陜西關(guān)中重污染天氣低空流場的分型研究

胡淑蘭， 胡 琳， 程 路， 林 揚， 路岑之

（1.陜西省氣候中心，陜西 西安 710014；2.陜西省氣象科學(xué)研究所，陜西 西安 710014；3.西安市周至縣水務(wù)局，陜西 西安 710040）

隨著我國城市化進程的加快和經(jīng)濟的快速發(fā)展，污染物排放量增大、城市顆粒物濃度持續(xù)增高等大氣污染問題日益嚴重，區(qū)域重污染天氣事件頻發(fā)，嚴重影響人民群眾的身心健康和日常生產(chǎn)生活［1-5］。大氣污染過程具有影響范圍廣、持續(xù)時間長、強度大等特點，引起各國政府的高度重視。有研究表明區(qū)域性大氣重污染已經(jīng)成為中國的主要大氣污染問題［6］，國內(nèi)外學(xué)者針對區(qū)域污染展開了廣泛深入的研究。苗蕾等［7-10］分別對長江中下游地區(qū)、珠三角、京津冀等地區(qū)的區(qū)域大氣污染的特征進行了深入研究，陳衛(wèi)衛(wèi)等［11-12］研究了東北區(qū)域重污染成因，姬藝珍對太原市重污染天氣過程成因進行了分析［13］。以西安為中心的陜西關(guān)中區(qū)域是我國大氣污染的重災(zāi)區(qū)之一，也是大氣污染防治重點區(qū)域之一，2018年汾渭平原（含陜西關(guān)中）被國家納入大氣污染防治重點區(qū)域。有關(guān)關(guān)中空氣污染眾多學(xué)者也已開展了一些研究，胡琳［14-17］等分析了關(guān)中區(qū)域霧霾天氣變化特征，分析了污染過程的氣象條件特征，但未見關(guān)于頻發(fā)的關(guān)中區(qū)域重污染天氣流場分析的相關(guān)工作。本研究對比分析了30 m、50 m、70 m 和100 m 的低空流場與典型污染過程的對應(yīng)關(guān)系，認為30 m 流場更具有代表性，因此本研究擬從關(guān)中區(qū)域的重污染天氣30 m 流場分析影響關(guān)中區(qū)域各市污染的主要流場類型，對環(huán)保、氣象等相關(guān)部門開展重污染天氣預(yù)報以及為政府提供防污治霾決策服務(wù)提供技術(shù)支撐，具有實際指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

陜西關(guān)中［18］南倚秦嶺北坡，北靠黃土高原南緣，介于陜北高原與秦嶺山地之間，西起寶雞峽，東迄潼關(guān)，海拔460～850 m，長約300 km，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨、冬季溫和少雨（圖1）。該區(qū)域為陜西的工農(nóng)業(yè)發(fā)達、人口密集地區(qū)，具有區(qū)位交通優(yōu)勢顯著、歷史文化底蘊深厚、現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系完備、創(chuàng)新綜合實力雄厚、城鎮(zhèn)體系日趨健全等特征，在國家現(xiàn)代化建設(shè)大局和全方位開放格局中具有獨特戰(zhàn)略地位。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

（1）空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)：采用關(guān)中區(qū)域五市（西安、咸陽、渭南、銅川、寶雞）污染指數(shù)（AQI）數(shù)據(jù)分析篩選代表年。選取關(guān)中區(qū)域五市有PM2.5監(jiān)測以來的2014—2019 年各市AQI 對關(guān)中區(qū)域五地市進行分析，2017年關(guān)中區(qū)域污染日共計178 d，區(qū)域重污染日62 d，污染日數(shù)為5 a 之最，重污染日也屬偏多年份，因此選擇2017年為代表年。2017年關(guān)中區(qū)域重污染日絕大部分均出現(xiàn)在1—3 月和11—12 月采暖期間，首要污染物均為PM2.5，4 月18 日、5 月5—6 日首要污染物為PM10，由沙塵暴天氣引起，多地爆表，而6 月2 日、7 月2—3 日、7 月10—11 日、8 月4 日首要污染物均為O3，與霧霾形成基本無關(guān)，因此本研究只討論與防污治霾關(guān)系密切的PM2.5的56 d 關(guān)中區(qū)域重污染情況。

（2）氣象數(shù)據(jù)：采用WRF 開展中尺度數(shù)值模擬，以NCEP DS083.2再分析資料作為初始場和邊界條件，結(jié)合NCEP DS337.0高空和地面天氣觀測數(shù)據(jù)進行3DVar 同化分析；在水平方向三重嵌套在陜西區(qū)域達到3 km×3 km 水平分辨率，在垂直方向分為49 層，在近地面達到20 m 左右的垂直分辨率，模擬生成陜西區(qū)域2017年逐小時氣象數(shù)據(jù)，用以描述區(qū)域氣象流場，為重點分析陜西關(guān)中地區(qū)重污染提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

（1）區(qū)域污染日。若陜西關(guān)中區(qū)域5 個城市（西安、咸陽、渭南、銅川、寶雞）某天中有3個及以上城市AQI日值大于100，即設(shè)定為區(qū)域污染日。

（2）區(qū)域重污染日。若陜西關(guān)中區(qū)域5個城市某天中有3個及以上城市AQI日值大于150，即3個及以上城市出現(xiàn)中度及以上污染，設(shè)定本日為區(qū)域重污染日。

（3）低空流場。因為城市發(fā)展，10 m 高度受局地地形影響大，流場不具有代表性，因此本文對比分析了30 m、50 m、70 m和100 m的低空流場與典型污染過程的對應(yīng)關(guān)系，認為30 m 流場更具有代表性，選取30 m 流場分型，并重點研究各流場分型與PM2.5濃度的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 流場分型

經(jīng)過對2017 年56 個重污染天氣日流場的判讀和分析，按照08:00—19:00為晝間，20:00-07:00為夜間，最終將影響關(guān)中區(qū)域的流場分為4 個大類，6 個小類，共8個具體類型。根據(jù)關(guān)中區(qū)域低空流場，將重污染天氣日流場分為：東部來流、西部/南部來流、北部來流非轉(zhuǎn)向和無顯著流場4個大類。東部來流和西部/南部來流根據(jù)出現(xiàn)時間和地點等又各分3個小型。各分型描述見表1和圖2～8。

表1 重污染天氣日流場分型Tab.1 Classification of daily airflow field in heavy pollution weather

圖2 東北來流（A型）示意圖及30 m流場個例（2017年2月5日09:00）Fig.2 Airflow from northeast(type A)and an example of airflow field at 30 m height(09:00 on February 5,2017)

3.1.1東部來流 東部來流中，關(guān)中區(qū)域為比較一致的偏東氣流，平原南部秦嶺山地為偏南風(fēng)，平原西部為偏東風(fēng)南下或偏西風(fēng)，在關(guān)中區(qū)域內(nèi)形成輻合流場。其形成原因是：東北氣流沿東北偏南向的川道南下，經(jīng)西安、咸陽等城市建筑群時發(fā)生氣旋式旋轉(zhuǎn)，形成氣流輻合。特殊地形下晝夜流場變化明顯，具有山谷風(fēng)、局地?zé)釋α鞯扔绊懙木值匦夂蛱卣?。根?jù)來流起始位置將該型分為3 個小型：東北來流（A）（圖2a）、東北來流夜間型（B）（圖3a）、渭南繞山來流（C）（圖4a）。該型流場的典型個例見圖2b、圖3b和圖4b。

圖4 渭南繞山來流型（C型）示意圖及30 m流場個例（2017年1月25日07:00）Fig.4 Airflow from Weinan around mountains(Type C)and an example of airflow field at 30 m height(07:00 on January 25,2017)

3.1.2西部/南部來流 此型中關(guān)中區(qū)域為比較一致的偏西氣流，寶雞、西安、咸陽為偏西風(fēng)或靜風(fēng)，一直到渭南、蒲城等地均為西南風(fēng)或西風(fēng)，長武、旬邑、彬縣等地為偏北氣流。根據(jù)來流起始位置將該型分為3個小型：西南/南部來流（D）（圖5a）、北部來流轉(zhuǎn)向（E）（圖6a）和西部來流（F）（圖7a），其中D型是在大氣靜穩(wěn)條件好的情況下，關(guān)中區(qū)域風(fēng)速很小或靜風(fēng)，晝間沿秦嶺北坡而下的山風(fēng)到達關(guān)中區(qū)域形成輻合；E型是偏北氣流順黃土高原南坡而下，抵達渭河河谷地帶遇南部秦嶺大地形阻擋氣流轉(zhuǎn)向、北部來流到達關(guān)中區(qū)域東部朝西轉(zhuǎn)向，到達關(guān)中西部的氣流朝東轉(zhuǎn)向；F 型是西北氣流在關(guān)中西部渭河中游沿地勢低洼的渭河河谷地形順流而下，形成西部來流。該型流場的典型個例見圖5b、圖6b 和圖7b。

圖5 西南/南部來流（D型）示意圖及30 m流場個例（2017年1月3日10:00）Fig.5 Airflow from southwest/south(Type D)and an example of airflow field at 30 m height(10:00 on January 3,2017)

圖6 北部來流轉(zhuǎn)向（E型）示意圖及30 m流場個例（2017年12月4日21:00）Fig.6 Airflow from northern diversion(Type E)and an example of airflow field at 30 m height(21:00 on December 4,2017)

3.1.3北部來流非轉(zhuǎn)向 此型中，陜北至關(guān)中區(qū)域為一致的偏北氣流，一般為北部冷空氣南下導(dǎo)致的污染天氣主要形式（圖8a），該型典型個例見圖8b。冷空氣南下到達關(guān)中渭河河谷低洼地形后，關(guān)中區(qū)域的暖空氣被抬升，特殊的地形上空形成逆溫層，污染物不易擴散。

圖8 北部來流非轉(zhuǎn)向（G型）示意圖及30 m流場個例（2017年1月26日21:00）Fig.8 Airflow from northern(Type G)and an example of airflow field at 30 m height(21:00 on January 26,2017)

3.1.4無顯著流場 此型無明顯的流場特征，大部分與靜風(fēng)相關(guān)。

3.2 各流場分型統(tǒng)計

統(tǒng)計分析區(qū)域重污染日逐時流場分型（表2）可以看出，區(qū)域重污染過程中東部來流出現(xiàn)最多，頻率達到59.8%，其中B、C型流場出現(xiàn)次數(shù)最多，占比均達到25.0%以上，E、F 型出現(xiàn)頻率高于10.0%；在晝間（08:00—19:00）流場中，出現(xiàn)最多的是C 型流場，頻率近40.0%，其次是E 型，A 型也較多，頻率近15.0%，其余類型出現(xiàn)較少，頻率不超過10.0%；在夜間（20:00—07:00）是B、E、F 型活躍時段，夜間出現(xiàn)最多的是B型流場，出現(xiàn)頻率近50.0%。其次是E、F型，頻率15.0%以上，G型出現(xiàn)最少。對比晝夜間各型分布可以看出：A、D、G、H 型夜間出現(xiàn)比晝間偏少。

表2 56個重污染日各時次流場分型出現(xiàn)次數(shù)Tab.2 Occurrence times of flow field classification in 56 heavy pollution days

3.3 各流場分型與PM2.5濃度的關(guān)系

關(guān)中區(qū)域秋冬季空氣污染較為突出，一方面是由于冬季采暖，污染排放量增大，造成環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)；另一方面秋冬季大氣擴散能力顯著下降，可能是造成近年關(guān)中區(qū)域污染日數(shù)增多的主要原因之一。為進一步分析低空流場對區(qū)域污染的影響，結(jié)合2017年關(guān)中區(qū)域內(nèi)五市環(huán)境空氣質(zhì)量現(xiàn)狀監(jiān)測資料，對不同流場類型下的五市PM2.5小時平均濃度進行了統(tǒng)計分析。不同類型流場下PM2.5的小時平均濃度統(tǒng)計見表3，D、E 型流場則更容易導(dǎo)致PM2.5濃度上升，D、E型流場屬于山谷風(fēng)流場，往往在夜間出現(xiàn)。

表3 不同類型流場下PM2.5的小時平均濃度統(tǒng)計Tab.3 Statistics of PM2.5 hourly average concentration under different types of flow field

進一步分析日均濃度最大的前10 個嚴重污染日及其流場情況可知：受喇叭口地形影響，晝間氣流沿汾渭平原輸送，在關(guān)中形成輻合，午后氣流沿山向西繞流在關(guān)中形成輻合，夜間氣流沿秦嶺北坡進入平原地區(qū)，A、C型和B、D、E型形成的山谷風(fēng)容易在關(guān)中區(qū)域形成渦旋氣流，造成污染物堆積，導(dǎo)致PM2.5濃度上升，引起區(qū)域重污染天氣，污染物沿東部來流路徑被輸送至關(guān)中是關(guān)中區(qū)域重污染天氣的主要成因之一；另外，關(guān)中區(qū)域無顯著流場出現(xiàn)83次，平均PM2.5濃度203.4 μg·m-3，為8種流場平均最大，1 月1 日最大持續(xù)21 h，期間西安PM2.5最大濃度達485.0 μg·m-3，可見，區(qū)域大氣處于靜穩(wěn)狀態(tài)，是造成關(guān)中區(qū)域污染形勢進一步加重的主要原因之一。

4 討論

由上述的研究可知，陜西關(guān)中是污染重發(fā)、多發(fā)區(qū)，污染物排放、輸送等都是造成關(guān)中區(qū)域重污染的重要因素。韓博威等［19］統(tǒng)計分析了冬季長三角地區(qū)重污染過程中大尺度環(huán)流背景場及氣象要素的影響，發(fā)現(xiàn)區(qū)域重污染的發(fā)生發(fā)展與大氣環(huán)流有著密切聯(lián)系，其中地形對污染的影響主要通過大氣環(huán)流。關(guān)中復(fù)雜的喇叭口地形，可導(dǎo)致吹向關(guān)中的偏東北或偏西氣流，與南部秦嶺北麓的偏西南風(fēng)或偏南風(fēng)匯合，在關(guān)中區(qū)域形成氣旋輻合或切變輻合。大西北的污染物從寧夏、陜北等地飄來，以及山西的污染物在關(guān)中與汾河谷地聚集回旋，造成區(qū)域重污染。另外，復(fù)雜地形、局地的小氣候影響，可能會造成一種或多種類型低空流場同時出現(xiàn)，形成復(fù)合流場。因此，后期研究工作應(yīng)該進一步分析復(fù)合流場，厘清各類型流場及復(fù)合流場各種組合對關(guān)中區(qū)域重污染影響，以期更清楚的認識污染傳輸機理，為政府開展聯(lián)防聯(lián)控、防污治霾工作提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

本研究以陜西關(guān)中區(qū)域五市（西安、咸陽、渭南、銅川、寶雞）為一個整體的研究對象，定義了區(qū)域污染和區(qū)域重污染，選取2017 年為代表年，利用模式格點模擬數(shù)據(jù)，對關(guān)中區(qū)域30 m 流場分型，重點分析了各流場分型與PM2.5濃度的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）造成關(guān)中區(qū)域重污染的流場分為：東部來流（A～C）、西部/南部來流（D～F）、北部來流非轉(zhuǎn)向（G）和無顯著流場（H）4個大類，根據(jù)出現(xiàn)時間和地點，東部來流又可被分為東北來流（A）、東北來流夜間型（B）、渭南繞山來流（C），西部/南部來流可被分為西南/南部來流（D）、北部來流轉(zhuǎn)向（E）、寶雞來流（F），共8個類型分別記為（A～H）。

（2）區(qū)域重污染過程中東部來流出現(xiàn)最多，頻率達到59.8%，其中B、C型流場出現(xiàn)次數(shù)最多，占比均達到25.0%，E、F 型出現(xiàn)頻率均高于10.0%，E、F型流場往往在夜間出現(xiàn)。各流場分型晝夜變化較大，在晝間的流場中，出現(xiàn)最多的是C 型流場，頻率近40.0%，其次是E 型和A 型。夜間是B、E、F 活躍時段，出現(xiàn)最多的是B 型，出現(xiàn)頻率近50.0%，其次是E、F型，此外A、D、G、H型夜間出現(xiàn)比晝間多。

（3）關(guān)中區(qū)域重污染主要出現(xiàn)在冬季，除因供暖導(dǎo)致的污染物的排放量增加外，低空流場對污染物擴散影響顯著，從流場分型上看，靜穩(wěn)天氣、山谷風(fēng)、北方污染物輸送是導(dǎo)致關(guān)中區(qū)域重污染的主要原因。