運(yùn)城盆地重污染特征及天氣模型

劉婉莉， 李冬梅， 張倩倩， 賀鈺清

(1.山西省運(yùn)城市氣象局，山西 運(yùn)城 044000； 2.山西省忻州市氣象局，山西 忻州 034000)

引 言

伴隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，污染天氣頻發(fā)，給人們的健康、生活及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等帶來(lái)很大影響。在污染排放源相對(duì)穩(wěn)定的前提下，重污染事件的發(fā)生與天氣形勢(shì)密切相關(guān)[1]，很多專(zhuān)家對(duì)此已開(kāi)展了一系列研究[2-13]。陳朝暉等[14]指出,大尺度天氣型結(jié)構(gòu)的演變對(duì)重污染預(yù)報(bào)有重要意義。蘇福慶[15]、王莉莉[16]等分析了引起北京嚴(yán)重污染的主要影響天氣系統(tǒng)，以及不同天氣形勢(shì)對(duì)污染物濃度的影響。喻謙花等[17]分析了開(kāi)封市空氣重污染日高空和地面天氣形勢(shì)，認(rèn)為高空平直緯向環(huán)流型和地面高壓前部型是開(kāi)封出現(xiàn)重污染的主要天氣形勢(shì)。王瓊等[18]通過(guò)對(duì)河北不同區(qū)域重污染天氣進(jìn)行分析，建立了不同區(qū)域重污染天氣預(yù)報(bào)概念模型。閆世明[19]、李博[20]、李雁宇[21]等分別對(duì)太原、青島和汾渭平原的污染傳輸路徑及潛在源區(qū)進(jìn)行了研究。

近年來(lái)，汾渭平原大氣污染治理備受關(guān)注。運(yùn)城盆地位于山西省西南部，是汾渭平原的核心地區(qū)，海拔低，人口多，其特殊地形不利于污染物擴(kuò)散。污染治理需要區(qū)域間聯(lián)防聯(lián)控[19]，因此，研究運(yùn)城盆地的重污染問(wèn)題對(duì)汾渭平原有重要意義。本文選取汾渭平原重污染區(qū)的山西運(yùn)城市重污染過(guò)程，利用2015-2018年環(huán)境資料進(jìn)行重污染特征分析；用高空、地面觀測(cè)資料及NCEP再分析資料，對(duì)重污染出現(xiàn)的天氣形勢(shì)及大氣層結(jié)進(jìn)行分析，以期提高運(yùn)城重污染天氣預(yù)報(bào)預(yù)警水平，為污染防治決策提供科學(xué)參考。

1 資料及標(biāo)準(zhǔn)

資料年限為2015-2018年。環(huán)境資料來(lái)自中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)歷史資料查詢，氣象資料來(lái)自常規(guī)高空、地面觀測(cè)資料及NCEP1°×1°全球客觀分析資料，秋冬季按氣象標(biāo)準(zhǔn)劃分為每年的9月到次年2月。

環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(表1)[22]:AQI為201-300，空氣質(zhì)量為重度污染；AQI大于300，為嚴(yán)重污染[22]。對(duì)運(yùn)城盆地重污染日進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2015-2018年運(yùn)城共出現(xiàn)重污染日118天，其中≥3天重污染過(guò)程為17次。

表1 空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2 污染物特征

2.1 污染物濃度月變化

2017年、2018年運(yùn)城市主要污染物月均濃度變化如圖1所示， 除O3月均濃度呈現(xiàn)中間高兩頭低外，PM2.5、PM10、SO2、 CO、NO25項(xiàng)污染物月均濃度均呈現(xiàn)“兩頭高、中間低”，即采暖期污染物濃度高于非采暖期濃度的變化特征。從 2017年、2018 年全年情況來(lái)看，運(yùn)城市2018年SO2、CO和NO2月均濃度與 2017年的相比，均有明顯下降，2018年2月和12月PM2.5和PM10濃度比2017年同期的下降，12月的下降明顯。

圖1 2017-2018年運(yùn)城市主要污染物濃度月際變化(a)PM2.5，(b)PM10，(c)SO2，(d)CO，(e)NO2，(f)O3

2.2 治理前后主要污染物年變化及污染天數(shù)變化

2015-2016年運(yùn)城市重污染問(wèn)題嚴(yán)重， 2018年運(yùn)城污染治理措施和力度加大。為了解污染治理措施成效，選取2017、2018年的主要污染物濃度年變化進(jìn)行分析(表2)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2018年P(guān)M2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3較2017年的污染物濃度均有所降低。其中，SO2年均濃度下降最多，較2017年的下降43.1%；其次為CO，年均濃度為1.3 mg/m3,較2017年的下降了27.8%；NO2年均濃度為 30.2 μg/m3,較2017年的下降了13.2%；PM2.5和PM10均值濃度較2017年的分別下降了10.6%和3.5%；O3年均濃度下降最少，較2017年的下降了2.3%。2018年SO2年均濃度明顯下降，說(shuō)明城市燃煤治理成效顯著；2018年CO、PM2.5均值較2017年的下降明顯，說(shuō)明運(yùn)城市污染治理措施效果明顯，PM10年均濃度小幅下降，揚(yáng)塵治理還需加強(qiáng)，O3濃度主要發(fā)生在夏季，和秋冬季污染治理關(guān)系不大。

表2 2017-2018年運(yùn)城市主要污染物濃度年均值變化 μg/m3(CO為mg/m3)

根據(jù)AQI指數(shù)及空氣污染標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)2017-2018年運(yùn)城市污染天數(shù)進(jìn)行了分析(表3)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2018年運(yùn)城市出現(xiàn)重度污染和嚴(yán)重污染18 天，與2017年(35天)的相比，減少了48.6%；中度污染天數(shù)較2017年的減少了7 天；輕度污染天數(shù)較2017年的減少了14天，優(yōu)良天數(shù)增加了24.1%(38 天)。分析發(fā)現(xiàn)，2017年和2018年氣象條件相似，2018年的重度污染和嚴(yán)重污染天數(shù)顯著減少，優(yōu)良天數(shù)明顯增加，說(shuō)明運(yùn)城市在大氣治理方面成效顯著。

表3 2017-2018年運(yùn)城市污染日數(shù)變化

2.3 秋冬季重污染天氣特征

2.3.1 秋冬季重污染天氣主要污染物變化特征

對(duì)2015-2018年秋冬季重污染天氣主要污染物濃度年際變化進(jìn)行分析(表4)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2015-2018年秋冬季重污染天氣SO2、CO和NO2濃度呈逐年下降趨勢(shì)。其中，2018年秋冬季SO2平均濃度為 42.4 μg/m3,較 2017年的下降了64.5%,下降最為明顯；CO平均濃度為 3.0 mg/m3,較2017年的下降了16.7%；NO2平均濃度為 60.4 μg/m3,較2017年的下降了5.5%。PM2.5、PM10濃度在2015-2017年秋冬季重污染天氣均呈逐年下降趨勢(shì)，但在2018年秋冬季有小幅反彈，2018年秋冬季重污染天PM2.5均值濃度為199.9 μg/m3，較2017年的上升了5.3%，PM10均值濃度為294.6 μg/m3，較2017年的上升了4.6%。

表4 2015-2018年秋冬季運(yùn)城市重污染天氣主要污染物濃度年際變化 μg/m3(CO為mg/m3)

上述分析可以看出，2015-2018年秋冬季重污染天氣SO2、CO和NO2濃度呈逐年下降趨勢(shì)，2018年秋冬季重污染天氣SO2濃度下降最為明顯，PM2.5、PM10濃度在2015-2017年秋冬季重污染天氣呈逐年下降趨勢(shì)，但在2018年秋冬季有小幅反彈，這可能和2018年秋冬季(2018年9月-2019年2月)降水天數(shù)(25天)比2017年秋冬季的偏少10天有關(guān)。

2.3.2 秋冬季重污染日變化特征

2015-2018年運(yùn)城秋冬季各月平均重污染天數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可看出，運(yùn)城重污染天數(shù)主要集中在11月到次年2月。其中，次年1月的最多，平均為10.8天；12月的次之，為9.0天；11月的最少，平均為3.8天；次年2月的介于12月和11月的，為6.0天。分析歷年秋冬季重污染變化情況(表6)發(fā)現(xiàn)，2016年秋冬季重污染天數(shù)最多，為40天；2015年秋冬季的次多，為36天；2017年秋冬季和2018年秋冬季的最少，為21天，較2016年秋冬季重污染天數(shù)減少19天，也進(jìn)一步說(shuō)明污染治理卓有成效。

表5 2015-2018年秋冬季運(yùn)城市月平均重污染天數(shù)

表6 2015-2018秋冬季運(yùn)城市重污染天數(shù)(AQI>200)

3 重污染天氣環(huán)流特征及模型

3.1 重污染過(guò)程及天氣形勢(shì)

按照空氣污染標(biāo)準(zhǔn)，某一日AQI>200 μg/m3為一個(gè)重污染日。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，2015-2018年秋冬季運(yùn)城出現(xiàn)重污染日118天，其中≥3天重污染過(guò)程一共有17次。對(duì)重污染日的天氣形勢(shì)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表7。參考山西省天氣預(yù)報(bào)手冊(cè)[13]，根據(jù)重污染日500 hPa環(huán)流形勢(shì)，將重污染過(guò)程的天氣形勢(shì)分為三類(lèi)：寬廣低值型(64%)，兩槽一脊型(23%)，槽前西南氣流型(13%)。

表7 2015-2018年秋冬季運(yùn)城市≥3天重污染過(guò)程天氣形勢(shì)統(tǒng)計(jì)

500 hPa高度場(chǎng)上，寬廣低值型：中高緯度地區(qū)平直偏西氣流，天氣背景穩(wěn)定；兩槽一脊型：烏拉爾山脈和東亞?wèn)|部地區(qū)為槽區(qū)，貝加爾湖地區(qū)高壓脊北伸形成阻高，阻擋極地冷空氣南下，脊前西北氣流影響運(yùn)城；槽前西南氣流型：高原到河套有短波槽東移，運(yùn)城處于槽前西南氣流中，以陰雨天氣為主。

地面氣壓場(chǎng)反映冷空氣強(qiáng)弱及移動(dòng)路徑。重污染天氣發(fā)生時(shí)，地面形勢(shì)劃分為三類(lèi)(圖2)：高壓前底部型、均壓場(chǎng)型和高壓底后部型。其中，高壓前底部型最多，占71%；均壓場(chǎng)型次多，占25%；高壓底后部型最少，占4%。

高壓前底部型(圖2a)：地面冷高壓中心一般位于92°-105°E、45°-50°N，高壓前不斷有冷空氣擴(kuò)散南下，運(yùn)城處于高壓前底部，風(fēng)速≤4 m/s，天空以晴為主。隨著小股冷空氣南下，上游污染物不斷輸送至運(yùn)城盆地，形成重污染。均壓場(chǎng)型(圖2b)：均壓場(chǎng)影響下，運(yùn)城地面風(fēng)速小，水汽和污染物在水平方向擴(kuò)散能力差，導(dǎo)致本地污染物不斷積聚，加之盆地特殊地形的作用，運(yùn)城易出現(xiàn)重污染天氣。高壓底后部型(圖2c)：華北平原地面氣壓場(chǎng)為“西南低東北高”，河套倒槽伸展至50°N附近，東北地區(qū)為冷高壓控制，冷空氣從東路自北向南壓，形成地面回流，運(yùn)城受高壓底后部偏東氣流影響，濕度增加，重污染出現(xiàn)在陰雨天前。

圖2 地面氣壓場(chǎng)(a)高壓前底部型(2016年1月3日20時(shí))，(b)均壓場(chǎng)型(2016年12月2日14時(shí))，(c)高壓底后部型(2017年1月5日14時(shí))；實(shí)心圓點(diǎn)為運(yùn)城

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高空為兩槽一脊、地面氣壓場(chǎng)維持高壓前底部型時(shí)，或高空為寬廣低值型、地面為高壓前底部型、均壓場(chǎng)時(shí)，運(yùn)城容易出現(xiàn)持續(xù)性重污染天氣。

3.2 重污染天氣模型

根據(jù)500 hPa環(huán)流形勢(shì)，將運(yùn)城重污染天氣模型分為寬廣低值型、兩槽一脊型、槽前西南氣流型。其中，寬廣低值型為運(yùn)城盆地出現(xiàn)重污染天氣的主要環(huán)流形勢(shì)，與喻謙花等[17]研究的開(kāi)封重污染日500 hPa平直緯向環(huán)流型出現(xiàn)頻率最高的結(jié)論一致。

3.2.1 寬廣低值型

500 hPa高度場(chǎng)上(圖3a)，緯向環(huán)流影響中高緯度地區(qū)時(shí)，河套地區(qū)一般為平直偏西氣流，天氣背景穩(wěn)定，對(duì)大氣污染擴(kuò)散不利；700 hPa運(yùn)城處于槽前西南氣流(圖3b)，利于汾渭平原西南部污染顆粒及水汽輸送，易造成運(yùn)城重污染； 850 hPa為平直偏西氣流，河套暖脊明顯(圖略)；相應(yīng)地面氣壓場(chǎng)一般為高壓前底部型(圖3c)、均壓場(chǎng)型。探空?qǐng)D上，850 hPa(圖3d)以下有低空逆溫層維持，穩(wěn)定的大氣層結(jié)對(duì)污染物顆粒擴(kuò)散不利。此形勢(shì)下無(wú)明顯冷空氣影響，容易出現(xiàn)持續(xù)性重污染天氣。

圖3 模型一：寬廣低值型(2016年1月1日08時(shí))(a)500 hPa高度場(chǎng)，(b)700 hPa高度場(chǎng)，(c)地面氣壓場(chǎng)，(d)西安探空；實(shí)心圓點(diǎn)為運(yùn)城

3.2.2 兩槽一脊型

500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上(圖4a)，中高緯地區(qū)為兩槽一脊型時(shí)，烏拉爾山脈和東亞?wèn)|部地區(qū)為槽區(qū)，貝加爾湖地區(qū)為高壓脊，且高壓脊伸至70°N 附近，形成阻高，極地冷空氣無(wú)法南下；運(yùn)城處在脊前西北氣流控制之下，等高線與等溫線接近平行，沒(méi)有明顯的冷平流，近地面污染物不易擴(kuò)散；在700 hPa(圖4b)和850 hPa(圖略)圖上運(yùn)城處于弱脊前西北氣流，850 hPa 溫度場(chǎng)，高原東部到河套地區(qū)受暖脊控制；對(duì)應(yīng)地面圖上(圖4c)一般為高壓前底部型或均壓場(chǎng)型,等壓線稀疏。探空?qǐng)D上(圖4d)，925 hPa附近存在逆溫層，由于大氣層結(jié)穩(wěn)定，對(duì)空氣污染物擴(kuò)散不利，易引發(fā)重污染天氣。此型下的阻塞形勢(shì)不利于引導(dǎo)冷空氣南下至山西南部，當(dāng)?shù)孛媾浜细邏呵暗撞啃汀⒕鶋簣?chǎng)型時(shí)，運(yùn)城容易出現(xiàn)≥3天的持續(xù)重污染天氣。因此阻塞形勢(shì)是預(yù)報(bào)秋冬季持續(xù)性重污染天氣的重要指標(biāo)。

圖4 模型二：兩槽一脊型(2015年12月30日08時(shí))(a)500 hPa高度場(chǎng)，(b)700 hPa高度場(chǎng)，(c)地面氣壓場(chǎng)，(d)西安探空；實(shí)心圓點(diǎn)為運(yùn)城

3.2.3 槽前西南氣流型

500 hPa(圖5a)高緯度環(huán)流平直，高原到河套有短波槽東移，運(yùn)城處于槽前西南氣流中；700 hPa(圖5b)運(yùn)城受西南槽前偏南氣流控制，850 hPa(圖略)受一致偏東氣流影響，對(duì)水汽輸送有利，溫度場(chǎng)上，河套地區(qū)受暖脊控制，此型天空狀況以陰雨天氣為主。地面圖上(圖5c)一般為高壓底后部型、倒槽型。探空?qǐng)D上(圖5d)700 hPa以下有逆溫和明顯“上干下濕”的層結(jié)特征，這種“干暖蓋”嚴(yán)重阻礙著空氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，使近地層的污染物垂直擴(kuò)散能力變?nèi)酰瑥亩鴮?dǎo)致污染加重[23]。此型個(gè)例較少，重污染一般出現(xiàn)在陰雨天前。

圖5 模型三：槽前西南氣流型(2017年1月5日20時(shí))(a)500 hPa高度場(chǎng)，(b)700 hPa高度場(chǎng)，(c)地面氣壓場(chǎng),(d)西安探空；實(shí)心圓點(diǎn)為運(yùn)城

上述分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)城秋冬季出現(xiàn)持續(xù)重污染天氣的3種模型中，探空?qǐng)D上，中低層都存在逆溫層, 低層溫度層結(jié)的分布決定大氣靜力穩(wěn)定度，逆溫層的強(qiáng)度、厚度和層數(shù)對(duì)污染物擴(kuò)散都有影響[24]，逆溫層能抑制大氣垂直運(yùn)動(dòng)，對(duì)污染物垂直方向的擴(kuò)散不利，因此中低層逆溫有利于重污染天氣的形成。

4 結(jié) 論

本文利用2015-2018年環(huán)境和氣象資料對(duì)運(yùn)城污染天氣特征及天氣形勢(shì)進(jìn)行分析,得到了如下結(jié)論:

(1)2017年、2018年運(yùn)城市主要污染物(PM2.5、PM10、SO2、 CO)月均濃度均呈現(xiàn)“兩頭高、中間低”的分布,即采暖期污染物濃度高于非采暖期的變化特征。2018年SO2和CO月均濃度與2017年的相比均有明顯下降;2018年運(yùn)城市重度污染和嚴(yán)重污染天數(shù)(18天)較2017年的減少了17天。

(2)運(yùn)城重污染天數(shù)多發(fā)于11月到次年2月，1月的最多(10.8天)，其次為12月的(9.0天)。2017年和2018年秋冬季重污染天數(shù)均為21天，較2016年秋冬季的明顯減少(19天)。2015-2018年秋冬季重污染日SO2、CO和NO2濃度逐年下降，2018年SO2平均濃度較2017年的顯著下降(64.5%)。

(3)根據(jù)運(yùn)城重污染天氣的環(huán)流特征,將500 hPa天氣形勢(shì)分為寬廣低值型(64%)、兩槽一脊型(23%)和槽前西南氣流型(13%)；地面氣壓場(chǎng)分為高壓前底部型、均壓場(chǎng)型、高壓底后部型，重污染天氣時(shí)高壓前底部型出現(xiàn)次數(shù)最多(71%)。依據(jù)500 hPa環(huán)流形勢(shì)，建立了運(yùn)城重污染天氣模型，為運(yùn)城重污染天氣預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

(4)中低層存在逆溫層，逆溫層能抑制大氣垂直運(yùn)動(dòng)，對(duì)污染物垂直方向的擴(kuò)散不利，導(dǎo)致污染物在近地層聚集，因此中低層逆溫有利于秋冬季運(yùn)城重污染天氣的形成。