偏東小風(fēng)在武漢市秋冬季重污染形成過程中的作用

鄭翔 覃軍 梁勝文

摘要綜合運(yùn)用了多元資料（環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測資料、地面氣象觀測資料、L波段雷達(dá)探空資料、風(fēng)廓線雷達(dá)探空資料和再分析資料）和多種方法（后向軌跡追蹤、聚類分析、潛在源區(qū)貢獻(xiàn)法和數(shù)值模擬），研究了武漢地區(qū)特殊氣象條件對重污染過程的影響，揭示了偏東小風(fēng)所帶來的外源污染物對形成嚴(yán)重污染日的貢獻(xiàn).主要研究結(jié)論如下：1）后向軌跡追蹤分析表明，武漢地區(qū)嚴(yán)重污染日氣流主要為來自安徽南部（47.5%）的偏東小風(fēng)，模擬結(jié)果也顯示偏東氣流、偏北氣流與局地環(huán)流共同作用，在武漢地區(qū)形成一個(gè)局地渦旋，成為反復(fù)污染帶，加重了武漢地區(qū)的污染程度；2）利用潛在源區(qū)貢獻(xiàn)法（PSCF）分析發(fā)現(xiàn)，武漢市秋冬季的潛在源區(qū)主要是安徽、江蘇、山東、河南、湖南、江西以及武漢周邊地區(qū)，因此在冬季大范圍污染背景下，跨區(qū)域的聯(lián)防聯(lián)控（尤其是安徽南部地區(qū)）才能有效地減少武漢市秋冬季的重污染日.關(guān)鍵詞偏東小風(fēng)；秋冬季節(jié)；外源污染；重污染過程；PM2.5

中圖分類號P44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0引言

隨著城市的快速工業(yè)化和擴(kuò)大化，大氣污染已經(jīng)成為我國各個(gè)城市中較為突出的問題之一[13]，特別是在秋冬季，大氣污染事件更為頻繁[45].大氣污染會降低能見度，也會損害公共安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康，甚至影響全球的氣候變化[6].20世紀(jì)80年代以來，歐美國家實(shí)施了嚴(yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，大氣重污染得到了較好的控制[7].為了改善大氣污染狀況，2018年6月27日國務(wù)院提出了《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計(jì)劃》，計(jì)劃指出到2020年，PM2.5未達(dá)標(biāo)地級及以上城市濃度比2015年下降18%以上，地級及以上城市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比率達(dá)到80%，重度及以上污染天數(shù)比率比2015年下降25%以上.2013年12月2日，武漢市政府常務(wù)會原則通過了《武漢市改善空氣質(zhì)量行動計(jì)劃》.該計(jì)劃明確提出了改善武漢市空氣質(zhì)量的階段性目標(biāo)和工作任務(wù)：力爭在2022年，基本消除重污染天氣.

近年來，武漢市環(huán)境空氣質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢，2013年年初和秋冬季節(jié)尤為突出，嚴(yán)重污染事件較2012年顯著增加.武漢市環(huán)保局公布的數(shù)據(jù)顯示，按照新的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)，2013年武漢空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)為160d，優(yōu)良率僅為438%.其中，重度以上污染天數(shù)有63d，占173%.6項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)中，PM2.5、PM10和二氧化氮等3項(xiàng)不達(dá)標(biāo).武漢市環(huán)保局發(fā)布的《2013年武漢市空氣環(huán)境質(zhì)量通報(bào)》稱，2013年武漢PM2.5超標(biāo)天數(shù)為177d，超標(biāo)率485%.武漢已是我國大氣污染最嚴(yán)重的城市之一，如何改善城市空氣質(zhì)量，引起了民眾和政府的極大關(guān)注，已經(jīng)成為武漢市政府亟需解決的問題.

武漢市人口約為1091萬，是中國中部的特大城市，是中部地區(qū)重要的政治經(jīng)濟(jì)和文化中心.武漢位于中國中部的鄂東北大別山和鄂東南幕阜山之間，鄂東北大別山為海拔1000m以下的低山丘陵，地勢東南高西北低，鄂東南幕阜山、九宮山為平均海拔1000m左右東西走向的褶皺山地，主峰幕阜山海拔1596m.武漢市全年及冬季（12月至次年2月）主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE和NE，冬季的主導(dǎo)風(fēng)向頻率為16%，靜風(fēng)頻率為111%.三面環(huán)山的特殊地形，極易造成武漢市局地流場自身的特點(diǎn).

空氣污染主要和天氣形勢及邊界層擴(kuò)散條件有關(guān)[815].Zhao等[16]

在分析華北平原冬季一次霧霾天氣時(shí)，認(rèn)為本地及外來排放源、特殊的地形條件和靜穩(wěn)的天氣背景是造成污染天氣的重要原因.唐子珺等[17]在分析武漢市秋冬季一次重污染過程時(shí)也指出在背景環(huán)流場強(qiáng)的時(shí)候局地流場作用比較弱，而在背景環(huán)流場弱的時(shí)候，局地流場的作用就比較強(qiáng)，此時(shí)在武漢地區(qū)容易生成氣流渦旋，形成一個(gè)“反復(fù)污染帶”，加重武漢地區(qū)的污染.程念亮等[18]分析了2014年10月北京4次重污染過程后發(fā)現(xiàn)，這4次過程均發(fā)生在大氣層結(jié)穩(wěn)定、逆溫層明顯、風(fēng)速小、濕度大、不利于空氣污染物擴(kuò)散的氣象條件中.郭淳薇等[19]在研究北京地區(qū)近35a大氣污染擴(kuò)散條件變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，近35a大氣自身的容納能力呈現(xiàn)一個(gè)平緩的下降趨勢，垂直擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，這也是導(dǎo)致北京空氣質(zhì)量變差的一個(gè)重要原因.李令軍等[20]在研究2013—2014年北京大氣重污染特征時(shí)指出重污染氣象要素特征主要表現(xiàn)為風(fēng)速小、濕度大、能見度低.孫燕等[21]在研究2013年8月亞青會期間南京輕度污染氣象條件時(shí)指出氣溫異常偏高、降水量偏少、日照偏多的天氣形勢有利于空氣污染出現(xiàn)，污染期間能見度與相對濕度呈反比，并與風(fēng)速正相關(guān)，且逆溫層的出現(xiàn)使得低空大氣垂直運(yùn)動受限制，污染物被阻滯，說明氣象條件對此次空氣輕度污染出現(xiàn)有重要影響.

本地源排放和污染物的跨界輸送問題也是導(dǎo)致空氣污染的一個(gè)重要因素[2226].許多學(xué)者利用Hysplit模型或空氣質(zhì)量模式研究了外源輸送對相關(guān)城市污染過程的作用[2730].符傳博等[31]在分析2014年?？谑写髿馕廴疚镅葑兲卣骷暗湫臀廴緜€(gè)例時(shí)指出，1月海口市比率最大（39%）的氣流主要經(jīng)過大氣污染相對嚴(yán)重的珠三角地區(qū)，有利于污染物的區(qū)域傳輸，且污染個(gè)例分析表明外源輸送與海口市的這次大氣污染事件有直接關(guān)系.王繼康等[32]利用常規(guī)氣象數(shù)據(jù)和空氣質(zhì)量模式CAMx對2016年1月15—19日一次冷空氣影響下鄭州、武漢、南京的大氣污染物傳輸過程進(jìn)行了分析，模式PM2.5來源示蹤模擬結(jié)果表明，武漢（17日夜間至18日）和南京（17日夜間）在本次污染物快速增長過程中區(qū)域污染物輸入的貢獻(xiàn)分別在51%和58%左右.余光明等[33]在研究安慶大氣顆粒物污染外來輸送軌跡及源區(qū)時(shí)指出冬、春和秋季安慶地區(qū)受到海洋性氣團(tuán)和大陸性氣團(tuán)共同影響，且以偏西和西北路徑的大陸性氣團(tuán)影響最為明顯，受沙塵或人為排放因素的影響.盧苗苗等[34]利用耦合了污染源在線追蹤模塊的化學(xué)傳輸模式NAQPMS（NestedAirQualityPredictionModelSystem）模擬了2014年武漢市1、4、7、10月PM2.5濃度時(shí)空分布特征，指出冬季污染最嚴(yán)重，武漢市本地排放源貢獻(xiàn)在1月最低（341%），外來源貢獻(xiàn)對長期灰霾的形成起決定性作用，并且污染氣團(tuán)跨界輸送對武漢不同季節(jié)PM2.5濃度有重要貢獻(xiàn).

本文將綜合運(yùn)用多元資料（環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測資料、地面氣象觀測資料、L波段雷達(dá)探空資料、風(fēng)廓線雷達(dá)探空資料和再分析資料）和多種方法（統(tǒng)計(jì)和數(shù)值模擬），研究武漢地區(qū)特殊氣象條件對重污染過程的影響，揭示偏東小風(fēng)所帶來的外源污染物對形成嚴(yán)重污染日的貢獻(xiàn).

1資料與方法

11資料

111環(huán)境空氣質(zhì)量資料

逐日環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）由武漢市環(huán)保局提供，它是由6種污染物（SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5）的濃度觀測資料構(gòu)建的定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)（《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》，HJ633—2012）.武漢市環(huán)保局在武漢城區(qū)共有9個(gè)“國控點(diǎn)”環(huán)境監(jiān)測站，武漢市逐日AQI值由這9個(gè)站平均的6種污染物濃度觀測結(jié)果計(jì)算得出（http：∥www.whepb.gov.cn/hbKqjcbg/index.jhtml）.

112探空資料

L波段二次測風(fēng)雷達(dá)探空資料（以下簡稱L波段雷達(dá)資料）由武漢市氣象局提供.L波段雷達(dá)資料的觀測時(shí)間為2012年11月1日至2015年2月28日，每日02、07和19時(shí)（均為北京時(shí)間），垂直分辨率取為10m.由于02時(shí)沒有風(fēng)向風(fēng)速觀測，且一般而言一天中07時(shí)與19時(shí)邊界層結(jié)構(gòu)沒有明顯差異，因此本文只選用07時(shí)的觀測資料來研究當(dāng)日的邊界層結(jié)構(gòu).探空資料經(jīng)武漢市氣象局進(jìn)行質(zhì)量控制后使用，因此是可信的.

113PM2.5濃度資料

PM2.5逐日濃度資料由武漢市環(huán)保局提供，因?yàn)槲錆h市環(huán)保局自2012年12月27日開始PM2.5常規(guī)監(jiān)測和發(fā)布，所以PM2.5資料的時(shí)間段為2013年1月1日至2016年2月28日.

114再分析資料

采用美國國家海洋大氣研究中心（NOAA）空氣資源實(shí)驗(yàn)室HYSPLIT4單粒子軌跡模式提供的氣團(tuán)移動過程中的軌跡數(shù)據(jù)，空間精度為1°×1°，時(shí)間段選取為2012—2016年秋冬季（11月至次年2月）.

115地面站點(diǎn)氣象觀測資料

由武漢市氣象局提供的2012—2014年武漢市逐日地面站點(diǎn)氣象觀測資料，包括每日4次（2、8、14、20時(shí)）的總云量、低云量、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度和相對濕度.

116風(fēng)廓線雷達(dá)資料

由武漢市氣象局提供的2013年11月逐日風(fēng)廓線雷達(dá)資料.

117模式資料

初始場和邊界條件的數(shù)據(jù)為全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（GDAS）的FNL數(shù)據(jù)，水平分辨率為1°×1°，每6h一次，即每日的0、6、12、18時(shí)（世界時(shí)）.

12方法

121嚴(yán)重污染日

2013年1月—2015年2月的秋冬季月份（即當(dāng)年11月—次年2月），重度以上污染日（AQI≥200）出現(xiàn)天數(shù)為91d，嚴(yán)重污染日（AQI≥300）出現(xiàn)天數(shù)為20d.本文選取影響和危害更大的嚴(yán)重污染日來研究邊界層氣象要素垂直變化特征.本文選取2013年1月至2015年2月共20個(gè)嚴(yán)重污染日，利用探空資料分別就污染日、空氣質(zhì)量優(yōu)良日和一次污染過程中的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度等氣象要素隨高度的變化規(guī)律進(jìn)行分析，揭示武漢市嚴(yán)重污染日和空氣質(zhì)量優(yōu)良日的邊界層結(jié)構(gòu)的差異.

122潛在源區(qū)貢獻(xiàn)法（PSCF）

在進(jìn)行氣團(tuán)軌跡模擬及聚類、PSCF分析時(shí)，使用到了TrajStat軟件[35].PSCF（PotentialSourceContributionFunction）方法即潛在源區(qū)貢獻(xiàn)法，可結(jié)合氣團(tuán)軌跡即污染物閾值給出可能的排放源位置，從而用于污染物源地統(tǒng)計(jì)[36].PSCF表征經(jīng)過某一區(qū)域的氣團(tuán)到達(dá)觀測點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的要素值超過設(shè)定閾值的條件概率.本文根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095—2012），按二級標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)，設(shè)定當(dāng)PM2.5質(zhì)量濃度>75μg/m3時(shí)，該軌跡為污染軌跡.取50～140°E、20～70°N的區(qū)域作為研究范圍，將其劃分為05°×05°的網(wǎng)格.經(jīng)過網(wǎng)格（i，j）的重污染軌跡數(shù)為mij，總軌跡數(shù)為nij，PSCF表達(dá)式如式（1）所示.為避免nij較小的網(wǎng)格出現(xiàn)高PSCFij，經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)權(quán)重函數(shù)W（nij）對其進(jìn)行降誤差處理[37]，表達(dá)式如式（2）所示.其中nave為網(wǎng)格的平均軌跡端點(diǎn)數(shù).

PSCFij=mijnij·W（nij），（1）

W（nij）=1.00，3nave0.70，1.5nave

22嚴(yán)重污染日的邊界層結(jié)構(gòu)分析

利用武漢市環(huán)保局提供的2013年1月—2015年2月逐日的AQI資料，選取秋冬季節(jié)的嚴(yán)重污染日共20d（平均AQI為335.2，首要污染物均為PM2.5），研究了逐日7時(shí)的L波段探空雷達(dá)資料，統(tǒng)計(jì)分析了風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度等氣象要素隨高度的變化規(guī)律.結(jié)果表明：在嚴(yán)重污染日，邊界層大氣有“暖干”的特征，大氣邊界層內(nèi)一般有接地逆溫存在.地面相對濕度較大，平均為93%，然而邊界層內(nèi)相對濕度隨高度迅速減小，0～1000m大氣層平均相對濕度減小至38%，在1100m以上高度相對濕度穩(wěn)定在38%左右；近地面以小風(fēng)為主，平均風(fēng)速為12m/s，從地面至200m高度風(fēng)速迅速增大，在200～1800m高度風(fēng)速平均為4～5m/s，之后風(fēng)速隨高度大約呈45°的斜率增加；在500m以下的邊界層內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向是偏東風(fēng)，在500m以上高度風(fēng)向不穩(wěn)定（圖1）.從20個(gè)嚴(yán)重污染日的平均廓線圖可以看出，嚴(yán)重污染日邊界層內(nèi)存在明顯的偏東小風(fēng)，下面將對這20個(gè)嚴(yán)重污染日的72h后向軌跡進(jìn)行聚類分析，來進(jìn)一步驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論.

23后向軌跡分析

以武漢市（114.13°E，30.62°N）作為受體點(diǎn)，以受體點(diǎn)500m高度處氣流作為研究高度，因?yàn)?00m的風(fēng)場既可以反映近地層的氣團(tuán)輸送特征，又可以減少地表摩擦對氣團(tuán)的影響.分別對武漢市所選取的20個(gè)嚴(yán)重污染日每天0、6、12、18時(shí)（世界時(shí)）4個(gè)時(shí)刻進(jìn)行后向軌跡模擬計(jì)算，每條軌跡模擬時(shí)長為72h，時(shí)間分辨率為1h，并進(jìn)行了聚類，聚類結(jié)果如圖2所示.

結(jié)果表明，秋冬季嚴(yán)重污染日后向軌跡均是外地軌跡，且影響武漢市的主要輸送路徑共4條：2條偏東路徑、1條東北路徑以及1條偏北路徑.其中偏東輸送路徑為主占了62.5%，其次是偏北風(fēng)路徑（37.5%）.占比達(dá)47.5%的偏東小風(fēng)路徑主要經(jīng)過安徽的西部地區(qū)，這個(gè)地區(qū)的污染物排放量大，在偏東小風(fēng)的傳輸作用下，污染物被傳輸?shù)轿錆h，加之這條軌跡很短，說明氣團(tuán)移動很慢（即小風(fēng)）.此外武漢市三面環(huán)山，污染物到達(dá)后不易被清除，易于在武漢堆積，在這種情況下武漢市很容易形成嚴(yán)重污染日天氣.另一條占比15%的偏東路徑雖然是從黃海上過來的清潔氣團(tuán)，不過它也經(jīng)過了江蘇中東部沿海地區(qū)和安徽中部地區(qū)，這些地區(qū)的污染排放都很大，因此這條路徑對武漢市空氣質(zhì)量也有很大的影響.綜上可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過安徽和江蘇的偏東輸送路徑對武漢市重污染天氣的形成具有重要影響.

為了進(jìn)一步探討偏東風(fēng)對武漢市嚴(yán)重污染日天氣的影響，挑選了2013—2016年秋冬季的102個(gè)重度污染日（AQI>200），并且分別對這102個(gè)重度污染日每天0、6、12、18時(shí)（世界時(shí)）4個(gè)時(shí)刻進(jìn)行了后向軌跡模擬計(jì)算，每條軌跡模擬時(shí)長為72h，時(shí)間分辨率為1h，并對這408條軌跡進(jìn)行了聚類分析.聚類結(jié)果如圖3所示.

可以發(fā)現(xiàn)，重度污染日的后向軌跡主要為外地軌跡（98.74%），本地軌跡僅占126%.主要輸送路徑共4條：2條東北路徑、1條偏北路徑以及1條偏西路徑.其中東北輸送路徑為主占了9722%.和圖2對比可以發(fā)現(xiàn)，圖3的聚類結(jié)果就像是圖2的聚類結(jié)果逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°左右的結(jié)果，偏東風(fēng)都不見了，主要是東北輸送路徑經(jīng)過山東偏西部、安徽西北部和河南南部地區(qū)從而對武漢市空氣質(zhì)量造成影響.結(jié)合圖2可以分析得出偏東風(fēng)相較于偏北風(fēng)對武漢市嚴(yán)重污染日的形成有著更為關(guān)鍵的作用.

24潛在源區(qū)分析

由于軌跡聚類方法只能確定氣團(tuán)的來向和移動的快慢，對其可能來自的“潛在污染源區(qū)”無法準(zhǔn)確定位，而軌跡氣團(tuán)統(tǒng)計(jì)方法可以很好地解決這個(gè)問題，因此這一節(jié)將利用其中的PSCF方法來確定潛在污染源的可能區(qū)域.

圖4為武漢市2013—2016年秋冬季PM2.5PSCF值分布，可以看出武漢秋冬季PM2.5PSCF值分布呈現(xiàn)出區(qū)域廣且強(qiáng)度大的特點(diǎn).高PSCF值主要分布在安徽、江蘇、山東、河南、湖南、江西以及武漢周邊地級市，這些地方的值均在0.7以上.安徽南北部、江西西北部、湖南東北部、湖北中部、河南北部、山東西部以及江蘇的西北部，這些地區(qū)的PSCF值最高，均在0.8以上.結(jié)合重度污染日軌跡聚類分析可知，占比9722%的東北路徑經(jīng)過了山東西部、江蘇西北部和安徽北部這3個(gè)高PSCF值地區(qū)，加之氣團(tuán)移動速度慢、停留時(shí)間長，因此該氣團(tuán)會加劇武漢市PM2.5污染，但占比最多、移動速度最慢、停留時(shí)間最長的東北路徑（7121%）沒有經(jīng)過PSCF值最高的地區(qū)，因此可能對武漢市PM2.5污染影響有限，未造成空氣質(zhì)量到嚴(yán)重污染等級.結(jié)合嚴(yán)重污染日軌跡聚類分析可知，占比625%的偏東輸送路徑主要經(jīng)過了江蘇中部和安徽南部這些高PSCF值地區(qū)，而占比3625%的偏北路徑主要經(jīng)過了河南北部和安徽北部地區(qū)這些高PSCF值地區(qū).其中占比最多、移動速度最慢、停留時(shí)間最長的的東輸送路徑（475%）由于經(jīng)過最高PSCF值區(qū)域（安徽南部），所以此輸送路徑帶來的污染物量大且在輸送途中擴(kuò)散也少，因此對武漢市PM2.5污染有重大影響，導(dǎo)致武漢市空氣質(zhì)量達(dá)到嚴(yán)重污染的等級.綜上可以發(fā)現(xiàn)偏東風(fēng)對武漢市秋冬季嚴(yán)重污染日的形成有著很重要的影響.

25污染過程個(gè)例分析

武漢市2013—2015年秋冬季嚴(yán)重大氣污染過程頻發(fā)，并呈現(xiàn)污染物濃度高、持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn).為了進(jìn)一步探討偏東風(fēng)對武漢市秋冬季嚴(yán)重污染日形成的作用，本小節(jié)將做一次個(gè)例分析來驗(yàn)證.這里將利用一次典型的持續(xù)污染過程的逐日AQI資料、L波段雷達(dá)探空資料、風(fēng)廓線雷達(dá)探空資料以及再分析資料，重點(diǎn)研究偏東風(fēng)對武漢市秋冬季嚴(yán)重污染日形成的作用.

圖5是2013年11月10日至2013年11月28日共19d的逐日AQI指數(shù)，11月22、23日的AQI超過300，屬嚴(yán)重污染天氣.圖6是這次嚴(yán)重污染過程21—24日7時(shí)的L波段雷達(dá)探空曲線.

11月10日低空沒有明顯的逆溫出現(xiàn)，500m高度處有11m/s左右的偏北風(fēng)，大氣擴(kuò)散條件較好，因而空氣質(zhì)量等級為良好.11月11—14日邊界層氣象要素的垂直結(jié)構(gòu)相似.除了13日邊界層內(nèi)風(fēng)速小于3m/s，其他幾天邊界層內(nèi)最大風(fēng)速都在10m/s以上，邊界層內(nèi)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)或東北風(fēng).總之這幾天大氣擴(kuò)散條件一般，空氣質(zhì)量為良好到輕度污染.

11月15—19日，邊界層內(nèi)氣象要素的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化.這幾天都出現(xiàn)了較強(qiáng)的接地逆溫，邊界層內(nèi)氣溫明顯高于前幾天；邊界層內(nèi)風(fēng)速較前幾天也明顯減小，最大風(fēng)速一般都小于9m/s；邊界層“暖干”特征明顯；邊界層內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向是北風(fēng)或西北風(fēng).這幾天空氣質(zhì)量維持在輕度污染.

11月20—23日，這幾天地面風(fēng)速為0～3m/s的小風(fēng)，邊界層內(nèi)的最大風(fēng)速小于10m/s，除23日外，邊界層低層的風(fēng)向都是偏東風(fēng)，23日風(fēng)向從地面到400m高度由偏北風(fēng)逐漸變?yōu)槠珫|風(fēng)；從15日以來連續(xù)出現(xiàn)逆溫小風(fēng)天氣，大氣的水平清除和垂直擴(kuò)散能力都較弱，再加上從20日開始連續(xù)的偏東小風(fēng)，可能從安徽南部帶來了外源污染物，邊界層內(nèi)的污染物由于累積效應(yīng)，22—23日出現(xiàn)嚴(yán)重污染天氣.

11月24日有明顯的冷空氣南下，邊界層內(nèi)逆溫消散，大氣垂直擴(kuò)散條件良好.地面為東風(fēng)，風(fēng)速約為3m/s，邊界層內(nèi)各高度主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，風(fēng)速隨高度迅速增加，在1500m處達(dá)到13m/s，邊界層整層的通風(fēng)量大大增加.因此雖然地面的偏東小風(fēng)可能帶來安徽南部的外源污染物，但由于降水（23日夜間小雨）和有利的擴(kuò)散條件，武漢市空氣質(zhì)量較前幾日明顯改善，達(dá)到優(yōu)良級.

利用Hysplit后向軌跡模型分別研究了11月22日和23日72h內(nèi)的500m高度的運(yùn)動軌跡，以此來驗(yàn)證偏東風(fēng)對武漢市嚴(yán)重污染日的影響，結(jié)果如圖8所示.從圖8可以看出，21、22日武漢市的氣團(tuán)來源分別為江西省和江蘇東部的沿海地區(qū)，它們進(jìn)入武漢前是明顯的偏東輸送路徑且都經(jīng)過高污染區(qū)安徽南部.因此，可以看出偏東風(fēng)確實(shí)能夠帶來安徽南部的污染物，并對武漢市嚴(yán)重污染日的形成有不可忽視的影響.

為了進(jìn)一步探討偏東小風(fēng)對武漢市嚴(yán)重污染日的影響，下面將利用WRF模式來模擬此次污染過程中21—24日流場的變化情況，其中部分結(jié)果如圖9所示.圖9是2013年11月22日8、14時(shí)以及23日2、8時(shí)的流場.22日8時(shí)，武漢地區(qū)東北向的大別山以偏北的越山氣流和山風(fēng)為主，東南向的幕阜山以偏東的繞流為主，在武漢東南部形成了氣流匯聚帶.22日8時(shí)后，

沿113.5～114.5°E，29.5～30.5°N的氣流匯聚帶隨著山風(fēng)轉(zhuǎn)為谷風(fēng)而逐漸向東南移動，并在14時(shí)后消失，當(dāng)日夜間谷風(fēng)轉(zhuǎn)為山風(fēng)，氣流匯聚帶又重新出現(xiàn).23日隨著西北氣流的加入，受幕阜山地形影響，武漢地區(qū)出現(xiàn)渦旋，形成了一個(gè)反復(fù)污染帶：整體水平風(fēng)速偏弱，由偏北氣流、偏東氣流和局地環(huán)流共同作用造成了污染物的堆積，使得污染濃度維持在一個(gè)較高的水平（圖9）.之后風(fēng)向逐漸變化，渦旋朝東北方向移動，在23日14時(shí)后消失，而西北氣流與偏東的繞山氣流相遇，停滯在幕阜山與大別山之間.24日2時(shí)，隨著大的環(huán)流形勢的變化，偏西北冷空氣入侵，風(fēng)速明顯增大，污染物濃度迅速下降（圖略）.

3結(jié)論

利用多種觀測資料包括環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測資料、地面氣象觀測資料、L波段雷達(dá)探空資料、風(fēng)廓線雷達(dá)探空資料和再分析資料以及多種方法（后向軌跡追蹤、聚類分析、潛在源區(qū)貢獻(xiàn)法和數(shù)值模擬），研究了武漢地區(qū)特殊氣象條件對重污染過程的影響，揭示了偏東小風(fēng)所帶來的外源污染物對形成嚴(yán)重污染日的貢獻(xiàn).主要研究結(jié)論如下：

1）通過計(jì)算聯(lián)合風(fēng)頻發(fā)現(xiàn)2012—2014年的穩(wěn)定度最高為D穩(wěn)定度下且風(fēng)速為0～2m/s之間的NNW（3034%）、NNE（2258%）和N（2007%）3個(gè)方位.其他穩(wěn)定度較高的還有D穩(wěn)定度下且風(fēng)速為0～2m/s之間的NE（1437%）、SE（1118%）和ENE（0912%）以及E～F穩(wěn)定度類下且風(fēng)速為0～2m/s之間的NE（1414%）、SE（1163%）和ESE（0912%）.在武漢市秋冬季，當(dāng)偏北小風(fēng)以及偏東小風(fēng)出現(xiàn)時(shí)一般大氣很穩(wěn)定，不利于污染物的擴(kuò)散，容易導(dǎo)致空氣污染.

2）秋冬季嚴(yán)重污染日后向軌跡均是外地軌跡，且影響武漢市的主要輸送路徑共4條：2條偏東路徑、1條東北路徑以及1條偏北路徑.其中偏東輸送路徑為主占了625%，其次是偏北風(fēng)路徑（375%）.占比475%的偏東小風(fēng)路徑主要經(jīng)過安徽的西部地區(qū)，另一條占比15%的偏東路徑雖然是從黃海上過來的清潔氣團(tuán)，不過它也經(jīng)過了江蘇中東部沿海地區(qū)和安徽中部地區(qū)，這些地區(qū)的污染排放都很大，因此這條路徑對武漢市空氣質(zhì)量也有很大的影響.

3）利用潛在源區(qū)貢獻(xiàn)法（PSCF）分析發(fā)現(xiàn)，武漢市秋冬季的潛在源區(qū)主要是安徽、江蘇、山東、河南、湖南、江西以及武漢周邊地區(qū)，因此在冬季大范圍污染背景下，跨區(qū)域的聯(lián)防聯(lián)控（尤其是安徽南部地區(qū)）才能有效地減少武漢市秋冬季的重污染日.

4）利用WRF模式模擬了一次污染過程中21日到24日流場的變化情況，模擬結(jié)果顯示偏東氣流、偏北氣流與局地環(huán)流共同作用，在武漢地區(qū)形成一個(gè)局地渦旋，成為反復(fù)污染帶，加重了武漢地區(qū)的污染過程.

本研究揭示了偏東小風(fēng)在武漢市秋冬季重污染過程形成中所起的作用，并沒有定量地計(jì)算其貢獻(xiàn)大小，此外WRF模式模擬結(jié)果只能分析出局地環(huán)流在形成重污染過程中的作用，但并不能夠定量地給出局地環(huán)流所引起的污染物濃度大小的變化，這也是今后需要繼續(xù)完成的研究工作.

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