關(guān)中一次重污染天氣過程氣象特征分析

徐娟娟，郝 麗，王百靈，樊 超，婁盼星

(1.陜西省氣象臺，西安 710016； 2.陜西省氣候中心，西安 710016； 3.楊凌氣象局，陜西楊凌 712100；4.長安區(qū)氣象局，陜西長安 710100)

由于經(jīng)濟規(guī)模迅速擴大和城市化進程加快，城市群區(qū)域和大城市的大氣氣溶膠污染日趨嚴重, 20世紀80年代以后中國霾日明顯增加，到21世紀，我國東部大部分地區(qū)幾乎超過100 d，大城市超過150 d[1-3]，霾已成為中國秋冬季節(jié)主要的災害性天氣之一。形成灰霾天氣，大氣污染物的源排放是內(nèi)因，氣象條件是外因。大氣對污染物的稀釋擴散能力隨著氣象條件的不同而發(fā)生巨大變化。在不同氣象條件下，同一污染源排放所造成的地面污染物質(zhì)量濃度可相差幾十倍乃至幾百倍，因此，研究氣象因子對灰霾天氣的影響十分重要[3]。大量的個例分析表明[4-7]，在地面及低空較長時間維持低風速、高濕度和靜力穩(wěn)定的天氣條件下，逆溫、較低的混合層高度等不利于污染物擴散的氣象條件以及特殊地形，是造成北京地區(qū)重污染持續(xù)較長的原因，高壓南下東移阻滯型和與北上臺風(或熱帶低壓)相關(guān)聯(lián)的弱高壓控制型是造成北京PM10重污染的二類典型天氣形勢。吳兌等[8-10]利用常規(guī)觀測資料、能見度資料及PM10濃度值資料等對珠江三角洲的灰霾成因進行大量分析研究發(fā)現(xiàn)，珠江三角洲的灰霾天氣多發(fā)生在旱季，典型霾天氣過程出現(xiàn)在每年10月至次年4月。近地層輸送條件即地面流場與大氣污染物稀釋擴散密切相關(guān)。緯向環(huán)流顯著的年份,冷空氣跨越南嶺、到達珠江三角洲的機會比較小,污染物易于堆積；緯向環(huán)流不顯著的年份,氣流南北交換顯著,冷空氣跨越南嶺、到達珠江三角洲的機會比較大。伴隨冷空氣的大風天氣有利于污染物擴散，區(qū)域霾天氣過程與區(qū)域內(nèi)靜小風過程,即出現(xiàn)氣流停滯區(qū)有密切聯(lián)系。清潔對照過程與強平流輸送有關(guān)，垂直輸送能力不足也是加重灰霾天氣的氣象條件之一。

關(guān)中平原目前已成為全國主要的霾集中地之一，西安的霾日為全國排名前十。截止2012年，西安地區(qū)的霾日較20世紀80年代增加了近一倍[11]，且日益加重。2016年12月30日至2017年1月5日關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)了長達7 d的霾重污染天氣過程，其中渭南、咸陽、西安三個站點自2016年12月31日起均達到嚴重污染級別，是近幾年來污染較為嚴重的一次過程。利用多種觀測資料，對本次重污染天氣過程的氣象條件、要素特征等進行分析，進一步探討關(guān)中盆地重污染天氣過程的特征及原因。

1 數(shù)據(jù)和方法

所使用觀測數(shù)據(jù)包括常規(guī)地面、高空觀測數(shù)據(jù),日平均空氣質(zhì)量指數(shù)AQI、逐小時PM2.5觀測值及風廓線數(shù)據(jù)。PM2.5質(zhì)量濃度及AQI指數(shù)數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)。風廓線數(shù)據(jù)為西安市長安區(qū)風廓線雷達1 h平均風觀測值。HYSPLIT-4模式使用的氣象數(shù)據(jù)來自于美國NOAA官方網(wǎng)站的GDAS(global data assimilation system)1°×1°分析數(shù)據(jù)。

聚類分析是按照樣本的相似性、親疏程度將它們進行分型劃類的一種多元統(tǒng)計分析方法。后向軌跡聚類就是根據(jù)氣團軌跡的空間相似度，即傳輸速度和方向，對所有到達模式受點的氣團軌跡進行分組聚類，以判斷受點不同時間段主導氣流方向和污染物潛在來源[12]。

2 結(jié)果及其分析

2.1 污染物質(zhì)量濃度時空分布

定義當某日城市空氣質(zhì)量的污染級別達到重度及以上(AQI超過200)的污染日定義為一個重污染日,連續(xù)3 d及以上出現(xiàn)的重污染日定義為一次持續(xù)重污染過程[13]。從空氣質(zhì)量指數(shù)AQI[14]的時間演變(圖1)來看，此次過程中，自2016年12月27日起污染指數(shù)開始逐漸增大，至30日渭南、咸陽、西安3個站點AQI指數(shù)均達到200以上的重度污染級別，并呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，咸陽站2017年1月4日達AQI極值(500)，西安站AQI指數(shù)在5日也達499。從污染物組成來看，除1月4日咸陽首要污染物為PM2.5和PM10混合、西安1月5日首要要污染物為PM10外，污染過程期間關(guān)中5個城市大部分地區(qū)首要污染物均為PM2.5。對比五城市來看，銅川由于地勢高，污染等級較低，咸陽和西安污染最為嚴重。本次重污染過程覆蓋了整個關(guān)中地區(qū)，具有范圍廣、持續(xù)時間長、污染強度大的特點，是近年來關(guān)中地區(qū)冬季典型的持續(xù)性污染過程。

圖1 2016-12-27—2017-01-08關(guān)中五市AQI指數(shù)逐日變化

2.2 大尺度天氣形勢

天氣條件從根本上決定了氣象要素的分布和變化,從而決定了大氣的擴散能力與大氣的穩(wěn)定程度,即在一定程度上決定了區(qū)域污染物質(zhì)量濃度的高低變化[15]。從環(huán)流形勢來看，500 hPa天氣圖上，亞洲中高緯在烏拉爾山和鄂霍次克海附近各存在一個高空槽，兩槽之間氣流平直多波動，沒有明顯冷空氣南下影響陜西。2016年12月31日08時至2017年1月6日08時，在15°N、90°E附近，孟加拉灣南支槽建立并維持(圖2)，陜西中南部位于槽前弱西南氣流中，700 hPa和850 hPa上關(guān)中地區(qū)風速較小，風向以偏南風為主。弱偏南風輸送的水汽使陜西云量較多。

圖2 2017-01-03T20 500 hPa環(huán)流形勢

從地面圖上看，30日20時之前(圖略)，陜西處于均壓場中，地面風速小，不利于污染物的擴散輸送。30日晚至2017年1月1日，貝加爾湖以西有冷高壓發(fā)展，陜西處于高壓外圍的弱均壓場中，風速小，靜穩(wěn)天氣維持。1日14時(圖3a)，貝加爾湖以西冷高壓外圍有弱冷鋒移至河套西北部，鋒前冷空氣擴散南下進入陜西。2日8時，關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)3～5 ℃的負變溫,冷空氣對污染物的清除使關(guān)中盆地重污染狀況得到改善。2日關(guān)中地區(qū)各站點AQI指數(shù)出現(xiàn)不同程度的下降；但由于冷空氣強度較弱，持續(xù)時間短，對污染物的清除作用有限，位于關(guān)中盆地腹地的咸陽、西安和渭南站AQI指數(shù)下降幅度明顯小于位于山區(qū)的銅川和寶雞站，仍為嚴重污染級別。2日11時(圖略)后，陜西再次處于弱均壓場中，青藏高原東部低壓倒槽也穩(wěn)定維持并逐漸發(fā)展強盛。4日05時之后陜西受低壓倒槽控制，17時(圖3b)低壓倒槽與東北高壓形成東高西低的地面環(huán)流形勢。這種東高西低的環(huán)流形勢是陜西重污染天氣過程典型環(huán)流形勢[16]。倒槽的阻擋使西伯利亞強冷空氣受阻而不能南下，加上盆地的特殊地形，使得污染物在關(guān)中地區(qū)持續(xù)堆積。這期間關(guān)中地區(qū)AQI指數(shù)達到最大值，4日咸陽站達極大值500，5日西安達499。5 日晚貝加爾湖南部冷高壓開始加強南壓。6日08時，冷鋒壓至河套地區(qū)并繼續(xù)南壓，陜西開始出現(xiàn)降水，關(guān)中地區(qū)各站點AQI指數(shù)迅速降至100左右，此次污染過程結(jié)束。

圖3 2017年1月海平面氣壓場(a 1日14時；b 4日17時)

2.3 邊界層風場特征

風廓線雷達是利用晴空大氣中的湍流活動的后向散射效應探測大氣風場的高時空分辨精細化結(jié)構(gòu)的有效工具[17]。利用長安站風廓線資料進一步分析重污染期間邊界層風場特征。研究表明風廓線雷達探測得到的水平風在700 hPa高度下是可信的[18]，因此本文重點分析3 km以下的風場。12月30日—1月2日06時(圖略)，低層500 m以下多為南風或東南風，且風速較小(大都小于4 m/s)，500～1 000 m為東北風或北風，風速小于10 m/s。低層東南風與中層東北風雖然有低空垂直風切變，存在動力不穩(wěn)定，但缺少觸發(fā)機制，使得污染物不能有效擴散。同時還可以看出，1 000～1 500 m存在一個小風速區(qū)，氣流平直且風速較弱，風速大都小于6 m/s，抑制了污染物的垂直擴散，使得污染物在邊界層內(nèi)積聚。與地面圖上貝加爾湖冷空氣南下相對應，2日06時至13時長安上空轉(zhuǎn)為偏北氣流(圖4，方框中)，污染物質(zhì)量濃度有小幅度下降。15時之后，與前一階段類似，長安地區(qū)500 m以下轉(zhuǎn)為南風，中層500～1 000 m轉(zhuǎn)為東北風或北風，1 000～1 500 m以上仍然為小風速區(qū)，這種形勢一直維持至6日03時。這期間污染物質(zhì)量濃度再次上升，5日12時西安PM2.5質(zhì)量濃度達到最大值575 μg/m3。隨后低空轉(zhuǎn)為偏西風，本次污染過程結(jié)束。可以看出，關(guān)中地區(qū)在重污染期間，邊界層風場呈現(xiàn)出500 m之下的偏南風、500～1 000 m的偏北風和1 000～1500 m的小風速區(qū)的三層結(jié)構(gòu)特征，動力不穩(wěn)定難以發(fā)展，邊界層中上層的小風速區(qū)使得污染物積聚在1 500 m之內(nèi)，與秦嶺大氣科學實驗基地布設(shè)的連續(xù)采樣的微脈沖激光雷達觀測結(jié)果一致。

圖4 2017-01-02T04—03T04長安站逐小時風廓線

2.4 氣象要素變化特征

為了進一步探究關(guān)中盆地污染逐漸加重的原因，選取西安市平均逐小時PM2.5質(zhì)量濃度和長安站(34.26°N， 108.58°E)地面要素進行分析(圖5)。1月1日之前，西安低層為弱偏南氣流，相對濕度偏高并逐漸上升。研究表明，氣溶膠吸濕增長特性和相對濕度呈正相關(guān)，相對濕度越接近粒子臨界飽和比，氣溶膠可溶性粒子越容易吸收水汽而增大，吸濕增長越顯著，有利于空氣散射作用增強，能見度下降和霧霾天氣出現(xiàn)[19-20]。1日晚有弱冷空氣進入西安，風向轉(zhuǎn)為偏北風。2 日白天相對濕度明顯下降，造成PM2.5質(zhì)量濃度明顯降低；2日轉(zhuǎn)為偏南風后，相對濕度快速增長并維持在90%附近，PM2.5質(zhì)量濃度持續(xù)升高。6日轉(zhuǎn)為明顯偏北氣流，相對濕度迅速降低，污染物質(zhì)量濃度迅速下降，本次污染過程結(jié)束。同時，可以看出能見度與PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)反相關(guān)的變化趨勢，由于細顆粒物對大氣的消光左右，PM2.5質(zhì)量濃度的快速增長造成了大氣能見度急劇降低[21]。PM2.5質(zhì)量濃度較高時，對應于弱的偏南氣流、較高的相對濕度和較低的能見度。

2.5 探空分析

從西安涇河站溫度對數(shù)壓力圖來看，重污染期間關(guān)中盆地上空大氣一直處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)，并且在850 hPa以下存在逆溫層(圖4a)。對應兩次污染物質(zhì)量濃度峰值，第一次峰值時涇河站925 hPa為偏北風，850 hPa為偏東風，層結(jié)穩(wěn)定，低層濕度較小，700 hPa和500 hPa均為弱偏西風，無明顯擾動(圖6a)；第二次峰值時，850 hPa和700 hPa都轉(zhuǎn)為偏南風，850 hPa以下濕度明顯增加，同時逆溫層厚度達到3 km左右(圖6b)，強逆溫以及低層增濕作用，使污染物垂直擴散能力進一步減弱，污染物堆積效應進一步增強，達到本次重污染天氣過程的峰值。

圖5 2016-12-27—2017-01-08 PM2.5質(zhì)量濃度與長安站溫度、相對濕度和能見度的關(guān)系

圖6 2017-01-01T08(a)和2017-01-04T08(b)涇河站(34.43°N，108.97°E)T-Lnp圖

2.6 后向軌跡聚類分析

為了進一步研究關(guān)中氣流的輸送路徑特征，利用美國NOAA的HYSPLIT-4[22]模式對1月2—5日到達西安站(34.30°N，108.93°E)的后向氣流軌跡進行聚類分析，并計算各類軌跡數(shù)占總軌跡數(shù)的比例(圖7)，以判斷關(guān)中盆地污染物的潛在輸送來源。計算高度為200 m。從圖7可以看出，本次過程到達關(guān)中的氣流路徑共有三類。一類是西北路徑，共有兩條：一條路徑最遠、移動速度最快，經(jīng)甘肅—寧夏—延安到達西安；另一條經(jīng)寧夏附近進入西安。西北路徑起始輸送高度在2 000 m以上，途經(jīng)沙漠半沙漠地區(qū)攜帶大顆粒污染物逐漸沉降至西安地區(qū)，這也解釋了為何本次污染過程中西安和咸陽AQI極大值時，首要污染物為PM10或包含PM10的原因。第二類是偏南路徑，共有兩條：一條向北直接進入西安地區(qū)；另一條由于秦嶺地形阻擋，先向東后經(jīng)盆地喇叭口地形向西繞行進入西安地區(qū)。這也與地面上受低壓倒槽控制相對應，偏南氣流攜帶大量水汽和一部分污染物到達西安。第三類是本地路徑，此類路徑中風速小，移動路徑短，污染物主要來自于盆地內(nèi)部。對比這三類路徑占比，直接進入西安的偏南路徑占比最高，達38%，其次本地路徑占25%，本地污染源對西安地區(qū)強污染天氣的貢獻不容忽視。

不同顏色的線條表示不同氣團路徑，1～5數(shù)字表示路徑序號，百分數(shù)表示所占比例；圖形下方時間-高度曲線表示不同路徑的氣團在距離當前時刻之前36、24、12、0 h所處的高度/m圖7 2017-01-02—05西安站(34.3°N，108.93°E)空氣質(zhì)點軌跡聚類

3 結(jié)論

(1)此次重污染天氣過程期間，500 hPa上中緯度以平直緯向氣流為主，低層多弱偏南風，沒有明顯冷空氣南下影響陜西。地面環(huán)流形勢場上，陜西處于污染天氣典型的東高西低的環(huán)流形勢下。

(2)重污染期間關(guān)中上空大氣一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，850 hPa持續(xù)存在逆溫層，強烈抑制了空氣的垂直混合交換，使污染物在邊界層底部堆積。

(3)重污染期間邊界層風場存在500 m之下的偏南風、500～1 000 m偏北風和1 000～1500 m的緯向小風速區(qū)的三層結(jié)構(gòu)特征，弱偏南風的水汽輸送、弱對流不穩(wěn)定和中高層弱緯向風的阻擋，使得污染物在邊界層內(nèi)充分混合并堆積。

(4)從地面氣象要素分析來看，污染物質(zhì)量濃度與低層風場和濕度關(guān)系密切。邊界層盛行弱的偏南風時，相對濕度逐漸上升，污染物質(zhì)量濃度增大；風向偏北時，相對濕度明顯下降，污染質(zhì)量物濃度減小。

(5)后向氣流軌跡的聚類分析可以看出，輸送至西安的氣流路徑共有五條，三類，即偏南路徑兩條、西北路徑兩條及本地路徑。西北氣流攜帶的大顆粒污染物、偏南氣流的增濕效應及污染物的輸送和本地污染源的疊加，共同造成了關(guān)中盆地的重污染天氣過程。其中直行偏南路徑占比最高，為38%；本地路徑占比次之，為25%，本地污染源對污染物的增長不容忽視。

致謝

感謝西安市氣象局楊曉春和陜西省長安區(qū)氣象局樊超提供的資料支持，陜西省氣象臺劉慧博士和黃少妮博士在模式應用及內(nèi)容分析方面給予的幫助,特此感謝！