冬季一次南支槽活動對川南城市群空氣重污染過程影響研究

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(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室,四川 成都 610225； 2.遵義院士工作中心，氣候環(huán)境與醫(yī)療康養(yǎng)重點實驗室，貴州 遵義 563000; 3.香港中文大學(xué)，環(huán)境、能源及可持續(xù)發(fā)展研究所，香港 999077)

引言

大氣污染會對相關(guān)居民健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響，其毒性作用機制也極為復(fù)雜[1-5]。近幾年中國大氣污染問題嚴(yán)重，已有多位學(xué)者對我國主要城市的污染狀況及其機制做了分析研究[6-10]。相比我國其他幾個重污染區(qū)，目前對四川盆地大氣污染的研究起步較晚、成果相對較少。有研究認(rèn)為盆地內(nèi)風(fēng)速弱、大氣層結(jié)穩(wěn)定以及相對濕度高，不利于大氣污染物的擴散[11-12]，還有研究探析了四川盆地內(nèi)單個城市大氣污染與氣象因子之間的關(guān)系[13-14]。林娜[15]總結(jié)了四川盆地地面污染物和邊界層污染物在盆地內(nèi)部輸送的3條路徑。郭曉梅等[16-17]探討了近 50 a 四川盆地大氣干消光系數(shù)、風(fēng)速、能源消耗和人口等因素與霾日數(shù)之間的關(guān)系，且進(jìn)一步討論了大地形作用對抑制污染物擴散的貢獻(xiàn)。寧貴財?shù)萚18-19]對四川盆地不同區(qū)域的大氣污染特征做了研究，并對四川盆地西北部低壓系統(tǒng)對冬季重污染的影響做了詳細(xì)的分析。還有許多學(xué)者從污染物化學(xué)成分、化學(xué)變化和污染物來源等方面也對四川盆地的大氣污染問題進(jìn)行了多維度的研究[20-24]。川南城市群是四川省第二大城市群，僅次于成都都市圈，其工業(yè)化和城市(群)化發(fā)展較快，其城市群污染也成為四川盆地較嚴(yán)重的地區(qū)之一。對于該區(qū)域，目前的研究主要總結(jié)了污染物的時空分布特征及其成因[25-28]。但是，對大尺度環(huán)流背景、來自于低緯度天氣系統(tǒng)(如南支槽等)的影響卻很少關(guān)注。另一方面，南支槽的活動對大氣環(huán)流、降水、強對流天氣都具有重要影響[29-32]。但是，關(guān)于南支槽對相關(guān)地區(qū)空氣污染潛勢影響的研究卻尚未見報道。因此，本文通過對川南城市群一次典型南支槽影響下所造成大氣重污染事件的深入研究，探析南支槽活動對川南地區(qū)重污染過程的影響，并著重研究其南支槽前西南暖氣流北上對此次重污染過程中局地低空大氣層結(jié)等氣象條件的影響，進(jìn)而探明川南城市群大氣重污染的氣象成因及其作用機制，有助于進(jìn)一步提高對川南城市群大氣污染的認(rèn)知，為其預(yù)報和防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

所用數(shù)據(jù)為2016年12月26日至2017年1月11日川南城市群(宜賓、自貢、瀘州、內(nèi)江、樂山)污染物濃度觀測數(shù)據(jù)，MICAPS常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，ECMWF的0.25 °×0.25 °逐6 h再分析數(shù)據(jù)。首先利用污染物濃度觀測數(shù)據(jù)對重度污染過程的污染物濃度變化進(jìn)行分析，了解重污染過程的加重和消散時段。之后利用MICAPS常規(guī)觀測資料和ECMWF再分析資料，對此次過程中氣象要素的變化進(jìn)行分析，討論天氣系統(tǒng)的變化和此次污染過程加重和消散的機制。文中主要對500 hPa、700 hPa、850 hPa的位勢場、溫度場、風(fēng)場進(jìn)行了分析，對風(fēng)、溫度、相對濕度做垂直剖面分析，利用MICAPS的24 h降水實況數(shù)據(jù)，分析降水的濕清除效果。

2 結(jié)果分析

2.1 重污染過程AQI日均值變化

根據(jù)AQI的日均值變化顯示(圖1)，此次重污染過程中，5個城市的AQI都從12月26日開始持續(xù)上升，峰值出現(xiàn)在1月4日或5日，之后開始緩慢下降，在1月7日之后迅速下降，5個城市AQI的變化具有很強的一致性。5個城市中，AQI日均值的最大值于2017年1月4日出現(xiàn)在宜賓市，達(dá)286。宜賓市的AQI日均值在5市中變化最大，其在2017年1月2日為5市中同日最低，而后又迅速上升，于1月4日達(dá)到5市最高。從重污染的強度和持續(xù)時間來看，5個城市的AQI日均值峰值都達(dá)到200以上的情況出現(xiàn)，其中自貢的污染狀況最嚴(yán)重，其次為瀘州，這兩個城市AQI超過200的持續(xù)時間都達(dá)到了7 d，內(nèi)江污染狀況最輕，僅有1 d的AQI日均值在200以上。

圖1 2016年12月26日至2017年1月11日川南城市群AQI日均值Fig.1 Variation of daily mean AQI from December 26,2016,to January 11,2017,in Southern Sichuan urban agglomeration

2.2 降水對污染物濃度的影響

降水產(chǎn)生的濕清除效果，對污染物濃度的變化十分重要，因此對于AQI的日均值變化需要根據(jù)降水實況做進(jìn)一步分析。根據(jù)2016年12月26日至2017年1月11日期間的24 h降水?dāng)?shù)據(jù)顯示(圖2)，在1月8—11日有較大范圍的降水，降水的主要城市為樂山、瀘州、內(nèi)江、自貢。宜賓市在12月31日至1月1日有少量降水，其中12月31日的24 h降水量為0.9 mm。

圖2 2016年12月26日至2017年1月11日川南城市群24 h累計降水量Fig.2 Variation of 24-h cumulative precipitation from December 26,2016,to January 11,2017,in Southern Sichuan urban agglomeration

結(jié)合AQI變化以及降水實況可以得出，12月26日的降水使污染物濃度處于低值(AQI日均值50)，之后污染物濃度持續(xù)上升。宜賓市在2016年12月31日、2017年1月1日有降水產(chǎn)生，因此可見在對應(yīng)時間內(nèi)僅宜賓市的AQI濃度有明顯下降。1月9—11日，發(fā)生大范圍長時間的降水，濕清除效果顯著，川南各市AQI日均值均降至50以下，僅樂山市略高(59)。川南城市群各市的污染物濃度在大范圍降水前(1月5—8日)已經(jīng)開始下降，具體原因有待對氣象場的變化做進(jìn)一步分析。

2.3 大氣環(huán)流形勢分析

根據(jù)500 hPa位勢場和風(fēng)場，在2016年12月28日08:00(北京時間，下同)之前，有一低槽處于四川盆地以西至孟加拉灣一帶，此時川南地區(qū)受平直西風(fēng)氣流控制。12月31日02:00，500 hPa有一低槽加強，為南支槽，位于印度東部，川南地區(qū)處于高空槽前脊區(qū)控制。受南支槽加強影響，南風(fēng)分量增加。南支槽在12月31日至1月1日期間略有減弱。1月2日08:00至5日08:00(圖3)，南支槽再次加強，向南加深并緩慢東移。之后南支槽逐漸減弱，在1月6日20:00，川南地區(qū)高空開始轉(zhuǎn)為平直西風(fēng)氣流控制。

圖3 2017年1月2日(a)、3日(b)、4日(c)、5日(d)08:00 的500 hPa等壓面位勢高度場、風(fēng)場分布Fig.3 Distribution of geopotential height field and wind field on 500 hPa at 08:00 on January 2 (a),3 (b),4 (c),and 5 (d),2017

川南地區(qū)處于高空南支槽前的時間主要是12月31日至1月6日，這段時間內(nèi)污染物濃度也最高，并且在南支槽減弱后，污染物濃度也開始有所下降。從風(fēng)場的情況看，在12月31日至1月5日期間川南地區(qū)主要受偏西南氣流控制，這與重度污染時間段較吻合，并且氣流偏南分量的減弱比南支槽的減弱稍早。因此認(rèn)為500 hPa上南支槽的活動對重污染加劇和維持起主要作用。

根據(jù)700 hPa環(huán)流形勢分析，川南地區(qū)也有低槽活動，污染加重期間該區(qū)域一直處于700 hPa槽前，低槽在2016年12月30日至2017年1月5日期間穩(wěn)定維持，之后有所減弱。根據(jù)上述期間700 hPa風(fēng)場(圖4)的分布，該時段內(nèi)川南地區(qū)主要受西南氣流控制。

結(jié)合700 hPa溫度場和風(fēng)場分析氣流的冷暖可知，12月29日至1月3日，川南地區(qū)主要受暖平流影響。1月3日14:00至4日20:00溫度場(圖5)表現(xiàn)為川南地區(qū)持續(xù)受暖中心控制。之后暖中心逐漸減弱南退離開川南地區(qū)，暖平流仍維持，但強度減弱。整體而言，500 hPa與700 hPa的表現(xiàn)較為一致。

分析850 hPa風(fēng)場和溫度場，在重污染過程中，川南地區(qū)變?yōu)槭芷媳睔饬鹘惶婵刂疲L(fēng)向變化頻繁且風(fēng)速小，沒有表現(xiàn)出顯著且長時間持續(xù)的風(fēng)場或溫度場特性。

位勢高度單位為dagpm圖4 2016年12月30日至2017年1月5日700 hPa平均位勢高度場、風(fēng)場Fig.4 Distribution of potential height field and wind field on 700 hPa averaged from December 30,2016,to January 5,2017

圖5 2017年1月3日14:00至4日20:00 的700 hPa平均溫度場Fig.5 Distribution of air temperature field on 700 hPa averaged from 14:00 on January 3 to 20:00 on January 4,2017

對于近地面風(fēng)場變化，12月26—28日，川南城市群以北和以南地區(qū)分別受偏南和偏東氣流控制，風(fēng)向輻散。從28日20:00開始，一直到1月6日(圖6)，川南城市群以北和以南地區(qū)，轉(zhuǎn)變?yōu)榉謩e受到偏北和偏南氣流控制，風(fēng)速小，但風(fēng)向輻合明顯，有利于污染物在川南城市群一帶聚集和累積。7日08:00之后，川南以北地區(qū)仍盛行偏北氣流，但其以南地區(qū)則由偏南氣流轉(zhuǎn)為偏北氣流，污染物的擴散條件改善。

圖6 2016年12月28日20:00至2017年1月6日20:0010 m高度風(fēng)場Fig.6 Distribution of 10-m wind field averaged from 20:00 on December 28,2016,to 20:00 on January 6,2017

索渺清和丁一匯[30]對冬半年副熱帶南支西風(fēng)槽結(jié)構(gòu)和演變特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為從氣候平均看，冬季水汽輸送較弱，上升運動淺薄，無強對流活動，南支槽前降水不明顯，雨區(qū)主要位于高原東南側(cè)昆明準(zhǔn)靜止鋒至華南一帶，且700 hPa南支槽前有干暖平流，槽后有冷濕平流輸送。南支槽前干暖平流有助于在高原東側(cè)冷墊上形成上干暖下冷濕的溫度結(jié)構(gòu)?？梢哉J(rèn)為，南支槽的活動有助于川南地區(qū)形成上干暖下冷濕的溫度結(jié)構(gòu)，利于逆溫的形成。上述分析結(jié)果也顯示，在重污染過程中，500 hPa的南支槽引導(dǎo)偏西南暖氣流控制川南地區(qū)對重污染的產(chǎn)生和維持起主要作用，同時配合700 hPa偏西南氣流，引導(dǎo)暖氣流促使中層大氣增暖，形成穩(wěn)定層結(jié)，阻止污染物擴散，導(dǎo)致污染物濃度持續(xù)增加。另一方面,在近地面南北兩支氣流輻合(具體表現(xiàn)為低風(fēng)速下的風(fēng)向輻合)，進(jìn)一步促進(jìn)污染物向川南地區(qū)輸送和堆積，使得污染加重。

2.4 氣象要素垂直分布

2.4.1 溫度垂直變化

溫度的垂直變化是判斷大氣層結(jié)穩(wěn)定狀況十分重要的依據(jù)之一。前面對環(huán)流的分析認(rèn)為，由于中高層偏西南氣流的影響，中高層大氣增溫，但具體變化需要根據(jù)溫度垂直分布做進(jìn)一步分析，因此，對重污染主要維持期間各市的溫度隨氣壓變化進(jìn)行比較(圖7)。川南地區(qū)各市均有不同強度的等溫或逆溫出現(xiàn)，其中瀘州市表現(xiàn)最強，出現(xiàn)等溫或逆溫的天數(shù)最多，樂山市表現(xiàn)最弱。從等溫或逆溫的底部高度來看，根據(jù)5個城市的表現(xiàn)，其下邊界最低達(dá)到950 hPa以下，出現(xiàn)在內(nèi)江和自貢，較高時也處于850 hPa附近，出現(xiàn)在樂山，極大地抑制了污染物的向上擴散。

另外選擇103°—106°E、28°—30°N范圍(該區(qū)域包括了川南城市群絕大部分區(qū)域，且范圍內(nèi)地形以平原為主)做溫度平均，分析等溫或逆溫控制川南城市群整體的主要時間。結(jié)果顯示，2017年1月1日以及1月3—4日(圖7f)，有逆溫出現(xiàn)。其中12月30—31日等溫或逆溫也有出現(xiàn)，但主要位于650 —750 hPa，位置較高，而1月1日和1月3—4日等溫層的下邊界位于900 hPa以下，上邊界則隨時間逐漸從700 hPa下降至850 hPa。關(guān)鍵由于等溫或逆溫層的下邊界保持較低的高度，且?guī)缀醺采w了川南城市群全域，嚴(yán)重限制了污染物的垂直擴散，污染物逐漸積累，加劇污染。

2.4.2 相對濕度

大氣濕度狀況對霾的形成和發(fā)展有重要影響。為分析重污染過程中相對濕度的變化及其對降水和氣溶膠的影響，做相對濕度區(qū)域平均(103°—106°E，28°—30°N)的時間剖面(圖8)。由圖8可見，2016年12月26—28日，空氣相對濕度較低，最大值出現(xiàn)在600 hPa，高濕度區(qū)的垂直范圍小。2016年12月29日至2017年1月7日，近地面相對濕度增加，一直維持在80%以上，范圍主要在800 hPa至近地面。由于高濕度區(qū)主要位于中低層，且相對濕度主要維持在80%—90%，在未形成降水的情況下，反而有利于氣溶膠的吸濕增長。2017年1月7—11日，高濕度區(qū)向中高層擴展，產(chǎn)生降水，達(dá)到濕清除。

圖7 2017年1月1—5日08:00樂山(a)、瀘州(b)、內(nèi)江(c)、宜賓(d)、自貢(e)和區(qū)域平均(103°—106°E，28°—30°N)(f)溫度隨氣壓變化Fig.7 Variation of air temperature against air pressure in Leshan (a),Luzhou (b),Neijiang (c),Yibin (d),Zigong (e),and that averaged in the region (103°-106°E,28°-30°N) (f) at 08:00 every day from January 1 to 5,2017

圖8 2016年12月26日08:00至2017年1月12日08:00區(qū)域平均(103°—106°E，28°—30°N)相對濕度的時間—氣壓剖面Fig.8 Time-pressure vertical crossing section of relative humidity averaged in the region (103°-106°E，28°-30°N) from 08:00 on December 26,2016,to 08:00 on January 12,2017

3 結(jié)論與討論

(1)川南城市群此次重污染過程的形成與南支槽活動密切相關(guān)。南支槽加強并引導(dǎo)其槽前西南干暖氣流北上，是導(dǎo)致重污染加劇并維持的主要原因。受槽前西南干暖氣流影響，在川南城市群上空形成低空等溫或逆溫層(下邊界最低到950 hPa)，嚴(yán)重限制了污染物的擴散，導(dǎo)致污染物逐漸堆積而形成重污染。因此，此次重污染過程中南支槽對靜穩(wěn)天氣的形成和加強，從而導(dǎo)致川南城市群污染物濃度快速升高，最終對形成重度污染起了關(guān)鍵性的作用。

(2)川南城市群上空的南北氣流交匯以及當(dāng)?shù)氐蛯哟髿獾母呦鄬穸?，促使重污染過程進(jìn)一步加劇。來自于北方的弱冷空與南支槽前西南干暖氣流在川南城市群上空交匯，氣流輻合，導(dǎo)致污染物也隨之在川南城市群輻合，進(jìn)一步加重了當(dāng)?shù)乜諝馕廴尽Ｅc此同時，低層空氣高相對濕度(未形成降水)引起的氣溶膠吸濕增長效應(yīng)，也對污染物濃度達(dá)到此次過程的峰值(AQI日均值為286)起了一定的作用。

(3)此次污染過程減弱至結(jié)束階段，源于南支槽減弱，川南城市群由偏南氣流轉(zhuǎn)為偏北氣流控制，當(dāng)?shù)啬鏈販p弱消失，當(dāng)?shù)仫L(fēng)向輻合減弱消失，隨之川南城市群上空三維大氣擴散能力增強，有助于大氣污染物快速稀釋擴散。因此在大范圍降水前，污染物濃度已經(jīng)開始下降。最后，降水所產(chǎn)生的濕清除效果，結(jié)束這次污染過程。

(4)川南城市群的此次空氣污染過程與我國其他區(qū)域的情況相似，均是在靜穩(wěn)天氣條件下污染物難以擴散、逐漸積累而產(chǎn)生的污染過程，最后以降水的濕清除而結(jié)束。所不同的是以往未受關(guān)注的南支槽，其從發(fā)展、加強、維持到減弱的過程對川南城市群上空靜穩(wěn)天氣的建立和破壞，進(jìn)而導(dǎo)致污染過程的形成、加強到減弱、結(jié)束，在時空上都表現(xiàn)出非常好的一致性。由此表明，冬季南支槽活動對川南城市群空氣質(zhì)量的影響至關(guān)重要。 由于本文就這一次典型污染個例的細(xì)致分析，對全面了解南支槽與川南城市群污染過程之間的內(nèi)在關(guān)系及其影響機制還有局限性，仍需要今后更多污染個例的綜合研究來對上述研究結(jié)論加以驗證，并逐步完善，從而為川南城市群地區(qū)空氣污染預(yù)報和防治提供強有力的科技支持。