貴港市污染天氣分型及污染氣象特征研究

許藝馨,何林宴,馮 磊

(1.廣西物流職業(yè)技術(shù)學院，廣西 貴港 537100 2.廣西壯族自治區(qū)貴港市氣象局，廣西 貴港 537100)

0 引言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，城市化背景下環(huán)境污染問題也日益加劇。近年來“霧霾”問題頻發(fā)，大氣污染問題也逐漸引起了國內(nèi)政府與學者的高度關(guān)注。追本溯源，“霧霾”天氣的形成，與大氣中各類顆粒物，尤其是PM2.5與PM10的含量有著直接聯(lián)系。大氣污染與天氣形勢密切相關(guān)，天氣尺度的時間內(nèi)，污染排放源一般相對穩(wěn)定，突發(fā)的污染事件和季節(jié)性污染特征往往就歸結(jié)為大氣輸送擴散條件[1-2]。由于不同季節(jié)污染天氣的氣象影響機制不同，因而探究不同天氣形勢下的大氣污染狀況特征尤為重要。程念亮[3]等將北京的重污染天氣按地面環(huán)流形勢分為高壓型、低壓型、均壓場型3類。江淑芬[4]等將深圳市不同污染狀況下的天氣系統(tǒng)分為了13種類型，并構(gòu)建天氣形勢預測模型；楊旭[5]等將京津冀地區(qū)冬半年污染狀況按地面形勢劃分為9類，天氣特征表現(xiàn)為高濕小風，混合層高度低。然而現(xiàn)階段研究的污染天氣分型的天氣學模型大多采用某個過程或者某個時次的資料畫天氣圖，缺乏長期資料和樣本，僅某個過程或某個時次的資料難以構(gòu)建代表性好和魯棒性強的天氣學模型。

現(xiàn)階段我國華南地區(qū)污染天氣分型結(jié)合大氣污染物濃度變化特征的研究相對較少。貴港市位于廣西桂東南的潯郁平原，地處北回歸線以南，能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主。水熱資源豐富，夏季高溫多雨，冬季干燥微寒。以貴港市為例對華南地區(qū)污染天氣的氣象影響機制進行研究，對污染天氣的環(huán)流形勢進行分型并構(gòu)建天氣學模型，以期為本地區(qū)污染天氣預報和預警提供參考指標，為相關(guān)部門開展大氣污染防治工作提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與概況

1.1數(shù)據(jù)來源

本文利用2015年1月1日—2018年12月31日的數(shù)據(jù)進行污染天氣分型研究。環(huán)境空氣質(zhì)量小時監(jiān)測數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)來自貴港市環(huán)境監(jiān)測中心，包括 SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM106種主要污染物和AQI共 7 項指標；再分析數(shù)據(jù)來自于歐洲數(shù)值預報中心(ECMWF)，包括高空、地面、物理量場資料，水平分辨率為 1.0°×1.0°(由于資料限制，地面相對濕度資料用1 000 hPa相對濕度代替)；地面氣象要素小時觀測數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)來自貴港市國家氣象觀測站，包括日雨量、平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、平均氣壓、最高氣壓、相對濕度、平均風速、最大風速、日照時數(shù)。

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095—2012)中的規(guī)定確定空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)和污染物項目濃度限值；并按照氣象上對四季的劃分，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

1.2 研究區(qū)域大氣污染概況

根據(jù)空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2015—2018年貴港市空氣優(yōu)良率為88.2%，一共發(fā)生了173 d輕度及以上的污染天氣，其中2015年污染天數(shù)45 d，2016年污染天數(shù)27 d，2017年污染天數(shù)55 d，2018年污染天數(shù)46 d，有先下降后反彈上升的趨勢。同時，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)中度污染以上的天數(shù)所占的百分比也呈先下降后增加的態(tài)勢，2015年為22.2%，2016 年下降到7.4%，而2017年和2018年又增加至 12.7%和13.1%。 由此可知，2015年空氣污染最嚴重，到了2016 年空氣污染緩解最明顯，但2017—2018年的空氣污染程度有反彈加重的跡象。

從圖1可得污染天氣的季節(jié)特征，污染天數(shù)在秋冬季出現(xiàn)最多，污染狀況在12月—次年2月顯得尤為突出，這是由于12月—次年2月為氣溫較低的冬季，工廠燃煤量和汽車尾氣都有所增加[6]。而春夏季的污染天數(shù)較少，可能與春夏季的污染源排放物減輕和氣象特征存在一定的關(guān)系。

PM2.5、PM10、O3均作為貴港市首要污染物出現(xiàn)，但PM2.5作為首要污染物的出現(xiàn)頻率遠高于O3和PM10(圖2)，PM2.5作為首要污染物集中發(fā)生在秋冬季，而O3作為首要污染物則主要出現(xiàn)在夏秋季，且O3作為首要污染物出現(xiàn)的頻率逐年增加。說明貴港地區(qū)的大氣污染已從傳統(tǒng)的細顆粒物(PM2.5)污染逐漸過渡為以高濃度 PM2. 5和 O3為特征的區(qū)域性復合大氣污染，這與當?shù)匚廴驹磁欧徘闆r、地理地形、氣象條件密切相關(guān)。

圖1 2015—2018年污染天數(shù)月變化Fig.1 Monthly change in pollution days from 2015 to 2018

圖2 2015—2018年貴港市首要污染物出現(xiàn)天數(shù)分布圖Fig.2 Distribution of the number of days of primary pollutants in Guigang City from 2015 to 2018

2 結(jié)果與分析

2.1 高空環(huán)流形勢分型

貴港市發(fā)生輕度污染以上的污染日中，500 hPa亞歐大陸的環(huán)流形勢可分為兩槽一脊型、一槽一脊型、副熱帶高壓型，其中，兩槽一脊發(fā)生在秋冬季的頻率最高，而副熱帶高壓常發(fā)生在夏秋季。

兩槽一脊型的污染一般出現(xiàn)在秋冬季，北半球冬季在中高緯度以極渦為中心環(huán)繞緯圈的西風環(huán)流，影響低緯度地區(qū)最主要的地面氣壓系統(tǒng)為亞洲冷高壓，在貴港地區(qū)高空盛行弱西北氣流，冷空氣未大舉南下時，天氣形勢穩(wěn)定，細顆粒污染物容易緩慢積累。

當冷空氣大舉南下時，兩槽一脊型自西向東發(fā)展，東亞大槽移入海面，經(jīng)歷一次新陳代謝，長波做了一次調(diào)整，變?yōu)橐徊垡患剐汀?/p>

副高控制型形成的污染一般出現(xiàn)在夏秋季，此類型的西太平洋副熱帶高壓588 gpm特征線強盛且穩(wěn)定，范圍大，呈東西帶狀分布，控制華南大部地區(qū)，脊線一般位于20°N附近[7]。貴港在此種類型下500～850 hPa為輻散區(qū)，氣流下沉，低層850 hPa以下為輻合區(qū)，有弱上升氣流，大多以晴朗天氣為主，地面溫度高，濕度低，日照時數(shù)多，氣壓梯度小，風速較弱，平均風速約為1 m/s，不利于污染物垂直對流活動，利于發(fā)生光化學反應造成臭氧超標。

2.2 地面環(huán)流形勢分型

根據(jù)貴港發(fā)生大氣污染時，影響地面的主要天氣系統(tǒng)，歸納出不利于污染物擴散和稀釋的地面環(huán)流形勢，分高壓型、低壓型、均勻場型3類。本研究中，高壓是指地面氣壓大于1 025 hPa所對應的等壓線包圍的區(qū)域；低壓是指地面氣壓小于1 015 hPa所對應的等壓線包圍的區(qū)域。

表1 污染天氣按地面環(huán)流形勢分型Tab.1 Classification of polluted weather according to the situation of ground circulation

2.2.1 冷高壓脊底部型 此類型一般出現(xiàn)在11月—次年2月，秋冬季貴港處于冷高壓底部的時間較多，因此造成此類污染天氣持續(xù)時間最長。500 hPa高度場合成圖上(圖3a)，東亞大陸分為一槽一脊，中緯度西風帶較平直，東亞大槽位于我國東部沿海，中低層受較弱的東南氣流控制，垂直速度為較小的負值，有輕微不明顯的上升運動，見圖3b。

當冷高壓主體從北方或西北方南下到達一定的緯度后穩(wěn)定少動，它的前方常以“擴散”形勢擴散出一股股冷空氣向偏南方向移動，在氣壓上表現(xiàn)為小的冷高壓或高壓脊[8]。圖3c的海平面氣壓圖上，冷高中心絕大多數(shù)位于90～110°E(貝加爾湖以西)、42～52°N(內(nèi)蒙古以北)，少數(shù)位于110 °E以東；冷高中心強度多在1 030 hPa以上，只有少數(shù)在1 030 hPa以下，冷高脊線有明顯的南北向特征，南北氣壓梯度較大。包括貴港在內(nèi)的廣西地區(qū)處在貝加爾湖以西的高壓脊區(qū)底部，貴港地面氣壓在1 007.5～1 020 hPa之間，圖3d顯示地面吹東北風，不時還有干冷空氣南下補充。

此時又分兩種類型，一種是當貴港處于冷鋒前(例如2015年2月8日、18日)，空氣干暖，濕度較低，大氣層結(jié)穩(wěn)定，不利于污染物輸送和擴散。第二種是當?shù)孛驿h區(qū)南壓到桂南沿海(例如2016年2月19日)，貴港處在較穩(wěn)定的冷區(qū)，在近地面易形成上暖下冷逆溫層。由于受鋒面影響產(chǎn)生降水，使得近地面濕度大，當鋒面過境消失后，轉(zhuǎn)好天氣，晴朗少云，天氣靜穩(wěn)，使得清晨會出現(xiàn)輻射降溫，水汽凝結(jié)成霧、霧滴或小的水滴，有利于水溶性無機離子為硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽等細顆粒物吸濕增長和二次轉(zhuǎn)化，形成二次氣溶膠漂浮在低空中，并加重近地面細顆粒物污染程度。

需等到中等強度的冷空氣南下，地面偏北風加大到4 m/s及以上，尤其是強鋒面過境的幾個小時，水平擴散條件才能好轉(zhuǎn)，減弱或清除大氣污染。

圖3 冷高壓底部型天氣學模型(a)500 hPa高度場合成圖(單位：dagpm)；(b)850 hPa風場疊加垂直速度(填色)合成圖(單位：m/s,hPa/s)；(c)海平面氣壓場疊加相對濕度(填色)合成圖(單位：hPa,%)；(d)海平面風場疊加氣溫(填色)合成圖(單位：m/s，℃)Fig.3 Cold high pressure ridge bottom type weather model(a)500 hPa height situation graph (unit:dagpm);(b)850 hPa wind field superposition vertical velocity (colouring) Composite graph (unit:m/s,hPa/s);(c)Sea level pressure field superposition relative humidity (colouring) composite graph (unit:hPa,%);(d)Composite map of sea level wind field superimposed temperature (colouring) (unit:m/s,℃)

2.2.2 冷高壓控制型 圖4a的500 hPa等壓面圖可分析出東亞大槽移到東部沿海，往往有東北冷渦中心移入東北，東亞大槽發(fā)展得更強更深，氣流經(jīng)向度加大。貴港受500 hPa脊前西北氣流影響，圖4b顯示中低空(700～925 hPa)為弱的東風，出現(xiàn)持續(xù)下沉氣流，地面的水汽和塵埃不宜上升凝結(jié)。

冷高壓是指冷鋒后地面高壓，是冷高壓底部型的延續(xù)，大舉冷空氣南下，廣西從冷高壓底部變?yōu)槔涓邏嚎刂普急?4%，出現(xiàn)頻率不高。圖4c、4d地面形勢合成圖上看貴港地面受大范圍的高壓主體控制，反氣旋內(nèi)沒有鋒面，地面吹弱的偏北風或靜風，溫度平流不明顯，相對濕度在50%～60%左右。高壓控制下天氣晴朗，風速小。在夜間或者清晨有時會出現(xiàn)輻射霧，在日出后逐漸消散。反氣旋的外圍往往有鋒面存在，貴港若處在高壓邊緣部分上空且有鋒面逆溫，如果水汽較多時，低層容易出現(xiàn)微量降水、霧等現(xiàn)象，不利于污染物擴散稀釋，但在高層能見度很好，碧空無云，污染物停滯在低層。

圖4 冷高壓控制型天氣學模型(a)500 hPa高度場合成圖(單位：dagpm)；(b)850 hPa風場疊加垂直速度(填色)合成圖(單位：m/s,hPa/s)；(c)海平面氣壓場疊加相對濕度(填色)合成圖(單位：hPa,%)；(d)海平面風場疊加氣溫(填色)合成圖(單位：m/s，℃)Fig.4 Cold high pressure controlled weather model(a)500 hPa height situation graph (unit:dagpm);(b)850 hPa wind field superposition vertical velocity (colouring) Composite graph (unit:m/s,hPa/s);(c) Sea level pressure field superposition relative humidity (colouring) composite graph (unit:hPa,%);(d) Composite map of sea level wind field superimposed temperature (colouring) (unit:unit:m/s,℃)

2.2.3 冷高壓后部型 冷高壓后部型也是從冷高壓底部型演變而來，從冷高壓底部型過渡到冷高壓后部型的頻率為60%，此時亞歐大陸中緯度長波位置進行了一次調(diào)整，恢復平直的環(huán)流形勢。

500～700 hPa受偏西氣流控制(圖5a)，850～925 hPa轉(zhuǎn)為偏南暖濕氣流(圖5b)，從而造成近地面850 hPa以下為較弱的輻合上升運動。這種淺層上升運動可以使近地層的水汽向上輸送，對流層500～850 hPa存在弱輻散下沉運動，下沉運動阻止了近地面水汽向上輸送，污染物垂直輸送能力差，有利于底層水汽的積累和濕度增大，相對濕度有時達60%～70%以上，利于水溶性離子吸濕增長，造成細顆粒物濃度超標。

這類型的海平面等壓圖上(圖5c)貴港處在出海高壓主體的西南象限，高壓中心多數(shù)從長江中下游出海，氣壓場東高西低，氣壓梯度小，地面由偏北風轉(zhuǎn)為弱的偏東風(圖5d)，風速較小，氣溫逐漸回升，天氣形勢穩(wěn)定，大氣擴散條件差，此前環(huán)流形勢所積累的污染物無法稀釋、擴散。

圖5 冷高壓后部型天氣學模型(a)500 hPa高度場合成圖(單位：dagpm)；(b)850 hPa風場疊加垂直速度(填色)合成圖(單位：m/s,hPa/s)；(c)海平面氣壓場疊加相對濕度(填色)合成圖(單位：hPa,%)；(d)海平面風場疊加氣溫(填色)合成圖(單位：m/s，℃)Fig.5 Cold high pressure rear weather model(a)500 hPa height situation graph (unit:dagpm);(b)850 hPa wind field superposition vertical velocity (colouring) Composite graph (unit:m/s,hPa/s);(c)Sea level pressure field superposition relative humidity (colouring) composite graph (unit:hPa,%);(d)Composite map of sea level wind field superimposed temperature (colouring) (unit:m/s,℃)

2.2.4 西南暖低壓控制型 熱低壓是由于近地層空氣受熱不均而形成的，熱低壓最容易出現(xiàn)在盆地地區(qū)，西南暖低壓的發(fā)源地多在四川盆地，是淺薄而移動較慢的暖性低壓系統(tǒng)[9]。廣西由于地理位置緊靠云貴高原南麓，云貴高原對南下冷空氣起到阻擋和削弱作用，因而貴港春季、冬季易受西南暖低壓的影響，并且常常伴隨出現(xiàn)在冷高壓主體東移出海后，是由高壓后部演變而來的一種形勢，一般出現(xiàn)在一次污染過程的后期。

從圖6a高空圖上看，500 hPa和700 hPa貴港處于南支波動的偏西氣流中，850 hPa有強盛的西南暖濕氣流(圖6b)，給低層輸送源源不斷的水汽。

圖6c海平面氣壓圖上西南暖低壓生成并發(fā)展，加大東西兩側(cè)氣壓梯度力，地面氣壓呈現(xiàn)東高西低的形勢。地面低壓中心一般為1 010～1 012.5 hPa，隨著高空槽的引導氣流移動低壓中心擴大東伸到桂西或桂中。貴港處于西南暖低壓的外圍，受高壓后部影響慢慢減弱，受西南暖低壓系統(tǒng)影響增強。隨著時間推移，低壓中心強度也逐漸減弱，最后移出海面或者減弱消失。圖6d可反映出受西南暖低壓影響，氣旋環(huán)流導致地面偏南風加大，帶來的印度洋暖濕氣流增強，貴港地面東北風逐漸轉(zhuǎn)為東風或南風，氣溫回升，濕度增大，常常會出現(xiàn)90%的高濕區(qū)，溫度露點差減小，一般在3 ℃以下，稱為“回南天”，伴隨出現(xiàn)霧或微量降水?！盎啬咸臁笔俏廴疚锇l(fā)生的溫床[10]，水溶性離子吸濕增長，液滴分子凝結(jié)在水溶性離子表面非均相成核，成核之后的分子簇經(jīng)過初始增長和冷凝增長，迅速積累增多，進而可以作為云的凝結(jié)核，促進成云致雨。待850 hPa的南風逐漸增大，風速幾乎達到急流，帶來西南暖濕氣流增多，容易出現(xiàn)間歇性小雨使污染物濕沉降，大氣污染狀況快速好轉(zhuǎn)。

圖6 西南暖低壓型天氣學模型(a)500 hPa高度場合成圖(單位：dagpm);(b)850 hPa風場疊加垂直速度(填色)合成圖(單位：m/s,hPa/s);(c)海平面氣壓場疊加相對濕度(填色)合成圖(單位：hPa,%);(d)海平面風場疊加氣溫(填色)合成圖(單位：m/s，℃)Fig.6 Southwest warm and low pressure weather model (a)500 hPa height situation graph (unit:dagpm);(b)850 hPa wind field superposition vertical velocity (colouring) Composite graph (unit:m/s,hPa/s);(c) Sea level pressure field superposition relative humidity (colouring) composite graph (unit:hPa,%);(d)Composite map of sea level wind field superimposed temperature (colouring) (unit:m/s,℃)

2.2.5 熱帶氣旋外圍型 當臺風逐漸接近陸地時，大范圍下沉氣流會對陸地形成高壓均壓場，不利于大氣污染物的稀釋、清除和擴散[11-12]，Lee 等研究發(fā)現(xiàn)暖季 O3污染事件的發(fā)生通常與熱帶氣旋靠近有關(guān)[13]。此熱帶氣旋型常出現(xiàn)在7—10月，高空500 hPa可能疊加副熱帶高壓脊前偏北下沉氣流(圖7a)，其臺風中心氣流上升運動強盛，而外圍氣流處在較強的渦度正散度區(qū)和垂直速度下沉運動區(qū)(圖7b)，這種穩(wěn)定的大氣結(jié)構(gòu)是影響貴港地區(qū)產(chǎn)生臭氧超標的一種天氣形勢。熱帶氣旋在15°N以北、120°E以東的南海或西太平洋洋面生成后，在高空氣流引導下向西向北移動，貴港一般處在熱帶氣旋的外圍西北象限中(圖7c)，當熱帶氣旋路徑偏北，不在華南一帶登陸，移動方向往江浙一帶，此時高溫悶熱，常出現(xiàn)30 ℃以上高溫，見圖7d，紫外線充足，加劇光化學反應的速率，直到副高北抬，熱帶氣旋隨著高空引導氣流隨之北抬，方能結(jié)束污染天氣。

臭氧并非由人類活動直接排放出的污染物，而是由近地面排放的氮氧化合物(NOx)和揮發(fā)性有機化合物(VOCs)，在強烈的紫外光的條件下，發(fā)生一系列光化學鏈式反應而成的二次污染物[14]。因而高溫、低濕、小風、多日照的天氣是大氣光化學反應的能量驅(qū)動源。

圖7 熱帶氣旋型天氣學模型(a)500 hPa高度場合成圖(單位：dagpm);(b)850 hPa風場疊加垂直速度(填色)合成圖(單位：m/s,hPa/s);(c)海平面氣壓場疊加相對濕度(填色)合成圖(單位：hPa,%);(d)海平面風場疊加氣溫(填色)合成圖(單位：m/s，℃)Fig.7 Tropical cyclone weather model (a)500 hPa height situation graph (unit:dagpm);(b)850 hPa wind field superposition vertical velocity (colouring) Composite graph (unit:m/s,hPa/s);(c) Sea level pressure field superposition relative humidity (colouring) composite graph (unit:hPa,%);(d)Composite map of sea level wind field superimposed temperature (colouring) (unit:m/s,℃)

2.2.6 均壓場型 均壓場是造成貴港一年四季污染天氣時有發(fā)生的重要天氣環(huán)流形勢，圖8a的500 hPa形勢以緯向環(huán)流為主，受偏西氣流控制，中低層無明顯的上升運動和下沉運動(圖8b)。

地面關(guān)鍵區(qū)(20～30°N、100～120°E)沒有明顯的天氣系統(tǒng)影響，均壓場可分為兩類，當貴港地面均壓場內(nèi)氣壓≥1 015 hPa，50°N新疆北部—貝加爾南部存在強大的高壓主體(中心強度>1030 hPa)，且高壓中心穩(wěn)定少動，此時稱變性冷高壓內(nèi)的均壓場，一般出現(xiàn)在秋冬季。當?shù)孛婢鶋簣鰞?nèi)氣壓<1 015 hPa，蒙古地區(qū)或北方有強大的氣旋，并逐漸南壓，貴港處于氣旋底部，此時稱低壓底部均壓場，一般出現(xiàn)在春夏季。均壓場的特征是地面等壓線稀疏(圖8c)，氣壓梯度力小，地面風弱，風向不固定，常出現(xiàn)靜風，濕度處在高值區(qū)，大氣處于一種靜穩(wěn)的狀態(tài)。對近地層大氣污染物的擴散起著抑制作用，容易造成中度以上級別的污染，首要污染物通常為PM2.5或O3。待有新的天氣系統(tǒng)產(chǎn)生大氣擾動或帶來降水，才能清除污染。

2.3 按地面分型的大氣污染物變化特征

根據(jù)分析 2015—2018年的173個污染日樣本，按地面分型統(tǒng)計出不同的類型的污染等級天數(shù)，AQI和大氣污染物濃度(表2)，高壓型(冷高壓底部、冷高壓控制、冷高壓后部)占比最多，達到59.5%，一般出現(xiàn)在秋冬季和早春；低壓型(西南暖低壓、熱帶氣旋外圍)次之，達到23.1%，西南暖低壓出現(xiàn)在冬季和春季，熱帶氣旋外圍出現(xiàn)在夏秋季；均壓場最少，一年四季時有出現(xiàn)。

地面環(huán)流形勢細分為6種類型中，冷高壓底部造成的污染過程出現(xiàn)的天數(shù)最多(61 d)，并且持續(xù)時間長。冷高壓控制下的污染天數(shù)最少(9 d)，但在冷高壓控制下的空氣質(zhì)量最差(AQI為163)，PM2.5、PM10、SO2的日平均濃度皆排在各類型之首，PM2.5和PM10日平均濃度均超過環(huán)境空氣質(zhì)量濃度二級限值(PM2.5濃度二級限值為75 ug/m3，PM10濃度二級限值為150 ug/m3)，值得關(guān)注。受西南暖低壓影響下的空氣質(zhì)量狀況次嚴重(AQI為135)，PM2.5、PM10、SO2的平均濃度排在第二。而受熱帶氣旋影響下極容易造成區(qū)域性的光化學污染，O3-8 h日平均濃度超過環(huán)境空氣質(zhì)量濃度二級限值(160 ug/m3)。

圖8 均壓場型天氣學模型(a)500 hPa高度場合成圖(單位：dagpm);(b)850 hPa風場疊加垂直速度(填色)合成圖(單位：m/s,hPa/s);(c)海平面氣壓場疊加相對濕度(填色)合成圖(單位：hPa,%);(d)海平面風場疊加氣溫(填色)合成圖(單位：m/s，℃)Fig.8 Equal pressure field type weather model (a)500 hPa height situation graph (unit:dagpm);(b)850 hPa wind field superposition vertical velocity (colouring) Composite graph (unit:m/s,hPa/s); (c) Sea level pressure field superposition relative humidity (colouring) composite graph (unit:hPa,%);(d) Composite map of sea level wind field superimposed temperature (colouring) (unit:m/s,℃)

由于細顆粒物不易沉降，在大氣中停留的時間較長，傳輸距離較遠，從而細顆粒物造成的污染持續(xù)時間長[15]。而臭氧是不穩(wěn)定的物質(zhì)，會發(fā)生光分解，因此不容易積累，僅導致輕度污染。此外，受煙花爆竹燃放的影響，貴港市在傳統(tǒng)春節(jié)和一些節(jié)假日期間容易出現(xiàn)重度污染事件。

統(tǒng)計持續(xù)3 d及以上的污染過程(共22個過程)發(fā)現(xiàn)，15個過程以PM2.5作為首要污染物，5個過程以PM2.5與O3交替輪作首要污染物，僅2個過程以O3作為首要污染物。而處于污染過程后期的污染天氣類型以西南暖低壓控制(8次)最為頻繁，造成中度及以上污染等級的天數(shù)占總天數(shù)24%，對應的顆粒物平均濃度也較為嚴重。因此可認為，當污染天氣過程持續(xù)時間越長，污染物堆積越多，處于后期的天氣形勢出現(xiàn)中度及以上污染的概率大。

表2 各污染天氣類型的污染等級天數(shù)和大氣污染物濃度特征Tab.2 Characteristics of pollution degree days and atmospheric pollutant concentrations of various types of polluted weather

2.4 按地面分型的氣象要素變化特征

大氣污染是特定的環(huán)流形勢下高低層的物理量與地面氣象要素相互配合的產(chǎn)物。根據(jù)不同污染天氣類型在不同季節(jié)發(fā)生的頻率可知：氣壓高和多日照時，不利于污染物的稀釋和輸送。貴港市冬季常常為北方冷高壓控制下的靜穩(wěn)、小風天氣，弱北風為主，且水平氣壓梯度小，垂直大氣伴隨著弱的上升運動，阻止了近地面污染物水平和垂直擴散；春夏季處在低壓控制時，南風或靜風為主，高溫悶熱，日照時數(shù)多，紫外線充足，加劇光化學反應的速率，臭氧濃度容易升高，間接促進二次污染物濃度的增加。

污染物濃度與氣象要素的關(guān)系較復雜，天氣系統(tǒng)對污染物濃度的影響直接表現(xiàn)在氣象要素上，氣象要素除了直接影響污染物的濃度變化，還影響污染物前體物質(zhì)的二次轉(zhuǎn)化過程[16]。根據(jù)統(tǒng)計各污染天氣類型對應的地面氣象要素平均值(表3)，可知不同的天氣類型對污染物的生成轉(zhuǎn)化、擴散輸送的機制存在一定的差異，但也有一定的共性，它們出現(xiàn)時均會造成地區(qū)大氣穩(wěn)定度升高，水平和垂直擴散條件變差，地面氣象要素體現(xiàn)為日雨量皆為不超過5 mm的零星小雨，除熱帶氣旋外圍型之外，其余污染天氣類型平均氣溫不高(14.7～21.5 ℃)，地面平均風速較小(1.1～1.5 m/s)，相對濕度增加(59%～75%)，在此背景下，容易產(chǎn)生污染物的累積，出現(xiàn)污染天氣現(xiàn)象。

表3 2015—2018年各污染天氣類型氣象要素平均值Tab.3 Average Meteorological Elements of Various Polluted Weather Types in 2015—2018

3 結(jié)論

①污染天氣按高空(500 hPa)環(huán)流形勢可分為兩槽一脊型、一槽一脊型、副熱帶高壓型，其中，兩槽一脊發(fā)生在秋冬季的頻率最高，而副熱帶高壓常發(fā)生在夏秋季。

②污染天氣按地面環(huán)流形勢主要分為3大類型，高壓型占比最多(59.5%)，低壓類次之(23.1%)，均壓場最少。秋冬季高壓型是造成細顆粒污染物超標的主導，夏秋季的低壓型(熱帶氣旋)容易造成臭氧超標，均壓場中臭氧作為首要污染物的頻率僅次于低壓型(熱帶氣旋)。

③按地面環(huán)流形勢細分的6種類型中，冷高壓底部造成的污染過程出現(xiàn)的天數(shù)最多(61 d)，并且污染過程持續(xù)時間長；冷高壓控制下的污染天數(shù)最少(9 d)，但在冷高壓控制下的空氣質(zhì)量最差(AQI為163)，是造成顆粒物(PM2.5、PM10)超標的類型；受西南暖低壓影響下的空氣質(zhì)量狀況次嚴重(AQI為135)。

④大氣污染發(fā)生時環(huán)流形勢和氣象要素表現(xiàn)為大氣穩(wěn)定度升高，水平和垂直擴散條件變差，地面平均風速不超過1.5 m/s，相對濕度大于50%，日雨量皆為不超過5 mm的零星小雨。