地面風(fēng)場(chǎng)對(duì)珠江三角洲霾分布的影響

甘泉，沈瑾，譚浩波，李明華，3，陳芳麗，劉建龍，林匯豐，步巧利

（1.惠州市氣象局，廣東惠州 516000；2.佛山市氣象局，廣東佛山 528000；3.深圳市氣象局，廣東深圳 518040）

珠江三角洲位于廣東省中南部，是中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的都市群之一。大氣顆粒物是霾形成的主要因素之一，近些年來(lái)地方政府在大氣顆粒物治理方面實(shí)施了系列污染減排措施，并取得了明顯的成效，重點(diǎn)城市顆粒物質(zhì)量濃度下降明顯［1-3］。然而，區(qū)域性霾天氣在該地區(qū)仍時(shí)有發(fā)生，低能見(jiàn)度事件給城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和居民生活帶來(lái)顯著不利影響，成為政府和公眾亟待解決的重大環(huán)境問(wèn)題［4-8］。

氣象條件和污染源排放的變化是導(dǎo)致霾天氣形成的重要原因。研究表明，顆粒物污染不僅來(lái)自本地積累，同時(shí)也受外來(lái)輸送影響，其中風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)速和風(fēng)向）的轉(zhuǎn)變可以直接影響顆粒物的水平擴(kuò)散和區(qū)域輸送能力，是污染天氣條件下空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)的重要指標(biāo)［9］。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，大氣水平擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，不易出現(xiàn)區(qū)域性的空氣污染，但風(fēng)速較小時(shí)，空氣質(zhì)量變化比較復(fù)雜［10-11］。Wu等［12］分析了珠江三角洲風(fēng)場(chǎng)對(duì)空氣質(zhì)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)近地層持續(xù)小風(fēng)時(shí)（＜1.5 m／s）易導(dǎo)致地面污染物積聚，海陸風(fēng)對(duì)空氣質(zhì)量變差起到重要作用，當(dāng)風(fēng)速變大（＞3 m／s）且風(fēng)向穩(wěn)定時(shí)空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好；張人文等［13］研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)珠三角區(qū)域平均風(fēng)速＞2.6 m／s時(shí)不會(huì)出現(xiàn)區(qū)域性空氣污染，區(qū)域平均風(fēng)速＞3.2 m／s時(shí)空氣非常清潔，區(qū)域平均風(fēng)速＜1.8 m／s時(shí)區(qū)域空氣污染嚴(yán)重；劉建等［14］將珠三角地區(qū)PM2.5的區(qū)域污染分為3種類(lèi)型，并利用風(fēng)廓線雷達(dá)研究了垂直風(fēng)場(chǎng)與不同類(lèi)型污染天氣的對(duì)應(yīng)關(guān)系。上述關(guān)于風(fēng)速閾值的研究加深了對(duì)霾天氣尤其是區(qū)域性霾天氣特征、形成機(jī)制及影響的理解，然而由于不同城市主導(dǎo)風(fēng)向和污染源排放的不同，風(fēng)速閾值并不一定適應(yīng)每個(gè)城市，特別是當(dāng)風(fēng)速超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)反而使得處于污染源下風(fēng)向的城市污染物濃度升高。目前關(guān)于風(fēng)速和風(fēng)向?qū)Σ煌鞘婿蔡鞖獾挠绊懭匀狈σ?guī)律性的總結(jié)和分析。因此，本研究以珠江三角洲為例，分析2001—2018年霾的時(shí)空分布特征，以及地面風(fēng)場(chǎng)對(duì)區(qū)域和不同城市霾的分布影響，這將有利于進(jìn)一步揭示霾的污染現(xiàn)狀，并為政府持續(xù)改善空氣質(zhì)量、評(píng)估排放控制措施提供一定的理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

本研究選取珠江三角洲9地市29個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站2001—2018年的逐時(shí)能見(jiàn)度、相對(duì)濕度、風(fēng)速風(fēng)向以及日降水量數(shù)據(jù)。目前對(duì)霾日的確定標(biāo)準(zhǔn)主要有單次值法、日均值法和14時(shí)值法。本研究以日均值法統(tǒng)計(jì)珠三角地區(qū)霾日的長(zhǎng)期演變趨勢(shì)，定義日均能見(jiàn)度＜10 km，日均相對(duì)濕度＜90%，并排除降水、吹雪、雪暴、揚(yáng)沙、沙塵暴、浮塵、煙幕等其他能導(dǎo)致低能見(jiàn)度事件的情況為1個(gè)霾日［15］，其中日均能見(jiàn)度和日均相對(duì)濕度取每天3個(gè)時(shí)次作為平均（08：00、14：00、20：00（北京時(shí)，下同））。由于降水對(duì)顆粒物的清除機(jī)制十分復(fù)雜，存在很多不確定性［16］，同時(shí)根據(jù)上述關(guān)于霾日的定義，因此本研究在統(tǒng)計(jì)霾日時(shí)將日降雨量＞0 mm的天數(shù)剔除。珠三角地區(qū)位于華南南部，根據(jù)華南氣候特征［17］，沒(méi)有氣候?qū)W意義的冬季，為了更好的了解霾日的季節(jié)分布特征，定義濕季（汛期，4—9月），干季（非汛期，10月—次年3月）。

2 結(jié)果與分析

2.1 霾日的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)

圖1給出了2001—2018年珠三角地區(qū)霾日的年際、季節(jié)和月變化特征。可以看到，珠三角區(qū)域年平均霾日在2007年前呈現(xiàn)逐年波動(dòng)增加趨勢(shì)，從2001年的51 d上升到2007年的79 d，利用一元線性回歸方程計(jì)算年增長(zhǎng)速率為5.1 d／年，2008年起年平均霾日以3.4 d／年的速率下降，并在2018年達(dá)到最低值29 d。綜合分析看出，2001—2018年珠三角年平均霾日呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降速率為2.1 d／年。從年霾日的極大值分布來(lái)看，2007年前年霾日數(shù)最多可達(dá)170 d以上，2012年下降到85 d，隨著2013年“大氣國(guó)十條”的出臺(tái)，地方政府實(shí)施了系列污染減排措施，珠三角地區(qū)霾日極大值僅有約50 d。霾日呈明顯的月變化特征（圖1b），霾日的月極大值主要出現(xiàn)在10、11、12月和次年的1月，月極小值出現(xiàn)在6和7月。從季節(jié)分布來(lái)看，干季出現(xiàn)霾日的天數(shù)遠(yuǎn)大于濕季（圖1c）。

圖1 2001—2018年珠三角地區(qū)霾日的年際（a）、月（b）和季節(jié)（c）變化

2.2 風(fēng)場(chǎng)對(duì)區(qū)域霾的分布影響

根據(jù)能見(jiàn)度的不同，霾的等級(jí)分為輕微（5～10 km）、輕度（3～5 km）、中度（2～3 km）和重度（＜2 km）。珠三角霾日以輕微為主，其次為輕度，中度及以上出現(xiàn)頻率基本在5%以下（圖略）。空氣污染是一個(gè)區(qū)域性的環(huán)境問(wèn)題，為了更好的了解霾在珠三角的區(qū)域分布特征，圖2給出了不同地面風(fēng)場(chǎng)下珠三角區(qū)域能見(jiàn)度風(fēng)玫瑰圖，由圖2可以看到，區(qū)域低能見(jiàn)度現(xiàn)象（＜10 km，下同）主要出現(xiàn)在偏東風(fēng)或偏西風(fēng)、風(fēng)速＜1 m／s的情況下，這表明珠三角的區(qū)域顆粒物污染以本地排放為主，風(fēng)速增大能見(jiàn)度逐漸好轉(zhuǎn)；從風(fēng)頻看偏東風(fēng)和偏西風(fēng)出現(xiàn)的頻率分別為21%和9%。珠江三角洲瀕臨南海，來(lái)自海洋的暖濕氣流有利于污染物的稀釋和擴(kuò)散，當(dāng)盛行偏南風(fēng)時(shí)風(fēng)速越大能見(jiàn)度越高。

圖2 珠三角地區(qū)的能見(jiàn)度風(fēng)玫瑰圖

2.3 風(fēng)場(chǎng)對(duì)不同城市霾的分布影響

城市空氣污染影響一般分為本地影響和城市間輸送影響，圖3給出了不同地面風(fēng)場(chǎng)下珠三角各市的能見(jiàn)度風(fēng)玫瑰圖?？梢钥吹?，由于各個(gè)城市地理位置、盛行風(fēng)向的不同，不同城市能見(jiàn)度分布有明顯差異。

圖3 珠三角各市的能見(jiàn)度風(fēng)玫瑰圖

從圖3可以看出，深圳西北風(fēng)時(shí)容易出現(xiàn)低能見(jiàn)度現(xiàn)象，且風(fēng)速越大能見(jiàn)度越低，這表明深圳的污染雖然受本地和外來(lái)源輸送共同影響，但外來(lái)源影響更大。外來(lái)源輸送主要來(lái)自于西北方向的東莞，從風(fēng)頻看，深圳每年出現(xiàn)西北風(fēng)的頻率是極小的。東莞和惠州的低能見(jiàn)度現(xiàn)象主要出現(xiàn)在偏東風(fēng)、局地風(fēng)速＜1 m／s的情況下，這表明這兩個(gè)城市的污染均以本地排放為主，從風(fēng)頻看東莞和惠州出現(xiàn)偏東風(fēng)的頻率是較大的，尤其是東莞的盛行風(fēng)向是偏東風(fēng)。與深圳類(lèi)似，中山也是在西北風(fēng)時(shí)易出低能見(jiàn)度現(xiàn)象，但能見(jiàn)度低值區(qū)出現(xiàn)在風(fēng)速較小時(shí)（＜2 m／s），表明中山的污染以本地排放為主，且每年出現(xiàn)西北風(fēng)的頻率是極小的。

佛山在風(fēng)速＜1 m／s時(shí)，所有風(fēng)向都易出現(xiàn)低能見(jiàn)度現(xiàn)象，當(dāng)風(fēng)速增大到2～3 m／s時(shí)，低能見(jiàn)度主要出現(xiàn)在西北和偏東方向，這表明佛山的低能見(jiàn)度現(xiàn)象受本地排放和外來(lái)源輸送共同影響，其中外來(lái)源輸送主要來(lái)自于佛山的西北和偏東方向（即肇慶和廣州）。值得注意的是，廣州的低能見(jiàn)度現(xiàn)象主要出現(xiàn)在偏東風(fēng)、風(fēng)速＜2 m／s時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)偏西風(fēng)時(shí)低能見(jiàn)度不明顯，這表明廣州的污染以本地排放為主。同樣的情況也適用于肇慶，污染主要以本地排放為主，出現(xiàn)污染時(shí)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)、偏西風(fēng)和弱的西北風(fēng)。與佛山類(lèi)似，江門(mén)污染受本地排放和外來(lái)源輸送共同影響，江門(mén)的外來(lái)輸送主要來(lái)自于東北方向（佛山），且東北風(fēng)是其盛行風(fēng)向。珠海低能見(jiàn)度現(xiàn)象易出現(xiàn)在風(fēng)速＜2 m／s時(shí)，污染以本地排放為主。

2.4 2018年1月20—23日區(qū)域性霾過(guò)程分析

2018年1月20—23日珠三角出現(xiàn)一次中度局部重度的霾污染過(guò)程（圖4），區(qū)域日平均能見(jiàn)度最低達(dá)到4.6 km，過(guò)程污染最嚴(yán)重出現(xiàn)在21—22日，期間肇慶、江門(mén)、廣州等城市日均能見(jiàn)度接近2 km，24日起能見(jiàn)度自南向北逐漸好轉(zhuǎn)，污染過(guò)程結(jié)束。

圖5給出了霾污染過(guò)程前后、污染期間的地面10 m風(fēng)場(chǎng)逐日變化。這是一次典型的冷空氣影響過(guò)后，地面高壓脊變性過(guò)程中出現(xiàn)的污染天氣。1月20日地面吹偏東到東北風(fēng)，低能見(jiàn)度最明顯的區(qū)域（2～4 km）為江門(mén)和佛山西部，結(jié)合圖3江門(mén)風(fēng)玫瑰圖可知，江門(mén)污染受本地排放和外來(lái)源輸送共同影響，江門(mén)的外來(lái)輸送主要來(lái)自于東北方向（佛山）；21日珠三角北部有弱的地面輻合線，擴(kuò)散條件明顯轉(zhuǎn)差，有利于本地污染物的積累，因此低能見(jiàn)度現(xiàn)象主要出現(xiàn)在地面輻合線附近區(qū)域（肇慶和廣州），從肇慶風(fēng)玫瑰圖可知，肇慶污染主要以本地排放為主，當(dāng)盛行弱的西北風(fēng)時(shí)容易出現(xiàn)本地污染；22—23日地面吹東北風(fēng)，低能見(jiàn)度區(qū)域向南轉(zhuǎn)移，低能見(jiàn)度最明顯的地區(qū)為江門(mén)，前期污染較明顯的肇慶和廣州能見(jiàn)度逐漸好轉(zhuǎn)；24日地面轉(zhuǎn)東南風(fēng)，風(fēng)速明顯加大，珠三角大部能見(jiàn)度明顯轉(zhuǎn)好，污染過(guò)程趨于結(jié)束，此時(shí)低能見(jiàn)度現(xiàn)象主要集中在肇慶，這與肇慶的風(fēng)玫瑰圖結(jié)果一致，當(dāng)出現(xiàn)東南風(fēng)時(shí)，肇慶易出現(xiàn)污染。

3 結(jié)論

1）珠江三角洲區(qū)域年平均霾日在2001—2007年呈逐年波動(dòng)增加趨勢(shì)，年增長(zhǎng)速率為5.1 d／年；2008年起年平均霾日以3.4 d／年的速率下降，并在2018年達(dá)到最低值29 d。

2）霾日呈明顯的月變化特征，霾日的月極大值主要出現(xiàn)在10、11、12月和次年的1月，月極小值出現(xiàn)在6和7月；干季出現(xiàn)霾日的天數(shù)遠(yuǎn)大于濕季。

3）珠江三角洲城市間污染輸送影響明顯。佛山、江門(mén)的低能見(jiàn)度現(xiàn)象受本地排放和外來(lái)源輸送共同影響，其中佛山的外來(lái)源輸送主要來(lái)自于西北和偏東方向（肇慶和廣州），江門(mén)的外來(lái)輸送主要來(lái)自于東北方向（佛山）；惠州、東莞、中山、肇慶、珠海和廣州主要受本地排放影響；深圳主要受外來(lái)源輸送影響。

4）對(duì)2018年1月20—23日一次冷空氣影響過(guò)后的霾污染過(guò)程分析表明，地面盛行東北風(fēng)時(shí)低能見(jiàn)度最明顯的區(qū)域?yàn)榻T(mén)和佛山西部；地面吹東南風(fēng)時(shí)珠三角大部能見(jiàn)度好轉(zhuǎn)，低能見(jiàn)度現(xiàn)象主要集中在肇慶，這與珠三角各市的能見(jiàn)度風(fēng)玫瑰圖結(jié)果較為一致。

圖4 2018年1月20—24日珠三角能見(jiàn)度日均值的分布（單位：km）

圖5 2018年1月20—24日14：00地面10 m風(fēng)場(chǎng)（單位：m／s）