揚(yáng)州市一次持續(xù)霾天氣的診斷分析

吳瓊　程遠(yuǎn)　張麗婷　夏露　汪嬋娟

摘 要：利用環(huán)保監(jiān)測站數(shù)據(jù)和能見度自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)，對(duì)2017年12月?lián)P州市一次持續(xù)霾天氣進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，此次持續(xù)霾天氣是在重污染、高AQI值背景下產(chǎn)生的，本地污染物有一定的作用。利用NECP再分析數(shù)據(jù)分析天氣尺度背景發(fā)現(xiàn)，高低空均為不利于污染物擴(kuò)散和稀釋的天氣類型，長時(shí)間維持風(fēng)速較小或者靜風(fēng)的狀態(tài)，導(dǎo)致污染物的持續(xù)積累和霾的形成與發(fā)展。利用ECMWF的ERA-Daily再分析資料診斷邊界層氣象要素，發(fā)現(xiàn)大氣擴(kuò)散能力較差，風(fēng)速偏小，逆溫層的存在均有利于污染物在低層的積累，近地面風(fēng)向和風(fēng)力的變化是霾結(jié)束的重要原因。通過HYSPLIT模式模擬不同高度層氣團(tuán)后向軌跡后發(fā)現(xiàn)，污染物隨冷空氣經(jīng)西北路徑自北向南輸送，外界污染源主要是中低層的污染物輸送與沉降帶來的。

關(guān)鍵詞：持續(xù)霾;邊界層要素;逆溫;污染輸送;HYSPLIT模式

中圖分類號(hào) P427.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）08-0151-05

Abstract： Based on data from environmental monitoring stations and automatic visibility observations， a continuous haze weather in Yangzhou from December 29，2017 to January 1，2018 was studied in this paper. It was found that the continuous haze weather was generated under the background of heavy pollution and high AQI value. There was a certain relation to the large-scale road infrastructure and the emissions of chemicals， tail gas， etc. in Yangzhou. The NCEP reanalysis data was used to analyze the weather scale background of the continuous haze process， it was found that either the middle and high altitude or the ground field was the weather type which was not conducive to the diffusion and dilution of pollutants. The small wind speed or a static wind for a long time led to the continuous accumulation of pollutants and the formation and sustainable development of haze weather. This paper also used the ERA-Daily reanalysis data from ECMWF to diagnose the meteorological elements of the boundary layer， and it was found that the atmospheric diffusion capacity was poor， the wind speed was small， and the existence of the inversion layer were beneficial to the accumulation of pollutants in the lower layer and the formation and continuity of the haze， while the change of the wind direction in the near ground and the increase of the wind speed were important reasons for the end of this continuous haze. The HYSPLIT model was used to simulate the back trajectory of the air masses in this continuous haze process in different height layers and found that the pollutants were transported fron north to south through the northwest path， which had the same path as the cold air. The external pollution sources that affect the continuous haze in Yangzhou were mainly caused by the transport and settlement of pollutants in the lower and middle levels.

Key words： Continuous hazes; Boundary layer elements; Inverse temperature; Pollution transmission; HYSPLIT mode

在氣象觀測中，將能見度小于10km，排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙，在相對(duì)濕度低于80%時(shí)，判別為霾。根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中能見度（V，單位km）的不同，將霾分為：輕微霾（5.0≤V<10.0）、輕度霾（3.0≤V<5.0）、中度霾（2.0≤V<3.0）、重度霾（V<2.0）。中國氣象局在2013年1月將PM2.5的濃度作為發(fā)布霾預(yù)警信號(hào)的重要指標(biāo)之一，環(huán)保部門也將包含PM2.5濃度變化的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）作為大氣污染的指標(biāo)。

霾的形成與氣象條件和大氣中高濃度的細(xì)粒子有關(guān)[1-4]，較低的風(fēng)速，較高的相對(duì)濕度以及穩(wěn)定的邊界層條件等均有利于大氣中氣溶膠的生成、增長和累積，導(dǎo)致能見度下降和重污染的持續(xù)以及霾的維持。

眾多學(xué)者在對(duì)中國地區(qū)霾的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究分析后發(fā)現(xiàn)，霾日數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。吳兌等[5]對(duì)1951—2005年中國地區(qū)霾的時(shí)間和空間分布特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)1980s后霾出現(xiàn)的天數(shù)明顯增多;CHE等[6]對(duì)中國31個(gè)省會(huì)城市1981—2005年的灰霾變化趨勢分析后發(fā)現(xiàn)，中國東部和東南部城市的灰霾天數(shù)明顯增多。曹劍秋等[7]對(duì)江蘇省2007—2013年的霧、霾日數(shù)氣候特征和霾天氣發(fā)生時(shí)的主要?dú)庀笠貓鎏卣鬟M(jìn)行了研究，結(jié)果表明，霾日數(shù)分布由南向北逐漸遞減，并逐年增長，其中夏季霾日數(shù)最少。

許多專家學(xué)者對(duì)霾的成因進(jìn)行了多角度的分析[8-10]，污染源是造成空氣污染的根本原因，大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散能力是空氣污染的直接誘因?？諝馕廴疚锏木奂由嫌欣臍庀髼l件，共同形成了霧霾天氣，在相對(duì)濕度大且靜風(fēng)，大氣對(duì)流較少時(shí)，大氣相對(duì)較為穩(wěn)定，污染物很難進(jìn)行擴(kuò)散，從而導(dǎo)致了污染物濃度的升高，更容易產(chǎn)生霧霾[11]。楊雪艷等[12]從環(huán)流形勢、邊界層風(fēng)速、逆溫強(qiáng)度、濕度垂直分布特征、混合層高度、通風(fēng)系數(shù)等方面分析了長春市一次持續(xù)霾天氣的氣象條件，發(fā)現(xiàn)在高空不斷有弱槽擾動(dòng)、冷空氣總體較弱的天氣背景下，大氣邊界層逆溫強(qiáng)、風(fēng)速偏小，大氣水平擴(kuò)散能力和垂直交換能力弱，共同引發(fā)了該次持續(xù)霾。

本研究針對(duì)2017年12月29日至2018年1月1日發(fā)生在揚(yáng)州市的一次持續(xù)霾天氣過程，從環(huán)流背景、邊界層氣象條件、污染物的輸送等方面進(jìn)行了診斷分析，探討此次持續(xù)霾天氣發(fā)生的原因。

1 資料與方法

利用揚(yáng)州境內(nèi)環(huán)保監(jiān)測站數(shù)據(jù)對(duì)污染物的變化趨勢進(jìn)行分析，用能見度自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)分析揚(yáng)州能見度走勢。利用NECP分辨率為1°×1°的再分析數(shù)據(jù)對(duì)高空環(huán)流和地面形勢進(jìn)行分析。利用ERA Interim Daily分辨率為0.5°×0.5°的數(shù)據(jù)對(duì)邊界層氣象要素（風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、溫度）的演變進(jìn)行分析，并探討邊界層氣象要素與霾的形成和維持之間的聯(lián)系。利用HYSPLIT-4拉格朗日混合單粒子軌跡模型追溯持續(xù)霾日期間污染物的來源與走向。

2 霾天氣過程介紹

2017年12月29日至2018年1月1日，受不利氣象條件的影響，江蘇大部分地區(qū)自西北向東南出現(xiàn)了連續(xù)的霾天氣，其中，31日早晨江蘇中部地區(qū)出現(xiàn)了區(qū)域性強(qiáng)濃霧天氣。根據(jù)揚(yáng)州能見度儀逐小時(shí)數(shù)據(jù)來看（圖1），29—31日，揚(yáng)州的能見度基本處于2000m以下，出現(xiàn)了連續(xù)的霾天氣，并在夜間濕度較大時(shí)出現(xiàn)了霧霾混合的天氣。其中，夜間能見度降至1000m以下，部分時(shí)段低于500m，1日后期污染物擴(kuò)散氣象條件有所轉(zhuǎn)好，能見度逐步回升，持續(xù)霾天氣結(jié)束。

從AQI的數(shù)據(jù)來看（表1），揚(yáng)州市2017年12月29日至2018年1月1日，污染程度不斷加重，30日起，AQI值大于150，達(dá)到中度及以上的污染級(jí)別，在12月31日和1月1日前期較為嚴(yán)重，AQI值大于200，空氣質(zhì)量等級(jí)為5級(jí)，均達(dá)到了重度污染的標(biāo)準(zhǔn)。而這幾日的首要污染物均是PM2.5，污染物濃度也是逐日遞增。

根據(jù)環(huán)境監(jiān)測站PM2.5和PM10的數(shù)據(jù)（圖2），分析其逐小時(shí)變化可以發(fā)現(xiàn)，PM2.5和PM10的走勢基本一致，PM10比PM2.5的濃度數(shù)值更大一些。在30日午后開始，PM2.5濃度均超過150μg/m3，30日夜間達(dá)到峰值，PM2.5濃度超過300μg/m3，31日夜間也在200μg/m3以上，1日午后PM2.5濃度開始下降，揚(yáng)州市的空氣質(zhì)量和能見度開始逐漸轉(zhuǎn)好。

出現(xiàn)連續(xù)霧霾期間，PM2.5和PM10濃度的峰值時(shí)段基本都出現(xiàn)在夜間至中午，其一方面與揚(yáng)州大規(guī)模的道路基建有一定關(guān)系，另一方面，夜間邊界層逆溫的存在抑制了污染物輸送，且相對(duì)濕度在夜間較白天更高，風(fēng)速小，增加了顆粒物的濃度。對(duì)比氣態(tài)污染物（SO2、NO2、CO和O3等）的逐小時(shí)變化圖（圖略）顯示出在每日8—17時(shí)出現(xiàn)峰段，考慮與人類活動(dòng)（尾氣、工業(yè)排放等）有關(guān)。因此，本次揚(yáng)州地區(qū)的持續(xù)霾，本地的污染物也起到了一定的作用。

3 診斷分析

3.1 高空環(huán)流與地面天氣形勢 天氣形勢決定了氣象要素的分布和變化，繼而決定了大氣的擴(kuò)散能力與大氣的穩(wěn)定程度以及污染物與霾的空間分布和區(qū)域性[13]。從500hPa環(huán)流來看（圖3a～d），2017年12月29日至2018年1月1日，揚(yáng)州29日處于高壓脊前，當(dāng)暖高壓脊東移時(shí)，揚(yáng)州處于暖空氣的影響下，當(dāng)中高層低渦槽東移，前期帶來了弱降水，后期揚(yáng)州受槽后弱冷空氣的影響，整個(gè)過程中低層層結(jié)較穩(wěn)定，湍流弱，槽后冷空氣的偏弱，對(duì)污染物肅清效果差。從低空850hPa高度場和地面氣壓場上看（圖3e～f），29—30日西路冷空氣擴(kuò)散南下，但冷空氣強(qiáng)度弱，等壓線不密集，風(fēng)力較小，31日處于弱高壓控制中，1日位于高壓后部，過程中天氣相對(duì)靜穩(wěn)，不利擴(kuò)散，天氣形勢有利于污染物的積累和霾的形成與維持。

由此可見，此次持續(xù)霾天氣過程中，在中高空有低渦槽過境，槽后冷空氣偏弱，地面為不利于污染物擴(kuò)散和稀釋的天氣類型[14]，長時(shí)間維持風(fēng)速較小或者靜風(fēng)的狀態(tài)，是典型的靜穩(wěn)天氣，導(dǎo)致污染物的持續(xù)積累和霾天氣的形成與持續(xù)發(fā)展。

3.2 邊界層氣象要素演變特征 大氣對(duì)污染物的稀釋、擴(kuò)散能力與邊界層氣象要素的分布密切相關(guān)，如垂直速度和散度的垂直分布在一定程度上反映了垂直方向上污染物的擴(kuò)散條件好壞，逆溫層的存在阻礙了污染物向上的擴(kuò)散和清除，較弱的低層風(fēng)則不利于污染物的水平擴(kuò)散和清除。

圖4a是沿著（32.5°N，119.5°E）所作的垂直速度的時(shí)間-高度剖面圖。從圖4可以看出，在29日弱降水發(fā)生期間，揚(yáng)州低空為上升運(yùn)動(dòng)，而到了霾加重的30日以后，揚(yáng)州上空為弱的下沉運(yùn)動(dòng)，一方面垂直速度小，交換弱，抑制了污染物的垂直擴(kuò)散，另一方面也加強(qiáng)了近地面的逆溫層，有利于污染物在低層的聚集。從散度的垂直分布來看（圖4b），在前期西風(fēng)槽弱降水期間，低層輻合高層輻散，有上升運(yùn)動(dòng)，而在霧霾維持加強(qiáng)階段，揚(yáng)州上空中低層散度主要為正，以幅散下沉氣流為主，并且散度值偏小，交換弱。這種分布特點(diǎn)有利于揚(yáng)州地區(qū)霾的長時(shí)間維持發(fā)展。

通過前面分析可知，12月29日至1月1日，揚(yáng)州地區(qū)大多是被下沉氣流所控制，由于氣流下沉的增溫作用，極易出現(xiàn)逆溫層結(jié)。對(duì)12月29日至1月1日逐6h做溫度的垂直廓線可以看到（圖5），在700hPa以下均表現(xiàn)出明顯的逆溫層結(jié)，并且逆溫層的存在是持續(xù)的、多時(shí)次的。在逆溫存在時(shí)，大氣的層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定，從而抑制了大氣中的垂直運(yùn)動(dòng)和湍流交換，也阻礙了空氣中水汽、煙塵和其他污染物的垂直輸送[15]。因此，中低空長期穩(wěn)定存在的逆溫層有利于揚(yáng)州地區(qū)持續(xù)霾的發(fā)生發(fā)展。

風(fēng)場是邊界層內(nèi)影響污染物擴(kuò)散的重要?jiǎng)恿σ蛩刂?。從揚(yáng)州市上空風(fēng)的垂直剖面圖（圖6）來看，30—31日，中低層有弱冷空滲透，偏北風(fēng)推動(dòng)污染物南下，但是霧霾持續(xù)期間近地面的冷空氣較弱，偏北風(fēng)風(fēng)力較小，不利于污染物的疏散和清除。在30日夜間925hPa有短時(shí)間的偏北風(fēng)增強(qiáng)，但是一方面持續(xù)時(shí)間短，另一方面較大風(fēng)速仍然在較高層結(jié)，因此并不能有效地對(duì)污染物進(jìn)行清除。而在1月1日后期，近地面東南風(fēng)場逐漸增強(qiáng)，風(fēng)向的轉(zhuǎn)變使得揚(yáng)州地區(qū)的污染物不再是偏北風(fēng)帶來的污染物積聚的效果，而是較為潔凈的大氣對(duì)污染物進(jìn)行了一定的清除，且風(fēng)力的增大，使得清除的效果更好。

因此，在本次揚(yáng)州持續(xù)霾期間邊界層內(nèi)大氣擴(kuò)散能力較差，風(fēng)速偏小、逆溫層的存在，均有利于污染物在低層的積累和霾的形成。而近地面風(fēng)向的轉(zhuǎn)變和風(fēng)力的加大是本次持續(xù)霾結(jié)束的重要原因。

3.3 污染物輸送 本研究采用美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）開發(fā)的拉格朗日混合單粒子軌道模型（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model，簡稱HYSPLIT-4）追溯連續(xù)霧霾日期間氣團(tuán)的來源和走向。HYSPLIT是具有處理多種氣象輸入場、多種物理過程、不同類型排放源的較完整的輸送、擴(kuò)散和沉降的綜合模式系統(tǒng)，通常用來跟蹤氣流攜帶粒子或者氣體移動(dòng)的方向。

霾的發(fā)生除與本地污染源有關(guān)外，還可能與外來污染源有關(guān);而外來污染源與氣象條件、天氣系統(tǒng)等密切相關(guān)，在一定的天氣形勢下，外來污染物隨氣流不斷地輸送至本地，本文中連續(xù)霧霾就出現(xiàn)在冷空氣南下的天氣背景中。冷空氣南下，推動(dòng)北方的污染物也南下積聚，形成連續(xù)的霧霾過程。

本研究以揚(yáng)州為參考點(diǎn)，選取100m、1000m和3000m高度層計(jì)算后向軌跡，分析追蹤到達(dá)華東長江下游地區(qū)的氣團(tuán)過去72h的移動(dòng)路徑，從而初步分析影響揚(yáng)州的持續(xù)霧霾天氣的可能外來污染源路徑。在近地面100m高度上：28—31日，污染物經(jīng)由北方路徑移動(dòng)，經(jīng)蘇魯交界及冀魯豫交界向南傳至揚(yáng)州市，垂直方向上伸展較低;29—1日，通過內(nèi)蒙、河套自西北傳至揚(yáng)州市，垂直方向伸展至2km以上，并在傳播過程中不斷降低，有明顯的下沉。在1000m高度上：27—29日，路線較復(fù)雜從蘇浙交界經(jīng)蘇皖交界北上，再折回?fù)P州市;垂直高度在1000m以下;28—31日，自貝湖經(jīng)蒙古、河套至揚(yáng)州市，垂直方向上可伸展至5km以上，并在傳播過程中不斷降低，有明顯的下沉;29—1日，自新疆經(jīng)河套至揚(yáng)州市，可達(dá)3km。在3000m高度上：污染物經(jīng)由西北路徑移動(dòng)，和1000m高度的情況基本類似，但是中高空氣團(tuán)有上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)本次持續(xù)霾天氣的影響弱。

因此，不論是近地面還是中、高空，污染物經(jīng)西北路徑自北向南輸送。與冷空氣路徑一致，但造成本次揚(yáng)州地區(qū)持續(xù)霾天氣的主要是中低層的污染物輸送與沉降。

4 結(jié)論

（1）本次持續(xù)霾天氣是在重污染、高AQI值背景下產(chǎn)生的，PM2.5和PM10的走勢基本一致，峰值時(shí)段出現(xiàn)在夜間到中午，PM10比PM2.5更大一些。揚(yáng)州本地基建和化工、尾氣等的排放，對(duì)本次持續(xù)霾天氣的發(fā)生起到了一定的作用。

（2）中高空有低渦槽過境，槽后冷空氣偏弱，地面為不利于污染物擴(kuò)散和稀釋的天氣類型，長時(shí)間維持風(fēng)速較小或者靜風(fēng)的狀態(tài)，是典型的靜穩(wěn)天氣，導(dǎo)致污染物的持續(xù)積累和霾天氣的形成與持續(xù)發(fā)展。

（3）從本次持續(xù)霾期間邊界層氣象要素條件來看，大氣擴(kuò)散能力較差，風(fēng)速偏小、逆溫層的存在均有利于污染物在低層的積累和霾的形成。而近地面風(fēng)向的轉(zhuǎn)變和風(fēng)力的加大是本次持續(xù)霾結(jié)束的重要原因。

（4）通過HYSPLIT模式模擬本次持續(xù)霾過程的不同高度層（100m，1000m，3000m）氣團(tuán)后向軌跡后發(fā)現(xiàn)，不論是近地面還是低空，污染物經(jīng)西北路徑自北向南輸送，與冷空氣路徑一致。對(duì)揚(yáng)州地區(qū)持續(xù)霾天氣產(chǎn)生影響的外界污染源，主要是中低層的污染物輸送與沉降帶來的。

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（責(zé)編：張宏民）