珠江三角洲PM2.5局地污染時(shí)空特征及環(huán)流 背景分析

張麗 李磊 梁碧玲 王明潔 馮碧鋒 陳林峰

（1 深圳市氣象局，深圳 518040；2 深圳市國家氣候觀象臺(tái)，深圳 518040；3 深圳市強(qiáng)風(fēng)暴科學(xué)研究院，深圳518040）

0 引言

珠江三角洲為國家大氣污染防治新標(biāo)準(zhǔn)第一階段監(jiān)測實(shí)施的三大重點(diǎn)區(qū)域之一，也是相對京津冀、長三角地區(qū)大氣污染治理起步較早、空氣質(zhì)量相對較優(yōu)的區(qū)域。按照“大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃”要求，京津冀、長三角和珠江三角洲區(qū)域2017年P(guān)M2.5濃度需較2013年分別下降25%、20%和15%以上。2017年作為“大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃”考核之年，三大重點(diǎn)區(qū)域均超額完成了國家考核任務(wù)，空氣質(zhì)量有了較為明顯的改善。

在大尺度環(huán)境場穩(wěn)定的條件下，容易產(chǎn)生局地環(huán)流，如山谷風(fēng)、海陸風(fēng)環(huán)流，對局地污染產(chǎn)生重要的影響[1-4]。在大尺度天氣系統(tǒng)相對穩(wěn)定的情況下，局地環(huán)流則對大氣污染物的匯聚起主導(dǎo)作用[5-8]。邱曉暖[9]研究指出我國華南沿海有明顯的海陸風(fēng)環(huán)流，海陸風(fēng)有可能造成污染物的累積，使空氣質(zhì)量變差，應(yīng)引起沿海地區(qū)有關(guān)部門的重視。范紹佳等[10]認(rèn)為不同來源和屬性的氣流對邊界層混合層高度影響不同，下沉氣流使珠江三角洲地區(qū)出現(xiàn)靜小風(fēng)，產(chǎn)生局地環(huán)流，混合層高度減小。趙敬國等[11]指出靜穩(wěn)型重污染的氣象學(xué)成因主要是風(fēng)速小，穩(wěn)定能量大，大氣環(huán)境穩(wěn)定度大，不利于湍流擴(kuò)散。楊洋等[12]發(fā)現(xiàn)由熱力性質(zhì)決定的局地環(huán)流占主導(dǎo)作用時(shí)，大氣層結(jié)穩(wěn)定，容易導(dǎo)致嚴(yán)重污染。Flocas等[13]和Bigot等[14]研究也指出局地重污染天氣是多種尺度環(huán)流共同影響的綜合結(jié)果。基于此，本文擬利用珠江三角洲區(qū)高密度排列的氣象站和PM2.5監(jiān)測站資料，探究珠江三角洲局地PM2.5局地污染事件的氣象成因，為局地污染預(yù)警預(yù)報(bào)提供支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

污染物數(shù)據(jù)選用2013—2017年珠江三角洲地區(qū)56個(gè)空氣質(zhì)量國控監(jiān)測站點(diǎn)的逐小時(shí)PM2.5濃度數(shù)據(jù)（圖1）。氣象數(shù)據(jù)選用珠江三角洲1038個(gè)高密度自動(dòng)氣象站的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)以及珠江三角洲2部邊界層風(fēng)廓線儀的風(fēng)、溫探測數(shù)據(jù)。

圖1 珠江三角洲56個(gè)空氣質(zhì)量國控監(jiān)測站點(diǎn)分布（+）和2個(gè)風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)（） Fig. 1 56 environmental monitoring sites distribution and two wind profile radars in the Pearl River Delta

1.2 研究方法

PM2.5污染面積的計(jì)算方法：采用反距離加權(quán)法將56個(gè)站點(diǎn)的PM2.5數(shù)據(jù)，插值成1 km×1 km的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的面積為1 km2。珠江三角洲總面積為1.1×105km2，插值范圍為111.9°—115.4°E、21.8°—24.4°N，總格點(diǎn)數(shù)為343×253。將網(wǎng)格值大于115 μg/m3的數(shù)累計(jì)起來，得到PM2.5污染面積。

以逐時(shí)PM2.5濃度觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將珠江三角洲污染事件定義如下：在某一時(shí)刻，全區(qū)域監(jiān)測到PM2.5濃度≥115 μg/m3的面積在1～2500 km2時(shí)，為一次局地污染事件；PM2.5≥115 μg/m3的面積大于2500 km2時(shí)為一次大范圍污染事件。某日珠三角范圍內(nèi)出現(xiàn)1 km2以上PM2.5≥115 μg/m3的污染事件，為一個(gè)污染日。某日24 h只出現(xiàn)局地污染事件（污染面積1～2500 km2），未出現(xiàn)大范圍污染事件（污染面積≥2500 km2），為局地污染日。

2 結(jié)果與討論

2.1 珠江三角洲污染分布特征

廣東省地形地貌復(fù)雜，珠江三角洲平原周圍被山地、丘陵和臺(tái)地包圍，地勢較低，南臨南海，從北到南，地勢逐漸降低，同時(shí)地面屬性不同導(dǎo)致熱力條件差異大（圖2）。2013—2017年珠江三角洲地區(qū)平均PM2.5污染日空間分布不均（圖3），局地性明顯，佛山地區(qū)為污染中心，平均污染日60 d以上。四周城市平均污染日逐漸遞減：肇慶地區(qū)年平均污染日30～50 d；江門、中山北部，東莞、廣州西部地區(qū)平均污染日為30～40 d，江門、中山、東莞南部，深圳西部以及廣州中部地區(qū)平均污染日為20～30 d，深圳東部、東莞東北、廣州東部和惠州地區(qū)平均污染日在20 d以下。

圖2 廣東省地形高度分布（圖中標(biāo)出了珠三角城市群的行政區(qū)劃） Fig. 2 Terrain height distribution in Guangdong Province

圖3 2013—2017年珠江三角洲總平均PM2.5污染日 Fig. 3 Average days of PM2.5 pollution in the Pearl River Delta from 2013 to 2017

2.2 局地PM2.5污染時(shí)間分布特征

統(tǒng)計(jì)表明，2014—2017年珠江三角洲PM2.5局地污染日呈上升趨勢（圖4）。2014年局地污染日為77 d，占所有污染日的45%，2017年局地污染日增加至133 d，占所有污染日的比例也增加至79%?？梢娫诳偽廴救諟p少的基礎(chǔ)上，局地污染不降反升，是珠江三角洲新的污染特征。

圖4 2013—2017年珠江三角洲局地PM2.5污染事件年（a）、月（b）和日（c）變化 Fig. 4 Annual (a), monthly (b) and daily (c) variation of local PM2.5 pollution incident frequency in Shenzhen

2013—2017年珠江三角洲局地PM2.5污染平均每年有106 d，冬半年發(fā)生頻率高于夏半年，1—3月、10—12月平均頻次17 d /月，夏半年4—9月平均污染10 d/月。這與珠江三角洲的季風(fēng)氣候有關(guān)，冬半年受東北季風(fēng)及冷空氣的影響，靜穩(wěn)天氣多發(fā)，大氣邊界層高度底，容易發(fā)生局地污染。夏季西南季風(fēng)帶來了海上潔凈的空氣，對流旺盛，降雨量大，污染物的清除效率高。珠江三角洲局地PM2.5污染事件在夜間至次日凌晨（即19時(shí)—次日03時(shí)）發(fā)生的頻次高（圖4c），每年平均45時(shí)次以上。主要是由于在夜間易形成晴空輻射逆溫層，大氣穩(wěn)定，污染多發(fā)，逆溫一般在日出后隨大氣對流加強(qiáng)而消失，污染頻次也隨之減小。

2.3 局地PM2.5污染的環(huán)流特征分析

2013—2017年統(tǒng)計(jì)局地污染出現(xiàn)的大尺度環(huán)流分類可分為3大類，分別為大陸冷高壓底部（包括均壓場、高壓脊、冷鋒前），主要出現(xiàn)在秋冬季節(jié)，約占54%；海上變性高壓脊，主要出現(xiàn)在春季，約占27%；副熱帶高壓或熱帶氣旋外圍下沉氣流（夏季、秋季）19%。

2.3.1 大陸冷高壓底部型

冬季當(dāng)珠江三角洲地區(qū)處于冷高壓底部時(shí)，弱冷空氣影響不斷滲透影響到珠江三角洲，容易形成靜穩(wěn)的污染天氣。2017年1月4—6日珠江三角洲500 hPa受副熱帶高壓北緣的西南風(fēng)影響，850 hPa受暖性高壓脊控制，地面處于冷高壓底部，受東北風(fēng)弱冷空氣影響，整層大氣上暖下冷，層結(jié)穩(wěn)定（圖5a）。地面風(fēng)場微弱，風(fēng)速在2.0 m/s以下。在山體、平地、城市等不同熱力條件影響下，北、東、西3個(gè)方向三股氣流在廣佛一帶匯合，形成地面弱輻合（圖5b），污染物也在這里匯合，佛山、肇慶、廣州一帶出現(xiàn)重度—嚴(yán)重局地污染，1月5日三水站最高PM2.5濃度達(dá)274 μg/m3。

圖5 2017年1月4日08時(shí)海平面氣壓場（a）和20時(shí)地面風(fēng)場與污染物濃度（b） Fig. 5 Sea level pressure field at 08:00 BT (a), surface wind field and pollutant concentration at 20:00 BT(b) 4 January 2017

廣州從化風(fēng)廓線監(jiān)測邊界層內(nèi)風(fēng)速弱（圖6a），底層以偏北風(fēng)為主，上層以偏南風(fēng)為主，形成弱的局地環(huán)流，污染在邊界層內(nèi)回旋，不宜擴(kuò)散。同時(shí)在200 m以下從06時(shí)開始出現(xiàn)持續(xù)的偏北風(fēng)下沉氣流，導(dǎo)致PM2.5濃度從07時(shí)開始持續(xù)增加，23時(shí)升至129 μg/m3，形成局地污染事件（圖6b）。

圖6 2017年1月4日廣州從化風(fēng)廓線水平風(fēng)速（箭頭）、垂直速度（填色）（a）及廣州市監(jiān)測站PM2.5濃度日變化（b） Fig. 6 Horizontal wind and vertical velocity of wind profile radars (a) at Conghua and daily variation of PM2.5 concentration(b) at Guangzhou On 4 January 2017

2.3.2 海上變性高壓脊型

春季、秋季冷空氣強(qiáng)度較冬季減弱，一般以東移為主，當(dāng)冷空氣主體移至海上，珠江三角洲地區(qū)受海上變性高壓脊影響，地面氣壓梯度小，甚至出現(xiàn)均壓場等靜穩(wěn)天氣，容易形成PM2.5污染天氣。2017年5月7日受地面變性高壓脊控制（圖7a），冷空氣主體東移至海上，東路弱冷空氣回流影響珠江三角洲，在珠江三角洲佛山、肇慶一帶有偏東風(fēng)、偏北風(fēng)氣流的輻合。地面輻合線與PM2.5污染中心一致（圖7b），輻合線阻擋了污染物進(jìn)一步向南擴(kuò)散，有利于形成污染中心。

雖然從化風(fēng)廓線監(jiān)測200 m以下有弱的上升運(yùn)動(dòng)，但是200～1800 m大范圍的下沉氣流抑制了污染的擴(kuò)散，形成局地污染時(shí)間（圖8a），佛山三水云東海站在00—07時(shí)PM2.5濃度超標(biāo)，出現(xiàn)輕度至重度污染，08時(shí)之后隨著降雨的出現(xiàn)，污染物濃度也迅速下降（圖8b）。

圖7 2017年5月7日08時(shí)海平面氣壓場（a）和14時(shí)地面風(fēng)場、PM2.5濃度（b） Fig. 7 Sea level pressure field at 08:00 BT (a), surface wind field and pollutant concentration at 14:00 BT (b), on 7 May 2017

2.3.3 副熱帶高壓型

秋季當(dāng)副熱帶高壓控制廣東，珠江三角洲處于大陸副熱帶高壓東北側(cè)的西北下沉氣流影響時(shí)，容易出現(xiàn)PM2.5污染天氣。2017年9月17日受大陸副高邊緣的西北風(fēng)影響（圖9a），中山、珠海、深圳等地出現(xiàn)輕度至重度污染。珠海唐家站在11—14時(shí)出現(xiàn)中度—重度污染， PM2.5最高濃度達(dá)182 μg/m3。從地面風(fēng)場來看，主導(dǎo)風(fēng)為西北風(fēng)，由于地形的熱力不均造成了地面風(fēng)向的變化，12時(shí)前后粵東沿海產(chǎn)生了東北風(fēng)與西北風(fēng)在珠江口的輻合，阻止了污染物水平擴(kuò)散，有利于局地污染事件的形成（圖9b）。

圖8 2017年5月7日從化風(fēng)廓線水平風(fēng)速（箭頭）、垂直速度（填色）（a）和佛山三水云東海PM2.5濃度日變化（b） Fig. 8 Horizontal wind and vertical velocity of wind profile at Conghua (a) and daily variation of PM2.5 concentration at Foshan Shanshui-Yundonghai Station (b) on 7 May 2017

圖9 2017年9月17日08時(shí)500 hpa位勢高度、風(fēng)場（a）和12時(shí)地面風(fēng)場、PM2.5濃度和地形高度（b） Fig 9 Sea level pressure field at 08:00 BT (a), surface wind field and pollutant concentration at 12:00 BT (b), on 17 September 2017

從邊界層垂直風(fēng)速來看（圖10a），邊界層多個(gè)時(shí)刻都有下沉氣流，中午前后下沉氣流達(dá)到地面，與最大污染出現(xiàn)的時(shí)間（12時(shí)）一致（圖10b）。由此可見，偏北風(fēng)下沉氣流抑制了污染的垂直擴(kuò)散，同時(shí)地面輻合線阻止了污染物的水平擴(kuò)散，形成了局地污染事件。

由上述分析可知，PM2.5局地污染受局地環(huán)流影響大，山體、平原、海洋和城市的熱力條件不同，地面風(fēng)場發(fā)生變化，形成地面弱輻合線，阻止了污染的水平擴(kuò)散，同時(shí)弱的偏北風(fēng)從廣東省北部山地傾瀉下來，在珠江三角洲形成邊界層內(nèi)的下沉氣流，抑制了污染的垂直輸送，導(dǎo)致近地面的污染出現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文對珠江三角洲2015—2017年局地PM2.5污染事件的時(shí)空分布特征及典型事件的局地環(huán)流特征進(jìn)行了集中分析，結(jié)果表明：

1）珠江三角洲局地PM2.5污染空間分布不均，以佛山和肇慶地位為污染中心，向四周遞減。佛山年均污染在60 d以上；肇慶年均污染在40～50 d；江門、中山北部，東莞、廣州西部年均污染在30～40 d，江門、中山、東莞南部，深圳西部，廣州中部年均污染為20～30 d，深圳東部、東莞東北、廣州東部，惠州年均污染在20 d以下。

2）珠江三角洲PM2.5局地污染多發(fā)，冬半年發(fā)生頻率高于夏半年，夜間至次日凌晨（19時(shí)—次日03時(shí)）發(fā)生的頻次高。

3）珠江三角洲局地污染發(fā)生的天氣形勢可分為：大陸冷高壓底部型、海上變性高壓脊性和副熱帶高壓性和熱帶氣旋外圍下沉氣流影響型。

4）PM2.5局地污染事件受局地氣流影響大，在大尺度靜穩(wěn)天氣影響下，地面風(fēng)場受山體、平原、海洋、城市等熱力條件不同的影響，形成地面弱輻合線，阻止了污染的水平擴(kuò)散，同時(shí)弱的偏北風(fēng)從廣東省北部山地傾瀉下來，形成邊界層內(nèi)的下沉氣流，抑制了污染的垂直輸送，導(dǎo)致近地面的污染出現(xiàn)。

圖10 2017年9月17日珠海風(fēng)廓線水平風(fēng)速（箭頭）、垂直速度（填色）（a）和珠海唐家PM2.5濃度（b） Fig. 10 Horizontal wind and vertical velocity of wind profile at Zhuhai (a) and daily variation of PM2.5 concentration at Zhuhai Tangjia Station (b) on 17 September 2017