陜西關中大氣污染時空分布特征及天氣學分型

劉瑞芳，賀 瑤，劉 慧，黃少妮

(1.西安市氣象局，西安 710016；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016；3.寶雞市氣象局，陜西寶雞 721006； 4.陜西省氣象臺，西安 710014)

近年來我國嚴重霧霾事件頻發(fā)，已威脅人民群眾的身體健康和生產生活，大氣污染成為制約我國可持續(xù)發(fā)展的核心問題。2013年《大氣污染防治行動計劃》出臺后，各地采取了有效措施控制污染排放，京津冀及周邊地區(qū)大氣環(huán)境質量得到改善，陜西關中地區(qū)的大氣污染問題逐漸凸顯，成為中國大氣污染的高發(fā)區(qū)。眾所周知人為源排放和不利氣象擴散條件是大氣污染形成的主要原因，在污染源基本穩(wěn)定的前提下，決定大氣污染發(fā)生的關鍵因素是氣象條件[1-5]。張人禾等[6]分析了我國東部霧霾持續(xù)的氣象條件，指出地面弱風場和弱垂直風切變對污染物傳輸有抑制作用。劉厚鳳等[7]總結了近年來我國重污染過程污染氣象特征，發(fā)現特定的流場、特殊的地形及污染物區(qū)域傳輸等是造成重污染的氣象特征。研究發(fā)現不同地區(qū)大氣污染特征也存在一定差異，戴竹君、廖國蓮等[8-9]分析了江蘇、廣西秋冬季霧霾特征，并根據地面形勢進行了天氣分型。陜西地處中國內陸腹地，北部為海拔800～1 300 m的黃土高原，南部為海拔1 500～3 000 m的秦嶺，中間為關中盆地,平均海拔高度520 m，西起寶雞，東至潼關，自西向東敞開呈喇叭口形狀，冬季主要受大陸冷氣團影響，降水稀少，氣候干燥，其特殊的地形和氣候特征使得大氣污染物極易在關中集聚，污染特征與沿海地區(qū)存在一定的差異[10-11]。

針對陜西地區(qū)的重污染天氣過程，不少學者[12-15]開展了大量的研究，成果主要集中在單一某次重污染過程的污染特征及氣象條件成因分析。本文旨在通過分析2014—2018年陜西大氣污染的時空分布特征，對造成關中地區(qū)持續(xù)性重污染過程的高低空環(huán)流形勢進行天氣學分型，并分析氣象條件對污染物累積的影響，為今后陜西重污染天氣的預報預警提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源與標準

常規(guī)氣象觀測資料主要包括陜西100個國家地面氣象觀測站一天4個時次(02、08、14和20時)的地面要素觀測資料及西安氣象自動站溫度、相對濕度、風向、風速和能見度等逐時實況資料。氣象觀測數據來源于陜西省氣象信息中心?？諝赓|量數據來自陜西生態(tài)環(huán)境廳公布的陜西10個地市環(huán)境監(jiān)測站的質量濃度日值及逐小時污染物質量濃度監(jiān)測結果。資料時間段為2014年1月1日—2018年12月31日。

根據《環(huán)境空氣質量指數(AQI)技術規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)規(guī)定，空氣質量指數劃分為六級，某一個站點24 h空氣質量指數大于國家空氣質量五級標準(AQI>200)為一個重污染日。本文定義陜西出現不少于3站空氣質量指數大于國家空氣質量五級標準且連續(xù)出現3 d及以上，為一次持續(xù)性重污染天氣事件。

1.2 后向軌跡模式

后向軌跡模式(hybrid single particle lagrangian integrated trajectory model，HYSPLIT)是由美國國家海洋和大氣管理局與澳大利亞氣象局聯合研發(fā)的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業(yè)模型。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴散和沉降模式 ,已經被廣泛應用于多種污染物在各個地區(qū)的傳輸與擴散研究。

2 陜西大氣污染時空分布特征

從2014—2018年陜西10地市空氣質量指數日均值統(tǒng)計(表1)分析看出，陜北、陜南主要以輕度污染為主，中度以上污染出現次數較少，而關中地區(qū)中度以上污染出現頻率偏高，咸陽、西安、渭南中度以上污染日數分別占污染總日數的42.9%、39.9%和37.9%。從年均重污染日數可看出，陜西重度以上污染的空間分布極度不均，重污染天氣主要出現在關中地區(qū)，年均重污染日數為20.0～33.2 d，其中咸陽高達33.2 d,為全省最高值。陜北、陜南的年均重污染日數明顯偏少，除漢中外，其余地區(qū)年均重污染日數小于5 d，且多發(fā)生時間在3—5月，結合地面氣象觀測實況分析，主要是由較強沙塵天氣傳輸引起的空氣重污染，首要污染物為粗顆粒物PM10。

表1 2014—2018年陜西十地市大氣污染分級統(tǒng)計 單位：d

由關中5市重污染日數的年際變化可以看出，2014—2018年整體呈現波動下降趨勢(圖略)，關中西部的寶雞和北部的銅川下降趨勢較為明顯。而關中重污染月際變化(圖1)則呈現出明顯U型分布特征，重污染主要發(fā)生在冬季12—2月，占全年重污染總日數的73%～87%，其中1月為全年最高值。4—9月處在重污染出現的低谷期。按季節(jié)來分，夏季出現重污染概率最低，秋、春兩季處于冬季與夏季之間，秋季略高于春季?！岸呦牡停锎壕又小边@種分布特征與陜西的地理位置和氣候特點有關，冬季陜西主要受大陸性冷高壓控制，高壓系統(tǒng)內天空晴朗，地面有效輻射強，晝短夜長，地面和近地層空氣處于凈輻射負值時間長，大氣層結比較穩(wěn)定，疊加關中盆地地形作用和冬季供暖期的污染物排放，有利于污染物的快速積聚。

圖1 2014—2018年關中5站重污染總日數月際分布

PM2.5是大氣污染的主要污染物，由2014—2018年冬季期間PM2.5質量濃度的日變化可看出，關中5市冬季PM2.5質量濃度均呈現出明顯的日變化特征(圖 2),與錢婧[14]等研究結果不同，咸陽、西安由于晝夜邊界層厚度變化較大，基本表現為單峰現象，在北京時間01時左右PM2.5質量濃度達到全天最高值, 17時最低, 日變化幅度為日均質量濃度的30%～40%。寶雞、渭南、銅川PM2.5質量濃度均表現為明顯的雙峰現象，其中寶雞、渭南在11 時左右和 21時左右出現兩個峰值，這兩個時間段是在早晚飯和上下班高峰之后, 因此早晚飯時段的居民生活排放及上下班高峰時的車輛排放可能是造成雙峰現象的重要原因。與寶雞和渭南不同, 銅川 PM2.5質量濃度的日變化雖然也表現為明顯的雙峰現象,但是最低值不是出現在邊界層高度最高的下午，而是出現在07時左右，21時前后出現最大峰值。分析認為銅川受地理環(huán)境影響主要盛行山谷風，日出后以偏南風為主，持續(xù)的偏南風將關中城市群的污染物向北部銅川輸送，疊加本地的污染物排放，使污染物質量濃度在 21時前后達到日最高值；日落后轉為偏北風使的污染物向南輸送，銅川的污染物質量濃度在 07時左右降至日最低值，這與黃少妮[15]等在一次污染個例分析中的結論較為一致。

圖2 2014—2018年冬季PM2.5質量濃度日變化曲線

3 持續(xù)性重污染天氣分型

經統(tǒng)計2014—2018年陜西共發(fā)生19次持續(xù)性重污染事件(表略)。應用氣象觀測資料，對19次過程的地面天氣圖、高低空環(huán)流形勢進行分析，發(fā)現造成陜西持續(xù)性重污染的天氣形勢按照500 hPa高空環(huán)流形勢可分為兩種類型(圖3)：緯向環(huán)流型和阻塞環(huán)流型。按照地面氣壓場可分為4種類型(圖4)：高壓控制型、高壓后部型、均壓場型和地面倒槽型。

圖3 陜西持續(xù)性污染期間500 hPa環(huán)流分型(a)緯向環(huán)流型(b)阻塞環(huán)流型

圖4 陜西持續(xù)性污染期間地面環(huán)流分型(a 高壓控制型；b 高壓后部型；c 均壓型；d 低壓倒槽型)

3.1 高空形勢場特征

緯向環(huán)流型：500 hPa高度場上以緯向環(huán)流為主，新疆至貝加爾湖一帶有弱的高壓脊維持，陜西上空以平直偏西氣流為主，受南支槽影響低層850 hPa有暖脊控制。

阻塞環(huán)流型：500 hPa天氣圖上歐亞中高緯地區(qū)維持兩槽一脊，貝加爾湖附近高壓脊穩(wěn)定少動，形成阻塞環(huán)流形勢，陜西處于高壓脊底部弱西北氣流控制。

在以上兩種500 hPa環(huán)流形勢場下，中低層700 hPa常常受偏西氣流或弱偏南風控制，而850 hPa有弱偏南風發(fā)展，低層弱的暖平流有利于在低空(850 hPa上下)形成逆溫層，逆溫層就像一個暖蓋，阻礙低層水汽向上擴散,有利于污染的形成和維持。

3.2 地面氣壓場特征

高壓控制型：中高緯地區(qū)受蒙古高壓控制，關中處于高壓控制下，氣壓梯度小，風場較弱，且偏東風為主，受關中喇叭口地形影響，容易造成污染物累積。

高壓后部型：高壓主體位于我國東部地區(qū)，陜西受高壓后部偏南氣流影響, 近地層空氣暖濕,天氣狀況靜穩(wěn)，有利于污染天氣的產生。

均壓場型：中國中東部地區(qū)無明顯的高低壓系統(tǒng)，陜西受均壓場控制，關中地區(qū)近地面以靜風或弱風為主，有利于污染物的堆積。

低壓倒槽型：地面場上陜西處于西南倒槽控制，地面氣壓場較弱, 氣壓梯度小, 風速小, 溫度高, 常出現逆溫, 易出現霧霾等污染天氣。

分析發(fā)現，陜西持續(xù)性重污染天氣發(fā)生時，地面氣壓場往往不是由一種形勢場造成，而是以上多種形勢場交替出現。

綜上所述，陜西持續(xù)性重污染天氣發(fā)生時高空盛行較平直西風氣流，無明顯冷空氣活動，700 hPa為弱脊控制，低層850 hPa、925 hPa多為偏南風，大氣層結穩(wěn)定。地面為弱風壓場控制，風速較小，關中一帶一般小于2 m/s，地面弱風有利于污染物在邊界層的湍流擴散。有利的環(huán)流背景疊加盆地易聚難散的特殊地形作用，是導致關中地區(qū)污染天氣持續(xù)時間長、污染重的主要原因。

4 典型重污染過程分析

4.1 污染天氣實況

2016年12月30日—2017年1月6日陜西關中出現了持續(xù)性重污染天氣過程，首要污染物為PM2.5。從空氣質量指數AQI的日變化(圖5)可看出，關中地區(qū)的污染呈現出明顯的區(qū)域同步變化特征，28日起污染物開始累積，空氣質量指數迅速升高，2日微降后繼續(xù)穩(wěn)步上揚，到達本次污染過程的極大值，6日迅速下降。位于核心污染區(qū)的咸陽、西安、渭南連續(xù) 6 d 出現嚴重污染，5日西安站PM2.5質量濃度更是高達575 μg/m3，小時能見度低至100 m，污染非常嚴重。

圖5 2016-12-28—2017-01-07關中五站空氣質量指數AQI日變化

4.2 環(huán)流形勢特征

12月26日污染發(fā)生前，500 hPa高空槽后西北氣流已控制陜西，地面強冷空氣南下。27日20時隨著高空槽進一步東移，冷空氣南壓，地面轉為高壓后部控制，靜穩(wěn)形勢建立，污染物開始較快累積。28日至31日，500 hPa我國上空盛行平直的緯向西風氣流，陜西地面由高壓后部逐漸轉為均壓場控制，靜穩(wěn)形勢維持，污染物持續(xù)累積。1月1日高空平直氣流中有短波槽快速東移，引導地面弱冷鋒南下，鋒前冷空氣擴散進入陜西，2日08時陜西關中出現3～6 ℃負變溫，關中5市AQI指數出現不同程度下降。由于此次冷空氣維持時間短、強度弱，空氣質量雖有所改善，但總體上對污染物清除作用十分有限。2日起受高空平直西風氣流影響，陜西地面再次轉為均壓場控制，污染物繼續(xù)累積，青藏高原東側有地面倒槽發(fā)展并持續(xù)加強。4日08時起陜西處于西南倒槽控制中，地面風速較小，氣溫較高，近地層出現多層逆溫,污染物垂直擴散受阻，加上盆地特殊地形，使得污染物在關中地區(qū)持續(xù)集聚，關中盆地5市先后達到本次持續(xù)性重污染過程的極大值。1月6日高空有西風槽東移，陜西出現明顯雨雪天氣，關中地區(qū)降水量普遍在2～8 mm，地面上陜西轉為高壓底部氣壓梯度密集區(qū)，關中地區(qū)風速明顯加大，受雨雪及較強偏北風影響，污染天氣減弱消散。

4.3 氣象要素演變

為研究關中地區(qū)污染持續(xù)增大的原因，選取西安市長安站逐小時自動觀測氣象要素和西安市逐小時PM2.5質量濃度進行對比分析(圖6)。1月1日前，西安站低層主要為弱偏南氣流，風速在2 m/s以下,相對濕度緩慢升高。由于顆粒物質量濃度的增大，對大氣的消光作用明顯，西安站能見度迅速下降，出現重污染天氣。1日夜間有弱冷空氣擴散南下進入西安，風向轉為偏北風，相對濕度有所下降，PM2.5質量濃度略有回落，能見度小幅回升；之后地面再次轉為弱偏南風控制，相對濕度增大至60%～90%之間，PM2.5質量濃度持續(xù)走高。6日受明顯降水及較強冷空氣影響，西安地區(qū)污染物質量濃度迅速下降，空氣質量轉為良，污染過程結束。由表2看出PM2.5質量濃度與能見度、地面風速有較顯著的負相關性，與相對濕度有正相關性?？偟膩碚f，相對濕度增大時，地面風速越小，越有利于污染物的累積，能見度下降，反之污染減弱，能見度升高。

圖6 2016-12-27—2017-01-07長安站逐小時PM2.5質量濃度、能見度、風向風速(箭頭)、相對濕度

表2 2016-12-28—2017-01-07西安站逐時PM2.5質量濃度與地面氣象要素相關系數

4.4 后向軌跡聚類分析

為研究關中地區(qū)污染物的傳輸路徑，基于HYSPLIT后向軌跡模型對2016年12月30日—2017年1月6日污染物到達西安的后向軌跡進行追蹤和聚類分析。計算高度選取500 m，模式頂設置為10 km，后向軌跡計算時間為48 h，目標點為涇河站。分析看出重污染日傳輸到西安的污染物和本地的污染物在關中盆地徘徊(圖略)，很難向外擴散，印證了有利環(huán)流背景下關中特殊地形導致污染物易積難消的特征。聚類分析(圖7)顯示，整個污染過程期間后向軌跡可以分為五大類。有兩類來自西北方向的長距離輸送，但是由于陜西西北方向的AQI數值較低(圖略)且占比小，不會帶來太多污染物。另外三類占比高達87.5%，其后向軌跡在關中地區(qū)停滯徘徊，48 h后向軌跡傳輸很短的距離，不容易擴散。表明此次陜西關中持續(xù)性重污染過程主要是以本地污染排放和關中城市群附近近距離輸送為主，遠距離輸送對此次重污染過程貢獻較小。

圖7 2016-12-30—2017-01-06西安地區(qū)污染物后向軌跡聚類分析

5 結論

本文統(tǒng)計了2014—2018年陜西大氣污染時空分布特征，對造成持續(xù)性重污染天氣的高低空環(huán)流形勢進行了天氣分型，并選取典型個例，研究持續(xù)性重污染的發(fā)生、維持和消散演變過程。主要結論如下：

(1) 陜西重污染天氣主要出現在關中地區(qū)，冬高夏低，秋春居中，其月際分布呈現出明顯的U型分布特征，重污染主要發(fā)生在冬季12—2月，年平均日數約20.0～33.2 d，冬季重污染日數約占全年重污染日數的80%左右。

(2)冬季關中5市PM2.5質量濃度的日變化特征明顯不同,咸陽、西安基本表現為單峰現象，寶雞、渭南、銅川則表現為明顯的雙峰現象；寶雞、渭南、西安、咸陽均在17時前后出現PM2.5質量濃度的最低值，而銅川則不同，最低值出現在07時左右。

(3) 陜西持續(xù)性重污染發(fā)生時地面氣壓場可分為高壓控制型、高壓后部型、均壓場型、低壓倒槽型四種類型。持續(xù)性重污染天氣期間，地面形勢往往由以上幾種形勢場交替出現。引起持續(xù)性重污染過程的高空形勢主要有緯向環(huán)流型和阻塞環(huán)流型。

(4) 持續(xù)性重污染期間，關中地區(qū)呈現明顯的區(qū)域同步變化特征，PM2.5質量濃度與能見度、地面風速有較好的負相關性，與相對濕度有正相關性。相對濕度增大時，地面風速越小，則污染物越容易積聚，能見度下降。典型過程后向軌跡分析表明陜西持續(xù)性重污染過程主要是由本地污染排放和關中城市群附近近距離輸送造成的。