基于衛(wèi)星遙感和地面觀測(cè)資料的汾渭平原一次空氣污染過(guò)程分析

高星星，桂海林，潘留杰，王 楠，王建鵬

（1.陜西省氣象臺(tái)，陜西 西安 710014；2.中國(guó)氣象局大氣化學(xué)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.國(guó)家氣象中心，北京 100081）

汾渭平原是黃河流域的汾河谷地、關(guān)中平原以及他們臺(tái)塬階地的統(tǒng)稱(chēng)，包括山西省的呂梁、晉中、運(yùn)城、臨汾，河南省的洛陽(yáng)、三門(mén)峽，陜西省的寶雞、楊凌示范區(qū)、西咸新區(qū)、咸陽(yáng)、西安、渭南、銅川，共11城2區(qū)。汾渭平原人口密度大，重化產(chǎn)業(yè)聚集，能源結(jié)構(gòu)偏煤，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重，運(yùn)輸結(jié)構(gòu)偏公路，污染物排放總量居高難下，再加上汾渭平原屬于河谷地帶，南面秦嶺，北接黃土高原，不利于污染物擴(kuò)散，該區(qū)域的大氣污染嚴(yán)重。為響應(yīng)并實(shí)現(xiàn)國(guó)務(wù)院《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》，就汾渭平原大氣污染防治措施提出有針對(duì)性的建議，亟需開(kāi)展汾渭平原大氣污染成因及對(duì)策方面的研究工作。

氣溶膠觀測(cè)資料主要來(lái)源于直接采樣分析和遙感。直接采樣分析主要包括地面、飛機(jī)、輪船和高空氣球探測(cè)。遙感包括地基和衛(wèi)星遙感，與直接采樣分析相比，遙感能夠長(zhǎng)時(shí)間地對(duì)氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。地基遙感氣溶膠觀測(cè)盡管能夠得到較為準(zhǔn)確的氣溶膠信息，在衛(wèi)星遙感和數(shù)值模式產(chǎn)品的驗(yàn)證和評(píng)估方面發(fā)揮著重要作用，然而迄今為止該種方法僅能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)觀測(cè)，不能大規(guī)模地獲取氣溶膠光學(xué)屬性。借助衛(wèi)星遙感能夠彌補(bǔ)該缺陷，能大范圍進(jìn)行全球全天候的無(wú)間斷觀測(cè)，因此衛(wèi)星遙感氣溶膠得到了推廣。被動(dòng)式遙感衛(wèi)星中分辨率成像光譜儀（Moderate -Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）能夠?qū)馊苣z的水平分布和傳輸有較好的觀測(cè)，但是無(wú)法提供氣溶膠垂直方向的信息。激光雷達(dá)遙感是主動(dòng)式遙感手段，云—?dú)馊苣z激光雷達(dá)和紅外探測(cè)者觀測(cè)衛(wèi)星（Cloud-Aerosols Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations，CA LIPSO）上搭載的正交偏振云和氣溶膠激光雷達(dá)（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization，CA LIOP）能夠以高分辨率觀測(cè)全球范圍內(nèi)云和氣溶膠的垂直分布。目前一些學(xué)者已將MODIS或CALIPSO衛(wèi)星資料用于對(duì)霾的觀測(cè)研究，如陳燁鑫等[1]、何月欣等[2]利用MODIS資料分別分析了蘇皖兩省和東北地區(qū)持續(xù)性的空氣污染過(guò)程的形成原因，許瀟鋒等[3]、高星星等[4-5]利用CALIPSO數(shù)據(jù)分析了空氣污染事件發(fā)生時(shí)我國(guó)華北區(qū)域氣溶膠垂直分布特征，于彩霞等[6]、鄭凱端等[7]基于CALIPSO資料對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)一次空氣污染過(guò)程的形成、特征及污染來(lái)源進(jìn)行了分析。然而將MODIS和CALIPSO衛(wèi)星資料聯(lián)合起來(lái)用于研究區(qū)域空氣污染過(guò)程的還很少，尤其是對(duì)汾渭平原地區(qū)。

2018年11月底至12月初，汾渭平原發(fā)生了一次持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣且污染程度重的空氣污染過(guò)程。本研究選取汾渭平原11個(gè)代表城市（西安、咸陽(yáng)、渭南、寶雞、銅川、呂梁、晉中、運(yùn)城、臨汾、洛陽(yáng)和三門(mén)峽），利用MODIS和CALIPSO衛(wèi)星遙感資料，同時(shí)結(jié)合地面環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)，全面剖析了汾渭平原此次典型空氣污染事件的污染特征及其成因，而且初步研究了地面至3 km的大氣層中氣溶膠顆粒物在垂直方向的分布情況以及主要的氣溶膠粒子類(lèi)型，繼而探討了導(dǎo)致這次空氣污染事件的可能原因以及顆粒物的所有可能來(lái)源，以期能對(duì)衛(wèi)星遙感資料在大氣污染事件方面的研究工作上的廣泛應(yīng)用和就大氣污染的防治工作和預(yù)報(bào)給出科學(xué)化的參考建議。

1 數(shù)據(jù)與方法

本研究所使用的AQI、細(xì)顆粒物（Fine Particulate Matter，PM2.5）、可吸入顆粒物（Inhalable Particulate Matter，PM10）、二氧化硫（Sulfur Dioxide，SO2）、一氧化碳（Carbon Monoxide，CO）、二氧化氮（Nitrogen Dioxide，NO2）、臭氧（Ozone，O3）逐小時(shí)質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站。能見(jiàn)度、相對(duì)濕度、天氣現(xiàn)象、風(fēng)速、風(fēng)向、海平面氣壓等地面氣象要素資料來(lái)自于氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)（Meteorological Information Combine Analysis and Process System，MICAPS），時(shí)間分辨率為1 h。

MODIS是搭載于Terra和Aqua衛(wèi)星上的一個(gè)重要傳感器。本文采用的是Terra探測(cè)衛(wèi)星2018年11月20日—12月7日31°～41°N，105°～117°E區(qū)域內(nèi)的大氣三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，具體產(chǎn)品包括日平均氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）資料，水平分辨率為1° × 1°[8]。

搭載于CALIPSO衛(wèi)星上的星載激光雷達(dá)CALIOP提供5個(gè)級(jí)別數(shù)據(jù)。該研究采用的資料主要有2018年11月26日—12月3日2級(jí)廓線(xiàn)產(chǎn)品中的532 nm消光系數(shù)、532 nm粒子退偏振比、1 064 nm后向散射系數(shù)、532 nm總后向散射系數(shù)以及 2級(jí)垂直特征層分布產(chǎn)品中的Feature_Classification_ Flags。色比是利用2級(jí)廓線(xiàn)產(chǎn)品中的1 064 nm后向散射系數(shù)和532 nm總后向散射系數(shù)相除得到的[9-10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染過(guò)程描述

2018年11月26日—12月3日，汾渭平原各代表城市AQI、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均超過(guò)污染限值100。本研究采用MICAPS地面能見(jiàn)度（Visibility，VIS）和相對(duì)濕度（Relative Humidity，RH）資料，按照中國(guó)氣象局最新發(fā)布的《霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)》[11]氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)篩選出2018年11月26日—12月3日期間11個(gè)代表城市霧霾日，觀測(cè)資料為每天02、08、14和20時(shí)BT（北京時(shí)間）觀測(cè)值，本研究規(guī)定，如果上述4個(gè)時(shí)刻中有超過(guò)一半時(shí)刻出現(xiàn)霾，那么認(rèn)為該天是霾天，如果上述4個(gè)時(shí)刻中有超過(guò)一半時(shí)間出現(xiàn)霧，那么認(rèn)為該天是霧天，如果上述4個(gè)時(shí)刻中霾和霧出現(xiàn)時(shí)刻各占一半，那么認(rèn)為該天為霧霾天。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2018年11月26日—12月3日11個(gè)代表城市出現(xiàn)霾天時(shí)間最多，為79.5%，出現(xiàn)霧天時(shí)間最少，為4.5%，霧霾天時(shí)間為12.5%。因此，初步認(rèn)為汾渭平原該次空氣污染過(guò)程是以霾為主的污染過(guò)程。

依據(jù)中國(guó)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》[12]中的要求：AQI可劃分為＞300、201～300、151～200、101～150、51～100和0～50六檔，依次對(duì)應(yīng)于空氣質(zhì)量嚴(yán)重、重度、中度、輕度、良和優(yōu)6個(gè)級(jí)別，AQI越大，級(jí)別越高，說(shuō)明空氣污染越嚴(yán)重。因此，本研究根據(jù)11月20日—12月7日AQI日平均值對(duì)各代表城市污染持續(xù)時(shí)間和空氣質(zhì)量級(jí)別做了統(tǒng)計(jì)（表1）。11個(gè)代表城市在11月20日—12月7日期間AQI值連續(xù)大于污染限值100的天數(shù)除呂梁（8 d）外，其余各代表城市均達(dá)10 d以上，西安、咸陽(yáng)和運(yùn)城污染持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，為14 d，其次是渭南和臨汾，為13 d。嚴(yán)重污染出現(xiàn)最多的是咸陽(yáng)，為4 d，重度污染出現(xiàn)最多的是洛陽(yáng)，為7 d。咸陽(yáng)、洛陽(yáng)大部分時(shí)間都處在重度污染、嚴(yán)重污染的狀態(tài)，西安、渭南、臨汾、運(yùn)城和三門(mén)峽有接近一半或一半時(shí)間處在重度污染、嚴(yán)重污染的狀態(tài)。西安、咸陽(yáng)、渭南污染最為嚴(yán)重，污染持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重污染天數(shù)均最多。11個(gè)城市中，銅川、呂梁和晉中污染持續(xù)時(shí)間相對(duì)最短，處于嚴(yán)重和重度污染狀態(tài)的天數(shù)均為0，因此污染相對(duì)較輕。中度、重度污染持續(xù)天數(shù)占總污染持續(xù)天數(shù)的百分比最高，為33.85%和28.46%，嚴(yán)重污染持續(xù)天數(shù)占總污染持續(xù)天數(shù)的百分比雖然是最低的，但也占到了10.00%。表1還按照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》[12]中給出的首要污染物定義對(duì)污染期間各代表城市的首要污染物做了統(tǒng)計(jì)。污染期間首要污染物為PM2.5和PM10，其中，首要污染物為PM2.5的天數(shù)占總污染持續(xù)天數(shù)的百分比與首要污染物為PM10的天數(shù)占總污染持續(xù)天數(shù)的百分比分別為46.92%和53.08%。污染持續(xù)期間，西安、咸陽(yáng)、寶雞、渭南、銅川和呂梁首要污染物為PM10的天數(shù)大于首要污染物為PM2.5的天數(shù)，臨汾、運(yùn)城和洛陽(yáng)相反，晉中和三門(mén)峽首要污染物為PM10的天數(shù)等于首要污染物為PM2.5的天數(shù)。

表1 2018年11月20日—12月7日各代表城市空氣質(zhì)量級(jí)別及首要污染物統(tǒng)計(jì)結(jié)果 d

2.2 污染期間AQI、PM2.5濃度、PM10濃度和AOD時(shí)空分布特征

11個(gè)代表城市AQI在污染期間均接近或超過(guò)污染限值100（圖1）。從21日開(kāi)始，各代表城市AQI值均呈快速上升趨勢(shì)，到26日，11個(gè)代表城市AQI值均已超過(guò)100，且銅川、呂梁、晉中、臨汾分別達(dá)到各自第一個(gè)峰值，分別為179、182、183、220。27日，寶雞、運(yùn)城和洛陽(yáng)也分別達(dá)到各自第一個(gè)峰值，均為重度污染，其中以西安、咸陽(yáng)、渭南和三門(mén)峽的AQI分別達(dá)到425、442、432和380最為嚴(yán)重。通過(guò)將各代表城市空氣污染物濃度峰值分別與其非污染過(guò)程期間的本底值（21日）比較，發(fā)現(xiàn)西安、咸陽(yáng)、渭南、三門(mén)峽增幅最多，說(shuō)明了該次空氣污染事件可能是由于從西北往東南傳輸顆粒物在與途徑城市空氣污染物混合之后，在汾渭平原累積而造成。之后各代表城市AQI經(jīng)歷了先下降后上升趨勢(shì)，但期間依舊維持在污染限值100之上。12月1日，臨汾、運(yùn)城、三門(mén)峽和洛陽(yáng)分別達(dá)到各自第二個(gè)峰值，分別為291、238、290和255，均為重度污染。2日，銅川、呂梁和晉中也分別達(dá)到各自第二個(gè)峰值，依次為175、178和200，均為中度污染。3日，西安、咸陽(yáng)、寶雞和渭南分別達(dá)到461、500、500和348，均為嚴(yán)重污染。4—6日，各城市AQI均陸續(xù)恢復(fù)正常水平。此外，圖中AOD、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度日變化趨勢(shì)與AQI日變化趨勢(shì)相似，說(shuō)明AOD能較好地反映出此次空氣污染過(guò)程。

AQI區(qū)域平均值為224，為重度污染，PM2.5濃度、PM10濃度和AOD區(qū)域平均值依次為129 μg/m3、321 μg/m3和0.37。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均較高，說(shuō)明此次空氣污染過(guò)程粗細(xì)顆粒物共存，為是沙塵和霾的混合污染。AQI最大均值（316）出現(xiàn)在咸陽(yáng)，為嚴(yán)重污染，其次是西安和渭南、呂梁、銅川、運(yùn)城、晉中、洛陽(yáng)和寶雞，均為重度污染，最小均值（141）出現(xiàn)在三門(mén)峽，為輕度污染（圖2）。各代表城市此次污染過(guò)程AQI均值均超過(guò)他們?cè)?018年11—12月期間AQI月均值。咸陽(yáng)、西安、渭南、運(yùn)城、寶雞2018年11—12月AQI平均值分別為150、135、131、117和110，均為輕度污染。呂梁、銅川、晉中、洛陽(yáng)、三門(mén)峽2018年11—12月AQI平均值分別為90、96、100、89、76，均為良。PM2.5、PM10和AOD空間分布情況與AQI空間分布情況基本一致，在關(guān)中地區(qū)污染最為嚴(yán)重，尤其是咸陽(yáng)、西安和渭南。

圖3為利用2018年11月20日—12月7日汾渭平原11個(gè)代表城市共60個(gè)地面環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的AQI、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度觀測(cè)值、與地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)最近的MODIS數(shù)據(jù)點(diǎn)位上的AOD值進(jìn)行相關(guān)性分析的散點(diǎn)分布圖。結(jié)果顯示，MODIS衛(wèi)星反演所得AOD與AQI、PM2.5濃度和PM10濃度地面觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)分別為0.52、0.48和0.52，且均通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。此結(jié)論表明，MODIS衛(wèi)星觀測(cè)的大氣氣溶膠產(chǎn)品將在空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面得到更廣泛的應(yīng)用，從而彌補(bǔ)地面空氣質(zhì)量自動(dòng)觀測(cè)站的一些缺點(diǎn)。

圖1 2018年11月20日—12月7日AQI、PM2.5、PM10和AOD逐日變化

2.3 氣溶膠垂直分布特征

目前，氣溶膠垂直分布是評(píng)價(jià)其輻射強(qiáng)迫和氣候環(huán)境影響需要重點(diǎn)考慮的諸多因素之一。在諸多影響觀察者視程的因素中，氣溶膠粒子對(duì)太陽(yáng)輻射的消光被視為是影響大氣能見(jiàn)度的關(guān)鍵因素，研究氣溶膠粒徑大小和形狀，對(duì)其光學(xué)屬性的分析來(lái)說(shuō)非常重要。因此，本文利用CALIPSO衛(wèi)星遙感資料，針對(duì)汾渭平原此次空氣污染過(guò)程中氣溶膠粒徑和形狀在垂直方向的分布情況進(jìn)行研究，并分析主要?dú)馊苣z粒子類(lèi)型。

圖2 2018年11月26日—12月3日汾渭平原AQI（a）、PM2.5（b）、PM10（c）和AOD（d）均值空間分布

圖3 2018年11月20日—12月7日汾渭平原地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)AQI（a）、PM2.5（b）、PM10（c）值與MODIS AOD相關(guān)性散點(diǎn)分布

剔除掉缺測(cè)、衛(wèi)星不過(guò)境研究區(qū)域以及研究區(qū)域上空有云覆蓋等質(zhì)量不合格的資料，同時(shí)考慮到夜間大氣邊界層高度一般比較低，垂直擴(kuò)散條件差，從而導(dǎo)致夜間污染加劇，因此，僅挑選衛(wèi)星過(guò)境汾渭平原和其附近地區(qū)的夜間資料，得到圖4b所示的5個(gè)有效日期數(shù)據(jù)。對(duì)經(jīng)緯度范圍在31°～41°N，105°～117°E內(nèi)的這5個(gè)有效日期的CALIPSO衛(wèi)星2級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的參數(shù)532 nm氣溶膠消光系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到圖4。區(qū)域31°～41°N，105°～117°E平均海拔為0.84 km。以下文章中出現(xiàn)高度均為相對(duì)地面高度。污染期間0～3 km區(qū)域平均消光系數(shù)為0.15 km-1。平均消光系數(shù)隨高度增加大體上呈下降趨勢(shì)，其大值對(duì)應(yīng)高度基本靠近地面，平均最大氣溶膠消光系數(shù)值及其出現(xiàn)高度分別為0.49 km-1和0.04 km。該5個(gè)有效日期對(duì)應(yīng)的地面至3 km以?xún)?nèi)AOD與總AOD柱的比值均＞62%，平均值為81%，說(shuō)明污染物主要集中在地面至3 km以?xún)?nèi)的大氣中；污染期間最大氣溶膠消光系數(shù)值在0.06～0.57 km-1，相應(yīng)高度在0.04～2.99 km。

退偏振比定義為垂直方向散射光分量與水平分量之比，退偏振比越大，粒子非球形越強(qiáng)，反之，粒子非球形越弱。色比值越大，表明顆粒物粒徑越大，反之，粒徑越小。研究表明：0＜退偏振比＜0.06，為球形粒子，而退偏振比＞0.06，為非球形粒子；0＜色比值＜0.50，為小粒徑粒子，而色比值＞0.50，為大粒徑粒子[13]。污染期間，0～3 km退偏振比和色比區(qū)域平均值分別為0.27和1.05。3 km以下退偏振比和色比隨高度增加大體上呈減小趨勢(shì)（圖5b），表明低層以非球形較強(qiáng)的大顆粒物為主。數(shù)據(jù)點(diǎn)主要集中在退偏振比＞0.06，色比值＞0.50的區(qū)域（圖5a），表明此次污染過(guò)程中，非球形氣溶膠粒子出現(xiàn)頻數(shù)＞球形氣溶膠粒子，大粒徑氣溶膠粒子出現(xiàn)頻數(shù)＞小粒徑氣溶膠粒子，這可能是由于低層大氣受到本地建筑活動(dòng)、道路揚(yáng)塵和重力影響，致使低層大氣中大粒子比重增加所致[14]。此次污染過(guò)程退偏振比和色比都比較高，按照劉璇等[15]給出的確定氣溶膠粒子類(lèi)型方法可將此次污染過(guò)程氣溶膠類(lèi)型確定為沙漠沙塵型氣溶膠，MICAPS地面填圖資料也顯示了污染期間在甘肅、寧夏、內(nèi)蒙東部、陜北等上游地區(qū)有浮塵、揚(yáng)沙天氣現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖4 532 nm平均消光系數(shù)廓線(xiàn)（a）和最大消光系數(shù)、最大消光系數(shù)出現(xiàn)高度以及3 km內(nèi)AOD與總AOD柱比值（b）

圖5 2018年11月26日—12月3日0～3 km退偏振比和色比散點(diǎn)圖（a）及其平均廓線(xiàn)（b）

在CALIPSO激光雷達(dá)系統(tǒng)中，根據(jù)探測(cè)到的氣溶膠高度、位置、下墊面類(lèi)型、消光系數(shù)、雷達(dá)色比等參數(shù)可將氣溶膠分為潔凈海洋氣溶膠、潔凈大陸氣溶膠、沙漠沙塵、污染沙塵、污染大陸氣溶膠以及煙塵6種類(lèi)型[16]。沙漠沙塵、污染沙塵、污染大陸氣溶膠和潔凈海洋氣溶膠隨高度增加呈減小趨勢(shì)，最大頻率出現(xiàn)在0～1.0 km，分別為24.15%、7.58%、3.16%和2.71%，潔凈大陸氣溶膠隨高度增加呈增加趨勢(shì)，最大頻率出現(xiàn)在2.5～3.0 km，為0.94%，煙塵隨高度增加呈先減小后增大趨勢(shì)，最小頻率為0.17%，出現(xiàn)在1～1.5 km（圖6）。6種類(lèi)型中，潔凈大陸氣溶膠出現(xiàn)頻率最低，為2.39%。沙漠沙塵和污染沙塵出現(xiàn)頻率最高，分別為60.18%和25.72%，說(shuō)明上一段中按照劉璇等給出的確定氣溶膠粒子類(lèi)型方法將該次空氣污染事件中的氣溶膠粒子類(lèi)型確定為沙漠沙塵型氣溶膠具有一定的合理性。也說(shuō)明汾渭平原此次重污染事件污染物主要以沙漠沙塵和污染沙塵氣溶膠為主，這主要是由污染期間上游地區(qū)浮塵、揚(yáng)沙天氣的沙塵粒子，經(jīng)長(zhǎng)距離輸送后與本地污染物疊加，并在靜穩(wěn)天氣（風(fēng)速小、大氣穩(wěn)定等））影響下，逐漸積累濃度急劇上升所導(dǎo)致。其中，沙漠沙塵以粗模態(tài)粒子為主，CALIPSO氣溶膠分類(lèi)算法中的污染沙塵包括人為污染和生物質(zhì)燃燒，汾渭平原污染沙塵主要來(lái)源是人為污染，人為污染以細(xì)模態(tài)粒子為主，因此此次污染過(guò)程中，粗、細(xì)粒子共存。

圖6 基于CALIPSO反演的2018年11月26日—12月3日0～3 km氣溶膠垂直分類(lèi)

2.4 氣象條件分析

污染物排放是造成霧霾的內(nèi)因，氣象條件則是外因。利用地面天氣形勢(shì)圖7可知，26日12時(shí)BT前后冷空氣侵入到汾渭平原，受秦嶺山區(qū)阻擋沙塵囤積在關(guān)中地區(qū)，西安涇河站激光雷達(dá)消光系數(shù)圖（圖8）也顯示在26日12時(shí)BT之后有沙塵從高空輸送過(guò)來(lái)，并向下傳輸。此外，MICAPS地面填圖資料也顯示12月26日在甘肅、寧夏、內(nèi)蒙、陜北等上游地區(qū)有浮塵、揚(yáng)沙天氣現(xiàn)象，且地面以較強(qiáng)的偏北風(fēng)為主，12月26日汾渭平原各站點(diǎn)PM10濃度也迅速升高，這些也都足以說(shuō)明有沙塵從汾渭平原上游地區(qū)輸送過(guò)來(lái)。26—30日邊界層高度都較低，基本在1 km以下，較低的邊界層高度加劇了污染[17-18]。26日夜間之后汾渭平原等壓線(xiàn)稀疏，風(fēng)速小，27日之后關(guān)中和河南西北部多受偏東風(fēng)控制，抑制了沙塵向東輸送，由于天氣靜穩(wěn)，此次過(guò)程沙塵自身的干沉降緩慢，同時(shí)，靜穩(wěn)的天氣也利于細(xì)顆粒物的積累，此次過(guò)程中，粗、細(xì)顆粒物共存，霾和沙塵同時(shí)存在。

激光雷達(dá)圖顯示沙塵和霾層高度主要集中在1 km，西安涇河站11月27日—12月1日08時(shí)BT T-lnP圖顯示2 km以下受弱偏東風(fēng)控制，不利于沙塵和細(xì)顆粒物的擴(kuò)散，同時(shí)，每天08時(shí)BT都存在接地“逆溫”或多層“逆溫”現(xiàn)象，上暖下冷的大氣溫度層結(jié)穩(wěn)定，不利于氣溶膠顆粒物擴(kuò)散。12月2日08時(shí)BT上干下濕特征明顯，PM2.5在2日上午較高。

西安、洛陽(yáng)和臨汾PM2.5、PM10與氣象要素變化趨勢(shì)顯示，西安12月26日偏北風(fēng)向南輸送沙塵，受秦嶺地形阻擋作用轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，26日之后主要以弱東北風(fēng)或者靜風(fēng)為主，沙塵持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且溫度露點(diǎn)差逐漸減小，空氣濕度大，有利于污染物吸濕增長(zhǎng)和二次光化學(xué)反應(yīng)，細(xì)顆粒物逐漸累積[19-20]；洛陽(yáng)風(fēng)速相對(duì)西安較大，26日偏西風(fēng)將沙塵輸送過(guò)來(lái)，27日之后主要以東北風(fēng)或者弱的偏南風(fēng)影響，東北風(fēng)阻礙了沙塵擴(kuò)散，同時(shí)可能將河南東部、河北地區(qū)的細(xì)顆粒物傳輸至洛陽(yáng)，PM10一直維持較高濃度；臨汾風(fēng)速較小，主要以靜風(fēng)天氣為主，PM10和PM2.5有明顯的日變化，26日弱西南風(fēng)輸送沙塵至臨汾，26日夜間靜風(fēng)，PM10較高，但低于西安和洛陽(yáng)。

3 結(jié)論

（1）2018年11月26日—12月3日汾渭平原污染過(guò)程中，各代表城市AQI、AOD、PM2.5濃度、PM10濃度顯著偏高，PM2.5和PM10是首要污染物，說(shuō)明此次污染過(guò)程中粗細(xì)顆粒物共存，小時(shí)PM2.5、PM10質(zhì)量濃度高達(dá)334 μg/m3和1 023 μg/m3，AQI、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度在11月26日—12月3日均超過(guò)污染限值100。11個(gè)代表城市在11月20日—12月7日期間AQI連續(xù)超過(guò)污染限值100的天數(shù)除呂梁外，其余各代表城市均≥10 d，西安、咸陽(yáng)和渭南的污染持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重污染天數(shù)最多，且西安、咸陽(yáng)和渭南11月26日—12月3日AQI、PM2.5濃度和PM10濃度均值最大，因此西安、咸陽(yáng)和渭南污染最為嚴(yán)重。該次污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間久、污染程度重、影響范圍廣，屬于一次以沙塵和霾混合主導(dǎo)的典型重大氣污染事件。

圖7 11月26日14時(shí)BT（a）、11月27日14時(shí)BT（b）、11月29日14時(shí)BT（c）、12月01日08時(shí)BT（d）地面風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的空間分布

圖8 西安涇河站激光雷達(dá)消光系數(shù)

AOD、PM2.5、PM10質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)與AQI變化趨勢(shì)基本一致，相關(guān)性分析結(jié)果顯示AQI、PM2.5、PM10質(zhì)量濃度分別與AOD線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.52、0.48、0.52，說(shuō)明AOD亦能較好的反映出此次空氣污染過(guò)程。

（2）氣溶膠消光系數(shù)高值對(duì)應(yīng)高度基本是在靠近地面的高度上，地面至3 km以?xún)?nèi)的AOD與總AOD柱的比值為81%，說(shuō)明污染物主要集中在地面至3 km以?xún)?nèi)的大氣中，尤其是1 km以下。

此次污染過(guò)程中，球形氣溶膠粒子與非球形氣溶膠粒子共存，并且非球形氣溶膠粒子出現(xiàn)頻數(shù)大于球形氣溶膠粒子，大粒徑氣溶膠粒子出現(xiàn)頻數(shù)大于小粒徑氣溶膠粒子。沙漠沙塵出現(xiàn)頻率最高，為60.18%，其次是污染沙塵氣溶膠，為25.72%，說(shuō)明汾渭平原此次空氣重污染事中污染物主要以沙漠沙塵和污染沙塵氣溶膠為主。

（3）26日12時(shí)BT左右沙塵自西向東傳輸，受秦嶺的阻擋作用，同時(shí)低層以偏東風(fēng)或者靜風(fēng)為主，大氣靜穩(wěn)，無(wú)明顯冷空氣活動(dòng)和降水產(chǎn)生，靜穩(wěn)和高濕的天氣持續(xù)以及偏東風(fēng)的阻擋和傳輸使得該次過(guò)程以沙塵和霾混合為主，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

致謝：感謝美國(guó)航空航天局（NASA）提供的MODIS和CALIPSO資料，感謝中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部提供的環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)資料和中國(guó)氣象局提供的MICAPS資料。