烏魯木齊重污染日PM2.5不同增長型的污染特征及氣象條件分析

劉 超，周雅蔓，魏娟娟，宮 宇，李淑婷

（1.國家氣象中心，北京 100081;2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；3.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

近年來，以大氣細(xì)顆粒物為主的PM2.5（空氣動力學(xué)直徑≤2.5 μm的細(xì)顆粒物）污染因其對能見度、人類健康和生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜影響而引起越來越多的關(guān)注[1-3]。自2013年《大氣污染防治行動計劃》實(shí)施以來，淘汰高污染和高排放的行業(yè)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)和能源結(jié)構(gòu)、限制車輛等一系列的污染源控制措施得以實(shí)施，我國重點(diǎn)地區(qū)PM2.5濃度呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，但與歐美國家相比仍有不小的差距，PM2.5重污染事件仍然頻繁發(fā)生。事實(shí)上，當(dāng)氣象因素有利于污染物的積累時，近地面PM2.5濃度會明顯增加[4-6]。因此，關(guān)注PM2.5的增長機(jī)制及其與氣象條件的關(guān)系是至關(guān)重要的。

有研究表明[7-8]在不同氣象條件下，PM2.5濃度增長主要表現(xiàn)為兩種形式：爆發(fā)型增長和持續(xù)累積型增長。前者主要表現(xiàn)為短時間內(nèi)PM2.5濃度快速由低值迅速達(dá)到峰值，而后者主要表現(xiàn)為PM2.5緩慢累積并持續(xù)多日。一般而言，本地污染源排放強(qiáng)度在短時間內(nèi)變化不大，產(chǎn)生上述兩種現(xiàn)象的原因與氣象條件密不可分。吳兌等[9]研究發(fā)現(xiàn)在京津冀地區(qū)形成一條“西南—東北”走向的近地層污染傳輸通道是北京地區(qū)霾污染快速加重的主要原因之一。吳進(jìn)等[7]研究發(fā)現(xiàn)2016年12月20—21日PM2.5維持高值的主要?dú)庀髼l件是近地面溫度日變化較小且逆溫層無明顯日變化。而ZHONG等[10]認(rèn)為主要是因?yàn)槲廴緦?dǎo)致的邊界層氣象條件“轉(zhuǎn)差”控制了PM2.5爆發(fā)型增長。由此可以看出，針對不同污染過程污染物增長類型的主要成因仍存在不同的理解和認(rèn)識，且主要研究區(qū)域集中在中東部地區(qū)，而對我國西部地區(qū)的研究卻鮮有報道。

烏魯木齊是新疆政治、文化、經(jīng)濟(jì)的中心，也是我國連接中亞及歐洲的重要交通樞紐地帶。近年來，盡管當(dāng)?shù)卣掷m(xù)努力治理大氣環(huán)境質(zhì)量，但2021年烏魯木齊地區(qū)PM2.5年均濃度仍達(dá)到40 μg·m-3，是我國《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）二級標(biāo)準(zhǔn)的1.1倍，大氣污染已成為當(dāng)?shù)厝罕娮顬殛P(guān)注的話題之一。大氣污染嚴(yán)重的原因受多方因素影響，第一，烏魯木齊大量污染物密集排放，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重，能源結(jié)構(gòu)偏煤炭，公路運(yùn)輸占比高；第二，與特殊的地理位置有關(guān)。烏魯木齊位于新疆中天山北部的沖擊平原上，東、西、南三面環(huán)山，地形整體呈現(xiàn)出“東南高、西北低”的分布特征，市區(qū)處在北天山西段和東段的結(jié)合部，大體為朝北的“喇叭口”地形；第三，出現(xiàn)有利于污染發(fā)生發(fā)展的氣象條件時，PM2.5極易增長。目前，關(guān)于烏魯木齊大氣污染的研究主要側(cè)重于PM2.5時空分布特征、PM2.5與氣象條件關(guān)系以及邊界層結(jié)構(gòu)特征等[11-13]，尚未開展重污染日PM2.5不同增長類型下的污染特征和氣象條件分析。因此，本研究利用2015—2021年冬季PM2.5濃度和氣象數(shù)據(jù)，對PM2.5不同增長類型下的環(huán)流形勢特征、地面氣象條件以及邊界層逆溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)對比和分析，以期進(jìn)一步揭示烏魯木齊大氣污染機(jī)理，為PM2.5精細(xì)化預(yù)報提供參考依據(jù)和理論支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究主要選取烏魯木齊2015—2021年冬季（11月—次年3月）空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，其中空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)選取10個國控空氣質(zhì)量站點(diǎn)的小時污染物濃度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于全國城市空氣 質(zhì) 量 實(shí) 時 發(fā) 布 平 臺（http：//113.108.142.147：20035/emcpublish/）；氣象數(shù)據(jù)為烏魯木齊地面氣象常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，主要包括溫度、風(fēng)速風(fēng)向以及相對濕度等。烏魯木齊市地面氣象常規(guī)觀測站和空氣質(zhì)量站點(diǎn)分布如圖1所示。高空環(huán)流和地面形勢分析則使用ERA5再分析資料，ERA5為ECMWF第五代全球大氣再分析資料，提供了逐小時陸地和海洋氣候變量，網(wǎng)格分辨率為0.25°×0.25°。該數(shù)據(jù)基于改進(jìn)的三維變分技術(shù)，具有時空分辨率高、參數(shù)多等特點(diǎn)，受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[14，15]。

圖1 烏魯木齊市空氣質(zhì)量和地面氣象常規(guī)觀測站站點(diǎn)空間分布

1.2 統(tǒng)計方法

根據(jù)我國《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）空氣質(zhì)量日均濃度標(biāo)準(zhǔn)，若某日PM2.5日均濃度≥150 μg·m-3則視為一個重污染日。本研究首先篩選出烏魯木齊地區(qū)2015—2021年冬季所有重污染日，并計算每一個重污染日與前一日PM2.5的日均濃度增長幅度，并參考ZHONG[16]等人研究結(jié)果，進(jìn)一步判斷該重污染日PM2.5增長類型。本文將烏魯木齊地區(qū)重污染日PM2.5增長類型劃分為：PM2.5爆發(fā)型增長日、快速型增長日和緩慢型增長日，即當(dāng)年冬季PM2.5濃度增長均值超過2倍屬于爆發(fā)型增長日，低于PM2.5濃度增長均值屬于緩慢型增長日，而快速型增長為介于1倍均值和2倍均值之間。重污染日PM2.5增長類型判別流程如圖2所示。

圖2 PM2.5增長類型判別流程

2 PM2.5污染特征分析

2.1 年際變化特征

圖3是烏魯木齊2015—2021年秋冬季PM2.5各級別逐年比例分布。2015—2021年烏魯木齊冬季大氣質(zhì)量優(yōu)良級別的比例呈逐年上升的特征，其中2015年冬季PM2.5的優(yōu)良比例僅為27.4%，而2021年冬季增長至57.2%。與此同時，PM2.5重污染及以上的比例由41.2%下降至8.6%，下降幅度達(dá)到79.1%。但這7 a間PM2.5非重污染的比例（輕度污染比例和中度污染比例之和）一直在29.1%～41.6%之間擺動，并沒有明顯的年際變化，而近2 a（2020、2021年）冬季PM2.5輕度污染和中度污染的比例已分別降至23%和13%以下。此外，經(jīng)統(tǒng)計2015—2021年冬季烏魯木齊重污染天數(shù)共計268 d（圖4），PM2.5重污染日數(shù)呈逐年下降趨勢，從2015年冬季的63 d下降至2021年冬季的13 d，下降比例高達(dá)79.3%。但重污染天氣下的PM2.5平均濃度呈U型分布，由2015年冬季的PM2.5濃度224.9 μg·m-3緩慢下降至2019年冬季的183.4 μg·m-3，下降比例為18.4%，PM2.5重污染的污染程度逐年下降。但從2020年冬季起PM2.5呈現(xiàn)出緩慢增長的趨勢，PM2.5濃度分別為192 μg·m-3（2020年）和205.3 μg·m-3（2021年）。統(tǒng)計結(jié)果表明，烏魯木齊近年來空氣質(zhì)量得到明顯改善，大氣污染防治工作取得明顯成效。

圖3 烏魯木齊2015—2021年冬季PM2.5各級別逐年比例分布

圖4 烏魯木齊2015—2021年冬季重污染日數(shù)和重污染日PM2.5濃度變化

2.2 月變化特征

對近7 a重污染分布日數(shù)和PM2.5濃度進(jìn)行逐月統(tǒng)計，結(jié)果表明，PM2.5重污染主要發(fā)生在12月—次年2月，其中1月重污染日數(shù)最多達(dá)15.4 d，其次是2月（10.3 d）和12月（9.7 d），而11、3月分別為1.1、2.3 d（圖5）。1月為冬季PM2.5重污染日濃度最高的月份，達(dá)到218.5 μg·m-3。由此可以看出，烏魯木齊重污染頻發(fā)且污染最重出現(xiàn)在1月。

圖5 烏魯木齊2015—2021年冬季重污染日數(shù)和重污染日PM2.5濃度逐月變化

2.3 不同PM2.5增長型變化特征

通過計算2015—2021年冬季PM2.5重污染日的較前一日濃度增長變化，并分別按照10 μg·m-3（增長幅度＜80 μg·m-3）和20 μg·m-3（增長幅度＞80 μg·m-3）濃度增長區(qū)間進(jìn)行區(qū)間統(tǒng)計分析（圖6）。PM2.5濃度增長比例隨著區(qū)間增長而不斷降低，但超過70%的重污染日PM2.5濃度增長分布在60 μg·m-3以內(nèi)，其中0～30 μg·m-3和30～60 μg·m-3區(qū)間的比例分別為37.7%和34.7%。但也有超過10%的重污染日PM2.5濃度增長在80 μg·m-3以上，PM2.5濃度增長在100 μg·m-3以上比例的超過5%。

圖6 PM2.5重污染濃度增長區(qū)間分布

從表1可知，除了2017、2020年冬季PM2.5濃度增長均值低于40 μg·m-3外（分別為34.4、38.6 μg·m-3），其余均在40 μg·m-3以上，其中2016年冬季PM2.5濃度增長平均值達(dá)到53.8 μg·m-3。按照PM2.5增長類型判別方法（圖2），并結(jié)合每年重污染日PM2.5增長均值進(jìn)行分類，烏魯木齊2015—2021年冬季PM2.5重污染爆發(fā)性增長日、快速型增長和緩慢型增長日分別為13、449和94 d，以快速型增長為主。因此，烏魯木齊冬季PM2.5重污染以快速型增長為主。此外，爆發(fā)性增長日和緩慢型增長類型的重污染日數(shù)均呈現(xiàn)出逐年波動性下降的趨勢，其中2021年冬季未出現(xiàn)爆發(fā)型增長日，并且緩慢型增長日下降至4 d，相較于2015年冬季下降比例高達(dá)85.1%。由此可以看出，對烏魯木齊冬季爆發(fā)型增長日和緩慢型增長日的研究具有顯著實(shí)際意義。

表1 PM2.5不同增長類型逐年變化

3 環(huán)流分析

3.1 500 hPa高度場

對2015—2021年烏魯木齊冬季PM2.5爆發(fā)型增長日和緩慢型增長日的500 hPa環(huán)流形勢分別進(jìn)行合成分析（圖7），發(fā)現(xiàn)二者在歐亞范圍內(nèi)500 hPa高空形勢上均主要受西北或偏西氣流影響，在新疆—西西伯利亞地區(qū)受一寬廣的長波暖脊控制，高壓脊線主要位于82°E附近的新疆西部—阿爾泰山以北地區(qū)，這與前人[11]研究結(jié)果較為一致。

圖7 爆發(fā)型增長（a）和緩慢型增長（b）重污染日500 hPa環(huán)流形勢和風(fēng)場對比

但二者500 hPa高空形勢場仍有明顯差別，主要體現(xiàn)在3個方面：第一，爆發(fā)型增長在黑海和里海之間存在明顯高空槽，環(huán)流經(jīng)向度大，槽前正渦度平流和正熱成風(fēng)渦度平流作用促使高空槽東移發(fā)展的同時，上下游效應(yīng)有利于新疆—西西伯利亞高壓脊發(fā)展；而緩慢型增長則環(huán)流經(jīng)向度較小，高空槽曲率比爆發(fā)型增長的曲率小。第二，在爆發(fā)型增長的天氣下，位于新疆—西西伯利亞地區(qū)的高壓脊勢力較強(qiáng)，高壓脊頂部主要位于70°N附近，而緩慢型增長的高壓脊較為平直，高緯度為平直西風(fēng)氣流，中緯度新疆及以北地區(qū)存在弱高壓脊，高壓脊頂部主要位于50°N附近，且540 dagpm位置較爆發(fā)型增長偏南1個緯距，強(qiáng)度和影響范圍明顯低于爆發(fā)型增長。第三，爆發(fā)型增長的大風(fēng)區(qū)（風(fēng)速>14 m·s-1）主要位于新疆北部和東部，而緩慢型增長的高空大風(fēng)區(qū)偏北，弱于爆發(fā)型增長，這主要與高壓脊勢力較弱有關(guān)。

3.2 海平面氣壓場

烏魯木齊發(fā)生重污染時的海平面氣壓場以高壓后部型為主，高壓底部型次之。高壓后部型主要是地面高壓中心位于阿勒泰東部和蒙古國西北部之間，烏魯木齊位于地面高壓的西南部；而高壓底部型是指高壓中心位于新疆以北地區(qū)，烏魯木齊位于地面高壓的南部[11]。對2015—2021年烏魯木齊冬季PM2.5爆發(fā)型增長日和緩慢型增長日的海平面氣壓場分別進(jìn)行合成分析（圖8），發(fā)現(xiàn)兩種類型海平面氣壓場呈現(xiàn)出“東高西低”的分布特征，其中二者高壓中心均位于蒙古國西部和新疆以東地區(qū)，但爆發(fā)型增長的高壓中心強(qiáng)度略強(qiáng)于緩慢型增長，且高壓中心更偏南。此外，“東高西低”的氣壓場配置在地面形成回流型偏東風(fēng)或東南風(fēng)，但對于烏魯木齊而言，當(dāng)爆發(fā)型增長發(fā)生時，烏魯木齊處于高壓中心的后部，南北氣壓梯度較為顯著；當(dāng)緩慢型增長發(fā)生時，烏魯木齊位于高壓后部的均壓場控制下，氣壓梯度力較弱，說明爆發(fā)型增長時地面梯度風(fēng)較緩慢型增長大。

圖8 爆發(fā)型增長（a）和緩慢型增長（b）重污染日海平面氣壓場

4 氣象條件分析

研究表明[17]，重污染天氣除了受到相對靜穩(wěn)的高空環(huán)流影響外，地面氣象要素對PM2.5的時空分布、生消變化發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。對兩種類型的氣象條件進(jìn)行統(tǒng)計分析（表2），兩種類型下的溫度在-9～-10℃，相對濕度分別為73.5 %和75.2 %。在低溫環(huán)境下，近地面能夠維持較高的相對濕度，主要與烏魯木齊冬季地面長時間處于積雪覆蓋的狀態(tài)有關(guān)，近地面水汽條件主要來源于下墊面積雪的蒸發(fā)作用，這一特點(diǎn)與我國中東部其他城市較為不同[18-19]。一般而言，較高的相對濕度常常導(dǎo)致顆粒物中的二次組分“吸濕增長”，出現(xiàn)污染物濃度爆發(fā)增長的現(xiàn)象，但對烏魯木齊而言，同樣的相對濕度出現(xiàn)兩種截然不同的增長趨勢，由此推斷相對濕度并不是烏魯木齊出現(xiàn)兩種截然不同PM2.5增長類型的驅(qū)動因子。同樣，兩種類型的主導(dǎo)風(fēng)向均為偏東風(fēng)，這與前述環(huán)流影響的結(jié)論一致。

表2 兩種增長類型氣象要素對比

為進(jìn)一步研究兩種類型氣象要素之間的差異，選取了2017年1月20—21日以及2020年1月22—23日分別作為爆發(fā)型增長和緩慢型增長的典型過程。前者PM2.5日均濃度分別為234、346 μg·m-3，較前一日增長了69、111 μg·m-3；而后者PM2.5日均濃度分別為162、164 μg·m-3，較前一日均增長2 μg·m-3。因此，對溫度、相對濕度以及風(fēng)場剖面進(jìn)行對比分析（圖9）。發(fā)現(xiàn)，二者相同之處在于污染發(fā)展初期850 hPa以下風(fēng)速均較小，風(fēng)速主要在2～4 m·s-1，風(fēng)向以東南風(fēng)或南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向。但在污染發(fā)展中后期可以看出爆發(fā)型增長800 hPa以下的東南風(fēng)明顯大于緩慢型增長。此外爆發(fā)型增長700 hPa以西風(fēng)環(huán)流為主，風(fēng)速＞4 m·s-1，而緩慢型增長在700 hPa高度上風(fēng)速較小，個別時次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)或靜風(fēng)。在T-LogP圖中，700～925 hPa相同高度上爆發(fā)型增長（圖10a）存在明顯逆溫和等溫層，且逆溫強(qiáng)度和厚度均明顯高于緩慢型增長（圖10b）。

圖9 2017年1月20—21日（a）和2020年1月22—23日（b）氣象要素綜合剖面

圖10 2017年1月21日20時（a）和2020年1月22日20時（b）T-LogP

此外，有研究表明[13，20-21]，翻山影響烏魯木齊的東南風(fēng)往往伴隨著逆溫的發(fā)展，逆溫強(qiáng)度、逆溫層高度以及厚度對污染物的垂直分布發(fā)揮著重要的作用。本研究對利用烏魯木齊每日探空資料對兩種類型下的逆溫厚度和強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表3所示。爆發(fā)型增長925~700 hPa逆溫層平均厚度為757 m，明顯大于緩慢型增長的633 m，爆發(fā)型增長的逆溫層底部和頂部溫差達(dá)到13.4℃·（100 m）-1，是緩慢型增長的1.8倍，導(dǎo)致爆發(fā)型增長的逆溫層強(qiáng)度明顯強(qiáng)于緩慢型增長，分別為1.8℃/100 m（爆發(fā)型增長）和1.2℃·（100 m）-1（緩慢型增長），其中緩慢型增長逆溫強(qiáng)度與冬季平均逆溫強(qiáng)度較為接近（1.06℃·（100 m）-1）[19]，但爆發(fā)型增長逆溫強(qiáng)度是冬季常年逆溫強(qiáng)度的1.7倍。由此可以看出，在地面氣象條件相近的情況下，造成兩種PM2.5不同類型增長的主要因素是由于邊界層內(nèi)的逆溫垂直特征分布結(jié)構(gòu)造成。

表3 爆發(fā)型增長和緩慢型增長逆溫對比

5 結(jié)論

通過近7 a烏魯木齊冬季逐小時地面常規(guī)觀測資料和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，并結(jié)合ERA5再分析場資料對重污染日PM2.5不同增長類型環(huán)流形勢以及氣象條件的分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）2015—2021年烏魯木齊冬季PM2.5重污染及以上的比例由41.2%下降至8.6%，PM2.5重污染天數(shù)由63 d下降至13 d。此外，有70%的重污染日PM2.5濃度增長分布在60 μg·m-3以內(nèi)，其中0～30 μg·m-3和30～60 μg·m-3的比例分別為37.7%和34.7%。但也有超過10 %的重污染日PM2.5濃度增長在80 μg·m-3以上。烏魯木齊冬季PM2.5重污染以緩慢型增長為主，其中爆發(fā)型增長日、快速型增長和緩慢型增長日分別為13、82和94 d。

（2）爆發(fā)型增長和緩慢型增長在歐亞范圍的500 hPa高空形勢上均主要受西北或偏西氣流影響，在新疆—西西伯利亞地區(qū)受一寬廣的長波暖脊控制，但二者高空形勢場仍有明顯差別，爆發(fā)型增長的高壓脊勢力較強(qiáng)，而緩慢型增長的高壓脊表現(xiàn)較為平直。兩種類型的海平面氣壓場均呈現(xiàn)出“東高西低”的分布特征，高壓中心位于蒙古國西部和新疆以東地區(qū)。當(dāng)爆發(fā)型增長發(fā)生時，烏魯木齊處于高壓中心的后部，氣壓梯度較為顯著，而當(dāng)緩慢型增長發(fā)生時，烏魯木齊位于高壓后的均壓場控制下，氣壓梯度較弱。

（3）爆發(fā)型增長925~700 hPa逆溫層平均厚度明顯大于緩慢型增長，并且前者逆溫強(qiáng)度達(dá)到1.8℃·（100 m）-1，高于緩慢型增長的逆溫強(qiáng)度1.2℃·（100 m）-1。由此推斷，相較于緩慢型增長，爆發(fā)型增長的邊界層逆溫強(qiáng)度大且逆溫層較為深厚。