰值后的溫度降低趨勢明顯不同,出現(xiàn)類雙峰結(jié)構(gòu),這與理論上海陸風(fēng)影響下日溫度變化趨勢時相符的[30].

圖9 新墾2004年10月13～16日逐時溫度Fig.9 The variation of hourly temperature on Xinken during 13～16 October 2004

圖10 新墾2004年10月13～17日垂直風(fēng)場Fig.10 The vertical wind field on Xinken during 13～17 October 2004

圖10為2004年10月13～17日新墾垂直風(fēng)場變化情況,從圖10可以清晰地看出逐日的海陸

風(fēng)演化特征.14：00左右海風(fēng)逐漸出現(xiàn),風(fēng)向主要為東南風(fēng)以及東南偏南風(fēng),最大影響高度約為600～800m.隨著海風(fēng)影響的減弱,陸風(fēng)開展逐漸發(fā)展,陸風(fēng)影響時間每天有所差異,約在 02：00～12：00之間,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北偏東風(fēng),最大影響高度約為500～600m.

圖11為2004年10月13～16日新墾RF廓線變化情況.從圖11可以看出,新墾600m以下低層RF值逐漸減小,高層則相對較大.低層海陸風(fēng)活躍,晝夜風(fēng)向變化顯著,使得RF值相對較小,16日極小值甚至不足 0.2,這與垂直風(fēng)向的變化特征是一致的,極低的RF值意味著海陸風(fēng)顯著的削弱的大氣的有效輸送能力,不利于污染物的輸送擴(kuò)散.

圖12為2004年10月16日的新墾垂直風(fēng)廓線和氣球軌跡.在500m和1000m左右出現(xiàn)的風(fēng)切變將16日的風(fēng)廓線區(qū)分為3層,每層的風(fēng)場結(jié)構(gòu)的日變化特征均不同.500m以下的低層受海陸風(fēng)影響顯著,陸風(fēng)出現(xiàn)在02：00左右,主要為東北偏北風(fēng),風(fēng)速較小;17：00左右,海風(fēng)逐漸開始出現(xiàn),主要為東南偏南風(fēng),風(fēng)速也開始逐漸增大,并且出現(xiàn)一個風(fēng)切變隨時間逐漸增高.圖12(b)中的17：00～23：00的氣球軌跡也同時隨著風(fēng)向的改變而出現(xiàn)彎曲,其他觀測時刻的氣球軌跡則相對平直.

圖11 新墾2004年10月13～17日RF廓線Fig.11 The RF profilesof Xinken during 13～17 October 2004

圖12 新墾2004年10月16日風(fēng)廓線(a)和氣球軌跡(b)Fig.12 The wind profiles (a) and balloon trajectories (b) at Xinken during 16 October 2004

圖13 2004年10月16日番禺與新墾各觀測時刻溫度廓線Fig.13 The temperature profiles of observation times in Panyu and Xinken on 16 October 2004

圖13為2004年10月16日番禺與新墾各觀測時刻的溫度廓線情況.在02：00,新墾的溫度整體比番禺要小 2℃左右;06：00新墾溫度升高,新墾與番禺之間的溫差,陸風(fēng)影響逐漸出現(xiàn); 18：00時,在海風(fēng)的影響下,新墾 300m左右出現(xiàn)了低空逆溫,番禺未受海風(fēng)影響仍為貼地逆溫;隨著海風(fēng)影響逐漸深入內(nèi)陸,20：00時新墾的低空逆溫增高到500m,番禺低空逆溫出現(xiàn)在200m左右;23：00新墾和番禺的低空逆溫高度達(dá)到最大,但是強(qiáng)度顯著減小,隨著海風(fēng)影響的減弱貼地逆溫重新出現(xiàn).

圖14給出的是新墾和番禺2004年10月16日逐時PM2.5濃度,16日是一次非常典型的海陸風(fēng)日.在陸風(fēng)和背景風(fēng)場的共同作用下,番禺和新墾第一個峰值的大小和出現(xiàn)時間都比較接近,但是第二個峰值特征則差別明顯.新墾的 PM2.5濃度在20：00出現(xiàn)短暫的峰值后,PM2.5的濃度就開始逐漸降低,而番禺 PM2.5濃度第二個峰值濃度出現(xiàn) 22：00,而且濃度遠(yuǎn)大于新墾.這是由于隨著海風(fēng)影響的逐漸增強(qiáng),海風(fēng)將污染物從沿海輸送回內(nèi)陸,新墾會出現(xiàn)短時的濃度增加,爾后清潔的海風(fēng)會使得新墾的污染物濃度降低,而海風(fēng)將污染物輸回并停滯在番禺,導(dǎo)致番禺的濃度持續(xù)升高.莊延娟等在珠三角也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[23].

通過以上分析,新墾觀測的海風(fēng)約從16：00開始出現(xiàn),其主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng).隨著海風(fēng)的進(jìn)一步發(fā)展,在20：00達(dá)到最大影響高度,約為600～ 800m.陸風(fēng)的出現(xiàn)時間約在 02：00,其主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng),在08：00陸風(fēng)達(dá)到最大影響高度,約為500～600m.

圖14 新墾和番禺2004年10月16日逐時PM2.5濃度Fig.14 The variation of hourly PM2.5concentration in Panyu station and Xinken station during 16 October 2004

與此同時,還與我國其他沿海地區(qū)海陸風(fēng)特征進(jìn)行了對比(表 2).由于采用的資料不同,所以關(guān)于海陸風(fēng)的起始時間等也存在一定的差異.大部分研究認(rèn)為海風(fēng)結(jié)束時間約在20：00～21：00時,陸風(fēng)結(jié)束時間約為 07：00～09：00時,關(guān)于海陸風(fēng)的發(fā)展高度的研究則相對較少,但是依然可以發(fā)現(xiàn)海風(fēng)主要在1000m以下,海風(fēng)發(fā)展高度要大于陸風(fēng),這些與本研究是頗為一致的.

表2 我國沿海地區(qū)海陸風(fēng)特征Table 2 Features of sea–land breezes in the coastal region of China

3 結(jié)論

3.1 局地環(huán)流指數(shù)是表征局地大氣輸送能力的有效指標(biāo),珠三角沿海與內(nèi)陸局地環(huán)流指數(shù)差異明顯.珠江口沿岸新墾觀測點(diǎn)500m以下RF值與API相關(guān)性較為顯著,RF值小的時候,海陸風(fēng)活

動活躍,風(fēng)場的有效輸送能力較弱,污染日新墾近地層局地RF值主要分布在0.5～0.8之間.非污染日風(fēng)場較為穩(wěn)定,RF值較大,海陸風(fēng)影響較弱,大氣輸送能力較強(qiáng),有利于污染物的擴(kuò)散.

3.2 在海陸風(fēng)日,海陸溫差較大,新墾地面風(fēng)場呈現(xiàn)出明顯的隨時間順時針偏轉(zhuǎn)特征.海風(fēng)約從16：00時開始出現(xiàn),主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng),在20：00達(dá)到最大影響高度約為 600～800m.在海風(fēng)的影響下,夜間氣球軌跡也會出現(xiàn)彎折,溫度廓線會出現(xiàn)低空逆溫.陸風(fēng)約從02：00開始出現(xiàn),其主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng),在 08：00陸風(fēng)達(dá)到最大影響高度約為500～600m.

3.3 新墾觀測點(diǎn)觀測試驗(yàn)期間 47.8%的觀測日觀測到海陸風(fēng),其中 72.7%的海陸風(fēng)日出現(xiàn)在污染日,污染日珠江口出現(xiàn)海陸風(fēng)的頻率較高,海陸風(fēng)對珠三角空氣質(zhì)量有著重要的影響.受海陸風(fēng)影響,夜間海風(fēng)將污染物輸送回內(nèi)陸,番禺逐時PM2.5濃度呈現(xiàn)出明顯的雙峰結(jié)構(gòu),19：00～21：00出現(xiàn)第二個濃度峰值.

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Observation on the characteristics of sea-land breezes and its influence to air quality over Pearl River Delta region during dry season.

WU Meng1,2,3, LUO Yun2,3, WU Dui1,4*, FAN Shao-jia1*(1.School of Atmospheric Science, SunYat-sen University, Guangzhou 510275；2.FoshanMeteorological Bureau, Foshan 528000；3.Tornadoes Research Center of Foshan, Foshan 528000；4.Institute of Atmospheric Environmental Safety and Pollution Control, Jinan University, Guangzhou 510080, China). China Environmental Science, 2016,36(11)：3263～3272

Based on the sounding data obtained from the boundary layer observation experiment over Pearl River Delta (PRD) region during October 2004 and the corresponding hourly PM2.5data, the characteristics of sea-land breezes and its influenceson quality over PRD region were discussed by Recirculation Factor (RF) and other methods. Recirculation factor was a useful tool to represent the atmospheric horizontal transmission capacity.With the influence of the cold air and warm air confront with each other during pollution days, the sea-land breezes occurred frequently as a result of the weak system wind, and air quality index had significant relation with the RF, the RF of 100～400m was about 0.5～0.8. The horizontal transmission capacity of vertical wind field was weak under the influence of sea-land breezes, not conducive to the spread of pollutants. As PRD controlled by cold air overall, the RF of vertical windreach up to 0.9, and sea-land breezes circulation was hard to developing,so the horizontal transmissions capacity was powerful and the pollutants could be spread effectually. Among the observations, the frequency of sea-land breezes was about 47.8% at the coastal station, and the 72.7% of sea-land breezes day was pollution day, the wind directionhad visible change in clockwise over time. The sea breeze occurred in 16：00, and reached the maximum in 20：00 with the influence height was about 600～800m. In the night, sea breeze may transport the pollutants back to inland, and gave rise to a peak value of PM2.5concentration appeared at 19：00 to 21：00 in inland station.

sea-land breezes；recirculation factor；air quality；Pearl River Delta region

X51

A

1000-6923(2016)11-3263-10

吳 蒙(1988-),男,河南光山人,博士,主要從事邊界層氣象學(xué)與污染氣象學(xué)研究.發(fā)表論文10余篇.

2016-03-28

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃大氣專項(xiàng)課題(2016YFC0203305);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41630422,41475004);佛山市氣象局科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(201503,201602).

* 責(zé)任作者, 范紹佳, 教授, eesfsj@mail.sysu.edu.cn; 吳兌, 教授, wudui@grmc.gov.cn